和谐号车头车体内部机械室各部件分布布置及作用

【专家解说】：当人们看到具有流线型华丽外表的高速列车，以时速300公里的速度从身边呼啸而过时，都会感到惊叹不已。人们不禁会问，高速列车何以能有如此高的速度呢?           原因是高速列车采用了20世纪相关领域的高新技术成果。它集机械、电子、控制、通讯、空气动力学、环境保护等一系列学科之精华，综合利用了电子计算机、信息技术、新材料、电力电子元件等多种新产品，把铁路机车车辆制造技术推进到一个崭新阶段，从而实现了列车运行时速达到300公里以上，成为世界上仅次于飞机的高速交通工具。那么高速列车究竟采用了哪些高新技术? 高速列车跑得快，必须具备以下条件:要有大功率的牵引动力拉着列车跑;要求车辆又轻又稳;由于列车阻力与速度平方成正比，所以必须采用流线型车体以减少阻力等一系列措施，才能实现列车高速运行;列车跑得快，还要能及时停下来，因此高速列车不像普通列车那样依靠闸瓦与车轮摩擦力来制动，而要采用先进的综合制动手段;高速列车在线路上高速行驶，必须确保运行安全，这就要靠有一套确保安全的运行指挥系统，同时高速铁路的轨道、桥梁的结构与技术条件必须满足高速列车高速行驶的要求;高速列车向旅客提供高档次的旅行服务，所以需要具备相应的服务设施;•…¨要满足以上要求，高速列车必须采用高新技术才能付之实现。            牵引动力装置的重大突破 高速列车要达到高速运行，必须具有大功率的牵引系统。目前普通旅客列车所需牵引功率大约为2000-3000千瓦。如果列车行车速度要达到每小时300公里以上，高速列车牵引功率大约在10000千瓦左右。这样大的高速列车功率，通常只有用电力牵引才能获得。随着近代大功率电力电子半导体元件及电子计算机控制技术的发展，出现了大功率交-直-交变流技术。高速列车所需要的牵引调速性能，是不可能像汽车那样用简单的机械变速传动方式，而要采用'电传动'方式。即机车从电网获得电能(或将机车发动机的机械能转变成电能)，然后通过变流器调节该电能的电压、频率等实现电动机调速，带动列车轮对旋转使列车前进。电传动系统一般分为'交-直'和'交-直-交'等类型。'交-直'电传动是将机车从供给电能的接触网经受电弓获得的交流电，再经整流器将其变成电压可调的直流电，供给直流电机牵引列车，通过改变电压实现变速。但由于直流牵引电动机结构复杂，电刷易磨耗，维修量大，单位重量比功率小等原因，不适合高速列车。而'交-直-交'电传功是将获得的单相交流电，经变流器变成直流电，再经逆变器将直流电变成电压和频率都可调的三相交流电，供给三相交流电动机，驱动列车。当今高速列车都采用'交-直-交'电传动方式，因它具有一系列优点:可实现大功率、交流电机重量轻、少维修、利于轮轨粘着、易实现再生制动等，这些都是高速列车希望获得的性能。如再生制动能将高速列车巨大的动能通过电动机转变为发电机工况运行，使列车动能被利用，重新转化为电能，反馈回电网，具有较好的经济性。尤其是当前'交-直-交'变流及逆变器元件的迅速发展，十几年来从可控硅晶闸管发展到大电流门极可关断晶闸管(GTO)，进而采用高压绝缘双极晶体管(ICBT)及智能功率模块(IPM)等，使逆变器性能及机车控制等得到进一步改善。            动力性能优良的高速转向架 高速列车走行性能是极为重要的，要求列车即使在有一定不平顺的线路上运行时，列车本身的振动和线路激扰的振动都要被衰减在一定水平以下，为满足这一要求，必须有性能优良的转向架。为此，必须对转向架各悬挂参数进行优化设计。目前利用计算机仿真技术在计算机上对列车的运动进行模拟分析，通过改变转向架的悬挂参数得到不同的结果，从而可以选取最佳的参数，并对其进行合理匹配，再在试验台上进行滚动试验和在线路上进行运行试验，以进一步验证 。为使列车能高速平稳运行，对转向架的制造和组装精度要求非常严格。国外高速列车要求同一轮对左右滚动圆直径之差小于0•2毫米，这远比一般列车高很多，所以必须要具有高水平的制造技术。目前一些技术比较先进的国家，已经能够制造出在时速300公里以上具有良好走行性能的高速转向架。             采用新材料使列车轻量化 为抵消高速所引起的动力作用，降低高速列车的轴重(即列车轻量化)非常必要。降低轴重对减轻地基的振动，减少线路的破坏和维修工作量等非常有效。同时，降低轴重还可以起到减少能耗的效果。降低轴重除进行结构优化设计外，采用轻型材料也是非常有效的方法。目前高速列车车体采用的材料有耐候钢、不锈钢、铝合金等。在轻量化上不锈钢优于耐候钢，铝合金又优于不锈钢。在车体内装饰上，广泛采用玻璃纤维加强塑料(FRP)、聚胺脂等高分子复合材料，这些新材料的采用，大大降低了列车内装饰的重量。流线型的高速车体外型由于高速列车的高速运行，空气动力学问题在高速铁路中占有很重要的地位。