高速铁路机车和车辆技术.ppt

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1、第三节 传动方式与传动装置,常见传动的种类：离合器+机械变速装置液力变扭器电力传动+牵引电机,高速列车的牵引传动绝大部分采用电力牵引传动方式，即使个别采用内燃牵引的高速列车也采用电传动方式。因此可以说，高速列车的牵引传动毫无例外地一律采用电传动方式。,电传动方式,电传动方式就是将外部输入的能源(如电力动力车)或本身产生的能源(如内燃动力车)通过一整套电能变换和传递装置，将电能转换为机械能，驱动功轮轮对以牵引列车。这种电能变换和传递装置称为电传动装置。,电传动方式的分类,按照电传动装置所采用的牵引电动机的类型，电传动方式可分为两大类：,(1)以直流(或脉流)牵引电动机为动力的直流电传动方式；(2

2、)以交流牵引电动机为动力的交流电传动方式。交流电传动方式又根据采用的同步或异步牵引电动机的不同分为交流同步电传动方式和交流异步电传动方式。,早期投入运用的高速列车大部分采用直流电传动方式。但随着大功率可控硅变流技术的发展，使三相交流传功技术得到了实际应用，从而相继出现了交流同步传动方式、交流异步传动方式，这是科技进步的必然趋势。,1直流电传动,直流电传动依其牵引供电系统的不同分为直直电传动和交直电传动。,直直电传动是指由直流供电系统供电、直流牵引电动机为动力的传动方式,直直电传动动力车的原理图,动力车通过受电弓从接触网获得直流电源(电源电压大多为1500伏或3000伏)，电能直接供给直流牵引电

3、动机，转变为机械能后通过一整套齿轮传动装置驱动动力车的动轮。,法国最早开行的巴黎一波尔多间的高速列车(最高速度为200公里小时)的动力车就是由1500伏直流供电系统受电，采用的直直传动方式。,直直电传动的特点,直直电传动的设备简单、技术可靠，因此在铁路电气化早期发展阶段占有主导地位。,但随着列车速度和重量的提高，要求牵引功率有更大的增长，而直直电传动由于本身一系列的不足，如接触网电压受直流牵引电动机电压的限制而不能大幅度提高、接触网使用的有色金属较多、牵引变电所数量多等，故而直直电传动不可能得到进一步的发展。,目前个别国家的高速列车动力车采用直直电传动方式，是不得已沿用既有电气化铁路直流供电系

4、统的结果。从50年代开始新建的电气化铁路则大都采用单相工频交流供电系统，其传动方式转为交直电传动。,交直电传动,交直电传动是指由单相交流供电系统供电(供电频率可为工频或低频)、脉流牵引电动机为动力的传动方式。,交直电传动动力车的原理图,动力车通过受电弓从接触网获取单相交流电源(电源电压为25干伏、频率50赫兹，个别北欧国家采用15千伏。162/3赫)，经电源变压器降压后再由整流装置将交流电变换为直流电，再经平波电抗器向脉流牵引电动机供电，实现电能向机械能的变换。,目前世界上一些国家的高速列车，如日本的0系列、100系列、法国的TGV-PSK、英国的IC225、意大科的ETR 450等高速列车均

5、采用这种交直电传动方式。,法国TGVPSE高速列车动力,现以法国TGVP3E高速列车动力车的传动为例。该列车由前后2节动力车和中间8节拖车组成，动力车采用双流制的电传动方式，即能在两种不同的电流制式下工作的一种电传动方式。动力车(采用的直流牵引电动机)既能在直流供电制下、又能在交流供电制下工作。这是法国为了解决直流供电与交流供电区段衔接而采用的一种方式(有的欧洲国家为了实现国际联运还采用三流制、四流制的电传动方式)。,法国TGVPSE高速列车原理图,TGVPSE高速列车在旧线上运行时，由电压为1.5千伏的直流电网供电，最高速度不超过200公里小时，在单相交流25千伏、50赫兹供电条件下运行时，

