高速铁路机车车辆关键技术分析

【摘 要】我国高速铁路的迅速发展和建设促进了区域经济发展和人们生活质量提升。机车车辆技术作为保证高速铁路机车车辆运行安全的重要基础，所涉及的技术众多，加强对机车车辆技术的研究，对于提高高速列车运行稳定性、安全性具有重要意义。

【关键词】高速铁路；牵引传动；外形空气动力学；高速转向架；复合制动技术

高速铁路列车按照动力轮对、驱动设备可以分为动力集中型、动力分散型，按照转向架布置、车辆连接方式可以分为独立转向架式、铰接转向架式。高速铁路机车车辆所涉及的技术众多，交流牵引电机控制技术能够使列车牵引、制动、导向、曲线通过性、运行平稳性等实现良好统一。机车车辆的控制与诊断技术能够明确故障位置，提出应急处理方案。与此同时，高速鐵路机车车辆还融合了机械、电子等多方面的技术。在我国高速铁路迅速发展、加快建设的大环境下，在一带一路的战略背景下，分析高速铁路机车车辆关键技术，对于推动机车车辆技术水平发展至关重要。

一、高速铁路机车车辆技术的发展

在科技技术迅速发展的背景下，我国高速铁路机车车辆获得了较快发展，逐渐由传统的蒸汽机车牵引技术转变为内燃、电力牵引技术。现阶段，机车车辆的牵引传动技术多采用电力牵引传动，将外部输入的电能或自身产生的能源通过电能转化与传递，将电能转变为机械能，以驱动牵引机车前进。早期运行的高速铁路机车车辆主要采用的直流电传动方式，伴随机车车辆技术的发展和新技术的引进，交流同步传统、交流异步传动的出现大大推动了高速铁路机车车辆技术的发展。

二、高速铁路机车车辆关键技术分析

（一）牵引传动技术

高速铁路机车车辆要求启动加速快，最短时间和距离内达到最高运行速度，并实现恒速运行。高速铁路机车车辆行驶过程中需克服列车运行阻力，减小列车对轨道的作用力，故对牵引动力的要求较高。高速铁路机车车辆的牵引动力需要满足功率大、自重小、轴重轻、黏着力好、控制性能好等作用。牵引传动技术能够可控逆转，加强机车车辆在高速运行状态下的黏着利用，牵引传动装置无转换向，故对电机耗损较小。目前在高速铁路机车车辆中应用较广泛的牵引传动技术是交-直-交变流体系。该技术是高速铁路机车车辆牵引技术的核心，逆变器是此项技术的关键，逆变器中的三项主要技术为电力半导体器件、变流电路结构性能、交-直-交传动控制技术。伴随GTO、IPM、IGBT等技术的发展，电压型逆变器供电鼠笼式异步电动机传动方式逐渐应用，高速铁路机车车辆主电路设备也逐渐向轻量化、低噪声、大功率、低维护等方向发展。

（二）高速转向架技术

高速铁路机车车辆有着其特定型号的转向架，既满足与高速列车总体模式兼容，又能够提高乘车品质，实现高度铁路机车车辆的牵引制动、荷载传递和分配、减振降噪等性能的良好统一。高速转向架是高速铁路机车车辆走行性能研究的先导，其中稳定性是评估高速转向架走行性能的关键指标，如车辆运行失稳，车辆轮对对钢轨将产生严重横向冲击，可能损坏车轮、钢轨，并导致严重振动和一系列行车事故。高速铁路机车车辆对运行速度要求较高，这大大增加了“稳定性”高速转向架的研发难度，除了稳定性外，高速转向架还必须具备舒适性、曲线通过、轻量化等特点。高速转向架的关键技术之一是轴箱定位结构，现阶段较常用的轴箱定位结构为转臂式轴箱定位结构、螺旋弹簧和圆筒橡胶并用等形式。刚度的确定与高速铁路线路状态、机车车辆运行速度、轮轨结合关系等有关。确保高速转向架舒适度的关键技术在于一系、二系悬挂柔度和减振器参数。通常高速铁路机车车辆会增大一系悬挂柔度，并采用无摇枕结构与抗蛇行减振器、高柔度空气弹簧等。高速铁路机车车辆的高速转向架需要借助电机及与电机相协调的传动系统，产程传递牵引力与制动力，依据牵引电机悬挂方式的不同，可以将机车车辆高速转向架分为架悬式、体悬式、半体悬式，其中体悬式作为广泛应用的高速转向架技术，能够解决机车车辆车体与轮对的动态相对位移。

