高速列車系統集成國家工程實驗室的關鍵研究領域

熊 偉

(長春軌道客車股份有限公司,130062,長春∥高級工程師)

1 高速列車發展趨勢的預測

1.1 高速列車的運行速度不斷提高

據統計,從1890年到1990年的100年間,全世界鐵路共創造了17次行車速度紀錄。目前,高速列車的運行速度在不斷提高。1964年10月日本建成了世界上第一條高速鐵路,最高運行速度達到210 km/h。此后,列車試驗速度不斷提高,到1990年5月法國阿爾斯通公司將試驗速度提高到515.3 km/h,2007年法國阿爾斯通公司將最高試驗速度提高到574 km/h。

目前,新建高速鐵路的高速列車運行速度可以達到300～350 km/h,而既有線的高速列車運行速度可以達到200～250 km/h。

1.2 對高速列車可靠性、可用性、維修性和安全性的要求不斷提高

隨著鐵路運輸的快速發展和市場競爭的日益加劇,對高速列車可靠性、可用性、維修性和安全性(RAMS)的要求不斷提高。鐵路用戶在招標采購高速列車時,不但對高速列車的結構形式和性能(速度、功率、牽引力和動力學性能等)提出嚴格要求,而且還要對高速列車的RAMS提出定量指標,在與生產制造商簽訂購買合同時規定了可靠性指標(如故障率)、維修性指標(如平均修復時間)、可用性指標(如利用率、完好率),并在列車交付使用后進行驗證。

1.3 降低高速列車的壽命周期成本

對于用戶來說,不僅要求高速列車在使用期內安全、可靠和易于維修,而且還要求經濟性好。經濟性好指的是在高速列車的整個壽命周期中所發生的費用為最少。這種最佳費用的概念貫穿在高速列車從論證到報廢的整個壽命周期中,這就是壽命周期成本(LCC)。它是衡量高速列車經濟性的最合理指標。高速列車的制造廠家應用LCC分析和性能分析比較對高速列車產品進行設計優化,在設計階段就可以對維修方案、保障資源的配置進行籌劃和評估,以達到優化高速列車總壽命周期成本的目的。

2 國內外高速列車實驗室對比

國外高速列車制造企業都建有功能齊全、設施完備的試驗檢測基地,為其產品開發提供強大的試驗驗證。

作為高速列車的世界級研發企業——德國西門子、法國阿爾斯通等公司,都擁有世界上最先進的試驗中心,建有針對高速列車系統集成、車體、轉向架、電氣、環境等技術的專門實驗室。

這些試驗中心主要進行：高速列車車體與轉向架自振頻率的控制研究;牽引傳動控制與列車網絡控制系統的通訊協議的研究、制定;空氣制動與電制動的最優匹配,制動系統關鍵零部件的可靠性研究;輪軌之間和弓網之間的匹配關系研究;新材料、新技術的研究和應用,并不斷優化車體結構設計,實現車體輕量化;車體動力學外形、強度、剛度、固有頻率等的研究;圍繞轉向架在高速運行時的穩定性(安全性指標)、平穩性(舒適性指標)和可靠性,進行懸掛參數的設計、制造、實驗及優化;高速列車及零部件的振動與沖擊研究,噪聲控制和溫濕度條件下的耐久性研究,檢測車輛和零部件在動態運用中的疲勞強度、剛度、振動模態、噪聲、電氣性能等指標,從而保證產品的安全性和可靠性。

這些試驗中心都相應配備了適合系統集成、車體、轉向架、電氣、環境等試驗的設備和人才,以滿足高速列車的試驗需求,使高速列車能夠順利投入運營。

國內以往還未建立高速列車領域的國家工程實驗室。長春客車股份有限公司經過不懈努力,并于2008年10月獲得國家發展和改革委員會的批復,開始建設我國高速列車系統集成國家工程實驗室;并將以世界一流企業為目標,緊緊圍繞高速列車系統集成、車體、環境、轉向架及電氣等技術的研究,建成國內一流、具備國際先進水平的高速列車系統集成國家工程實驗室。