6、动力车能发挥它的全部功率，最高速度可达260公里小时。每台动力车设有三个电气柜，分别向同一转向架上安装的两台直流串激牵引电动机供电。,电力牵引从直流制转为交流制是铁路电气化的大技术进步，因为单相工频交流制具有一系列的优点：,（1）可以大大提高动力车的牵引功率，为高速运行提供最根本的前提条件；(2)可以实现高压输电，减少变电站的数量，从而降低电气化的初期投资；(3)大大减少有色金属用量(约可减少60左右)；(4)可以降低能耗约l3，从而减少运营支出；(5)可以避免直流电腐蚀地下设施。,2，交流电传动,交流电传动是以交流牵引电动机为动力的一种电传动方式。交流牵引电动机包括：单相整流子牵引电动机、三

7、相同步牵引电动机、三相异步牵引电动机。,它们之中，无换向器的交流牵引电动机，与直流牵引电动机相比具有功率大、转速高、体积小、重量轻、成本低、结构简单、运用可靠、维修方便等优点。,在相当长的段时间内，采用这类交流牵引电动机为动力的传动方式终因调速不便和效率较低而未被应用。,直到70年代，由于电子技术的飞速发展，特别是晶闸管技术和大功率逆变技术的逐步成熟，使得在大功率条件下交流电的变频得以顺利实现，从而可以使交流牵引电动机的转速和转矩能够得到快速、平稳、精确的控制。,在这一前提下，目前世界各国在选用高速列车的电传动方式时，竞相研究和开发三相交流电传动技术，纷纷采用以三相交流同步牵引电动机和三相交流

8、异步牵引电动机为动力的电传动方式。,交流传动形式,(1)交直交电传动(2)交交电传动,(1)交直交电传动,这种电传动方式的持点是在交流电源和交流输出之间有一直流环节。,交直交电传动动力车原理图,动力车通过受电弓从接触网获得单相交流电源，经牵引变压器降压后由整流装置变换为直流电源，然后经中间环节LC滤波和储能装置，送入逆变器，再经逆变器将交流电变换为振幅和频率可调的三相交流电，供给三相交流异步(或同步)牵引电动机。,德国ICE高速列车,德国ICE高速列车就是采用交直交三相异步电传动方式。ICE高速列车由前后2节动力车和中间14节附挂车组成。每节动力车有两台二轴转向架，共装有4台三相交流异步牵引电

9、动机。每台异步牵引电动机的持续功率为1200千瓦前后两节动力车的总功率为9600干瓦。,受电弓由接触网获取单相交流电源(电源电压为15干伏、频率为16 23赫兹)，主开关和输电线滤波器装在主变压器原边线圈上。牵引电流变频器将l 6 23赫芝的单相交流电转换为所需的电压及频率可变的三相交流电，用于驱动异步牵引电动机。,电流变频器由个四象限控制器和逆变器组成，这两个部分内中间环节直流链耦电路相连接。四象限控制器分别与主变压器的4个次级线圈相连接，电动机端的逆变器也分成4个功能块，每2块构成个三相汇流排，向一台转向架的两台异步牵引电动机供电。,三相交流牵引电动的优点,采用变压、变频三相交流传动是电传

10、动技术的一项突破，因为三相交流牵引电动机具有一系列的优点，主要是：,功率大，转速高。由于交流牵引电动机不存在换向器，因而电动机的最高转速不受换向器表面速度和换向性能的限制，只受齿轮传动的限制，牵引电动机的转速可达4000转分，可在相同的转矩下有较大的功率，电动机的持续功率可提高到1400一2000千瓦，完全能够满足高速列车的牵引要求。,有较好的粘着性能。三相交流牵引电动机的机械特性硬，轮轨间的粘着利用和防空转性能好。,运行可靠，结构简单，坚固耐用。尤其是三相异步牵引电动机的鼠笼式转子，抗潮湿、耐冲击，起动时还可承受数倍的过载能力。,体积小，重量轻。三相交流牵引电动机的体积和重量要比同等功率的其

11、他电动机小，这样可以降低轴重，减轻轮轨间的动力作用，这对高速动力车而言是十分有利的。,(2)交交电传动,这种传动方式的特点是单相交流电源不经中间直流环节，直接变换为频率可调的三相交流电，供给同步或异步牵引电动机,交交电传动动力车的原理电路图,动力车通过受电弓从接触网获取单相交流电源，经牵引变压器降压后，通过个或几个变频装置，直接变换为可变频率的三相交流电，向三相交流同步或异步牵引电动机供电。,法国TGVA高速列车就是采用的这种交交三相同步电传动方式。从1979年开始，法国先后研究了多种可行系列的无换向器牵引电动机为动力的传动方式，经过对各种牵引电动机的研究，及重量、组成和成本比较、决定在TGV

