CRH3高速动车组投入商业运营
2008-08-14 来源:《世界轨道交通》 作者:安超 陆啸秋 孙帮成 浏览次数:
2005年11月20日,由唐山轨道客车股份有限责任公司(以下简称唐车)根据中国铁路技术装备现代化的发展战略要求,引进当今世界顶级的高速动车组先进技术,按照铁道部的统一部署,通过消化吸收再创新,构建起了时速350公里动车组产品技术平台。实现了“引进先进技术,联合设计生产,打造中国品牌”的总体要求。2008年4月11日首列国产化CRH3动车组成功下线,已于2008年8月1日奥运会开幕前投入正式运营,自此乘坐CRH3动车组由北京到天津可在30分钟以内到达。
为适应中国的线路、接触网、限界、运营环境和民族文化的需要,CRH3动车组在引进技术的基础上,在铁道部的统一组织和领导下,以唐车公司和长客股份两个制造企业为主体、产学研紧密结合,通过引进、消化、吸收和再创新,突破动车组的关键技术,研制 了具有良好的线路适应性和满足我国高速客运专线运用需求的时速350公里动车组。
为满足中国客运量大的需求,动车组采用宽体铝合金车体,使动车组的载客量较国外同类动车组提高了40%左右。同时调整了空调系统参数,加大了制冷能力。
动车组的高速转向架按照我国客运专线的轨道参数,对阻尼和悬挂装置进行了优化,调整了轮对内侧距。使之与线路更加匹配,运行更加稳定和安全。
制动装置首次在高速动车组上采用微机控制的直通电空制动,采用空气和再生联合制动,使动车组更加安全可靠。同时设有能和中国机车相联挂的救援用车钩及自动空气控制的制动装置。
车内的旅客设施,完全按照中国人的习惯设置,如厨房设施、旅客旋转座椅、信息显示、电茶炉等。
动车组的自动保护系统满足我国信号系统的要求;中国列车无线通讯系统在车辆中的集成。
CRH3动车组的主要技术特征
CRH3动车组为8辆编组的交流传动的电动车组,分为两个牵引单元,每个牵引单元又包括两个动力单元。两端为带司机室控制车,列车正常运行时由前端司机室操纵。两列动车组可以连挂在一起运行。动车组包括5种不同的车,即端车(头车和尾车)、变压器车、中间变流器车、便餐车和一等车。平面布置设为一等座车、二等座车和座车与餐车的合造车。一等车厢座席采取2+2布置,在司机室后部为观光一等坐席区。二等车车厢座席采取2+3布置,总定员为556人,其中一等坐席66人。
牵引传动系统
牵引传动系统采用交直交传动技术,采用VVVF的控制技术,6.5kV/1200A的大功率IGBT功率模块和先进的Sibas32微机控制的牵引控制系统。动车组的轮周牵引功率为8800kW。
动车组牵引传动系统由两个相对独立的基本动力单元组成,一个基本动力单元主要由主变压器、牵引变流器和牵引电机等组成。在基本动力单元中的电气设备发生故障时,可全部或部分切除该基本动力单元,但不应影响到其它动力单元。
动车组牵引是交流传动方式。每个基本动力单元的变压器车从接触网经受电弓、真空断路器将25kV单相交流电引到牵引变压器,变压器的4×1550V的牵引绕组给牵引变流器供电。牵引变流器由多重四象限变流器、直流电压中间环节和电机逆变器组成,牵引变流器的模块具有互换性。输入侧的斩波器为四象限斩波器(4QC)。两个4QC并联为一个共同的DC连接供电,并且产生脉冲DC电压。DC连接中有连接电容,连接电容储存能量,并且平滑4QCs的脉冲输出电压。在DC连接输出端有一个PWM逆变器,它把DC连接电压转换成牵引系统所要求的变频和变压(VVVF)的三相电源给异步牵引电机供电。每个PWM逆变器输出驱动四个并联的异步牵引电机。作为输入斩波器的4QCs,通过改变功率半导体设备的调制率来控制牵引和电(再生)制动模式下的电流和电压之间的相位角。当线路电压直到29KV时,控制电压/电流相位角使车辆的功率因数几乎为1。