3 我國高速列車系統集成國家工程實驗室的關鍵研究領域

根據組建我國高速列車系統集成國家工程實驗室的指導思想與“堅持強化保障,力爭重點突出”的建設原則,緊緊圍繞高速列車系統集成、車體、環境、轉向架及電氣等技術的研究,建設高速列車系統集成技術、車體輕量化技術、環境試驗技術(噪聲、振動等)、高速轉向架技術、電氣試驗技術等方面的試驗研究設施,建成國內一流、具備國際先進水平的高速列車系統集成國家工程實驗室,以滿足我國高速列車的研制開發需求,為我國高速列車產業的可持續發展奠定堅實基礎。該項目建設完成后,將具備高速列車系統集成、車體、轉向架、環境及電氣等技術的研究、開發和試驗能力。現將我國高速列車系統集成國家工程實驗室的關鍵研究領域介紹如下。

3.1 高速列車系統集成試驗

系統集成技術是實現高速列車各系統如牽引傳動、電氣、制動、列車網絡等,以及涉及的零部件的參數及性能匹配驗證,在保證高速列車安全的前提下達到列車整體性能最優。

一列動車組大約有 8 000個零部件組成,涉及到電子、微電子、計算機、網絡、通信等技術,涉及到機械加工、非金屬等。在生產過程中,直接參與設計的企業達100多個。因此,長春軌道客車股份有限公司作為高速列車研發、制造的主機廠,掌握并創新高速列車的系統集成技術是公司理應承擔的首要技術突破點。

高速列車系統集成試驗涉及到鋁合金車體、轉向架、牽引傳動及控制系統、列車網絡控制系統、制動系統、輔助系統等系統的接口與集成技術;同時也涉及到空調系統、車鉤緩沖裝置、連接風擋、車門、車窗、受電弓、整體衛生間與集便裝置、內裝等關鍵部件與車體的接口技術。高速列車系統集成試驗是進行整列車的系統集成,以保證高速列車的整體性能為最優。

通過科學試驗,研究和解決高速列車的編組與動力配置原則及管理,以及車輛動力學仿真設計,牽引及制動特性的確定,牽引、制動系統與網絡控制系統的接口關系等問題;試驗研究鋁合金車體、轉向架、牽引傳動及控制系統(主變壓器、牽引變流器、牽引電機)、列車網絡控制系統、制動系統、輔助系統之間的匹配與協調關系;重點研究解決鋁合金車體與轉向架之間、牽引傳動裝置與轉向架之間、牽引傳動控制和制動系統與列車網絡系統之間的匹配關系;通過試驗研究制定空調系統、車鉤及緩沖裝置、車門、車窗、集便裝置、受電弓、風擋裝置、整體衛生間、內裝等關鍵部件或子系統與車輛的接口關系,并實現各項性能指標。

3.2 高速列車車體試驗

采用新材料、新技術,進行車體結構設計優化,實現車體輕量化,并進行車體強度、剛度、固有頻率等的研究和車體氣密性研究;進行防火、環保、減振降噪性能良好的耐用車輛內裝材料的研究。

高速列車的重要技術之一是要輕量化。速度為200 km/h的高速列車每牽引1 t質量大約要消耗12 kW功率;速度為300 km/h時,每牽引1 t質量大約要消耗功率16～17 kW。因此,世界各國都在列車輕量化上進行了不斷的競爭和發展。

高速列車車體試驗是在充分研究國外200 km/h動車組和300 km/h動車組鋁合金車體設計制造技術的基礎上,圍繞車體輕量化這一重要課題,并結合國內現有動車組樣車的技術積累和經驗,自主創新開展350 km/h及以上速度等級的高速列車車體試驗研究。