（三）复合制动技术

制动系统的可靠性是高速铁路机车车辆行车安全的基本保证。在高速行车条件下，制动系统失灵的后果十分严重。高速铁路机车车辆制动系统要求在正常条件下，复合制动时各种制动形式合理分担制动力，一旦其中某种制动形式失灵，其他制动形式可提供补充，确保发生紧急制动动作时高速列车能够在规定距离内停车。高速铁路机车车辆的制动系统是基于微机控制、计算机控制网络的电气指令制动，为了避免制动系统失灵，复杂的控制指令系统中设计了补充措施。高速铁路机车车辆的复合制动系统包括控制系统、动力控制系统、空气制动系统、防滑器、非黏着制动装置等。所谓复合制动技术，即高速铁路机车车辆不同制动方式的综合作用模式，正常运行状态下首先发挥电制动能力，空气制动作为补偿。失电情况下，主要发挥空气制动能力。紧急制动状态下，在动力制动、空气制动外还有非黏着制动。复合制动系统分为网络控制、电控制动控制、空气制动控制，其中空气制动为最高安全级别，以网络控制为最高指挥级别。

（四）轻量化技术

实现高速铁路机车车辆车体结构轻量化的三个途径包括采用新材料、优化车体结构设计、改进车体结构设计方法。其中采用新材料是减轻高速列车车体结构重量的重要措施。现阶段高速铁路机车车辆主体材料有不锈钢和铝合金两大类，为了实现轻量化、改善机车车辆的隔音性能，目前已经开始应用纤维增强塑料夹层结构制造机车车辆主体，其重量约为铝车体的一半。此外，FPR也是高速铁路机车车辆的理想材料，具有质量轻、结构阻尼性好、隔热、耐腐蚀、高疲劳强度和高比强度等优势。转向架的轻量化主要包括采用H型钢板焊接结构、空心车轴、取消端梁、采用铝合金齿轮箱轴箱等方式。

（五）控制、诊断、维修技术

高速铁路机车车辆的控制与诊断系统采用的是车载分布式计算网络系统，可保障各车辆及各车辆各受控设备按照行车指挥命令和操作协调，及时发现车辆运行时的故障，确定故障位置并提出应急处理方案、通知地面维护部门。列车控制与诊断技术是保证高速铁路机车车辆运行安全、快速、节能、舒适的必备系统，是机车车辆的重要技术，具体包括超速防护系统、牵引控制系统、制动控制系统、测控系统等，上述系统以计算机构成网络，在结构上分为列车级、车辆级、系统级三层。高速铁路机车车辆的维修技术大量采用高新技术，车载微机诊断系统能够通过无线通信将机车车辆运行中检测到的故障信息传输给车辆段，车辆段做好维修准备后建立三层维修工作面。维修时的常用设备有轨道桥架空轨道、转向架更换设备、自动化清洗装置、真空排污处理系统、轮对诊断设备及控制维修过程的微机系统等。

三、结束语

高速铁路机车车辆发展迅速，涉及到的技术众多，包括电子技术、机械技术、计算机技术、材料工程技术等等，为了保障高速铁路机车车辆运行的稳定性、舒适性、安全性、节能性，推动高速铁路产业发展，需要加强对高速铁路机车车辆相关技术的研究，并以此为基础发展我国的高速铁路机车车辆技术。在引进新技术和机车车辆技术创新时，需结合高速铁路客流组织特点、运行线路条件等，做好配套系统的软硬件技术开发，不断加强高速铁路机车车辆关键系统的兼容性与配套性。

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