第二節 高速列車牽引制動關鍵技術
一、大功率電力牽引傳動系統
大功率電力牽引傳動系統是高速列車的原動力。高速列車由于在高速區運行時的基本阻力為空氣阻力，可近似地認為基本阻力與速度的平方成正比，所需功率與速度的三次方成正比。高速列車運行速度在300km/h以上時，空氣阻力已占到總阻力的90％以上，所需功率是100km/h級列車的15倍以上。如此大幅度的增加功率，則意味著新技術的大量應用。因此，高速列車的電力牽引傳動系統必須向功率大、重量輕、體積小、可靠性高和低成本方向發展，這就決定了高速列車的電力牽引傳動系統必然采用先進的牽引傳動系統。它主要包括：牽引變流器、主變壓器、牽引電機和牽引傳動控制。
1.牽引變流器
牽引變流器采用新型大功率半導體器件，從最早的晶閘管發展到GTO、IGBT、IPM，以至IGCT。牽引變流器發展的目標是小型化、輕量化、節能、環保、可靠和經濟適用。隨著變流器的模塊化、系列化和小型化，出現了將牽引變流器與輔助變流器和列車供電變流器統籌考慮、集成設計、制造的新趨勢。牽引變流器的冷卻是另一項關鍵技術，它要求冷卻效率高、體積小、易于維修、不污染環境，目前的冷卻方式主要是風冷、油冷、水冷、沸騰冷卻和熱管冷卻。
2.主變壓器
主變壓器是牽引傳動系統中重量、體積最大，耗損最多的部件，尤其在動力分散式高速列車中，由于要求啟動加速功率和再生制動功率大，而安裝空間又有限，所以主變壓器損耗占到總損耗的30％。因此減輕重量、減小體積、降低損耗，一直是主變壓器技術發展的目標。近來，隨著電子技術的發展和高溫超導線材性能的提高，出現了兩種新型變壓器，即電子變壓器和高溫超導變壓器，它們與傳統的工頻變壓器完全不同，具備重量輕、體積小、效率高等特點。
3.牽引電機
近代高速列車大多采用三相交流異步牽引電機，與直流電機相比，它具有重量輕、功率大、轉速高、結構簡單、運用可靠，壽命長、維修簡便的特點。近代開發的永磁多極同步牽引電機，由于可實現很高的轉矩密度，從而有可能實現無傳動齒輪的直接驅動，與帶傳動裝置的異步牽引電機相比，具有損耗低、重量輕、噪聲小、無油泄露等優點，很有發展前途。
4.牽引傳動控制
牽引傳動控制的水平取決于牽引傳動控制的策略和手段。牽引傳動控制策略由最初的轉差特性控制發展到矢量變換控制，近代又實現了電機轉矩控制的新技術：直接轉矩控制（DTC）和直接自控制（DSC）。這項技術具有控制簡單、性能優良和魯棒性較強的特點。近代牽引傳動控制手段普遍采用數字電路和大規模、超大規模集成電路以及微處理器、微控制器和數字信號處理器等組成的計算機控制系統，由單機個別控制向車載計算機網絡發展。車載計算機網絡由列車控制級、車廂控制級和功能控制級組成。
二、高速制動技術
高速列車的制動系統是實現列車高速、安全運行的保障。列車高速運行時具有相當大的運動能量，而高速列車的制動技術必須解決列車動能的快速轉換和能量消耗問題，并在輪軌黏著允許的條件下，做到高速列車的可靠制?；蚪邓?。另外，由于輪軌黏著系數隨運行速度的提高而下降，因此更增加了高速制動技術的難度。目前，高速列車制動的關鍵技術有：復合制動、制動控制、盤形制動、動力制動、非黏著制動和防止高速制動時車輪打滑。
1.復合制動
