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第1章绪论
第1章绪论
1.1前言
1825年9月27日,世界上第一条现代意义的铁路在英国斯托克顿(Stockton)和达灵顿(Darlington)之间开通,速度仅为4.5km/h。
1830年,英国利巴普尔至曼彻斯特间首次开行了客运列车。
1964年,日本铁路开创了铁路发展的新纪元,世界上第一条高速铁路——东海道新干线建成通车,运行时速达到210公里,高速铁路实现了从无到有。
以后,法国、德国、英国、意大利等国家争相开行了高速列车,高速列车技术得到了快速发展。
其中,日本高速铁路在高速化、轻量化和安全正点方面成绩卓著,成为世界上最成功的高速铁路,其动车组独特的动力分散技术,已成为世界高速列车未来发展趋势。
根据国务院批准的《铁路中长期发展规划》,铁道部按照“引进先进技术、联合设计生产、打造中国品牌”的总体要求和“先进、成熟、经济、适用、可靠”的技术方针,全面组织实施了时速200公里动车组技术引进和国产化项目。
CRH2型动车组以日本新干线E2-1000型动车组为原型车,通过全面技术引进和消化吸收,实现国内制造。
1.2E2-1000动车组概况
1.2.1E2-1000动车组发展和运用
新干线E2系动车组有E2-0型和E2-1000型两种,E2-0型通常称为E2系,是E2系的第一代产品。
E2系是JR东日本公司为同时适应东北新干线(东京至盛冈)和北陆新干线(高崎至长野)等多条线路运用而开发的新型电动车组。
2002年12月1日日本东北新干线盛冈-八户96.6公里延长新线开通。
为了与日本其它两大公司(东海、西日本)的500系、700系动车组保持在技术上的同步性和领先性,JR东日本公司运用了最新研制的多种新干线技术开发了E2-1000型动车组,编组由E2系8辆(6M2T)扩大到10辆(8M2T),总功率为9600kW,定员814人,设计速度315km/h,目前,采用275km/h速度运营。
随后,E2-1000型动车组又替代E2系在北陆新干线上运用,还投入了上越新干线(大宫至新泻)的运用。
目前E2-1000动车组已经批量生产了15列。
E2-1000采用10辆编组,8动2拖,由4个动力单元组成,前后两个动力单元分别由2个动车和1个拖车组成,中间两动力单元由2个动车组成,具体编组情况参见图1.1。
它还可以两列连挂组成一个长编组,其外形见图1.2。
图1.1E2-1000原型车的编组
图1.2原型车E2-1000外形
1.2.2E2-1000型动车组主要技术参数
表1.1是E2-1000动车组总体技术参数和各节车辆的参数情况。
表1.1E2-1000型列车主要技术参数
车厢号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
车型
E223
E226
E225
E226
E225
E226
E225
E226
E215
E224
代号
T1c
M2
M1
M2
M1k
M2
M1
M2
M1s
T2c
定员(人)
54
100
85
100
75
100
85
100
51
64
重量(t)
41.1
44.9
44.0
45.9
44.8
45.6
44.0
45.9
44.0
39.3
轴重(t)
11.0
12.7
12.3
12.9
12.3
12.9
12.5
12.7
12.0
10.7
车体长(mm)
25700
25000
25700
车体高宽(mm)
3700X3380
车体构造
大型中空铝合金挤压型材全焊接构造
供电方式
AC25kV,50Hz/AC25kV,60Hz
牵引方式
VVVF控制的三相鼠笼式异步电动机驱动,带防空转控制功能
牵引功率
9600kW
起动加速度
0.44m/s2
转向架型式
无摇枕式,空气弹簧支撑,单拉杆牵引方式,空气式有源悬挂
轴距(mm)
2500
制动方式
M车:
再生制动+电气指令空气制动;T车:
电气指令空气制动
制动控制
方式
再生制动优先,空气制动补充,带防滑器、空重车自动调整
受电弓
PS207单臂、低噪音型受电弓
主变压器
3060kVA(25kV)×4台
主变流器
IGBT;1200kW×8台
牵引电机
