高速列车系统集成国家工程实验室的关键研究领域

熊 伟

(长春轨道客车股份有限公司,130062,长春∥高级工程师)

1 高速列车发展趋势的预测

1.1 高速列车的运行速度不断提高

据统计,从1890年到1990年的100年间,全世界铁路共创造了17次行车速度纪录。目前,高速列车的运行速度在不断提高。1964年10月日本建成了世界上第一条高速铁路,最高运行速度达到210 km/h。此后,列车试验速度不断提高,到1990年5月法国阿尔斯通公司将试验速度提高到515.3 km/h,2007年法国阿尔斯通公司将最高试验速度提高到574 km/h。

目前,新建高速铁路的高速列车运行速度可以达到300～350 km/h,而既有线的高速列车运行速度可以达到200～250 km/h。

1.2 对高速列车可靠性、可用性、维修性和安全性的要求不断提高

随着铁路运输的快速发展和市场竞争的日益加剧,对高速列车可靠性、可用性、维修性和安全性(RAMS)的要求不断提高。铁路用户在招标采购高速列车时,不但对高速列车的结构形式和性能(速度、功率、牵引力和动力学性能等)提出严格要求,而且还要对高速列车的RAMS提出定量指标,在与生产制造商签订购买合同时规定了可靠性指标(如故障率)、维修性指标(如平均修复时间)、可用性指标(如利用率、完好率),并在列车交付使用后进行验证。

1.3 降低高速列车的寿命周期成本

对于用户来说,不仅要求高速列车在使用期内安全、可靠和易于维修,而且还要求经济性好。经济性好指的是在高速列车的整个寿命周期中所发生的费用为最少。这种最佳费用的概念贯穿在高速列车从论证到报废的整个寿命周期中,这就是寿命周期成本(LCC)。它是衡量高速列车经济性的最合理指标。高速列车的制造厂家应用LCC分析和性能分析比较对高速列车产品进行设计优化,在设计阶段就可以对维修方案、保障资源的配置进行筹划和评估,以达到优化高速列车总寿命周期成本的目的。

2 国内外高速列车实验室对比

国外高速列车制造企业都建有功能齐全、设施完备的试验检测基地,为其产品开发提供强大的试验验证。

作为高速列车的世界级研发企业——德国西门子、法国阿尔斯通等公司,都拥有世界上最先进的试验中心,建有针对高速列车系统集成、车体、转向架、电气、环境等技术的专门实验室。

这些试验中心主要进行：高速列车车体与转向架自振频率的控制研究;牵引传动控制与列车网络控制系统的通讯协议的研究、制定;空气制动与电制动的最优匹配,制动系统关键零部件的可靠性研究;轮轨之间和弓网之间的匹配关系研究;新材料、新技术的研究和应用,并不断优化车体结构设计,实现车体轻量化;车体动力学外形、强度、刚度、固有频率等的研究;围绕转向架在高速运行时的稳定性(安全性指标)、平稳性(舒适性指标)和可靠性,进行悬挂参数的设计、制造、实验及优化;高速列车及零部件的振动与冲击研究,噪声控制和温湿度条件下的耐久性研究,检测车辆和零部件在动态运用中的疲劳强度、刚度、振动模态、噪声、电气性能等指标,从而保证产品的安全性和可靠性。

这些试验中心都相应配备了适合系统集成、车体、转向架、电气、环境等试验的设备和人才,以满足高速列车的试验需求,使高速列车能够顺利投入运营。

国内以往还未建立高速列车领域的国家工程实验室。长春客车股份有限公司经过不懈努力,并于2008年10月获得国家发展和改革委员会的批复,开始建设我国高速列车系统集成国家工程实验室;并将以世界一流企业为目标,紧紧围绕高速列车系统集成、车体、环境、转向架及电气等技术的研究,建成国内一流、具备国际先进水平的高速列车系统集成国家工程实验室。

3 我国高速列车系统集成国家工程实验室的关键研究领域

根据组建我国高速列车系统集成国家工程实验室的指导思想与“坚持强化保障,力争重点突出”的建设原则,紧紧围绕高速列车系统集成、车体、环境、转向架及电气等技术的研究,建设高速列车系统集成技术、车体轻量化技术、环境试验技术(噪声、振动等)、高速转向架技术、电气试验技术等方面的试验研究设施,建成国内一流、具备国际先进水平的高速列车系统集成国家工程实验室,以满足我国高速列车的研制开发需求,为我国高速列车产业的可持续发展奠定坚实基础。该项目建设完成后,将具备高速列车系统集成、车体、转向架、环境及电气等技术的研究、开发和试验能力。现将我国高速列车系统集成国家工程实验室的关键研究领域介绍如下。

3.1 高速列车系统集成试验

系统集成技术是实现高速列车各系统如牵引传动、电气、制动、列车网络等,以及涉及的零部件的参数及性能匹配验证,在保证高速列车安全的前提下达到列车整体性能最优。

一列动车组大约有 8 000个零部件组成,涉及到电子、微电子、计算机、网络、通信等技术,涉及到机械加工、非金属等。在生产过程中,直接参与设计的企业达100多个。因此,长春轨道客车股份有限公司作为高速列车研发、制造的主机厂,掌握并创新高速列车的系统集成技术是公司理应承担的首要技术突破点。

