综述我国铁路动车和动车组的发展(下)乔英忍(大连机车研究所,辽宁大连116021) 摘要:综述了从1958年至今我国铁路动车和动车组发展的3个阶段及其特点,对国内外铁路动车和动车组目前发展水平进行了比较,总结出国产动车和动车组在9个方面与国际先进水平的差距,提出关于我国铁路动车和动车组发展的5点意见。
简析了铁路动车和动车组国内、国际市场的现状和发展趋向,指出进一步加强和加快我国铁路动车和动车组发展的必要性和紧迫性。
关键词:动车;动车组;技术水平;发展阶段;分析;市场;差距;意见中图分类号:U266 文献标识码:A 文章编号:100321820(2006)0320001207 收稿日期:2005210210作者简介:乔英忍(1941—),男,陕西三原人,编审。
2.3 国产动车和动车组与国际先进水平的差距(1)最高速度目前国外运用的电力动车组的最高设计速度达350km/h ,例如西班牙的T alg o 350型和ICE -350E 型(运用型号为AVE S103型)。
法国国家铁路正在研制的6动+4拖AG V 型高速列车最高设计速度也是350km/h 。
日本正在研制的“Fastech 360”试验型新干线电动车组(包括E954和E955两个型号)设计速度为360km/h ,要求进行性能试验时,速度达到405km/h 。
我国研制的中华之星电力动车组的设计速度是270km/h ,是目前国产动车组中速度最高的。
西班牙铁路运用的T alg o XXI 型摆式内燃动车组设计速度达到220km/h ;英国铁路运用的Super V oyager 221型摆式内燃动车组、V oyager 220型非摆式内燃动车组和德国铁路的ICE -T D (VT -605)型摆式内燃动车组的设计速度均为200km/h 。
我国研制的新曙光号和神州号内燃动车组的设计速度都是180km/h ,是目前我国内燃动车组速度最高的。
(2)最大功率列车速度的提高,首先要求牵引功率要大。
日本500系16M 动力分散式高速列车的总功率达到18240kW ,采用TG V 技术的韩国K TX 动力集中式高速列车的总功率为13200kW ,运行在巴黎、伦敦和布鲁塞尔之间的欧洲之星(Eurostar )高速列车总功率也达到12200kW 。
我国中华之星高速列车的功率达到9600kW ,先锋号动车组总功率为中华之星列车的一半,是4800kW 。
(3)动车用轻型柴油机从表3不难看出,国产动力集中式大功率内燃动车组,采用国内制造的240和280系列大功率机车柴油机,而动车用单台1000kW 以下的柴油机则采用Cummins 、Caterpillar 、MT U 等进口柴油机。
目前在国际市场上颇受用户欢迎的是由可安置在地板下面的由卧式柴油机组成的动力包,而我国铁路工业系统,目前还提供不出这种类型的成熟、可靠产品,必需时,只能依靠进口。
从国外铁路动车组发展的趋势看,大功率高速动车组(或高速列车)普遍采用电力牵引,而小编组、高密度、公交化的普速动车组则更适合于采用内燃牵引,而且这种动车或动车组的市场需求也很大。
因此缺少适用、成熟、可靠的动车用轻型高速柴油机是我国内燃动车和动车组发展中的一个基第3期(总第385期) 内燃机车 2006年3月本而明显的差距。
(4)电力牵引系统对于电力动车组和电力传动内燃动车组来说,由于电力、电子和电器设备及其系统,在体积、重量不能增大而要求减小的条件下,又要求大幅度增加功率,于是交流传动成为一种必然的选择。
在国外牵引逆变器采用的半导体器件发展中,已经由普通晶闸管(SCR)、门极可关断晶闸管(G T O)向绝缘栅双极晶体管(IG BT)、集成式门极换向晶闸管(IG CT)和智能功率模块(IPM)过渡。
20世纪90年代初,日本三菱电机公司将开发研制的智能化的IPM牵引逆变器模块,安装在西日本铁路公司的300N型高速列车上,同原300系列车上的同等容量的G T O逆变器相比,体积仅为原来的69%,重量仅为原来的73%,目前单台IPM逆变器功率达到1200kW。
西班牙T alg o350型高速列车首次在主电力牵引系统中采用轴功率大于1000kW的IPM变流装置,与采用G T O技术相比,功率损失降低50%～85%,1个IPM模块重量只有4kg,中间直流环节电压达到2800V。
韩国在引进法国TG V高速列车技术的基础上,自主开发了350km/h的G7型(K HST)高速列车,采用集成式门极换向晶闸管(IG CT),这种开关器件具有效率高、设计紧凑、模块化、成本低等优点,适用于中等电压、大功率电路。
我国铁路电力动车和动车组在电力传动技术上,跨越了国际上多数国家经历的几代方式,直接进入水冷变流器和交流异步牵引电动机传动方式,实现了工程化,性能指标接近20世纪90年代国际同类先进水平。
但是我们的技术和产品的运用考核时间和运行里程都比较短,自主开发的主变流器的稳定性和可靠性尚不尽人意,有待不断完善。
特别是国外变流装置的控制技术一直在发展,从转差特性控制到矢量变换控制,又到直接力矩控制。
我国同国外技术比较,在变流技术的“软件”方面存在着较大差距,我们所欠缺的就是控制技术上的原创性进展。
我们研制的电力传动内燃动车组至今还缺少交流传动产品,更谈不上技术水平乃至可靠性等方面的比较。
(5)高速转向架为了保证高速动车组安全平稳地运行,高速转向架成为又一项关键技术。
