第九节 高速动车组
京沪高速铁路设计速度为350km/h。为保证高速列车运营速度达到350km/h，其设计速度要达到380km/h，试验速度达到400km/h以上。在此之前，满足上述速度要求的高速列车在世界上尚无投入商业运营的先例。
京沪高速铁路动车组在引进国外先进设备及技术基础上，通过消化吸收和系统集成实现了再创新，其关键技术主要包括动车组总成、车体、转向架、牵引变压器、牵引变流器、牵引电机、牵引控制、列车网络和制动等技术。
一、系统集成技术
随着运行速度的提高，运行阻力、振动噪声、牵引功率、制动能力、进风冷却装置、气密性等对高速列车提出了全新的要求，系统与部件间的接口关系变得更为复杂，运行安全性、可靠性技术难度大幅度提高，高速动车组系统集成技术的重要性更显突出。
高速动车组系统集成的目的是利用先进技术和优势资源，以较低成本使得高速动车组的综合性能实现最优。高速动车组系统集成技术涉及车体、转向架、牵引传动及控制、列车网络控制、制动、辅助等的接口与集成，同时也涉及空调装置、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、内装等部件与车体的接口技术。
新一代高速动车组的系统集成首先基于京沪高速铁路对运行速度、运量、舒适性（包括车内温湿度、气压变化、车体振动、车内噪声、照明、客服）、节能与环保、安全等方面的要求，确定高速动车组的主要顶层技术指标，包括速度指标、列车编组和运能指标、牵引能力指标、安全性指标、综合舒适性及环境指标、综合经济性指标、对外环境影响指标、系统可靠性及可维护性指标、环境适应性指标。其后以顶层技术指标为基础，开展高速列车与线路、运行控制、运输组织、牵引供电、隧道、桥梁、限界等外部环境之间的接口关系研究。
接口技术主要涵盖八个方面的内容：一是高速列车的编组与动力配置原则、车辆动力学仿真设计、牵引及制动特性以及牵引、制动与网络控制的接口关系；二是铝合金车体、转向架、牵引传动及控制（主变压器、牵引变流器、牵引电机）、列车网络控制配套技术、制动、辅助之间的匹配与协调关系；三是空调装置、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、内装等部件与车辆的接口关系；四是高速列车动态包络轮廓、车体与构架耦合振动关系；五是车下设备与车体接口设计、耦合振动、疲劳强度等的关系；六是转向架与牵引、制动装置的接口结构、悬挂方式等；七是高速列车牵引、制动与网络的拓扑结构、接口形式、参数、通信协议、接口执行技术标准等；八是车体与内饰部件的耦合振动、接口的噪声控制、声振耦合等。
通过对各接口关系特征的分析，从总体与各子系统的主要技术参数、轮轨关系、流固关系和弓网关系几方面对高速动车组技术进行总体集成，对各子系统进行技术分解，确定各子系统技术方案。
二、车体技术
高速动车组持续运营速度为350km/h，最高试验速度为400km/h以上，这对动车组车体结构的设计带来了很高的要求。首先，为了减小空气阻力，必须对现有动车组车体断面和头型进行优化改进；其次，为了保证舒适度，车体需提高气密强度；另外，为降低能耗，车体需采用轻量化设计；最后，在轻量化和振动合理匹配的设计目标下，还需要保证车体结构的疲劳可靠性和综合舒适度。
（一）车体断面与头型
为适应动车组速度提升对安全性、舒适度等目标带来的影响，车体断面及头型的设计主要从车体截面及变化率、车体长细比、纵断面及水平断面形状、鼻锥引流、驾驶舱倾角、减振降噪等方面作了深入研究、计算及工程试验。
（二）气密强度与气密性
通过对国外高速列车车体气密强度与气密性设计情况研究，系统分析了车体气密强度与气密性设计的边界条件，提出了中国高速动车组车体气密强度与气密性设计的目标，对主要技术指标与设计参数进行分析比较，平衡各方面需求，最终确定车体横截面积、车体结构厚度、断面形状、车窗开口、侧门开口等主要设计参数。
