发布时间 : 星期四 文章我国铁路机车车辆现代化的关键技术更新完毕开始阅读08539a140b4e767f5acfce24
日本采用了数字式电气指令直通式电气制动模式。从司机控制器引出很多根指令线，根据制动，缓解要求，使各指令线交替供电，输出不同等级的指令，送入电子控制系统演算，最后输出电流指令。制动缸是由副风缸直接供风制
动。其备用制动系统也是简单式的直通空气制动。
德国采用了模拟式电气指令自动式电空制动模式。由司机制动控制器输出不同的电信号，送入微处理器进行演算，然后将电信号送入EP电空转换阀，并控制列车管的精确充排气，通过分配阀的作用使盘形制动动作。这种模式可以
节省空气备用制动系统，但空走时间稍长。
法国采用了模拟式电气指令直通式电空制动模式。同样由司机制动控制器输出不同的电信号，送入微处理器进行演算，并由电空EP转换阀将空气信号送到中继阀，直接控制副风缸向制动缸充排风，实现制动和缓解。在每一个转向
架上均备有标准的空气分配阀，作为备用制动系统。
3. 基础制动系统—大功率盘形制动装置
盘形制动机是高速列车诸多基础制动方式中最为重要的一种。制动盘与闸片在高速制动时承受极为苛刻的热负荷。为此必须重点解决两个问题：一是增加制动盘的强度和减少热裂纹；一是减轻制动盘的重量，降低高速转向架的簧
下重量。
表2为各国正在使用及研究开发的制动盘材料及性能比较。
各国正在使用及研究开发的制动盘材质 表2
材 料 特 点 强度(Mpa) 比重(g/cm2) 用 途 研究的国家
分 类 材料名称
铁系金属材料 铸铁系 片状石墨铸铁 摩擦特性稳定、价廉 250 7.2 客车、动车 世界各国
Ni-Cr-Mo低合金铸铁 摩擦特性稳定、合金化 250 7.2 高速动车 日本、德国
蠕虫状石墨铸铁 高强度石墨形状改变 500 7.2 旧线动车、客车 英国、日本
奥氏体等温淬火处理铸铁 高强度热处理 400 7.2 正在研究 日本
铸铁—铸钢包层材料 摩擦材料+强度材料复合 200+500 7.2+7.8 新干线高速动车 日本
钢系 铸钢 高强度耐热裂 800 7.8 ICE等 日本、德国
锻钢 高强度耐热裂 800 7.8 日本新干新、TGV、ICE 日本、法国德国
复合材料 非金属系 碳/碳纤维复合材料 重量轻耐热裂 150 1.5～1.8 正在研制并在TGV试用 日本、法国德国、英国
金属系 铝合金基复合材料 重量轻耐磨 300 2.9 正在研究开发中 日本、法、德、英、美
表3是各种闸片材质的特性比较。
各种制动闸片的特性比较 表3
铸铁闸片 特种铸铁闸片 合成闸片 粉末冶金闸片
摩擦系数 1 1～2 2～3 2～3
润湿时摩擦系数 稳定 稳定 不稳定 稍不稳定
磨耗量 1 0.3～0.5 0.1 0.1
重量 1 1
价格 1 1.5～2.5 5 6
主要适用车种 内、电动车机车、客车 各种车均用 内、电动车高速客车 特快高速列车
(2)制动盘结构：
传统的制动盘设有径向冷却风道，对于消散热量，增加热负荷承受能力具有很大的作用。但是在高速列车速度达到250km/h以上时，每个带径向冷却风道的制动盘气流损失达3～4kW。为了减少这种损失，德国曾在高速列车上采用
具有圆形或椭园形截面的立柱，增加气流的涡流度，减少空气消耗，在热量消散程度较好情况下，气流损失减少40%。法国又研制了整体锻钢的不通风实体制动盘结构，重量为传统制动盘的80%，而气流功率损失减到最少。但由于
制动后热量消散缓慢，所以此种制动盘必须采用比热大，热容量大，抗热裂强度高的材质，如高强度锻钢，甚至碳素纤维复合材料等材质，以保证在承受高的制动热负荷时制动盘不会受损伤。
4. 非粘着制动方式—电磁轨道制动，电磁涡流轨道制动。