三相鼠笼式异步电动机,强迫风冷,耐雪型,300kW×32台
辅助电源
静止型稳压装置,辅助变压器
空调
准集中单元式,地板下安装,2台/辆
ATC方式
数字ATC(DS-ATC)
1.3E2-1000引进技术适应性研究
我国高速CRH2型动车组是通过引进日本E2-1000动车组技术进行生产。
为了适应我国的线路和运用要求,在引进过程中对原型车技术进行了适应性改进设计,充分体系出铁道部的引进、消化吸收再创新的技术路线,改进集中体现在适应性方面和移动设备与固定设备的相互作用关系上。
1.3.1轮对的适应性
轮轨关系是高速铁路首先需要研究解决的课题,轮轨关系不仅影响到列车运行品质,更影响到列车运行的安全性和轮轨摩擦磨损。
CRH2型动车组转向架车轮按照日本工业标准—JISE5402(铁道车辆-碳素钢整体辗压车轮)设计和生产,为适应中国铁路的线路要求,车轮轮辋厚度由原型车125改为135,同时为了与中国铁路的T60钢轨匹配,车轮踏面形状由新干线踏面改成为我国LMA型踏面。
另外,E2-1000原型车转向架轮对的内侧距和其它新干线轮对均为1360±1,为满足中国铁路的线路,轮对内侧距调整为1353
。
计算表明,CRH2型动车组采用LMA踏面和T60钢轨匹配下的动力学性能优良,特别是运动稳定性具有很大的裕度,具体计算结果见表1.2和表1.3。
其中,非线性蛇行失稳临界速度在500km/h以上,既便等效锥度为0.4时的线性临界速度也在350km/h以上。
其它动力学性能指标,如平稳性和安全性指标也达到优良。
1.3.2受电弓适应性
对于电力驱动的动车组,弓网关系是除轮轨关系外,固定设备与移动设备之间又一重要关系。
E2-1000动车组运用在东京~新泻和东京~八户,所采用的接触网是带弹性组合吊弦的重型复式链型悬挂(见图1.3(a)),接触网网高仅5m,接触线拉出值小,而且接触网坡度小。
E2-1000动车组使用的受电弓为PS207单臂、低噪音受电弓(见图1.4(a)),该受电弓的工作范围小,该受电弓的弓头工作宽度只有1m左右。
我国接触网一般采用图1.3(b)所示的简单链型悬挂接触网,这种接触网结构简单,对受电弓的动态特性要求较高。
同时,为了适应双层集装箱运输,我国接触网网高为6.45m,高出日本接触网1米多。
另外,为了保证受电弓能通过既有线的不同线岔,我国受电弓的弓头宽度要求达到1950mm,显然E2-1000的原装受电弓的工作高度、工作宽度和动态特性都无法适应我国接触网的要求,必须另外配置。
CRH2型动车组受电弓采用了德国STEMMANN技术,由国内企业生产的DSA250受电弓,见图1.4(b)。
该受电弓最高运行速度230km/h,满足CRH2型动车组的运动速度要求,受电弓最高提升高度3m(包括绝缘件),满足接触网网高6.45m的要求。
在试验中,当CRH2型动车组试验速度达到250km/h,该受电弓的受流性能下降。
为了提高该受电弓的受流质量,在受电弓和车顶之间加装了200mm高的过渡件,以降低受电弓的工作高度,保证CRH2型动车组在250km/h运行速度下的受电弓受流质量。
试验证明,受电弓和车顶之间加装过渡件,受电弓满250km/h运行要求。
(a)日本复式链型悬挂接触网
(b)中国简单链型悬挂接触网
图1.3日本和中国接触网
(a)PS207受电弓(b)DSA250受电弓
图1.4日本PS207受电弓和国产DSA250受电弓
1.3.3动力配置和编组的适应性
E2-1000动车组采用了8动2拖的列车编组,设计速度315km/h,列车总功率9600kW。
而CRH2型动车组运营速度200km/h,列车编组改为4动4拖,列车总功率仅为4800kW。
动车组可以采用2列(16辆)联挂运行,能够适合我国长距离大运输量的运输模式。
动车组采用这样的编组配置,不仅在功率上得到充分利用,而且在编组上实现灵活运用。
1.3.4转向架结构的适应性
转向架作为走行部件,是动车组最关键的部件之一,它直接影响到车辆的动力学性能,也关系到和线路的适应性。
因此,在对E2-1000动车组进行技术引进时,针对我国国情,对转向架部分进行比较大的改动,形成CRH2型动车组转向架。
在具体的改动内容中,除了前面已经介绍的涉及轮轨关系的踏面形状、车轮内侧距外,主要还有轴箱定位、轴箱轴承、车轴、构架和空气弹簧等的改进。
