第四章 高速铁路的牵引技术1）要实现比现有机车更大的牵引功率及牵引力的新型动力装置和传动装置；2）牵引动力的配置己不能局限于传统的机车牵引方式，而要采用分散的或相对集中的动车组方式；高速牵引动力涉及的新技术3）高速条件下新的制动技术；4）高速电力牵引时的受电技术；5）适应高速行车要求的车体及走行部的结构以及减少空气阻力的新的外形设计等等。这些都是发展高速牵引动力必需解决的具体技术问题。到目前为止，世界上已有日本、法国、德国、英国、意大利、瑞典、西班牙、美国、俄罗斯等国开行200公里小时以上的高速列车。从速度看，己开行的高速列车的最高运行速度可以划分为三个等级：1第一速度级 最高运行速度为200-250公里小时2第二速度级 最高运行速度为250-300公里小时3第三速度级 最高运行速度为300公里小时高速列车对牵引功率的需求是根据高速列车的总质量、最高运行速度和该速度下的列车单位阻力来计算的，计算公式为：一、高速列车对牵引功率的需求牵引功率计算公式式中：N 高速列车所需的牵引功率(千瓦)；Q 高速列车的总质量(吨)；w 高速列车的单位阻力(牛吨)；Vmax一高速列车的最高运行速度(公里小时)；K裕量系数。200公里小时250公里小时300公里小时第一速度级第二速度级第三速度级总牵引功率为 6400千瓦总牵引功率为 8800千瓦总牵引功率为 13600千瓦根据公式若列车总质量确定为 800吨(可运送旅客1000名)上述计算所得数据表明：从常规速度级提高到第一速度级，速度增加倍，而所需的总牵引功率需要增加4倍。这不仅是因为牵引功率与最高运行速度成正比(由公式可知)，更主要的是因为在高速情况下，列车单位阻力要比常速情况下大大增加的缘故。同样质量的列车在常规速度(100110公里小 时)时所需的总牵引功率仅为1600千瓦应当指出，上述计算中都考虑了功率储备，以确保有一定的富裕加速功率或能达到略高于该档速度运行所需的功率。各国部分高速列车质量、最高运行速度 及牵引总功率一览表列车运行时的阻力由列车运行基本阻力和各种附加阻力组成。二、高速列车的阻力运行基本阻力列车运行基本阻力是指机车或动力车及其附挂的客车或货车的运行基本阻力，它由列车的空气阻力和机械阻力(包括轮轨摩擦阻力、轴承等滚动部件的摩擦阻力)组成。 是指坡道附加阻力； 曲线附加阻力； 隧道空气附加阻力等。 附加阻力1）低速运行时，机械摩擦阻力是主要的；2）运行速度达到100公里/小时左右时，空气阻力 与机械摩擦阻力大致各占一半；3）当运行速度达到200公里小时时，空气阻力占 运行基本阻力的比重为70；4）若运行速度再提高，空气阻力所占的比重还将 增大。列车运行基本阻力随运行速度的不同而异列车运行空气阻力值计算公式式中：空气密度(公斤米3)；Cd 一空气阻力系数；V 列车速度(米秒)；A一列车断面积(米2)；Cdp列车压力阻力系数； 列车侧面气动摩擦系数；L 列车长度(米)；d 列车气动直径(米)Fu=Pfj =(Pug) jPu 机车或动车的粘着重量全部动轴荷载之和；g 重力加速度； j 计算粘着系数。粘着牵引力的计算公式从公式可以得出牵引力的大小：与动轴的荷载计算粘着系数有关。粘着系数的大小与速度有关。粘着系数j运行速度粘着系数与运行速度的关系牵引的特性（各类机车）都有相同的特点：速度越高，牵引力下降越多，而速度越高，阻力越大D=f(v2),因此就可能出现牵引力无法达到的情况。牵引的特性解决方法：增加牵引轴吨位轴重由23吨变成25吨增加动轴数量2轴变3轴多台机车重联运行动力分散成动车组运行1)牵引动力的型式电力牵引和内燃电传动牵引同样都能满足牵引高速列车的要求。从世界各国发展高速铁路的情况看，尽管电力牵引初始投资较大但绝大多数国家的高速列车都采用电力牵引。三、牵引动力及其配置电力牵引具有： 牵引功率大； 轴重小； 经济性能较好； 利于环境保护这一系列优点，可以说电力牵引是高速铁路的 最佳选择。