高速列车牵引电传动系统集成与优化设计研究1引言高速列车的发展就是一个技术不断创新、舒适性不断改进、可靠性不断加强、速度不断提高以满足社会经济发展需求的过程。

近半个世纪以来，运营速度200km/h以上的高速列车在日本、法国、德国等多个国家取得成功，快捷、舒适、安全、可靠的高速列车不仅加速了社会经济发展，而且丰富了铁路产业的内涵。

1997～2004年，我国铁路进行了5次大面积提速调图，但列车速度仍没有达到200km/h以上的速度。

2007年第6次的铁路大提速，使得列车运行速度提高到200km/h的区间达到6000km，840km线路达到250km/h速度要求。

第6次提速为我国高速铁路的建设奠定了技术基础，标志着中国铁路迈入了高速化运行的时代。

2007年，通过引进、消化、吸收、再创新，由唐车公司、四方公司、长客公司生产的多个系列时速250km高速列车下线。

截至2009年上半年，投入运行的时速250km的高速列车达到300余列，成功运行于京津、石太、合武3条客运专线和京哈、京沪、京广等多条既有线。

我国高速列车型号有CRH1型、CRH2型、CRH3型和CRH5型，为了满足京沪高铁的需要，又再此基础上开发了满足350km/h的改进型高速列车，这些系列统称为和谐号动车组。

高速列车的设计制造是一个复杂的系统工程，此项工作在我国尚处于起步阶段。

高速列车的设计首先要提出顶层的设计目标，针对列车的速度要求、舒适性要求、节能环保要求和安全性可靠性要求建立不同的优化设计方案。

设计生产满足要求的高速列车，还必须对高速列车的关键组成部件进行全面的理论分析与技术积累，在此基础上进行系统集成和优化设计。

牵引电传动系统是全列车的动力保证，作为现代高速列车的核心技术，对其进行技术优化与系统集成能保证该系统与整车的设计顶层目标一致。

2高速列车设计顶层目标分析高速列车是一个多学科相互交叉相互影响的综合技术体。

高速列车设计需要重点解决的问题包括：高速转向架、轻量化车体、牵引传动与制动、网络通信、辅助供电以及车载监控。

研究设计高速列车必须具有一套完整的技术体系，包括基础理论研究、技术管理规程、相关规范与标准等，从全局高度反映系统总体技术特点与技术水平关键指标集合。

2.1 顶层目标设定需求高速列车优化设计顶层目标的确立，直接支持高速列车系统的顶层设计，使得系统内各项技术运用都紧密围绕顶层目标进行。

这样可以有效配置系统内部技术资源，将那些虽短期内能取得局部效果，但不符合系统顶层目标技术方案的优化都舍去。

这可以按照既定原则来接近顶层目标，寻求所预期的整体效应。

高速列车顶层目标设定需求，以下几个方面是主要原因：(1) 顶层目标设定为高速列车设计制造指明方向顶层目标设定使得高速列车设计优化目的更为直观，为高速列车设计制造指明明确方向。

有了目标定位，系统集成与设计优化就要围绕各种既定指标进行，可以使决策者和施工者保持目标的一致；(2)顶层目标可为高速列车设计提供指导，更好实现资源有效整合顶层目标比其他目标更具有代表性和稳定性，在技术优化和系统集成过程中，系统整体以及子系统的设计、施工都需要围绕顶层目标进行。

确定了顶层目标，系统集成和优化的过程才能更加有效有序的进行，才能更有针对性的选取所需要的技术和设备；(3)顶层目标设置是对高速列车技术优化效果进行评价的基础参照顶层目标对高速列车系统集成与优化设计的实施情况进行合理评估，并为以后其他高速列车的优化设计提供参考。

