軌道交通下一代牽引電傳動系統的技術特征

李俊熹 張楊

摘要：軌道交通目前的技術前沿主要存在于高速和重載兩大發展趨勢中。其中：高速鐵路是現代化鐵路的重要標志，集中體現了當代高新技術的發展成果，代表著當今世界鐵路的發展方向。重載鐵路是解決大宗物質運輸，因其運能大、效率高、運輸成本低而受到世界各國的廣泛重視，特別是在一些幅員遼闊、資源豐富，煤炭和礦石等大宗貨物運量占有較大比重的國家。

為了服務高鐵出口的國家重大戰略需求，非常有必要研究和解決高速鐵路在世界范圍內面臨的特殊關鍵技術問題;對于重載列車，提高軸重降低自重也迫在眉睫。

關鍵詞：軌道交通、高鐵、重載列車、牽引電傳動系統

更高速度

隨著高鐵的高速所帶來的“時空壓縮”過程，旅客在時間距離不變情況下，空間距離逐漸增大，即旅客出行半徑會逐漸增大。日本新干線開通使東京和大阪等經濟圈更接近日本東北部的城市，使旅客出行貨物運輸更為方便，呈現出“把新干線當成走廊來使用”的現象。高鐵使倫敦到愛丁堡、格拉斯哥和蘇格蘭等大城市的旅行時間大幅度降低，從而促進英國各城市的經濟文化交流。南非約翰內斯堡到比勒陀利亞行程時間在高鐵開通后縮減，極大增強了沿途城市的聯系，每天客運量增加到6.4萬人次?？梢?，高鐵產生的“時空壓縮”效應對地區間的經濟和文化活動聯系產生明顯作用，進而對區域經濟空間格局變化產生深遠影響。法國佩皮尼昂至西班牙巴塞羅那段高鐵線開通減少在途時間，但加劇區域空間競爭，巴塞羅那區位優勢以及基礎設施集中性比佩皮尼昂好，產生高鐵“虹吸效應”;使佩皮尼昂成為一個僅擁有一些歷史紀念館的小城，導致佩皮尼昂的吸引力下降，產生高鐵“過濾效應”。便捷高鐵使加州北部和中央谷地區以及加州南部聚居區連成一片，讓該地區的經濟和技術交流活動異?；钴S。武廣高鐵對以武漢、長沙、廣州為軸的經濟帶迅速活躍起來。

可見，高鐵的速度是影響區域經濟格局的重要因素，也是高速鐵路能夠得到迅速發展的重要原因。根據國家戰略規劃，下一步，高速列車將不再滿足于國內的快速運輸，而是要積極投入到洲際運輸的競爭中去，這使得目前300-350kM的運行時速仍顯不足。

輕量化節能減耗

《國家中長期科學和技術發展規劃綱要》、《節能減排“十二五”規劃》（國務院）、《國家“十二五”科學和技術發展規劃》和《高端裝備制造業“十二五”發展規劃》等突顯了節能減排已成為國家可持續發展的戰略舉措。

世界各國采用低氣動阻力設計、輕量化設計、高效牽引系統、低能耗輔助設備和能量綜合管理等技術措施來降低列車能耗，提高列車單位能效。龐巴迪基于能源、效率、經濟、生態的ECO4理念，優化氣動阻力，減阻12%;采用高效智能化空調以及廢排余熱利用，節約能源率達26%;采用司機智能化輔助駕駛系統，提高牽引與電制動的效率，節能高達15%;整車材料回收率超過95%，整車綜合節能高達50%。我國CRH3系列動車組在整車減阻設計優化、車輛輕量化、長大車體以及高效牽引等方面也進行了積極嘗試和工程化應用，整車綜合節能高達28%。但與國外相比，我國高速列車綜合節能提升空間巨大，節能降耗關鍵技術的研究與綜合應用需系統深入的研究。

高速列車運營能耗主要是電能消耗，由牽引能耗、制動能耗、輔助能耗、傳動能耗組成。其中，牽引能耗主要取決于動能損耗、運行氣動阻力、牽引效率;制動能耗主要是剎車熱能損耗;輔助能耗主要包括輔助設備負載能耗及列車溫度調節能耗;傳動能耗主要是輪軌關系及摩擦磨損造成的能耗。