（三）减 振
振动是影响旅客乘坐舒适性的主要因素。新一代高速动车组根据各典型振动源频谱特性、振动传播规律，针对不同振动源、不同车体断面结构采取相应的减振降噪措施，在车内结构等方面进行了减振降噪创新设计。在满足车体结构强度、刚度的前提下，增加型材内敷减振材使用范围、优化结构表面阻尼浆的喷涂、优化车内地板和内饰结构、优化车体局部与内装连接刚度和阻尼，降低了结构振动和局部振动引起的噪声。
三、转向架技术
在高速转向架的设计和制造中，重点考虑了临界速度、运行品质、结构强度等技术因素。
在综合分析动车组京津城际铁路、武广高速铁路累计百万公里线路跟踪试验数据的基础上，提出了新一代CRH380转向架构架、悬挂装置、轮对及传动子系统的设计方案，进行了涉及动力学、结构强度、磨耗、润滑、温升等的仿真分析计算，完成了构架、轮对、弹簧、传动装置等10余种零部件的试验验证，完成了多种定位刚度、减振器参数和空气弹簧阻尼系数匹配组合试验，根据试验结果最终确定了新一代高速动车组转向架方案。新一代高速转向架临界速度提高至550km/h以上，二系设双抗蛇形减振器提高安全冗余；通过试验优化了悬挂参数；零部件满足可靠性指标不低于CRH2A、CRH2C、CRH3C等动车组高速转向架的规定。
四、牵引变压器技术
高速动车组牵引变压器设计制造中的关键和难点有漏磁屏蔽、小型轻量化和冷却技术。
阻抗的大小正比于变压器漏磁的大小，高阻抗的绕组结构必然导致高漏磁，而轨道电路及车内的设备又不允许变压器的漏磁对其造成影响，所以要求变压器油箱将本身的漏磁尽可能地屏蔽掉。经过对不同材料油箱漏磁场及损耗的有限元分析，发现材料特性对变压器的漏磁场大小及分布有显著影响，其中以导磁性能影响为最大。最终通过选取导电性能弱的油箱材料，显著降低了最大损耗密度。
在小型轻量化设计方面，为减小CRH380A型动车组牵引变压器的重量，一、二次线圈采用纸包铝导线绕制而成，三次线圈电流较大，采用多根纸包铜导线并联绕制而成；为满足高阻抗要求，变压器线圈采用了饼式线圈，交错式布置，其结构较心式线圈的结构复杂；为减小变压器体积，变压器采用壳式结构，其油箱紧包变压器铁芯及线圈，使得变压器内部结构紧凑，减小了变压器的尺寸。
采用冷却装置将牵引变压器工作时散发的大量热量带走是非常必要的。通过深入分析牵引变压器热损耗各因素，CRH380BL动车组牵引变压器采用了强迫油循环风冷的冷却方式，这样的冷却方式将油的循环速度比自然对流时提高3倍，变压器可增加容量30％。在变压器形式试验期间进行了冷却装置20％堵塞试验，结果表明，此时变压器的温升仍低于标准限值。
五、牵引变流器技术
牵引变流器的关键和难点包括主电路结构及关键参数、大功率模块IGBT（insulated gate bipolar transistor）、冷却装置设计等。
（一）主电路结构及关键参数
对于动车组交流传动来说，采用较高的直流电压值较为有利，但这通常又受到开关元件性能参数的限制。一般来说，对于两电平电路，直流侧的电压额定值应为IGBT电压额定值的50％～60％。为了提高中间电压，CRH380BL型电动车组采用了6500V等级的IGBT，中间电压可提高到3000～3600V。CRH380A型电动车组采用了三电平电路，采用3300V的IPM/IGBT（intelligent power module/insulated gate bipolar transistor），其中间电压可到3000V。此外，为减少整个变流器装置的体积和重量，在一定的可接受的中间电压脉动的前提下，取消二次谐振回路，在控制中采用相应的无拍频控制策略，以保证牵引变流器输出电压的稳定。
（二）大功率模块IGBT