图1所示为高速列车顶层目标确定与优化设计的总体思路。

图1高速列车顶层目标确定与优化设计总体思路2.2 高速列车设计顶层目标选取原则高速列车是一个复杂的大系统，构成部件众多，子系统既是独立体系，又有着相互的关联。

在顶层目标的选取过程中，应当从系统主体出发，综合分析各种影响因素，确保所选取的顶层目标有着重要性和代表性，以及各项目标值设定的科学性与合理性。

对高速列车系统集成与优化设计进行分析时，选取目标应坚持下面两点：第一，综合考虑多种背景因素，如成本、效率、社会效应、发展趋势与现有条件；第二，从全面性、关键性、科学性、系统性等多个角度出发，对影响高速列车设计整体性能的指标进行分析评价，找出关键指标。

本文选取5个高速列车设计的顶层目标，即速度、舒适性、能耗、安全以及可靠性能。

（1）速度是高速列车设计的关键参数高速列车的速度是最直接反映其与其他交通工具不同的特点。

旅行时间与最高运行速度是高速列车技术水平的主要标志和最直接体现，直接影响与其他交通工具的竞争能力。

（2）舒适性是旅客体验交通工具旅行时的直观感受列车的车载设施，人员服务水平，乘坐舒适性会随着人们生活水平的提高要求越来越严。

舒适性是高速列车设计中人性化的重要体现。

（3）能耗要求是考量何种交通方式最有效的基本指标节能与环保是社会经济可持续发展的强烈要求。

高速列车的运行，会消耗大量能源，并对周边环境带来噪声、振动、电磁辐射等多方面的污染，影响沿线居民或生物环境的生存方式，因此节能与环保是高速列车设计的重要理念。

（4）安全是高速列车正常运营的前提和保障选择出行方式时，人们会非常关注旅行方式的安全性。

安全与防灾贯穿高速列车甚至高速铁路系统规划、设计、施工、运营的全过程。

（5）可靠性体现在高速列车运行过程中要保证列车的正常高效，也要保证列车服役年限内维修、运行、服务的综合成本，这体现列车从产生到淘汰的综合利用水平。

2.3 高速列车设计顶层目标分析研究针对顶层目标来确定目标值，才能刚性约束高速列车系统集成与优化设计。

目标值的合理与否直接关系整个系统的成败。

目标值过高可能造成技术实现困难，系统运行不稳定；过低的目标值造成列车能力有限，技术水平较低，不能长期运行发展。

必须对顶层目标加以分析，来科学合理的确定目标值。

（1）速度目标值高速列车设计有几个关键速度——持续运营速度、最高运行速度和最高试验速度。

京津线最高运行速度350km/h，最高试验速度394.3km/h，持续运营速度270km/h。

石太、合武客专最高运行速度250km/h，持续运营速度200km/h。

即将于2012年开行的京沪高速最高运行速度380km/h，最高试验速度400km/h，持续运营速度350km/h。

速度目标值直接决定旅行时间，这是旅客选择高速铁路的首要考虑因素。

（2）舒适性目标值高速列车作为一种现代化交通工具，需要提供旅客舒适的旅行感受。

舒适性包含多个方面的指标，既有列车硬件设施的，也有运行外部条件的，还有服务人性化方面的。

舒适性指标值一般考虑以下几个方面：车内空气环境——客室温度夏季24～28℃，冬季18～22℃，客室湿度夏季40%～50%，冬季60%～70%。

车内空气含尘量小于0.5mg/m3，微风速小于0.25m/s。

车内气压变化——客室内气压变化小于1kPa，压力变化率小于200Pa/s。

车体振动——列车垂向振动加速度不大于2.5m/s2，横向加速度不大于2.5m/s2，纵向冲动减速度不大于1.4m/s2，平均减速度不大于1 m/s2，减减速度不大于0.6 m/s2。