网络控制系统
CRH3电动车组控制系统主要采用TCN列车控制网络。TCN列车控制网络由WTB列车总线和MVB多功能车辆总线构成,每个牵引单元内部通过MVB总线连接,牵引单元之间通过WTB总线连接,两列动车组可以通过WTB总线重联为一列长动车组。列车总线(WTB)和车辆总线(MVB)通过网关连接。动车组也配置了一定数量的传统列车线,与安全有关的信号(如安全回路)不但通过列车总线和车辆总线传输,也通过传统列车线传输。
WTB 和 MVB 传输的数据包括过程数据和消息数据。过程数据用于传输列车控制或调整等任务信号。过程数据从一个MVB设备的数据端口发送到MVB总线,可以被其它几个MVB设备接收。所有连接到MVB总线的设备都可以处理过程数据。CCU、TCU、网关和MMI也可以处理消息数据,消息数据用于偶然发送的非实时数据(如配置信息等)。
在一个牵引单元内,连接到车辆总线MVB的设备包括:中央控制单元(分为主CCU和从CCU)和附属网关;司机人机接口MMI与列车员人机接口MMI;牵引变流器的牵引控制单元(TCU);制动装置的制动控制单元(BCU);辅助变流器控制单元(ACU);充电机控制系统(BC);ETCS装置及其人机接口;车门控制装置(DCU);采暖通风和空调控制装置(HVAC);旅客信息系统的中央系统控制器(STC);分布式输入/输出站(KLIP 和 MVB-Compact I/O)。
WC系统、火灾报警系统通过分布式输入/输出站(KLIP or MVB-Compact I/O)连接到列车通讯控制系统。
辅助供电系统
每节动车上都配备一台牵引变流器,电能输入模块连接在牵引变流器的中间电路。在供电失效的情况下可以通过牵引变流器中间电路将牵引电机发出的电继续供给车载电源系统。在25kV供电的分相区,如果最小速度达到50km/h 时可以实现上述功能。
在变压器车上配备有一个单辅助变流器,他们与头车的牵引变流器中间电路相连;在中间拖车上分别配备了一个双辅助变流器,他们分别与中间车牵引变流器的中间电路相连。在一个牵引单元内,双辅助变流器和单辅助变流器的输入端相连接,当一个牵引变流器故障时,可以由另一个牵引变流器同时给2个辅助变流器供电。
所有的辅助变流器都向列车供电母线同相位输出440V 60Hz 3 AC电源。在中间拖车分别配备了1个蓄电池和1个充电机,电池充电机通过440V60Hz母线取电,给蓄电池的110V DC系统以及与之连接各种负载供电。110V DC系统贯穿整列列车。
在每节车厢均有一个逆变器从110V DC系统取电,输出230V 50Hz 1 AC给旅客插座等供电。230V 50Hz 1 AC供电不设供电母线。
230V 60Hz 1 AC供电网络给列车一些低功率的加热设备供电,它从440V 60Hz 3 AC供电母线取电。
制动系统
CRH3电动车组采用微机控制的直通电空制动系统(正常制动)和自动式空气制动(救援和空气制动)相结合的空气制动系统,具有空电联合制动功能,电制动优先。
制动系统由安装于车体上的控制单元和位于转向架上的产生制动力的基础制动部件组成。制动力由摩擦制动(盘形制动)和电制动(再生制动)产生,电制动和摩擦制动的作用由制动控制单元(BCU)、牵引控制单元(TCU)和列车中央控制单元(CCU)调节。空气制动通过主风缸管(MRP)来提供压力空气。只有在紧急情况和救援模式下才用制动主管来控制自动空气制动。
基础制动装置采用盘形制动装置,动车每个车轮采用轮盘制动,拖车采用轴盘制动,每轴3个制动盘。在动车组每个拖车轴设一个停放制动单元,可满足动车组在20‰坡道上不溜坡的安全停放要求。
车体及车内设备