高速列車由于所需的制動能量巨大，靠單一的制動方式不能滿足要求，因此高速列車均需采用由多種制動方式組合的復合式制動方式來制動，并配有電子防滑裝置，以提高輪軌黏著系數。在動力轉向架上應盡量采用動力制動（電阻制動和再生制動），再配合以盤形制動（摩擦制動）；而在非動力轉向架上在盤形制動以外再輔以非黏著制動（渦流軌道制動和磁軌制動）。例如，日本300X、德國ICE3和法國AGV動力分散式高速列車的非動力轉向架上，采用了渦流軌道制動來提高制動力。
2.制動控制
高速列車制動系統是一個整體，動力制動、空氣制動、非黏著制動等需協調一致工作，這就是制動控制系統的任務。高速列車一般都采用電氣指令直通式電空制動控制系統，以微處理機為控制中心，優先采用動力制動，當動力制動力不足時，由制動控制單元發布電氣指令，通過EP電空單元使制動缸動作，產生空氣制動，補充動力制動的不足。在故障時能導向安全，并與中央診斷系統相連接。
高速列車制動空走時間是非常重要的，制動空走時間每延長1s，制動距離將增加70m。電氣指令式電空制動控制與其他控制方式相比，高速時的列車空走時間最短，這是由于其制動和緩解信號均為電信號，因此其反應靈敏，動作迅速，滿足高速列車縮短制動距離的要求。
3.盤形制動
按照歐洲鐵路聯盟UIC的規定，高速列車行駛時，應能在盤形制動（摩擦制動）的單一作用下，在規定的制動距離內停車，其目的是在動力制動發生故障時也能保證列車運行安全?？梢姳P形制動仍被視為高速列車的主要制動方式。但傳統的閘瓦制動，由于其在高速時對車輪輪軌的熱損害愈發嚴重，而且制動力不足。因此，其逐漸被盤形制動所取代，即使仍有閘瓦裝置，也只是作為盤形制動的補充，主要是為了清掃踏面，改善黏著。
盤形制動的制動盤和閘片在高速列車上承受著極為苛刻的工作條件，因此一方面要求提高強度和耐熱性，減少裂紋的發生；另一方面又要簡化結構、減輕重量。制動盤的材質經歷了特種鑄鐵、鑄鋼和鍛鋼等，已發展到了碳素纖維和鋁合金復合材料。其結構向無通風式、利于散熱和冷卻的結構發展。閘片材質的發展方向是以粉末冶金代替合成材料，以改善制動盤的受熱狀況。非動力轉向架的車軸上可以安裝多達4個制動盤，以降低閘片壓力，從而延長制動盤和閘片的使用壽命。動力轉向架一般軸重較大，制動盤的安裝數量受到限制，因而工作條件比較惡劣。
4.動力制動
動力制動包括電阻制動和再生制動。過去動力制動多為電阻制動，將列車動能轉換成熱能予以耗散。電阻制動的優點是可以在任何轉矩下利用蓄電池實現勵磁，從而在斷電情況下也能實現制動；缺點是高速時制動力急劇下降，因而電阻制動主要用于坡道地段限制速度和停車用。近代UIC已明確規定了安全制動距離，即在受流失效的情況下的安全制動距離應該與正常緊急制動距離保持一致。對于最高運行速度300km/h的高速列車，如德國ICE、法國TGV-2N和日本500系，在受流失效時都是采用純盤形制動作為安全制動的唯一技術手段。但是對于更高運行速度（例如350km/h）的高速列車，由于制動盤的制動功率已經超出其極限范圍，無法滿足安全制動距離的要求，為此可利用電阻制動在斷電時也能制動的優點予以制動。近代在動力分散式高速列車上采用電阻制動作為安全制動的新方式，例如在德國ICE350E、西班牙Tal90350和法國AGV高速列車上均采用了這種安全制動方式。
高速列車采用三相交流牽引電機，為再生制動的采用創造了條件。再生制動可以在全部速度范圍內保持強大的制動力，并可以制停，這對高速列車的制動具有重大的意義。再生制動還可以將部分制動能量轉換成電能返回電網，有利于節能。因此，近代高速列車的動力車制動方式均以再生制動為主。
5.非黏著制動
