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铁道部澳门恒峰娱乐副总工程师张曙光解读高速动车速度与技术

来源:澳门金沙娱乐在线 | 时间:2018-09-07

  速度是衡量高速动车组技术的核心指标,“和谐号”380A新一代高速动车组是世界上运营速度最快的动车组。其最高运营时速为380公里,持续运营时速为350公里,8辆编组的动车组在沪杭高铁动车组创造了时速416.6公里的世界运营铁路最高速。此次下线辆编组的京沪高速列车试验速度达到486.1公里,又一次刷新世界运营铁路最高速纪录。许多人担心,这么高速度下,列车能否安全运行?列车速度提升都对应着哪些关键技术问题?12月7日,在第七届世界高速铁路大会召开之际,本报专程约请铁道部副总工程师张曙光解读高速列车速度与技术。

  作为高速铁路的核心装备之一,高速列车的速度不仅决定了高速铁路的运输能力与效率,也决定了高速铁路系统的技术体系。高速列车技术发展至今,始终围绕速度提升开展了一系列技术创新与实践,历经40余年的发展,高速列车的速度已从210km/h提升至现今的350km/h,并正向着更高的速度目标迈进。

  2007年,中国实施了既有线次大提速,通过对既有线实施技术改造,在“客货混跑”的运营条件下,“和谐号”CRH系列高速列车最高运营速度达到250km/h;从2008年至今,先后开通了最高运营速度350km/h等级的京津城际、武广、郑西、沪宁城际、沪杭城际等高速铁路,其中武广高速铁路全长1068km、旅行速度达到341km/h,京津、沪宁与沪杭城际高速铁路实现了高密度发车的公交化运营;2011年,全长1320km的京沪高速铁路将开通运营,CRH380型高速列车的最高运行速度将达到380km/h。

  高速铁路是一个复杂大系统,车-线-网-气流之间的耦合作用强烈。近几年,中国通过大量理论研究和高速铁路工程实践,认识到要实现速度提升,需解决好系统耦合条件下的轮轨关系、流固耦合以及弓网关系等问题。

  高速轮轨耦合关系主要体现在轮轨型面的滚动接触关系中,轮轨滚动接触状态直接影响着车辆运动稳定性、曲线通过性能以及轮轨磨损等,轮轨关系设计主要是对轮轨型面匹配、材料选择以及车辆悬挂参数选配等进行综合优化设计。在高速条件下,由于车-线-网-气流间的耦合作用更为强烈,系统耦合条件下的线路激扰与气动作用幅值和频次显著增大,变化更复杂,高速轮轨关系设计更需要从系统的角度来考虑。

  通过研究和分析,我们对实际运营高速列车的动力学参数进行了调整,250km/h、350km/h运行速度等级的高速列车动力学性能良好。以中国最新“和谐号”CRH380A型高速列车为例,通过增加抗侧滚扭杆,调整一系刚度、二系悬挂阻尼、调整抗蛇行减振器参数,优化横向减振器半主动控制,优化列车外形等措施,“和谐号”CRH380A型高速列车在沪杭城际高速铁路上的最高试验速度达到416.6km/h时,脱轨系数小于0.2,轮轴侧向力小于20kN,轮重减载率小于0.45。

  高速列车的主要外激扰载荷主要由轮轨激扰和气动激扰所构成。随着列车运行速度的提高,这些激扰源呈现出新的动力学特征,振动幅值更大,频率分布更宽,与轻量化结构的局部模态耦合性更强。

  轮轨间的外激扰振动与轨道结构有关,高速列车在无砟轨道结构条件下运行时,存在明显有别于有砟轨道的周期性激扰。在列车外形与线间距确定的条件下,列车在高速运行中由于气动效应在列车表面产生的压力激扰,其强度、变化规律与列车运行速度和列车交会、通过隧道等运行工况密切相关。

  基于轮轨与气动产生的激扰源振动特征,我们建立了与车体整体模态、局部模态的响应关系。在“和谐号”CRH380A车体的模态设计中,分析了振动特征频率与车体模态相互作用关系,系统优化了车体地板、侧墙、车顶、端墙处型材断面的材料、结构与连接方式,有效地控制了车体结构振动。以“和谐号”CRH380A中间车体模态分析为例,车体空车状态下一阶垂直弯曲振动频率为16.8Hz,整备状态下频率10.8Hz,大于10Hz,满足设计要求。