(1)电磁轨道制动
磁轨制动的优点是：A.消耗功率小，每一米电磁铁仅消耗1kW功率；电流为6kA，由蓄电池供电即能励磁，在动车、拖车上均可采用。B.使用时对钢轨表面有清扫作用，有利于提高粘着系数。C.制动时簧下质量不增加，直接支撑
在钢轨上，不需附加长的横梁，不用调整间隙。但磁轨制动的缺点是：A.其作用是基于磁铁摩擦块与钢轨表面摩擦引起的摩擦力，它会引起钢轨表面局部过热磨耗，严重时导致钢轨损伤。B.制动力不易调整控制。C.由于磁轨制动
的摩擦制动力随速度的增加呈下降趋势，速度越高、制动力越弱。D.增加转向架的重量，每辆车要增加1.0吨重量。E.冬天有结冰的危险。F.常用制动不能应用。
ICE1、ICE2型拖车上决定采用磁轨制动。
(2)涡流轨道制动
涡流轨道制动具有下列的优点：A.钢轨与磁铁均无磨耗。B.高速时可以得到较大的制动力。因此在常用制动时也可以发挥较大的作用。C.制动时具有很好的控制性能。D.任何气候下，包括下雪结冰都有可靠的制动效果。
涡流轨道制动的缺点是：A.制动时励磁消耗功率较高，每1米长磁铁励磁功率达到22-37kW，励磁电流31kA。B.在制动过程中引起钢轨发热严重，钢轨温升还会引起钢轨变形，造成线路失稳问题。C.在速度低于50km/h时，涡流轨
道制动机的制动分力迅速减小而垂直方向的磁吸引力却过大，导致不能再工作，通常加以切断。D.涡流轨道制动机对信集闭设备尚有一定的影响。可采用新型轨道电路的办法解决。E.每辆车增加重量约2.4t。
涡流轨道制动机在100%励磁时(励磁功率为28kW)，250km/h的每米涡流轨道制动力可达7.2kN，空气间隙应尽量保持7mm不变。如果偏差1mm，制动力变化10%。
在速度从330km/h降到100km/h，涡流电磁铁的电流额定值36kA，当速度在100～50km/h时，电流降到其额定值65%。
ICE3型列车的涡流轨道制动只能在装有LZB的无碴轨道线路上才可正常使用。
5. 动力制动—电阻制动与再生制动
目前再生制动已经在德国ICE1，ICE2，ICE3型，意大利ETR500，ETR450，瑞典X2000，日本300系，500系，700系，E1系，E4系，E2系，E3系，法国TGV-欧州之星，韩国KTX型等高速列车上广泛采用。
根据法国铁路的规定，电阻制动属于安全制动类，即使接触网发生故障，电阻制动所需的励磁电流无法从电网上获取，但仍然可以由蓄电池组供电，因此属于“安全”电制动类型。
目前在法国本土运用的TGV高速动车组上没有采用再生制动，原因有二：一是法国既有线路的变电站大部分为直流变电站，不能接受再生制动的反馈电流；二是法国高速线的站间距比较长，如果采用再生制动，能够回收的电能不
足2%，是很有限的，一般说至少每年能回收电能超过5%，采用再生制动才有价值。而韩国的高速铁路停站较多，每年再生可回收电能已超过5%，因此，由法国生产的韩国高速列车KTX型上采用了再生制动系统。
6. 复合制动的有机组合
各国均采用由微机控制将各种制动方式有机地综合起来。
(1)法国TGV高速动车组的综合制动方式
法国TGV-PSE动车组在动车转向架(共6台)上采用电阻制动与铸铁闸瓦制动，拖车上采用盘形制动及合成闸片及铸铁闸瓦制动。控制方法是采用编制固定程序方法，全部制动能量中，电阻制动约消耗40%(TGV-A为18%)，铸铁闸瓦
约消耗15%(TGV-A粉末冶金闸瓦8%)，其余由盘形制动所吸收。
(2)德国ICE高速动车组的综合制动方式
ICE高速列车在动力车上采用了具有交流异步牵引电机的再生制动及耐热合金铸钢盘(ICE3有涡流轨道制动)。拖车上装有耐热合金铸钢盘。由微机控制的制动分配系统将几种制动方式有机平稳地组合在一起，以获得几乎恒定的制