CRH380BL型动车组的牵引变流器功率模块采用相构件、水冷却设计方案，功率开关器件为600A/6500V大功率两管并联IGBT。通过开展功率模块分解，机械件测绘、电器开关器件IGBT的测试以及复合母排、水冷基板等关键部件的设计和制造技术的研究，利用IGBT试验台和功率模块测试台，开展大功率IGBT（600A/6500V）的驱动、保护和逻辑关系测试，完成了驱动板和逻辑保护板的国产化研究。
（三）牵引变流器冷却技术
随着列车运行速度的提高，列车表面负压加大，此时风机所需压差增加，流量减小，对电气设备的冷却有一定影响。为研究高速动车牵引变流器温升参数及运行过程中冷却装置冷却风机风量随列车运行速度、运行工况（包括隧道通过等）的变化规律，特别进行了冷却装置热容量测试平台的研制，通过试验研究，指导了冷却装置冷却风机的合理选择配置。
六、牵引电机技术
交流牵引电动机是现代交流传动中机电能量转换的核心部件。CRH380新一代高速动车组牵引电机采用弧形齿联轴节无抱轴箱的结构，这样的新型驱动结构牵引电机仅承受扭矩和自重，不再承受齿轮啮合作用形成的弯矩。电机轴承受力明显减小，使轴承寿命延长。同时，将轴承移至齿轮箱内，不需要输出端端盖，使得牵引电机结构紧凑，重量减轻，体积减小。电机非传动端盖采用高强度的铸铝件以减轻电机重量。同时，电机向采用轮对空心轴的全悬挂方式和带联轴节的体悬式方向发展，使电机重量变为簧上重量，减少对电机的振动冲击，减少了电机的故障率。
CRH380动车组高速大功率牵引电机的设计中的难点是如何保证牵引电机在增加功率的条件下温升不高。其与200km/h等级动车组牵引电机相比，额定功率提升21.7％，启动转矩增加7％，要求与200km/h等级动车组异步牵引电动机的温升相当。为此，在风机功率和辅助电源的限制条件下，电机通风量增加了25％；同时，加长铁心长度20mm、电机每槽导体数（匝数）降低到14匝以降低电机的热负荷。由于电机输出的转矩转速特性、重量、车辆的运行特性发生变化，电机的受力情况也发生变化，影响最大的有轴承寿命、机座强度、绝缘寿命及转子强度，通过可行性分析、强度计算、寿命计算以及试验验证，证明该电机满足CRH380动车组的要求。
七、牵引控制技术
牵引控制技术是动车组的关键之一，直接决定了动车组的运行速度和运行安全，是保持车辆正常运营的基础。牵引控制的难点和关键有牵引电机的控制策略（包括黏着控制）、四象限变流器的控制、故障诊断与保护等。
（一）牵引电机的控制策略
动车组运行时按照设计的牵引特性曲线对牵引电动机进行控制，动车组全速域运行时，不同速度段采用不同的调制算法控制牵引电机。同时，对于高速列车来说，高速铁路的轮轨黏着问题直接关系到牵引动力配置、牵引功率分配、轮轨表面损伤等，需要寻求一种最优的黏着控制方式，很好地预防和抑制空转/滑行，确保高速动车组运行的高效、安全，并提高牵引力的利用率。CRH380动车组在牵引控制方面优化了控制逻辑和控制特性，降低了功率元器件的开关频率，改善了变流器的冷却。
（二）四象限变流器的控制
当动车组在特定接触网条件下并有足够多的动车组数目时（在同一供电臂内取电），因接触网对动车组牵引控制策略中的四象限环节的影响，可能导致牵引效果的大幅下降，严重时导致列车牵引力丢失以及接触网网压快速波动。因此，四象限变流器的控制策略直接影响动车组与牵引供电网的匹配性能。随着交流传动动车组的大量投入运用，车网匹配方面暴露出的问题也越来越多。四象限变流器的控制策略优化设计成为牵引控制的关键。在京沪高速铁路先导段联调联试阶段，曾发生了CRH380AL动车组引起网侧谐波造成网压异常、CRH380BL动车组避雷器损坏的故障，后期通过对CRH380AL移相策略改进，初步达到了治理网侧谐波的目的。但是CRH380AL单车运行时，网侧谐波尚未达到中华人民共和国国家标准《电能质量公用电网谐波》（GB/T 14549—1993）要求，比照CRH380BL网侧谐波含量测试结果，其控制软件需进一步改进完善。CRH380BL网侧谐波含量较低，牵引工况与电制工况谐波含量相差较小，单车运行时，网侧谐波满足中华人民共和国国家标准GB/T 14549—1993的要求。