非黏著制動主要是指電磁軌道制動和渦流軌道制動。電磁軌道制動是將制動電磁鐵勵磁，使其吸附于鋼軌上，由電磁鐵的摩擦塊與鋼軌摩擦產生制動力。磁軌制動的優點是消耗功率小，由蓄電池即可勵磁，對鋼軌表面有清掃作用，有利于提高黏著系數。由于其制動作用是以摩擦塊與鋼軌間的摩擦為基礎，缺點是磨損大，會引起鋼軌表面局部過熱磨損，嚴重時會導致鋼軌損傷。因此，這種制動只被用于緊急或安全制動。
渦流軌道制動與磁軌制動相似，也是利用電磁效應來產生制動力，但不同的是，磁鐵不與鋼軌接觸，始終保持7～10mm的距離。列車制動時，利用磁場交變，在鋼軌內產生感應渦流，從而產生渦流制動力。渦流軌道制動的優點是：可以無磨損地應用于緊急制動和常規制動，無需維修。同時，它的制動力是可調控的，在高速范圍內具有很好的制動特性。因此，渦流軌道制動應用于高速列車具有很好的發展前景。渦流軌道制動的缺點是所需制動功率較大，制動時會產生鋼軌局部高溫的現象。
6.防止高速制動時車輪打滑
列車高速運行時輪軌間的黏著系數急劇下降，特別是在軌面潮濕情況下，黏著系數更低。要想縮短制動距離，又不產生車輪打滑，必須采用的主要措施有三種：一是按照列車運行速度控制制動力的大小，以充分利用黏著。例如，日本新干線0系高速列車按照列車速度分級來控制制動力，使之與黏著系數變化曲線相接近。在采用動力制動時，也按黏著系數的變化曲線施加動力制動。二是采用高性能的防滑裝置。近代，幾乎所有的高速列車都采用計算機控制的高性能防滑裝置來提高可利用的制動黏著系數。一般來說，采用電子防滑裝置可使黏著系數提高20％左右。三是采取增黏措施。日本高速列車應用踏面增黏閘瓦和在輪軌間噴射陶瓷粒子等方法來增加黏著，取得了一定的成效。
三、列車的監控與診斷技術
列車監控與診斷系統對于高速列車安全運行起著重要的作用，因為高速列車的故障會帶來嚴重的后果，因此必須在事故發生前，利用先進的裝備發現和預防故障。高速列車監控與診斷技術大致可以分為：運行監控、故障檢測與診斷以及通信網絡三方面的內容。
1.運行監控
為了保證高速安全運行，防止列車冒進和追尾等沖撞事故，高速列車必須采用列車自動控制（ATC）系統。一個完善的ATC系統應該包括ATP（列車自動防護）、ATO（列車自動駕駛）和ATS（列車自動監控）三個部分。ATP負責操作防護的所有工作，目前世界高速鐵路的列車自動防護，包括所有子系統的安全控制、諸如線路空閑、列車間隔、超速防護和操作安全等的監視。ATO負責牽引和電制動的所有控制及停站操作，包括列車的區間速度調節。ATS負責運行監督，對ATO發出運行時刻指令，監督運行并對偏差作出反應。ATP和ATO分成車上和車下兩部分，而ATS完全在地面上。
目前，世界高速鐵路的列車自動控制方式有兩種：一種是設備為主，人控為輔的方式，以日本新干線采用的ATC（列車自動控制）方式為代表；另一種是人機共用，人為主的控制方式，以法國鐵路采用的TVM430列車自動控制系統為代表。為了確保高速列車運行安全，廣泛采用了冗余技術，發送和接受設備都是雙套，必須在相互比較一致后才輸出。
2.故障監測與診斷
故障診斷是通過正確的故障識別（檢查和檢測），找出故障的正確位置，把需要修復或更換的零部件隔離開來，從而大大縮短維修過程，減少維修停時。
（1）診斷方式。高速列車應用的診斷方式有三種：人工診斷、自動測試設備（ATE）診斷和機內測試設備（BITE）的診斷。近代，高速列車故障診斷方式都是把重點放在機內測試設備（BITE）的診斷上，也就是說，盡量完善高速列車的車載監測診斷系統，使之在高速列車運行時發現和傳輸故障信息。自動測試設備（ATE）診斷一般在列車庫停和動車段檢修時使用，例如車輪的超聲波探傷、車輪磨損及外形的檢測等。