牽引能耗約占列車總能耗的60%以上。其中，氣動阻力能耗占比重最大，其次是牽引設備能耗。氣動阻力能耗主要是運行阻力中克服空氣阻力引起的能耗，主要與車輛外形、車頭長細比、車輛截面積、列車編組等因素密切相關。對于高速列車而言，氣動阻力在運行阻力中占主導地位，所引起的能耗與速度平方呈線性增長，不同速度下氣動阻力能耗占牽引系統能耗比重為70%（200 km/h）、80%（300 km/h）、85%（350 km/h）。牽引設備能耗主要是由于各種電氣元件和機械元件效率低導致部分能量以熱量形式耗散。

輔助能耗主要是滿足乘客服務功能的輔助設備所引起的能耗，主要包括照明、取暖及通風等功能。輔助能耗約占列車總能耗的20%。傳動能耗主要是因傳動系統部件的工作效率及其摩擦磨損所造成的能耗，主要包括制動系統、轉向架系統和受電弓等，其能耗約占列車總能耗的10%。

另外，列車能耗還包括電力供應系統損耗是由懸鏈線電阻和變電站能量轉換損耗造成，在忽略列車特性和給定供電電壓下，其能耗為定值。

根據列車運營能耗模型，通過能量路徑和能量消耗特征的分析，可以預見各能耗對象采取相應節能技術措施后對列車節能的貢獻率情況。

總結

新中國成立尤其是改革開放以來，我國制造業持續快速發展，建成了門類齊全、獨立完整的產業體系，有力推動工業化和現代化進程，顯著增強綜合國力，支撐我世界大國地位。然而，與世界先進水平相比，我國制造業仍然大而不強，在自主創新能力、資源利用效率、產業結構水平、信息化程度、質量效益等方面差距明顯，轉型升級和跨越發展的任務緊迫而艱巨。

當前，新一輪科技革命和產業變革與我國加快轉變經濟發展方式形成歷史性交匯，國際產業分工格局正在重塑。新一代信息技術與制造業深度融合，正在引發影響深遠的產業變革。軌道交通行業在加大科技創新力度，推動三維（3D）打印、移動互聯網、云計算、大數據、新能源、新材料等領域取得新突破?；谛畔⑾到y的智能裝備、智能工廠等智能制造正在引領制造方式變革;軌道交通制造業轉型升級、創新發展迎來重大機遇。

隨著軌道交通行業的進一步發展，以及“走出去”戰略執行的不斷深入，超大規模需求潛力不斷釋放，為軌道交通制造業發展提供了廣闊空間。各行業新的裝備需求、人民群眾新的消費需求、社會管理和公共服務新的民生需求、國防建設新的安全需求，都要求軌道交通制造業在重大技術裝備創新、產品質量和安全、公共服務設施設備供給和國防裝備保障等方面迅速提升水平和能力。同時，軌道交通制造業發展面臨新挑戰。資源和環境約束不斷強化，勞動力等生產要素成本不斷上升，依靠規模擴張的粗放發展模式難以為繼，調整結構、轉型升級、提質增效刻不容緩。

經過十幾年的極速發展，我國軌道交通制造業規模躍居世界第一位，建立起門類齊全、獨立完整的制造體系，成為支撐我國經濟社會發展的重要基石和促進世界經濟發展的重要力量。一批重大技術裝備取得突破，形成了若干具有國際競爭力的優勢產品和骨干企業，使我國已具備了引領軌道佳通行業發展的基礎和條件。但目前與先進國家相比，還存在軌道交通制造業大而不強，關鍵核心技術與高端裝備對外依存度高，以企業為主體的制造業創新體系不完善;資源能源利用效率低;高端裝備制造業和生產性服務業發展滯后;信息化水平不高，與工業化融合深度不夠;產業國際化程度不高，企業全球化經營能力不足等問題。

國家隊先進軌道交通裝備制造業的發展也提出了明確的要求。要求加快新材料、新技術和新工藝的應用，重點突破體系化安全保障、節能環保、數字化智能化網絡化技術，研制先進可靠適用的產品和輕量化、模塊化、譜系化產品。研發新一代綠色智能、高速重載軌道交通裝備系統，圍繞系統全壽命周期，向用戶提供整體解決方案，建立世界領先的現代軌道交通產業體系。所有這些目標，都需要有更為先進的生產和制造工藝作為支撐。

參考文獻

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