CRH3动车组具有空气动力学优良的流线型的外观,保证了高速运行时的低的空气阻力和低噪音,车下除转向架部位均加设导流罩及全封闭非承载结构设备舱,车体外表面平滑化,车顶受电弓部位加装导流罩。车窗间采用仿盲窗带设计,外门与车体的平滑,采用白底蓝带的外部美工设计,给人以强烈的高速感和现代感。
车体承载结构采用与车体等长的大型中空铝合金型材组焊而成,为筒型整体承载结构,由底架、侧墙、车顶、端墙以及设备舱组成为一个整体,头车设有司机室。
每节车箱两端通过台处采用圆弧及曲面设计,与流线型车体相呼应,客室两端的内端门和外端门采用自动玻璃门,给旅客以通透和宽敞的视觉效果。在头车的司机室后部设有观光区,此处的旅客可以通过除通过侧窗外,还可通过司机室的玻璃后墙观赏线路前方的景色。
行李架的设计与客室内的设计相呼应,主体结构为型材加玻璃,内设主照明隐型光源,新颖、现代。
采用可旋转的座椅,座椅的后背角度可调。一等座椅设有脚踏和音频系统的插孔,并设有交流220V电源插座。
为适合中国人的饮茶习惯,每节车厢设计有电开水炉。
车上设有残疾人卫生间,轮椅坡道等设备,满足残障旅客的需要。
CRH3动车组设有旅客信息系统,包括通告与通讯子系统、信息显示子系统和影音娱乐子系统。可为旅客提供全面的声音和视觉信息使旅客在旅途中及时准确的掌握旅途相关信息,引导旅客顺利地抵达目的地,同时使旅客在旅途中更安全、更加舒适。在一等车设有影音系统,提供视频和音频娱乐节目。
空调系统
客室空调系统采用车顶单元式空调,为了保证室内温度的平衡和气流的合理分配,在车顶设有中间送风管道和两侧的送风管道。在制冷模式下,大约有75%以上的风量通过中间管道输送,外侧两个管道输送25%。中间风道的冷风通过风道下面的出风孔经多孔天花板通道排出,两侧风道冷风通过地板出口排出,并且在窗口侧可以对车厢内的温度分布进行调节。在采暖模式下,热风主要通过2个与单独分支管道连接的外侧暖风管道供风(大约80%),其它从车顶板风道送出。暖风约70%被输送到地板区域,约30%经窗口下方送出。
为了避免列车通过隧道或会车时车厢内的压力波动,在新风口和废排风口设有压力保护装置。
转向架
转向架分动力转向架和拖车转向架。两种转向架构架为双H字结构,包括两个焊接在一起的箱型截面侧梁,通过两个管状横梁相互连接。构架的材料为S355J2G3WC 和S355J2G3C。
一系采用钢簧和油压减震器,转臂定位方式。轮对采用空心车轴,轮径为920mm,采用圆柱滚子轴承。车轮踏面采用经过优化的S1002外形,轮对内侧距为1353mm。
二系悬挂采用空气弹簧。空气簧的横向距离为1900mm。空气悬挂为两点控制,每转向架带有一个高度阀。为防止过曲线和侧风带来车体过倾,安设了抗滚杆。它也保证车体的横向水平。
为简化转向架与车体间的连接,转向架与车体间设有一个过渡梁,牵引装置、抗侧滚扭杆等都是转向架与过渡梁连接。
转向架上设安全监测装置,监测转向架的稳定性和对其它故障进行诊断。
试验和试运行情况
2008年3月至2008年6月在北京铁科院环行铁道试验基地和京津线,对国产化的3列CRH3动车组(即CRH3-001C、CRH3-002C和CRH3-004C)进行了整车动态调试和综合性能试验,试验内容包括:牵引性能、制动性能、动力学性能、弓网受流性能、噪声、电磁兼容、接地回流、内部过电压水平、高阻抗、车载ATP、车载ETCS、车载计算机网络性能等。北京铁科院环行铁道试验基地最高试验速度为170km/h,在京津线最高试验速度达到385 km/h,试验运行总里程达到4万多公里。
300~350 km/h试验运行时,牵引加速度、制动减速度、制动距离、车内外噪声最大值、轮轨作用力、轮轴横向力、车体横向振动加速度、受电弓压力等主要技术参数达到了CRH3动车组供货技术条件和试验大纲的要求;各项试验结果表明国产化动车组可以满足在客运专线上安全平稳地运行。