对于车轴、构架和空气弹簧,主要是尺寸上的变化,以提高承载能力。
CRH2型动车组转向架轴箱轴承改为圆锥滚子轴承,其原因是原型车采用了稀油润滑式圆柱滚子轴承,这种方式我国机车车辆应用中没有应用的先例,不符合我国国情,因此改为适合油脂润滑的圆锥滚子轴承。
转向架轴箱定位由拉板式改成转臂式,如图1.5所示。
主要考虑了转臂式定位在日本500系上采用过,500系的运行速度达到300km/h,而且有长期应用的经验,另外,该结构维护相当方便,。
(a)拉板式(b)转臂式
图1.5转向架轴箱定位比较
1.3.5其它适应性
1.3.5.1增设饮水机
原型车未设饮水机,乘客饮用水从自动售货机购买拿取。
根据我国实情,CRH2型动车组在双号车上设置了饮水机,免费供水。
1.3.5.2增设餐饮区
原型车未设专为旅客服务的餐饮区。
考虑到我国国情,CRH2型动车组在5号车上设置餐饮区和小卖部,配备了冰箱、烤箱、电茶炉等设施。
1.4丛书的主要内容
丛书内容丰富、详实,有系统的体系,并且许多技术是首次在国内披露,具有很高的学术价值和应用参考价值。
因此本丛书既适用于与之相关的研究、设计和制造人员,也适用于路局运用单位的司乘和维护人员。
CRH2型动车组丛书分16章,详细叙述了包括设计原理、基本概念;结构和系统参数;相关计算和试验等内容。
本章作第1章,为绪论,简单介绍了E2-1000型动车组的发展沿革,介绍了原型车E2-1000型动车组的技术参数。
为了保证所引进的技术和结构参数能符合我国的应用条件,特别是动车组与我国线路、接触网的适用性,在引进过程中进行系统分析,本章对相关的适用性研究和改变内容进行了介绍,以便读者对CRH2型动车组的特点有更深的了解。
第2章总体组成与技术。
本章系统而又简单介绍了CRH2型动车组的编组、设备布置情况,动车组的技术和结构特点,以及主要参数指标。
另外还介绍了动车组的标识,运用条件,质量保证期和养护周期。
第3章车体结构。
本章根据高速动车组采用铝合金车体的情况,分析介绍了各种铝合金的材料特性和铝合金车体的承载结构形式。
通过介绍铝合金车体的发展概况,根据车体轻量化设计原则和整体承载结构情况,介绍了CRH2型动车组铝合金车体的主要技术参数,车体主要结构,包括底架、侧墙、端墙、车顶、车下设备舱和头部结构等。
介绍了车体气密性和空气动力学性能的基本情况。
根据相关标准,CRH2型动车组车体进行了相应的强度有限元分析和强度试验,分析结果和试验均表明该车体结构满足设计要求。
第4章车内布置。
本章介绍动车组各车辆的平面布置,车内设备设置、功能和用途,分析各种车窗、车门的结构、密封的要求、开闭动作原理;对设置在动车组客室内的车内设置车内信息显示器、车内配电盘的主要设备、空气净化机、车门扬声器、餐饮设施等设备的结构、工作原理进行说明;并对车内内装结构、安装结构形式、使用的内装材料、隔音隔热减振材料进行介绍和说明。
第5章转向架。
本章主要叙述了有关CRH2型动车组转向架的结构与工作原理,内容包括:
动车组转向架基本结构、主要技术参数、转向架构架、轮对组成、轴箱装置、一系悬挂装置、二系悬挂装置、驱动装置和齿轮箱、基础制动装置和踏面清扫装置。
介绍了CRH2型动车组转向架构架的强度设计和试验结果,并对转向架动力学性能计算结果、滚动振动试验台试验结果和实际线路试验结果进行了叙述。
第6章司机室。
本章首先从人机工程学的观点阐述了CRH2型动车组司机室的特点,然后详细介绍了司机室的设备布置,最后描述了司机操纵台、配电柜、座椅、门、窗、雨刷、头灯的技术特点和结构组成。
第7章牵引传动。
本章简单介绍了CRH2型动车组牵引传动系统的主要原理、系统主电路、控制电路和控制策略、牵引传动设备在车上的安装位置与布局、系统的主要技术参数和特点。
根据牵引计算基础理论对动车组的牵引/制动特性进行了较为详细的分析;根据高压电器设备的具体作用对其工作原理、主要技术参数、结构、调整、试验、维护和操作注意事项等进行了介绍。