（2）車載監測診斷系統。目前世界上高速列車通用的測試性指標是：故障檢測率為90％～98％；故障隔離率為90％～99％（隔離到LRU）；故障虛警率為1％～5％。高速列車車載監測診斷系統的安全監測的項目（例如法國TGV動車組）有：防止司機睡眠監視器、速度監測、防撞監測控制、軸溫報警、走行部監測、防滑裝置的安全防護、旅客安全防護、車門控制等。德國ICE高速列車內部診斷系統的主要功能有：對所有電子控制的范圍進行檢測診斷，通過顯示屏給司機以排除故障的提示，按照優先級和故障后果來劃分故障等級，通過履歷存檔、實驗曲線、過程參數的查詢和軟件為維修提供決策。
（3）診斷技術。高速列車常用的診斷技術有：電機及電器的診斷、電子控制設備的診斷、振動診斷、聲診斷、紅外線診斷、潤滑油分析和性能趨向監測等。診斷技術不只包括硬件設備，更重要的是軟件系統，特別是人工智能和專家系統。
3.通信網絡
高速列車的控制命令、運行監控、故障監測與診斷的信息都是通過列車通信網絡傳送的。各個計算機控制的部件相互聯網，通過網絡通信來交換信息。對于動力集中方式的高速列車，需要由網絡傳遞聯控邏輯信號、制動和速度控制信息，而列車的各個單節和部件的工作狀態也需要通過網絡傳送到主控機車（動車），用以狀態監測和故障診斷。對于動力分散方式的高速列車，需要由網絡傳遞牽引或制動控制信息，以保障各單元協調統一的工作。同時，各動車或拖車的工作狀態也通過網絡傳輸給主控車，用以狀態監測和故障診斷。因此，近代高速列車必須有網絡技術的支持，這樣不僅可以節省列車連線，減輕列車重量，并且可以提高系統的集成度、可靠性和維修性。
目前，國外通信網絡技術已經比較成熟，網絡應用正朝著車載通信網絡、地面通信網絡、車地無線通信網絡、地面通信網絡與以太網接口等全方位方向發展。車載通信網絡可以實現牽引、制動、照明、空調等的控制與監測，實現控制系統的故障診斷和維修信息的提示，還可以實現旅客動態信息管理，包括處理旅行信息和座位預留信息等。車地無線通信網絡可以實現車載設備與地面設備之間的信息交換，為高速列車庫停高效維修創造了條件。車載通信網絡、車地無線通信網絡和地面綜合監視系統相結合，可以實現車載控制系統的遠程實時監控。
列車通信網絡從應用范圍來區分，主要有兩種模式。一種是歐洲模式，如TCN（Train Communication Net-work）和Wold FIP。主要特點是傳輸速率較高，實時性較強；另一種是美洲模式，如Lon Work通信網絡，傳輸速率不是很高。不同的模式應用于不同的場合，高速列車應用網絡技術實現司機控制器指令（牽引和制動）控制、司機室顯示屏控制、逆變器控制、主發電機勵磁控制、輔助電系統控制、蓄電池控制、防空轉/防滑控制、地面/列車信號通信、故障診斷和記錄等，另外還可提供完善的列車服務功能，例如聲頻/視頻通信、乘客信息提示、車門控制、采暖、通風和照明等，因此要求傳輸速率較高，實時性較強的網絡，歐洲模式適合于高速列車的使用。TCN主要用于德國高速列車ICE，并得到許多歐洲大機車車輛制造廠商和部件制造商的支持，也被我國一些工廠和研究單位采用；Word FIP主要被法國ALSTOM公司采用，用于法國TGV高速列車。而美洲模式Lonwords主要用于地鐵、城市軌道車輛和貨車。