(作者:唐山轨道客车有限责任公司研发中心副主任;铁道部运输局装备部副部长;唐山轨道客车有限责任公司总工程师)
为适应中国的线路、接触网、限界、运营环境和民族文化的需要,CRH3动车组在引进技术的基础上,在铁道部的统一组织和领导下,以唐车公司和长客股份两个制造企业为主体、产学研紧密结合,通过引进、消化、吸收和再创新,突破动车组的关键技术,研制 了具有良好的线路适应性和满足我国高速客运专线运用需求的时速350公里动车组。
为满足中国客运量大的需求,动车组采用宽体铝合金车体,使动车组的载客量较国外同类动车组提高了40%左右。同时调整了空调系统参数,加大了制冷能力。
动车组的高速转向架按照我国客运专线的轨道参数,对阻尼和悬挂装置进行了优化,调整了轮对内侧距。使之与线路更加匹配,运行更加稳定和安全。
制动装置首次在高速动车组上采用微机控制的直通电空制动,采用空气和再生联合制动,使动车组更加安全可靠。同时设有能和中国机车相联挂的救援用车钩及自动空气控制的制动装置。
车内的旅客设施,完全按照中国人的习惯设置,如厨房设施、旅客旋转座椅、信息显示、电茶炉等。
动车组的自动保护系统满足我国信号系统的要求;中国列车无线通讯系统在车辆中的集成。
CRH3动车组的主要技术特征
CRH3动车组为8辆编组的交流传动的电动车组,分为两个牵引单元,每个牵引单元又包括两个动力单元。两端为带司机室控制车,列车正常运行时由前端司机室操纵。两列动车组可以连挂在一起运行。动车组包括5种不同的车,即端车(头车和尾车)、变压器车、中间变流器车、便餐车和一等车。平面布置设为一等座车、二等座车和座车与餐车的合造车。一等车厢座席采取2+2布置,在司机室后部为观光一等坐席区。二等车车厢座席采取2+3布置,总定员为556人,其中一等坐席66人。
牵引传动系统
牵引传动系统采用交直交传动技术,采用VVVF的控制技术,6.5kV/1200A的大功率IGBT功率模块和先进的Sibas32微机控制的牵引控制系统。动车组的轮周牵引功率为8800kW。
动车组牵引传动系统由两个相对独立的基本动力单元组成,一个基本动力单元主要由主变压器、牵引变流器和牵引电机等组成。在基本动力单元中的电气设备发生故障时,可全部或部分切除该基本动力单元,但不应影响到其它动力单元。
动车组牵引是交流传动方式。每个基本动力单元的变压器车从接触网经受电弓、真空断路器将25kV单相交流电引到牵引变压器,变压器的4×1550V的牵引绕组给牵引变流器供电。牵引变流器由多重四象限变流器、直流电压中间环节和电机逆变器组成,牵引变流器的模块具有互换性。输入侧的斩波器为四象限斩波器(4QC)。两个4QC并联为一个共同的DC连接供电,并且产生脉冲DC电压。DC连接中有连接电容,连接电容储存能量,并且平滑4QCs的脉冲输出电压。在DC连接输出端有一个PWM逆变器,它把DC连接电压转换成牵引系统所要求的变频和变压(VVVF)的三相电源给异步牵引电机供电。每个PWM逆变器输出驱动四个并联的异步牵引电机。作为输入斩波器的4QCs,通过改变功率半导体设备的调制率来控制牵引和电(再生)制动模式下的电流和电压之间的相位角。当线路电压直到29KV时,控制电压/电流相位角使车辆的功率因数几乎为1。
网络控制系统
CRH3电动车组控制系统主要采用TCN列车控制网络。TCN列车控制网络由WTB列车总线和MVB多功能车辆总线构成,每个牵引单元内部通过MVB总线连接,牵引单元之间通过WTB总线连接,两列动车组可以通过WTB总线重联为一列长动车组。列车总线(WTB)和车辆总线(MVB)通过网关连接。动车组也配置了一定数量的传统列车线,与安全有关的信号(如安全回路)不但通过列车总线和车辆总线传输,也通过传统列车线传输。