通過科學試驗,開展高速列車車體技術要求與參數的確定及結構創新設計。研究高速列車組鋁合金車體強度及固有頻率實驗方法,創新與完善鋁合金車體強度及固有頻率的實驗。通過實驗來研究高速列車鋁合金車體的強度、剛度、氣密強度、耐沖擊強度等的設計理論,及鋁合金車體整體承載結構的分散關鍵部件(部位)的應力設計方法;研究鋁合金車體焊接結構(焊縫)疲勞強度設計方法與手段,及各焊接接頭(焊縫)的后處理工藝和方法等對提高高速列車整體強度的影響。通過實驗來研究高速列車鋁合金車體吸能結構的設計方法、理論依據和設計手段,開展高速列車鋁合金車體吸能結構創新設計及制造技術的研究、試制與實驗。

3.3 高速列車環境實驗

環境實驗是檢測、分析車輛和零部件在動態運用中的疲勞強度、剛度、振動模態、噪聲等性能指標,檢測、分析列車在模擬運行條件下,與環境的相互關系及其影響因素,進而修改設計,以達到高速列車產品與環境的和諧并保證運行的安全和可靠。

對產品必須進行環境實驗。環境會從各個方面使產品性能劣化。如：溫度、生物和污染物會破壞產品表面的保護層,風沙、塵埃和生物會剝蝕產品的表面;振動沖擊會造成應力腐蝕;大氣中的鹽和其他污染物會引起或促進化學腐蝕;溫度濕度會使電子元件受損,產生絕緣擊穿、接觸器不導電、電阻值改變和電性能變壞等。多年來積累的統計數據表明,環境引起產品的故障占總故障的52%左右。同時,產品的使用又對環境產生影響,如噪音、電磁輻射等。因此,不僅要研究環境對產品的影響,如失效機理和防護措施等,同時也要研究產品對環境的影響。

高速列車環境實驗是一個系統工程,可模擬在溫度、濕度、壓力、風、雨等自然環境下,來檢測車輛和零部件在動態運用中的疲勞強度、剛度、振動模態、噪聲、氣密性、電氣性能、空氣動力學等性能指標,從而保證產品的可靠性。

另外,隨著高速列車的發展,新開發的客車產品的零部件和整車將越來越需要在運行環境狀態下進行可靠性試驗。因此,有必要建立可靠性環境試驗室,而且隨著新產品的不斷開發,該試驗室的利用率將非常高。

通過科學試驗,重點進行高速列車整車空調靜止試驗、整車隔熱性能靜止試驗、整車氣密性靜止試驗、采暖試驗,高低溫環境下的聲、雨泄漏試驗和電氣系統性能可靠性試驗。并在輻射和高、低溫環境下做橡膠件、車內裝飾件、電氣件的耐老化和變形試驗。

3.4 高速列車轉向架試驗

轉向架試驗主要是完成懸掛參數的設計、制造、試驗及優化,零部件的國產化及可靠性分析。

隨著列車速度的提高,列車所需的牽引功率急劇增加,輪軌作用力也隨之加大,輪軌粘著快速降低,故需要增加制動功率,從而對高速列車轉向架提出了更高的要求。為了滿足列車高速運行的需要,高速列車轉向架必須保證具有足夠的強度和剛度、高的橫向穩定性和運行平穩性、良好的曲線通過能力、低的輪軌作用力,并能最大限度地發揮輪軌間的粘著潛力,具有簡單、可靠、少維修的整體結構。

高速列車轉向架試驗是在研究國外200 km/h和300 km/h動車組轉向架技術的基礎上,圍繞轉向架在高速運行時的穩定性(安全性指標)、平穩性(舒適性指標)、可靠性、耐久性(疲勞時延)等技術指標,進行懸掛參數的設計、制造、試驗及優化;并進行零部件的國產化及可靠性、耐久性的分析、驗證及優化,進而自主地開展350 km/h及以上速度等級的高速列車轉向架關鍵技術的研究與創新。