  高速列车头型设计是提高列车运行速度的关键技术。在高速条件下,列车的运行阻力主要来自气动阻力,气动阻力越小,速度提升空间越大。同时,随着速度的提高,气动噪声呈级数增长,当车外噪声超过环保控制标准时,速度不能继续提升。列车交会压力波及气动升力也与速度密切相关,速度越高,幅值越大,对列车运行安全性影响越大。列车良好的气动外形,特别是头型的优化设计,是解决上述问题的关键途径。在列车头型设计中,长细比大减阻效果好,但有一定限值;为降低交会压力波,头型气动设计要考虑引流,改善头部的流场分布,但由此会带来气动噪声的增加。因此,头型气动设计是围绕减阻、降噪、降低交会压力波、降低气动升力等目标的系统寻优过程。

  为设计“和谐号”CRH380A型高速列车头型,选取了五种头型方案,通过气动综合性能对比分析,最终确定了“和谐号”CRH380A头型。“和谐号”CRH380A型高速列车头型融合了典型的梭形与楔形特征,具有较为优越的气动性能。在郑西高速铁路的试验结果表明,在350km/h速度条件下,新头型高速列车运行阻力减小了约5%,头部气动噪声下降了6%以上,交会压力波控制在标准范围内,气动升力降低50%,达到了预期设计目标。

  列车与地面之间的空气介质由于列车的运动造成流场变化,产生持续作用的气动载荷。地面气动效应在飞机起飞和汽车运行过程中都会存在,而高速列车具有长细比大、速度高、持续运行时间长的特点,使得高速列车的地面效应更加复杂。当列车运行速度超过300km/h时,地面效应对列车底部结构疲劳的作用影响凸显。据分析,地面效应的强烈作用是诱因之一。

  现阶段,对于高速条件下的列车地面效应难以通过数值模拟方法准确解析,必须采用线路试验的方式来认识地面效应在不同速度级下的变化规律和载荷特征。通过在武广、郑西高速铁路开展的大量试验研究,获取了不同速度等级、不同运行工况的地面效应作用于列车车体的载荷特征与变化规律。一是高速列车地面效应具有持续性与非周期性的特征,列车运行速度越高,地面效应压力变化幅值越大;二是运行工况直接影响地面效应,在隧道内会车条件下,地面效应的幅值相对最大,与明线km/h条件时,最大压力变化幅值超出近5倍。

  基于对高速列车地面效应的认识,我们在“和谐号”CRH系列高速列车的裙板、底板、悬吊件等底部结构设计中,充分考虑了地面气动效应对结构疲劳和运营可靠性的影响,从而有效地抑制了地面气动效应可能带来的负面影响。

  中国武广、郑西、京沪等高速铁路具有运距长、速度高、开行密度大、客流量大、运行工况复杂等特点,在这些高速铁路上的高速列车设计必须考虑持续运行可靠性问题。高速列车长距离持续运行引起的结构疲劳损伤积累不能等同视为多个短途、短时运行引起的结构疲劳损伤的简单叠加。要解决高速列车的高速持续运行可靠性问题,除应基于运行工况的理论分析和地面试验结果,充分考虑足够的设计冗余外,还应对服役过程中高速列车各种装置或部件状态的变化进行跟踪观察和分析,掌握疲劳损伤的演化规律,积累经验,为设计和运营维护提供依据。

  高速列车系统可靠性主要包括:结构可靠性、电气与器件可靠性、服役可靠性、智能化主动预防技术和运行环境适用性技术等。

  纵观世界高速列车技术的发展,人们从未停止追求更高速度目标的脚步。在试验速度方面,从1988年到2007年,提高了167.9km/h,达到了574.8km/h;在运行时速方面,从1964年到2008年,提高了140km/h,达到了350km/h。目前世界多个国家正在研制更高速度的高速列车,中国正在研制的CRH380系列高速列车将速度目标定位于380km/h,2011年将批量投入运营。

  纵观世界三次科学革命,重大技术发明成果转化为工业生产的时间呈明显缩短趋势,新能源技术与新材料技术的重大发现与突破,现代电子技术与信息化技术的迅猛发展,都有可能引发高速列车的技术革命,带来速度的跨越式提升。预测用5~10年的时间,高速列车的运营速度有望突破400km/h,再用15~20年的时间突破500km/h也是有可能的。

  防汛技术交底

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