电力牵引的优点因其投资少、见效快、经济性能好等特点，应用于高速列车的牵引也有成功的先例，如英国的HST高速列车、德国的VT610内燃动车组。内燃电传动牵引可用于尚未电气化的高速铁路区段，也可作为加速发展高速铁路建设的一种过渡牵引型式。内燃电传动牵引高速列车的牵引可以采用电传统的机车牵引型式，也可采用功车组牵引型式。由于动车组的轴重低，可以减小对线路的破坏作用，因此目前世界上大部分高速列车采用动车组牵引型式。动车组牵引型式是高速列车主要的牵引方式日本 E2-1000国外典型的高速动车组日本 700系法国 AGV德国 ICE西门子高速列车的牵引动力配置有以下几种方式：(1)牵引动力集中配置于端方式(2)牵引动力集中配置于两端方式(3)牵引动力分散配置方式2）牵引动力的配置这是一种传统的牵引方式，即机车牵引客车方式。高速列车由一台或几台机车集中于一端来牵引。(1)牵引动力集中配置于端方式法国 TGV这种传统的机车牵引方式既有内燃机车牵引，也有电力机车牵引。一般应用于既有线改造为客货混用的高速铁路上，其最高运行速度为第一速度级(一般在200公里小时左右)。它在高速化的初期为不少国家所采用，特别是内燃机车牵引用与尚未电气化的区段，是种投资少、见效快的牵引方式。绝大多数国家采用的还是电力机车牵引，如英国采用91型电力机车(最高速度为225公里小时)；美国采用AEM7型电力机车(最高速度为202公里/小时)；俄罗斯采用SP200型电力机(最高速度为200公里小时)作为牵引动力。这种牵引方式由于机车总功率较小，难以满足进一步提高速度的要求，因而仅局限于满足最高运行速度为200公里小时的高速客运的需要以及低于该速度的货运需要。高速列车两端为动力车，中间全部为无动力的拖车，牵引采用前挽后推方式。两端设动力车有利于往返运行时不必转向，并有利于前后端流线型处理。(2)牵引动力集中配置于两端方式1）机车模式2）动车组模式集中于两端的动力车可以有几种模式两端的动力车实际上就是一般的机车，而中间的无动力拖车即为般的客车。如德国的ICE高速列车，这种模式在列车长度方面机动性较大，可随意加大或缩小编组。机车模式机车牵引模式图两端的动力车与无动力拖车具有共用转向架和铰接机构，构成动车组，如法国的TGV高速列车。这种模式可保持整列车的载荷均匀，运行相对平稳，但由于编组固定，因而在列车长度方面的机动性较差。 动车组模式法国 TGV-A高速列车具有铰接机构的动车组车端连接图动车集中动车组结构简图这是一种动车组牵引方式，也有二种模式：1）完全分散模式2）相对分散模式(3)牵引动力分散配置方式高速列车编组中的车辆全部为动力车，如日本的0系列高速列车，16辆编组中全部是动力车。完全分散模式高速列车编组小大部分是动力车，小部分为无动力的拖车。如日本的100系列高速列车，16辆编组中有12辆是动力车，4辆是拖车；300系列的高速列车，16辆编组中有10辆是动力车，6辆是拖车。相对分散模式动力分散动车组结构简图它将高度集中的牵引动力配置改为分散(或相 对分散)配置，即将牵引动力分散到各个动力车上 ，克服了传统机车牵引方式总功率受限制的缺点 ，可以提高高速牵引的总功率，从而使运行速度 进一步提高到第二速度级和第三速度级。这种牵引方式主要应用于新建的高速客运专 线和新建的客货混用高速线上，如日本、法国、 德国、瑞典、意大利等国的高速铁路就采用这种 牵引方式。 动车组牵引是当前高速牵引的主要方式动力分散动车组高速列车最高运行速度的三个等级恰好反 映了高速牵引动力发展的三个阶段。高速列车最高运行速度与牵引动力 发展的三个阶段第一代牵引动力有传统的动力集中配置的机车牵引和动力分散配置的动车牵引两种形式。第一代牵引动力传统的机车牵引以英国IC225(inter city 225)高速列车的牵引为例，该列车由class 91型电力机车作牵引动力，共牵引8辆客车，电力机车为交直流传动，采用直流牵引电机，总牵引功率为4700千瓦，最高运行速度为225公里小时。