高速列车系统集成试验涉及到铝合金车体、转向架、牵引传动及控制系统、列车网络控制系统、制动系统、辅助系统等系统的接口与集成技术;同时也涉及到空调系统、车钩缓冲装置、连接风挡、车门、车窗、受电弓、整体卫生间与集便装置、内装等关键部件与车体的接口技术。高速列车系统集成试验是进行整列车的系统集成,以保证高速列车的整体性能为最优。

通过科学试验,研究和解决高速列车的编组与动力配置原则及管理,以及车辆动力学仿真设计,牵引及制动特性的确定,牵引、制动系统与网络控制系统的接口关系等问题;试验研究铝合金车体、转向架、牵引传动及控制系统(主变压器、牵引变流器、牵引电机)、列车网络控制系统、制动系统、辅助系统之间的匹配与协调关系;重点研究解决铝合金车体与转向架之间、牵引传动装置与转向架之间、牵引传动控制和制动系统与列车网络系统之间的匹配关系;通过试验研究制定空调系统、车钩及缓冲装置、车门、车窗、集便装置、受电弓、风挡装置、整体卫生间、内装等关键部件或子系统与车辆的接口关系,并实现各项性能指标。

3.2 高速列车车体试验

采用新材料、新技术,进行车体结构设计优化,实现车体轻量化,并进行车体强度、刚度、固有频率等的研究和车体气密性研究;进行防火、环保、减振降噪性能良好的耐用车辆内装材料的研究。

高速列车的重要技术之一是要轻量化。速度为200 km/h的高速列车每牵引1 t质量大约要消耗12 kW功率;速度为300 km/h时,每牵引1 t质量大约要消耗功率16～17 kW。因此,世界各国都在列车轻量化上进行了不断的竞争和发展。

高速列车车体试验是在充分研究国外200 km/h动车组和300 km/h动车组铝合金车体设计制造技术的基础上,围绕车体轻量化这一重要课题,并结合国内现有动车组样车的技术积累和经验,自主创新开展350 km/h及以上速度等级的高速列车车体试验研究。

通过科学试验,开展高速列车车体技术要求与参数的确定及结构创新设计。研究高速列车组铝合金车体强度及固有频率实验方法,创新与完善铝合金车体强度及固有频率的实验。通过实验来研究高速列车铝合金车体的强度、刚度、气密强度、耐冲击强度等的设计理论,及铝合金车体整体承载结构的分散关键部件(部位)的应力设计方法;研究铝合金车体焊接结构(焊缝)疲劳强度设计方法与手段,及各焊接接头(焊缝)的后处理工艺和方法等对提高高速列车整体强度的影响。通过实验来研究高速列车铝合金车体吸能结构的设计方法、理论依据和设计手段,开展高速列车铝合金车体吸能结构创新设计及制造技术的研究、试制与实验。

3.3 高速列车环境实验

环境实验是检测、分析车辆和零部件在动态运用中的疲劳强度、刚度、振动模态、噪声等性能指标,检测、分析列车在模拟运行条件下,与环境的相互关系及其影响因素,进而修改设计,以达到高速列车产品与环境的和谐并保证运行的安全和可靠。

对产品必须进行环境实验。环境会从各个方面使产品性能劣化。如：温度、生物和污染物会破坏产品表面的保护层,风沙、尘埃和生物会剥蚀产品的表面;振动冲击会造成应力腐蚀;大气中的盐和其他污染物会引起或促进化学腐蚀;温度湿度会使电子元件受损,产生绝缘击穿、接触器不导电、电阻值改变和电性能变坏等。多年来积累的统计数据表明,环境引起产品的故障占总故障的52%左右。同时,产品的使用又对环境产生影响,如噪音、电磁辐射等。因此,不仅要研究环境对产品的影响,如失效机理和防护措施等,同时也要研究产品对环境的影响。

高速列车环境实验是一个系统工程,可模拟在温度、湿度、压力、风、雨等自然环境下,来检测车辆和零部件在动态运用中的疲劳强度、刚度、振动模态、噪声、气密性、电气性能、空气动力学等性能指标,从而保证产品的可靠性。

另外,随着高速列车的发展,新开发的客车产品的零部件和整车将越来越需要在运行环境状态下进行可靠性试验。因此,有必要建立可靠性环境试验室,而且随着新产品的不断开发,该试验室的利用率将非常高。

通过科学试验,重点进行高速列车整车空调静止试验、整车隔热性能静止试验、整车气密性静止试验、采暖试验,高低温环境下的声、雨泄漏试验和电气系统性能可靠性试验。并在辐射和高、低温环境下做橡胶件、车内装饰件、电气件的耐老化和变形试验。