日本高速转向架的研制和运用经过了第一代无摇动台转向架、第二代无摇枕转向架和第三代新型无摇枕转向架等阶段,先后研制成功30多个品种。
第三代转向架的主要技术特点是采用主动控制半有源悬挂系统。
500系高速列车采用的W DT205型转向架由川崎公司生产,最高运用速度300km/h,最高试验速度350km/h,属于第三代转向架。
为了实现21世纪运用速度超过350km/h高速列车的需要,日本铁路工业、科研部门和运用部门联合研制JR21型高速转向架,其中一种产品是把牵引电动机吊挂在车体和转向架之间,因此只有一半的电机质量悬挂在转向架构架上,采用平行万向轴驱动装置;另外一种转向架则是将牵引电动机和盘形制动装置制成一体,吊挂在车体上,电机输出轴与轮对车轴垂直布置,采用圆锥齿轮传动装置。
JR21型转向架成功地减轻了簧间及簧下质量,运行平稳性大幅度提高,最高试验速度达到450km/h,人们正在期待着JR21型转向架早日装车试验和运用。
德国ICE3型和ICE M型高速列车采用的是奥地利SG P公司和德国西门子公司、原Adtranz公司(今属Bombardier公司)联合开发的SG P500型高速转向架,最高运用速度为330km/h,最高试验速度达到363km/h。
西班牙铁路向西门子公司购买的ICE350型高速列车采用的SG P500型的发展型转向架,最高运用速度提高到350km/h。
我国是从20世纪90年代中期开始研制高速转向架的。
中华之星的D JJ2型动力车转向架采用小轮径车轮、六连杆二级空心轴弹性传动、后置推挽式平牵引杆、空心轴盘形制动器、人字形传动齿轮和牵引电动机半悬挂等技术,最高运用速度为270km/h,最高线路运行试验速度达到321.5km/ h。
中华之星钢结构拖车转向架采用四方厂在引进日本技术基础上进一步开发的SW-300型转向架,铝合金拖车转向架采用长客股份公司研制的CW-300型高速转向架,两种转向架的速度等级与动力车转向架的相同,而SW-300型转向架的最高台架试验速度达到400km/h。
先锋电力动车组装用PW-250M型动力转向架和PW-250T型拖车转向架,除动力转向架的传动和基础制动装置以外,两种转向架的功能部件结构基本相同,其特点是采用转臂定位,无摇枕空气弹簧直接承载,中心销拉杆牵引,最高运行速度均为250km/h。
动力转向架采用一级斜齿轮传动和轮盘式单元制动。
2 内燃机车2006年我国研制的高速转向架除在速度等级上与国外先进转向架有明显差距外,在可靠性和安全性方面也存在着较大差距,具体表现在关键部件发生裂损,产品质量不稳定。
目前我国对高速转向架的理论研究采用计算机仿真技术,与国外差距不大,但在如何实现动力学参数的机构创新方面则较为欠缺。
另外我国高速转向架研究设计中的减重问题也应引起重视。
中华之星高速列车动力车转向架的重量为15.1t,而德国ICE1高速列车同等功率动力转向架的重量只有9.6t,比前者轻38.5%。
国外批量生产和运用的动车组采用的独立车轮走行部、铰接式单轴走行部、关节式列车雅柯比转向架等的发展动向和成果也值得我们重视和借鉴。
(6)轻量化技术上面提到的减重问题并不只关系到转向架1个部件。
鉴于“高速度”的特点,动车和动车组的所有设备和零部件都必须在加大功率、增加负荷的同时,缩小体积和降低重量。
减重实际上是一个轻量化技术问题,它的发展趋势和标志可由动车组的最大轴重来体现。
日本运用的高速列车,除部分最大轴重达到15、16、17t外,400系、E3系、E2系和E2 -1000型动车组的最大轴重为13t,300系、700系和500系动车组的最大轴重只有11.3t和11.1t,而平均定员时的轴重甚至低于11t。
我国先锋号动车组的最大轴重为15t,中华之星号动车组动力车的最大轴重为19.5t。
轻量化技术的主要措施之一是采用铝合金车体。
目前国外铁路动车和拖车的车体承载结构已经由原来的碳钢结构经过不锈钢结构,发展到铝合金结构时代。
而铝合金结构也由最初的以铝代钢的原钢结构,经过铝型材结构、铝蜂窝结构、大型铝挤压型材,发展到中空双表面大型铝合金挤压型材。
近年来,我国铝合金车体的制造工艺取得突破性进展,有的企业已形成批量生产能力。
中国北车集团长春轨道客车股份有限公司为武汉和广州生产的铝合金城轨车辆已经交付运用。
按照我国铁路运用动车组的拖车长度,铝合金车体质量可以达到8.5～9t,与钢结构车体比较,可以减重约25%。
(7)制动技术为了保证高速动车组高速、平稳、安全地运行,制动技术是关键技术之一。
当代高速动车组的制动技术有3个主要特征:强化复合制动,保持较高的制动减速度;采用电阻制动,确保安全制动距离;尽可能降低簧下质量。
为强化复合制动,西班牙T alg o350型和ICE 350E型高速列车不仅拖车每轴采用3～4组高制动功率的轴式制动装置,而且在动车上,加大再生制动的制动功率。
法国最新型的AG V动车组的拖车采用非粘着型涡流轨道制动。
日本的E2-1000型高速动车组的拖车采用两组轮盘式锻钢盘和两组轴盘式锻钢盘,为了降低簧下质量,未采用涡流盘形制动。
我国中华之星和先锋号动车组的制动系统已经全部国产化。
中华之星制动系统由再生制动、空气制动和联合制动3种功能方式组成,采用微机控制直通式电空制动,制动力随负荷自动调整。