传统的机车牵引动力分散配置的动车牵引如日本的0系列动车组，其编组为16辆，全部是动力车，采用交直流传动、直流牵引电动机，每辆动力车的牵引功率为4185千瓦。总牵引功率为11840千瓦，最高运行速度为210公里小时。动力分散配置的动车牵引继0系列之后又发展为200系列功车组，其编组为12辆，也全部是动力车，仍采用交直流传动，直流牵引电动机。只是每辆动力车的牵引功率增至4230千瓦，总牵引功率达11040千瓦，与0系列相近，但由于编组减少4辆，最高运行速度就提高到240公里小时。第二代牵引动力则以相对集中配置为特点，即由动力高度集中和动力全部分散转向动力相对集中。第二代牵引动力如法国的TGVPSE动车组，其编组为10辆，两端为动力车每端有3台动力转向架，动力车采用交直流传动、直流牵引电动机驱动，每台动力转向架的牵引功率为2525千瓦，总牵引功率为6300千瓦，最高运行速度为270公里小时；法国以后又发展为TGVA动车组，其编组仍为10辆，两端为动力车，动力车改用三相交流传动同步牵引电动机驱动，每辆动力车的牵引功率为4400千瓦，总牵引功率达8800千瓦，比TGVPSE动车组的总功率大1.4倍，因而其最高运行速度可达300公里小时。第三代牵引动力是目前广泛使用的新一代牵引动力，主要采用动力分散配置，并在传动技术上有新的突破，即采用三相交流异步牵引电动机驱动。第三代牵引动力这就可以使动力车的牵引功率大大增加(在不增加重量条件下)，且牵引粘着特性更为理想，从而使列车最高运行速度突破300公里小时，进入第三速度级。德国的ICE型、瑞典的X2000型、意大利的ETR500型动车组以及日本的300-700系列动车组、法国研制的TGV-N动车组，其设计最高运行速度达350公里小时。技术发展：从动力集中到动力分散动力分散牵引方式的特点 多动力单元组成，冗余性高，运行可靠性高； 牵引力分散，降低车身强度要求，实现轻量化； 全部车辆为乘客车厢，定员多，运量大，效率高； 牵引设备分散在地板下，轴重轻且轴重分布均匀，对线路影响小； 动轴数量多，粘着要求低，受气候等环境条件影响小； 使用电气制动多，减小机械制动部件磨耗，节能； 电气和机械制动联合使用，性能稳定，安全性高牵引功率大轴重小启动加速性能好可靠性高列车利用率高编组灵活动力分散动车组是当今世界高速动车组技术发展的方向。动力分散动车组优点:第二节 高速受电弓技术目前世界各国最高运行速度在200公里小时以上的高速列车，除英国的HST高速列车由内燃动车牵引外，其余均采用电力牵引。与常速列车的电力牵引相比较，高速列车电力牵引的受电有一些特点。1高速受电的特点高速列车的行车速度较常速列车高得多，因化受电弓沿接触间导线移动的速度大大加快。这就使接触网与受电的波动特性发生变化，从而对受电产生影响；特点一高速列车在高速运行时所受的空气阻力远较常速列车大得多，空气动力也是影响高速受电的一个重要因素；特点二高速列车所需的牵引功率较常速列车大得多，若采用多弓受电必然会增加阻力、加大噪声，并引起接触网的波动干扰，因而受电弓的数量不能太多，这就需要解决受电弓从接触网大功率受电的问题。特点三 高速列车的受电是通过受电弓与接触网的接触导线紧密接触而实现的，因而受电是否正常直接取决于接触网-受电弓系统的技术状态。 一个工作可靠的接触网-受电弓系统是确保高速动力车良好取流的根本条件。2接触网-受电弓系统由于接触网的接触导线是一根具有弹性的导线，受电弓也是一个弹性体，故而两者构成的是一个相互接触的弹性系统。接触网-受电弓系统为弹性系统接触网的基本功能是通过与受电弓的直接接触将电能供给动力车。对高速受电用的接触网应有更高的要求：对高速接触网的要求(1)在最高行车速度和更大的速度变化范围内应能保近正常