3.4 高速列车转向架试验

转向架试验主要是完成悬挂参数的设计、制造、试验及优化,零部件的国产化及可靠性分析。

随着列车速度的提高,列车所需的牵引功率急剧增加,轮轨作用力也随之加大,轮轨粘着快速降低,故需要增加制动功率,从而对高速列车转向架提出了更高的要求。为了满足列车高速运行的需要,高速列车转向架必须保证具有足够的强度和刚度、高的横向稳定性和运行平稳性、良好的曲线通过能力、低的轮轨作用力,并能最大限度地发挥轮轨间的粘着潜力,具有简单、可靠、少维修的整体结构。

高速列车转向架试验是在研究国外200 km/h和300 km/h动车组转向架技术的基础上,围绕转向架在高速运行时的稳定性(安全性指标)、平稳性(舒适性指标)、可靠性、耐久性(疲劳时延)等技术指标,进行悬挂参数的设计、制造、试验及优化;并进行零部件的国产化及可靠性、耐久性的分析、验证及优化,进而自主地开展350 km/h及以上速度等级的高速列车转向架关键技术的研究与创新。

通过科学试验,研究高速列车轮轨关系,其中包括：车轮踏面的轮轨接触几何特性分析(轮径差、等效锥度、接触点位置、接触角和轮轨界面的法向间隙的几何特征计算分析等);轮轨接触区域的力学行为(接触应力、累积塑性应变、磨损量)计算分析;车轮踏面(包括轮背内侧距)对车辆动力学性能和行车安全性的影响,以及由此确定的车轮踏面和钢轨型面的几何匹配关系。通过科学试验,来研究转向架的动力学性能,设计创新关键结构,其中包括 350 km/h转向架的非线性运动稳定性、运行平稳性和曲线通过安全性的计算模型的建立和动力学仿真优化;研究转向架参数的可靠性,其中包括研究转向架系统的性能和动态响应与零部件结构、参数的关系度,以及结构可靠性和参数的依存关系;研究转向架零部件失效和服役环境的关系,关键部件失效对系统可靠性影响的影响度等内容;研究转向架的结构可靠性,其中包括转向架构架的疲劳强度、车轴与车轮的疲劳强度、弹簧的疲劳强度,以及制造工艺方法和材料选择对上述各项疲劳强度的影响;研究高速列车转向架的设计方法、设计准则、制造工艺与方法、台架试验和综合试验方法及有关标准,以及寿命管理方法的运用等。

3.5 高速列车电气试验

车辆电气是高速列车的重要组成部分。随着现代电气、电子技术的进步,车辆电气的结构日益复杂,除了照明、饮食、卫生、通信信息、空气质量控制,以及空调、自动门控制、安全防护等设备外,高速列车网络系统、电气制动系统、牵引变流系统等在保障列车的舒适性、安全性等方面起到了重要作用。车辆电气试验主要用于新产品开发过程中的系统部件选型、试验验证和专题研究等。

通过科学试验,研究高速列车的牵引变流系统主电路拓扑结构及其设计,研究牵引变流系统控制系统的优化设计、牵引变流系统的集成化技术、系统控制策略,以及高速牵引电机的设计与优化大功率变流系统的电磁兼容性设计技术等;研究受电弓在350 km/h高速下的受流特性和空气动力学特性;研究牵引系统输入电流谐波的优化技术、变压器电气性能与散热系统设计、高压系统的控制与监视;研究牵引变流器系统的箱体、电气元件、功率模块、驱动单元、保护单元、冷却系统、接口单元、开关单元等的设计和优化结构布局;研究牵引控制单元的四象限控制、中间直流环节控制、逆变器控制、各种开关控制、逆变器监控、防空转防滑行、内部自诊断、与中央控制单元的通信功能的设计与优化等;研究牵引变流器与牵引控制单元的电磁兼容设计。通过科学试验,还研究高速列车基于TCN的网络体系构建的网络控制系统技术,研究网络拓扑结构有所不同的动车组的网络系统构成、各子系统的功能、各子系统之间的功能接口及规范、中央控制单元监视、控制功能、重要网络设备及通道的冗余功能、各子系统诊断功能、总体系统诊断功能、人机接口显示功能等;研究350 km/h及以上速度等级的高速列车重联控制、辅助控制,各种信息及故障显示以及各系统网络接口关系等。

4 结语

通过高速列车系统集成国家工程实验室的关键技术研究,将有利于整合铁路机车车辆现有资源,为这一行业“产学研”有效互动搭建平台,从产业技术源头上强化技术创新体系布局,以提高高速列车的持续创新能力,同时也可完善我国的技术创新体系,为我国高速列车产品的试验验证提供基础保证。该研究还将有利于本行业在磁浮列车、城市轨道交通客车等技术领域的自主创新,可促进轨道交通技术领域的全面发展,以满足国民经济发展和人民群众日益增长的物质需求;并可为研制重大技术装备,保障重点工程的顺利实施创造必要条件,为掌握高新技术,加速新兴产业的形成和发展建立有效手段,为聚集、培养创新能力突出的高层次人才营造良好环境。

[1]黄缨,周岱,赵文华.我们要建设什么样的国家实验室[J].科学学与科学技术管理,2004,25(6)：14.

[2]夏松,张金隆.国家实验室建设的若干思考[J].研究与发展管理,2004(5)：76.