牵引变压器、牵引变流器和牵引电机是本章的重点,牵引变压器部分主要侧重于结构、特点、技术参数、维护检查、故障处理、试验和计算分析;牵引变流器主要侧重于三点式PWM脉冲整流器、三点式VVVF逆变器的主电路结构原理及其控制电路、控制原理、控制策略等的理论分析,对其特点、主要技术参数等进行了总结分析;对变频调速异步牵引电机的主要结构、特点、接口尺寸、矩速调节特性、试验和维护等进行了较为详细的描述,并增加了电机通风机相关内容。
第8章辅助供电。
辅助供电系统由辅助电源系统和辅助用电设备两部分组成。
CRH2型动车组辅助电源系统由辅助电源装置(APU)和辅助整流装置(ARf)构成。
本章主要介绍了辅助供电方式与性能、辅助电源装置、辅助整流装置、辅助电源装置的故障保护动作、辅助电路构成、辅助供电回路、直流供电回路、辅助用电设备(牵引变压器、蓄电池)的用途与分类、蓄电池的工作原理、蓄电池的使用与维护以及辅助电源系统试验并给出了试验使用设备和测试仪器。
第9章动车组控制与监测。
本章主要介绍动车组控制相关的牵引控制、制动控制、系统安全联锁、动车组过分相、车门控制、空调控制、故障保护、安全监控等内容,介绍各部分的基本电路、控制逻辑关系等内容。
第10章压缩空气供给与空气制动。
针对CRH2型动车组所采用的电气指令微机控制直通式电空制动系统,本章首先介绍了制动系统的组成及特点,从制动系统类型、制动方式、电气指令形式和制动控制方式等方面介绍了制动系统原理;介绍了制动系统常用制动、快速制动、紧急制动、辅助制动、耐雪制动等制动功能的指令线和控制电路;介绍了制动控制装置的组成、气路原理、制动控制单元的控制功能、防滑控制、制动控制单元故障诊断功能。
对辅助制动系统的指令、控制电路进行了详细说明;从安全制动的角度对备用指令线、紧急制动控制环线、ATP/LKJ2000制动接口作了介绍。
本章后面介绍了供风系统、主空气压缩机和辅助空气压缩机、升降弓等辅助用风设备、联挂及回送和被救援时的空气管路连接。
最后对制动系统的制动减速度、粘着、制动距离进行了详细计算;对系统冲气时间、压缩空气消耗量及电动空气压缩机的工作率也作了详细计算。
第11章信息传输。
列车信息传输系统对动车组各部件进行全面、实时的信息化管理,通过信息的分散采集,远程诊断,网络传输,集中处理,对各类信息进行实时汇总分析。
本章主要讲述了动车组列车信息控制系统的系统构成、网络结构、信息传输协议(列车网络采用ARCNET和HDLC,车厢网络采用20mA电流环和HDLC),司机室显示、乘务员显示、客室信息显示以及介绍各部分的技术基础、基本原理、功能特点、设备组成等内容。
第12章旅客信息。
旅客信息系统是一个能够随时给旅客提供重要信息的系统。
CRH2型动车组的旅客信息系统主要涉及列车广播、列车通话、无线电收音、自动报站系统、车外信息显示设备、车内信息显示设备、车内标识、列车运行信息显示等方面,本章从这些设备的结构、特点、工作原理、工作参数、对外接口、与列车信息网络的联系等方面进行分析和说明。
并介绍了预留的列车网络和旅客终端方案。
第13章车内环境控制。
本章主要围绕CRH2型动车组的空调系统中的主要部件:
空调机组、通风系统结构、换气装置、空调变频装置、空调显示设定器、司机室空调装置等六个部分开展编写工作,从设备或装置的结构、特点、工作原理、控制方法和运行模式、相关技术性能与参数等方面进行介绍、说明和分析。
另外,还介绍了客室照明等内容。
第14章车端连接。
本章主要介绍了动车组车辆间连接设备,包括车钩及缓冲装置的结构和主要性能参数、密闭式橡胶内风挡、压缩形外风挡以及头车和中间车的电气连接装置。
第15章车辆给排水及卫生系统。
本章分别对给排水系统中水箱装置、管系、温水箱、饮水机;卫生系统中的自动洗面器、玻璃钢盒子间;集便装置中座便器、小便器、污物箱等装置和设备,从结构、性能、相关参数的设计与计算、车上安装和应用,设备的工作原理、控制原理等方面进行介绍和说明。
第16章列车运行控制系统车载设备。
本章介绍了列车运行控制系统ATC(AutomaticTrainControl)基本原理、基本电路和设备组成,介绍了车载设备的布置、功能和与动车组的接口、信息传输等内容,还介绍了列车无线通讯设备的相关内容。
丛书后记记录了本丛书的编写过程,编写者的感受和经验,最后列出了参与编写的人员情况。
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