动力曲线。
(3)日本高速动车组的综合制动方式：
再生制动，锻钢制动盘与粉末冶金闸片组成的高性能盘形制动及涡流盘形制动等组合成复合制动系统，由微机统一协调各种制动力的分配。
三、 高性能转向架技术
1. 高速转向架必须具备的动力学特性
◆高速运行稳定性：通常被称为蛇行稳定性。它不但影响列车的平稳性，而且也会导致脱轨，危及运行安全。
◆舒适性：即走行部振动平稳性对车辆内旅客的反映。
◆走行安全性：因轮/轨作用力不当而产生脱轨的可能性。
◆曲线通过性能：是指不应在通过曲线时对轨道和转向架产生不利的静态和动态作用力。
高速转向架的关键技术是一系悬挂系统及二系悬挂系统的优化设计及制造。
2. 一系悬挂系统
一系悬挂系统的轴箱定位刚度和簧下质量对直线运动稳定性有较大影响。另外，车轮踏面等效锥度，轴距等对车辆临界速度也有一定影响，为了实现轴箱在纵向和横向的合理定位刚度，同时减轻簧下质量，日本、法国、德国都在
高速转向架设计中采用各种型式结构的轴箱定位装置，各家均有不同的观点。但最终还应通过线路试验来证明设计的合理性。不同的设计是针对性地解决不同的动力学特性问题，力求在整体性能上达到好的效果。
3. 二系悬挂系统
空气弹簧作为二系悬挂系统的关键部件，成功地解决了车体振动问题，特别是垂向振动及乘坐舒适性问题。空气弹簧的设计经历了从约束膜式发展到自由膜式过程。空气弹簧内部节流孔也从初期固定式发展为可变式。在发展无摇
枕转向架后，空气弹簧的横向刚度降低，水平变位可大于±100mm，各种形式的空簧设计都有不同的技巧，
4. 减轻横向振动的主动、半主动有源控制系统
高速列车的稳定性、平稳性，曲线通过性能是相互制约的，在参数选取方面是难以获得兼顾的最优匹配系统，比如在直线运行稳定性与曲线通过性能在轴箱定位刚度的选取上是相互矛盾的，空气弹簧参数在平稳性和相对位移间也
是矛盾的，采用主动或半主动有源控制技术，目的是适应复杂条件使转向架动力学性能具有随机应变的能力，更好地解决横向振动问题，提高高速下的舒适性。
主动控制是采用液压或气压反馈控制技术，在控制系统指令下产生适合的作用力以抑制振动的发生与扩大。这种技术正在国外一些车辆上试用，如在日本E2-1000系高速列车上首先试验了这系统，动力源采用气压、在275km/h速
度下尾部车辆测得的横向加速度减少了一半，振动下降8dB。德国在ICE-2型高速列车上也作了相似的试验，取得良好效果。
半主动控制是用控制系统控制液压阻尼器，使其改变阻尼特性与阻力，对振动加以抑制，它比主动控制在结构、装置上更简单可靠，但对振动的抑制作用有一定局限性。日本500系、700系高速列车均已采用半主动控制技术。
四、 轻量化技术
1. 车体轻量化技术
车体轻量化的主要途径是采用新材料和优化结构设计。
传统的车体材料是碳素钢，由于预留了较大的腐蚀余量，因此自重大、寿命短，因此各国高速列车在车体设计制造中已基本采用铝合金挤压型材或不锈钢材，使车体结构实现无涂装、免维修或少维修。尤其是铝合金挤压型材，包
括异型或大截面空腹型材，是目前高速列车车体结构的主导材料。
大量采用高分子材料作为车厢内部设备材料也有很大的减重效果，如水箱，集便器、整体厕所，座椅等。
合理优化结构设计，充分利用强度理论和优化分析程序，把车体设计成整体承载的筒型结构，如日本的500系，德国的ICE3型高速列车的车体结构通过优化，在强度、刚度满足需求基础上，可降低车体结构金属重量10%以上。
2. 转向架轻量化技术
转向架重量约占车辆自重的20～30%，因此高速列车转向架轻量化具有重要意义。各国高速列车的转向架轻量化技术主要包括如下方面：
采用无摇枕结构；
构架采用H型钢板焊接结构，取消端梁；