12、A高速列车上采用电流源晶闸管逆变器三相交流同步牵引电动机，并利用单相混合桥式电路调节电压。,*交流传动技术,这种传动方式的主要优点,1）电流从逆变器的个支路转换到另一个支路是利用同步牵引电动机产生的电动势自然实现的；2）电流源逆变器仅由6个晶闸管支路组成，结构简单；,3）采用的强制换向器的结构也非常简单，重量也轻；4）牵引电动机还可在任何转矩下用蓄电池组实现励磁，转换为发电机工况运转，实现电阻制动。,TGVA高速列车由前后2节动力车和中间10节拖车组成。每节动力车有2台二轴转向架、共装有4台三相交流同步牵引电动机。每台同步牵引电动机的持续功率为1100干瓦，前后2节动力车的总持续功率为8800

13、千瓦。,TGVA动力车采用的STS44396型同步牵引电动机的技术。与TGVPSE高速列车采用的直流牵引电动机相比、持续功率增加一倍，起动功率增加60，而重量却减少110公斤，尺寸也略小。,第五章 高速铁路机车和车辆技术,第一节 动力车车体及走行部,一、动力车车体,对于高速动力车车体的基本要求是车体结构轻量化和车体外形要符合空气动力性能的要求。,1结构轻量化,所谓结构轻量化是要求高速动力车车体的承载结构在确保其动力强度的前提下，尽可能降低其重量。但是，这会遇到的技术困难：,承载结构较长,(1)高速动力车上要安装更多的附属设备，如制动装置、测试和诊断装置等。由于动力车的横截面受限界的限制、故高速

14、动力车的承载结构比一般动力车或电力机车长些；,承载结构最大弯矩大,(2)高速动力车在采用交流电传动方式时，希望将变流、变频装置布置在牵引变压器的上方，势必造成动力车车体中部重量更加集中，再加上高速动力车转向架的中心距较大，使车体承载结构的最大弯矩更为加大；,原转向架的部分转移到车体上,(3)在采用交流电传动方式时，重量明显地从转向架转移到车体上。高速客车轻量化，除可以节约能源消耗外，更主要的目的是减轻对线路的磨耗和损伤。,根据日本新干线的运用经验，钢轨下沉量(d)与轴重(W)、簧下重量(M)和列车速度V)有如下关系：良好路基 a=W0.7M0.3V1.3 不良路基 a=W2.0M0.4V0.7

15、,计算表明：,在钢轨下沉量不变的情况下，如果轴重和簧下重量分别下降20，则列车速度可由210公里小时提高到250公里小时。,为了实现结构轻量化，日本300系列高速动车组的车体采用铝合金材料制造，比100系列高速动车组的耐候钢车体的重量要减轻20；德国ICE高速列车的车体用铝板材制造，同样也降低了轴重。,2外形流线化,外形流线化是要求高速动力车车体外形应呈流线型，以尽可能减小空气阻力，使动力车具有良好的空气动力性能。在高速运行条件下，空气阻力已成为动力车总阻力中最主要的一部分。,空气阻力主要组成部分,(1)动力车前、后端所受的空气阻力；(2)装于动力车车顶的部件所受的空气阻力，主要是受电弓所受的

16、空气阻力；(3)走行部所受的空气阻力，主要是转向架及其他表面不光滑的设备所受的空气阻力；,(4)动力车车体底板区所受的空气摩擦阻力；(5)车体外表面与空气的摩擦阻力。,车体外形减小空气阻力方法,(1)细长、无棱角的流线型外形，前后两端动力车(或控制车)的头部应呈尖凸状、并装有低位整体沉线挡板；(2)顶部应平整光滑，除受电弓外，顶板上尽可能不安装其他部件(包括高压电缆)；(3)车体外表面应完全平滑光整，车窗、车门应与车体齐平，手把、扶杆应凹装在车体表层内。,日本高速列车为外形流线化采取的相应措施,日本0系、100系和300系高速列车头车外形。100系比0系头车的前部伸出较长的鼻尖(约900毫米)