车内噪声——一般客室不大于70dB，通过台不大于80dB。

光源照明——光源充足，柔和，色彩协调，满足旅客阅读需求。

娱乐系统及客服系统——通信质量良好，个性化服务，换乘便捷等。

（3）能耗目标值节能和环保是现代交通工具的发展方向，高速列车的设计需要考虑能量消耗值与对外界产生的干扰值。

京沪高速列车开行时，人均消耗的能量要求小于80kW·h，牵引总效率不低于85%。

高速列车通过电力牵引，还要考虑电磁兼容的问题，需满足GB/T17626和EN50121标准，另外废弃污染方面也要做到回收集中处理。

（4）安全目标值高速列车的安全目标值是优化设计的重点，是保障旅客人身财产安全的基础。

影响高速列车安全运行的主要指标有：临界失稳速度、脱轨系数、轮重减载率、动态横向力以及紧急制动距离等。

在保证列车安全运行的情况下，还要考虑高速列车防火、防烟、防毒、防震功能。

京沪高速列车临界失稳速度大于550km/h，脱轨系数小于0.8，轮重减载率小于0.8；紧急制动在350km/h 时不大于6500m。

侧风风速20m/s以下时，高速列车可正常运行。

雨水、雪面不超过轨面100mm，列车可正常运行。

列车可耐受雷击170kV冲击电压。

（5）可靠服役目标值高速列车服役期间，因某些参数改变会引起可靠性变化或动力学性能恶化。

确定可靠服役目标值，可为设计公差设置和维修许用范围设置提供依据。

高速列车服役期间可靠性能受开行方案和开行原则的影响，要保证高速列车运营既能体现铁路管理与运营水平的先进性，又要满足不同运量客运需求，提高资源利用率，降低维护成本。

这就需要在运行当中依靠不同的运量需求，设计不同的开行方案。

3 高速列车牵引电传动系统集成研究高速列车是高速铁路系统中最重要的设备，是直观反映铁路现代化的载体。

高速列车设计制造是一个复杂的系统化工程，必须具有一套完整的技术管理规程、基础理论指导、相关规范标准予以支撑。

高速列车系统一般包含9大关键技术和10项主要配套装置。

9大关键技术包括：整车系统集成、轻量化车体、转向架、牵引变压器、牵引电机、牵引变流器、牵引控制系统、制动系统、列车网络通信。

10项配套技术包括：受电弓、车内电气、空调系统、车钩缓冲、车门、车窗、座椅、风挡、车内饰、集便器。

国内外车辆生产厂家都是通过关键技术和关键部件的系统集成，来实现整车设计方案规划和确定生产目标。

目前国内能够实现高速列车整车生产的厂家有青岛四方机车车辆股份有限公司，四方-庞巴迪-鲍尔铁路运输设备有限公司，长春轨道客车股份有限公司和唐山轨道客车有限责任公司。

列车牵引电传动系统是列车运行的动力保证，由受电弓接受电网电能经过断路器到主变压器，经主变流系统到牵引电机实现电网能量到轮对机械能量的转换。

牵引电传动系统涵盖了几个子系统多项关键技术的内容，包括受流技术、变流技术、牵引控制技术、电机传动技术和监控检测技术。

3.1 高速受流技术高速列车运行所需电能都是通过受电弓与电网接触取得，高速条件下弓网受流稳定性也就成为保证列车高速运行的关键因素。

高速受流技术的研究主要包括受电弓设计和弓网关系研究，主要目的是保证受电弓有良好受流。

评价弓网受流性能的要求包括：弓网动态接触力、离线、硬点、接触线动态抬升量等。

高速受流当中，最大接触力小于200N，最小接触力大于40N，平均接触力90-140N，标准差小于28N；离线频度不大于1次/160m，离线率不大于5%，单次最大离线时间不大于100ms；硬点垂向加速度不大于490m/s2，纵向加速度不大于98m/s2；接触线最大垂向振幅差小于150mm。

高速受电弓设计是弓网关系设计的重要组成部分。

要保证弓网接触可靠、磨耗小，从而具有良好的受流质量。