（三）故障诊断与保护
牵引控制技术具有完善的诊断与保护功能，在出现故障时，能自动故障定位及显示，并在“故障导向安全”的原则基础上进行处理。选择处理措施时，尽可能缩小故障影响范围，减小对运行的影响。牵引控制具备的保护项目有主变压器原边过压、主变压器原边欠压、主变压器原边过流、主变压器次边过流、中间直流回路过压、中间直流回路欠压、牵引变流器输出过流、牵引变流器三相输出不平衡、各动车牵引变流器运行工况不协调、并联运行的异步电机负荷分配不均匀、牵引电机过流、牵引电机过热、牵引变流器冷却设备故障、交流传动发生接地、通信故障等。
八、列车网络控制技术
列车网络控制技术是列车控制的神经和大脑，在列车控制、状态监测、故障诊断方面起着至关重要的作用。列车网络控制需要实现列车级、车厢级和设备级三级结构的信息处理、交互，并对列车集中控制和诊断。
控制装置需要对变量进行传输，在此过程中传输线路和设备都会带来相应的传输损耗，导致在一个车辆总线MVB段能够承载的MVB设备数有限。由于在一个传输路径上延时是有限制的，采用段扩展带来的问题是当段扩展太多时，传输路径中经过的中继器数量会增加。网络控制技术骨架设计将直接影响这些中继器数量，进而影响传输损耗。
列车网络控制技术的列车总线和车辆总线采用了不同的通信协议，为了实现控制数据在不同的协议之间进行交换，需要对数据进行编组。除此之外，列车网络控制技术属于一种硬实时过程，数据实时性要求高，需要在既定的时刻进行发送和接收，因而要对带宽进行分配控制，保证数据传输的实时性和有效性。
新一代高速动车组列车网络控制技术在设计中引入了完善的安全理念，实现了强大的在线监视诊断功能，在系统功能、接口分析基础上，针对通信协议、控制技术、诊断技术、RAMS技术等进行系统级的深化研究和分析，确定网络控制子系统中央控制单元与底层各个控制单元的参数匹配关系，从而最优化设计其控制诊断逻辑。
新一代动车组网络控制技术以既有的成熟网络控制为设计基础，保持拓扑结构合理、抗干扰能力强、可靠性高、传输能力强等优势，针对速度提升、接口设备增多等整体设计需求，重新设计信息传输设备的输入输出接口及控制软件，梳理既有网络控制关键问题并针对性地实施优化改进，研发了无线远程数据传输装置和牵引/制动数据记录装置，改造了乘客信息显示装置，基于动力单元组成、编组形式、设备分布、受电弓控制、辅助供电方案等方面的变更设计制造了新一代高速信息传输装置，提升了整体性能。
九、制动技术
高速动车组最高时速达到380km时，整个列车的动能将达到5000MJ。如何保证安全平稳的停车，并有效回收能量，降低机械磨耗，对制动技术在制动距离、冲动限制、可靠性等方面提出了更高的要求。
随着列车速度的提高，在较短时间内使车停下来，对制动盘的热负荷能力也是一个巨大的考验。因此，需要综合考虑确定合理的制动距离；制动的减速度变化率的最大值可能发生在制动初期、不同制动方式切换过程、列车停车瞬间三个点，这都和制动技术设计和控制密切相关。在降雪时，动车组运行过程中积雪很容易卷入制动盘和闸片之间，结冰后，闸片与制动盘之间的摩擦系数大大降低，从而导致制动距离的增大，严重影响行车安全，这就需要高速动车组设置耐雪制动。为提高制动的可靠性，对重要和关键部件采用冗余设计，如指令传输方式、备用制动相对常用制动、非常制动相对紧急制动等。其次，按照故障导向安全的原则进行设计。
新一代高速动车组制动技术采用电空复合制动、电制动优先的控制方式，通过优化配置制动单元和合理设定制动减速度曲线，提高再生制动利用率，提升基础制动热负荷能力，优化了制动滑行控制采用大容量、高可靠的基础制动装置和动力制动优先、空气制动补充的复合制动模式，并运用微机控制的直通式电空制动、高精度防滑装置、制动过程平稳及制动冲击限制等技术，按运行模式曲线控车实现了目标距离一次连续速度的平稳控制。