通過科學試驗,研究高速列車輪軌關系,其中包括：車輪踏面的輪軌接觸幾何特性分析(輪徑差、等效錐度、接觸點位置、接觸角和輪軌界面的法向間隙的幾何特征計算分析等);輪軌接觸區域的力學行為(接觸應力、累積塑性應變、磨損量)計算分析;車輪踏面(包括輪背內側距)對車輛動力學性能和行車安全性的影響,以及由此確定的車輪踏面和鋼軌型面的幾何匹配關系。通過科學試驗,來研究轉向架的動力學性能,設計創新關鍵結構,其中包括 350 km/h轉向架的非線性運動穩定性、運行平穩性和曲線通過安全性的計算模型的建立和動力學仿真優化;研究轉向架參數的可靠性,其中包括研究轉向架系統的性能和動態響應與零部件結構、參數的關系度,以及結構可靠性和參數的依存關系;研究轉向架零部件失效和服役環境的關系,關鍵部件失效對系統可靠性影響的影響度等內容;研究轉向架的結構可靠性,其中包括轉向架構架的疲勞強度、車軸與車輪的疲勞強度、彈簧的疲勞強度,以及制造工藝方法和材料選擇對上述各項疲勞強度的影響;研究高速列車轉向架的設計方法、設計準則、制造工藝與方法、臺架試驗和綜合試驗方法及有關標準,以及壽命管理方法的運用等。

3.5 高速列車電氣試驗

車輛電氣是高速列車的重要組成部分。隨著現代電氣、電子技術的進步,車輛電氣的結構日益復雜,除了照明、飲食、衛生、通信信息、空氣質量控制,以及空調、自動門控制、安全防護等設備外,高速列車網絡系統、電氣制動系統、牽引變流系統等在保障列車的舒適性、安全性等方面起到了重要作用。車輛電氣試驗主要用于新產品開發過程中的系統部件選型、試驗驗證和專題研究等。

通過科學試驗,研究高速列車的牽引變流系統主電路拓撲結構及其設計,研究牽引變流系統控制系統的優化設計、牽引變流系統的集成化技術、系統控制策略,以及高速牽引電機的設計與優化大功率變流系統的電磁兼容性設計技術等;研究受電弓在350 km/h高速下的受流特性和空氣動力學特性;研究牽引系統輸入電流諧波的優化技術、變壓器電氣性能與散熱系統設計、高壓系統的控制與監視;研究牽引變流器系統的箱體、電氣元件、功率模塊、驅動單元、保護單元、冷卻系統、接口單元、開關單元等的設計和優化結構布局;研究牽引控制單元的四象限控制、中間直流環節控制、逆變器控制、各種開關控制、逆變器監控、防空轉防滑行、內部自診斷、與中央控制單元的通信功能的設計與優化等;研究牽引變流器與牽引控制單元的電磁兼容設計。通過科學試驗,還研究高速列車基于TCN的網絡體系構建的網絡控制系統技術,研究網絡拓撲結構有所不同的動車組的網絡系統構成、各子系統的功能、各子系統之間的功能接口及規范、中央控制單元監視、控制功能、重要網絡設備及通道的冗余功能、各子系統診斷功能、總體系統診斷功能、人機接口顯示功能等;研究350 km/h及以上速度等級的高速列車重聯控制、輔助控制,各種信息及故障顯示以及各系統網絡接口關系等。

4 結語

通過高速列車系統集成國家工程實驗室的關鍵技術研究,將有利于整合鐵路機車車輛現有資源,為這一行業“產學研”有效互動搭建平臺,從產業技術源頭上強化技術創新體系布局,以提高高速列車的持續創新能力,同時也可完善我國的技術創新體系,為我國高速列車產品的試驗驗證提供基礎保證。該研究還將有利于本行業在磁浮列車、城市軌道交通客車等技術領域的自主創新,可促進軌道交通技術領域的全面發展,以滿足國民經濟發展和人民群眾日益增長的物質需求;并可為研制重大技術裝備,保障重點工程的順利實施創造必要條件,為掌握高新技術,加速新興產業的形成和發展建立有效手段,為聚集、培養創新能力突出的高層次人才營造良好環境。

[1]黃纓,周岱,趙文華.我們要建設什么樣的國家實驗室[J].科學學與科學技術管理,2004,25(6)：14.

[2]夏松,張金隆.國家實驗室建設的若干思考[J].研究與發展管理,2004(5)：76.