17、，因而使空气阻力系数由0系车的0.29降低到0.25；300系头车形状又作了彻底改进，使车头的前端采用全封闭低位挡板，车体表面更加平滑，并且车体高度比100系降低了400毫米，因此其空气阻力系数达到了 0.20的水平。,二、走行部分,高速列车对动力车及拖车的走行部分，舒适性方面提出了更高的要求。高速动力车的走行部均采用转向架式。对高速动力车转向架的总体有一定的要求。,高速动力车转向架的总体要求,1在从零到最高速度的全部速度范围内能保证平稳、安全地运行；2在直线和曲线段上以最高速度运行时，能保证在垂直和水平方向上对线路的动力作用最小；,3能保证由于线路不平及通过曲线时传给牵引传动装置及车体的动力

18、作用和冲击为最小；4能保证最充分地利用粘着重量；5具有良好的适检性和适修性，零件应有较好的耐磨性和耐腐蚀性。,100系列、200系列转向架外观,E1系列、500系列转向架外观,日本高速转向架轴箱定位装置,100系,轴箱定位装置（200系）,轴箱定位装置（E1系）,轴箱定位装置（500系）,转向架与车体连接装置,带摇枕转向架（100系）,转向架与车体连接装置,无摇枕转向架,高速动力转向架的结构设计特点,现以德国ICE高速列车的动力车转向架为例，介绍高速动力转向架的结构设计特点。,ICE动车和拖车转向架,ICE动车转向架,构架图,牵引装置图,驱动装置,轴箱,结构设计特点：电机悬挂方式,1牵引电动机

19、、齿轮传动装置及盘形制动装置一起悬挂在车体和转向架构架之间。它们的部分悬挂在转向架中央上面的车体上，另一部分则通过摆杆悬挂在转向架端部的支承上。,这种悬挂方式使得牵引电动机、齿轮传动装置及盘形制动装置的垂向作用重量的23属于车体，即通过系及二系弹簧悬挂。仅有13的垂向作用重量属于转向架构架，也处于一系弹按悬挂之上。这种结构设计可以达到高速运行时垂向动力作用力很小的目的。,设置横向液压减振器,2在水平方向上，垂向分配给转向架的一部分牵引电机、齿轮传动装置及盘形刺动装置的重量，通过横向液压减振器与车体相连。,液压减振器采用持殊结构，当车体与转向架相对位移较小时(直线蛇行时)，减振器的阻尼很大，而当

20、相对位移较大时(通过小半径曲线及道岔时)，阻尼很小，可以使牵引电动机与转向架构架一起转动。其结果可使横向动力作用力也很小。,设置牵引拉杆,3在动力转向架上：不采用常规的牵引销，牵引力和制动力通过斜拉杆传递到车体上。因此转向架构架不设中间横梁，而呈框形封闭结构。,轴箱无磨耗弹性定位,4采用轴箱拉杆，实现轴箱的无磨耗纵向定位；横向定位依靠一系圆弹簧来实现，从而使轴箱定位所含的部件数量最少。,采用柔性高圆弹簧的二系悬挂,5二系悬挂采用柔性高圆弹簧。为防止弹簧力造成附加扭转应力，将高圆弹簧布置在转向架构架的纵梁上；并采用高位支承点减轻车体的侧滚倾向。,大体积橡胶元件和阻尼元件的采用,6牵引机构和轴箱定

21、位装置中采用大体积橡胶元件和阻尼元件，可以在最大可能限度范围内，实现各个方向作用的相互独立。,新型的制动装置,7采用了新的基础制动装置，用盘形制动代替了传统的闸瓦制动。采用双空心轴，将制动盘(由特种合金铸钢制成)装于外空心轴上。,这种盘形制动装置能在高速运行条件下承受很高的机械应力和热应力。制动盘上还装有金属陶瓷衬板，在高温下具有良好的耐磨性能，且其摩擦系数基本不受湿度、温度、压力的影响,转向架减重技术,8由于采用了一系列新的结构设计，动力转向架的重量(包括分摊给转向架的牵引电动机等的重量)仅为9.65吨，其簧下重量只有1.88吨，目前常速电力机车的转向架重量在30吨左右、簧下重量为6吨左右。可见ICE高速列车动力转向架的重量指标是十分先进的，这也正是其垂向和横向动力作用较小的实质所在。,