由于空气阻力与运行速度的平方成正比，当列车以时速300公里运行时，其空气阻力约占列车全部阻力的80% ，所以高速列车头形必须进行流线化设计，并考虑车体表面平滑化等各种减阻措施。同时，高速列车也必须考虑气密性与气密强度问题。高速列车的空调通风系统，要把车外新鲜空气提供给车内，当车外空气压力变化时，还要具有保持车内压力基本不变的功能。列车在进人隧道后车外压力变化很大并很突然，给高速列车换气系统的设计制造带来了困难。目前国外高速列车在通过隧道时，采取关闭换气口，设板簧压力保护装置和有源压力保护装置等措施，可以满足高速运行条件下既能换气通风又能起到压力保持作用。为满足舒适度要求，不使乘客耳膜有不适感，高速列车对车厢内空气压力的变化幅度和变化率都有严格规定(一般要求压力变化率小于每秒300帕，最大变化幅值小于1000帕)。目前用空气动力学数值模拟与风洞试验相结合的方法，进行高速列车空气动力性能的研究和气动外型设计，并形成了一套较完整的高速列车空气动力学技术。            高性能的安全制动装置 列车运行的运动能量与速度的平方成正比，如列车自重700吨，以时速300公里速度运行，其具有的动能为2430兆焦[耳]。高速列车制动系统必须在一定时间内将这些能量转化为热量耗散掉，或将牵引电动机变成发电机把机械能转化为电能反馈回电网(也有用电阻消耗掉的电阻制动)。利用摩擦直接将动能转化成热量的制动系统称为机械制动系统，转化成电能反馈给电网的制动系统称为再生制动系统。高速列车的机械制动系统大多为盘形制动，它是用锻钢或铸钢制成的钢盘(并且正在开发铝合金以及碳-碳纤维制动盘)安装在车轴或车轮辐板上，利用粉末冶金闸片与制动盘摩擦产生热量来耗散能量。高速列车制动系统需要消耗巨大的能量，单独依靠机械制动系统很难满足要求，目前大多数高速列车都有再生制动系统，并且在制动时优先使用再生制动。除以上介绍的机械摩擦制动和再生制动外，在高速列车上常用的还有磁轨制动与涡流制动。磁轨制动是给悬吊在转向架上的电磁铁通电后，使其与钢轨间产生吸力，牢牢地吸在钢轨上，靠电磁铁与钢轨间的摩擦来制动。涡流制动是依靠涡流线圈与钢轨间相互作用产生的磁吸引力进行制动。磁轨与涡流制动可在高速下增加制动力。总之，高速列车必须采用综合制动手段，以达到高速下的制动要求。             可靠的供电受流技术 高速列车绝大多数都是电力牵引，高速受流即所谓的网关系，也是开发高速列车需要解决的问题之一。高速列车运行中需要由地面供电系统通过接触网经受电弓获得电能，牵引列车运行。这种受流方式只能依靠受电弓在接触网导线上滑动获得电流，因此，保持受电弓与接触网导线良好的接触，以使列车能够连续获得电流是至关重要的。由于接触网的不平顺或受电弓的振动，会使得受电弓与接触网导线瞬时离开，这种现象一般用离线率，即受电弓离线时间与整个运行时间的比来表示受流的质量。受电弓与接触网导线离线不仅恶化受流质量，还会便受电弓与接触网导线间产生电弧、增加噪声、电蚀接触网导线和受电弓滑板，从而降低接触网导线使用寿命。在振动中仍能保持良好的接触是高速列车受流所应该解决的问题。为保证受流质量，接触网导线的波动速度至少要大于1•4倍的列车速度。这是由于接触网导线是柔性悬链线，它在受电弓抬升力的作用下，导线发生变形而出现波动，这种波动会沿接触网导线方向传递。提高接触网导线的波动速度可用增加导线的张力和降低其线密度来实现。因此，高速铁路接触网导线必须具有高强度低重量，并具有较好的平顺性。对高速列车来说， 性能优良的受电弓是非常必要的。目前可用计算机数值模拟技术，对受电弓与接触网的振动进行模拟分析，优化选择受电弓与接触网的各种参数。           智能化的检修技术 高速列车要高效率地运行，必须要做到能快速维修、少维修甚至无维修。如德国ICE高速列车在回检修基地前100公里处，就根据列车监视、故障诊断的结果，通过信息系统传递给检修基地，在列车还没有到达之前已经做好了一切检修准备。各国高速列车正在将维修保养方式由定期检查逐步转向事后处理，这就给车辆设计提出了更高的要求，作为发生故障而不影响运行的基本保障就是进行多重系统设计(即同时设有2套以上备用系统，紧急时备用系统投人运用)，另外，还有弥补机能或性能的方法等。这种事后处理就是状态修方式，它可以最大限度地节省保养费。先进的故障诊断及地面信息管理系统是实现车辆状态修的前提。目前各国高速列车都做到了3000公里以内不需任何维修，一般预防性维修大多以模块化换修为主，以节省列车维修停车时间，提高列车使用效率、全新的环保技术高速列车由于速度高，产生较大的噪声、振动、电磁干扰等现象。所以发展高速列车必须采取各种环保技术，制订防止噪声、振动和电磁兼容的对策，对列车内、外的环境条件都有明确的标准。高速列车由于速度高，排污问题已不能采用普通列车的开放式排污方法。目前高速列车大多采用与飞机相同的集便系统，按类型有循环式、喷射式和真空式。在车辆基地有污物处理系统，使其达到国家规定的排放标准后向外排放。