WTB 和 MVB 传输的数据包括过程数据和消息数据。过程数据用于传输列车控制或调整等任务信号。过程数据从一个MVB设备的数据端口发送到MVB总线,可以被其它几个MVB设备接收。所有连接到MVB总线的设备都可以处理过程数据。CCU、TCU、网关和MMI也可以处理消息数据,消息数据用于偶然发送的非实时数据(如配置信息等)。
在一个牵引单元内,连接到车辆总线MVB的设备包括:中央控制单元(分为主CCU和从CCU)和附属网关;司机人机接口MMI与列车员人机接口MMI;牵引变流器的牵引控制单元(TCU);制动装置的制动控制单元(BCU);辅助变流器控制单元(ACU);充电机控制系统(BC);ETCS装置及其人机接口;车门控制装置(DCU);采暖通风和空调控制装置(HVAC);旅客信息系统的中央系统控制器(STC);分布式输入/输出站(KLIP 和 MVB-Compact I/O)。
WC系统、火灾报警系统通过分布式输入/输出站(KLIP or MVB-Compact I/O)连接到列车通讯控制系统。
辅助供电系统
每节动车上都配备一台牵引变流器,电能输入模块连接在牵引变流器的中间电路。在供电失效的情况下可以通过牵引变流器中间电路将牵引电机发出的电继续供给车载电源系统。在25kV供电的分相区,如果最小速度达到50km/h 时可以实现上述功能。
在变压器车上配备有一个单辅助变流器,他们与头车的牵引变流器中间电路相连;在中间拖车上分别配备了一个双辅助变流器,他们分别与中间车牵引变流器的中间电路相连。在一个牵引单元内,双辅助变流器和单辅助变流器的输入端相连接,当一个牵引变流器故障时,可以由另一个牵引变流器同时给2个辅助变流器供电。
所有的辅助变流器都向列车供电母线同相位输出440V 60Hz 3 AC电源。在中间拖车分别配备了1个蓄电池和1个充电机,电池充电机通过440V60Hz母线取电,给蓄电池的110V DC系统以及与之连接各种负载供电。110V DC系统贯穿整列列车。
在每节车厢均有一个逆变器从110V DC系统取电,输出230V 50Hz 1 AC给旅客插座等供电。230V 50Hz 1 AC供电不设供电母线。
230V 60Hz 1 AC供电网络给列车一些低功率的加热设备供电,它从440V 60Hz 3 AC供电母线取电。
制动系统
CRH3电动车组采用微机控制的直通电空制动系统(正常制动)和自动式空气制动(救援和空气制动)相结合的空气制动系统,具有空电联合制动功能,电制动优先。
制动系统由安装于车体上的控制单元和位于转向架上的产生制动力的基础制动部件组成。制动力由摩擦制动(盘形制动)和电制动(再生制动)产生,电制动和摩擦制动的作用由制动控制单元(BCU)、牵引控制单元(TCU)和列车中央控制单元(CCU)调节。空气制动通过主风缸管(MRP)来提供压力空气。只有在紧急情况和救援模式下才用制动主管来控制自动空气制动。
基础制动装置采用盘形制动装置,动车每个车轮采用轮盘制动,拖车采用轴盘制动,每轴3个制动盘。在动车组每个拖车轴设一个停放制动单元,可满足动车组在20‰坡道上不溜坡的安全停放要求。
车体及车内设备
CRH3动车组具有空气动力学优良的流线型的外观,保证了高速运行时的低的空气阻力和低噪音,车下除转向架部位均加设导流罩及全封闭非承载结构设备舱,车体外表面平滑化,车顶受电弓部位加装导流罩。车窗间采用仿盲窗带设计,外门与车体的平滑,采用白底蓝带的外部美工设计,给人以强烈的高速感和现代感。
车体承载结构采用与车体等长的大型中空铝合金型材组焊而成,为筒型整体承载结构,由底架、侧墙、车顶、端墙以及设备舱组成为一个整体,头车设有司机室。
每节车箱两端通过台处采用圆弧及曲面设计,与流线型车体相呼应,客室两端的内端门和外端门采用自动玻璃门,给旅客以通透和宽敞的视觉效果。在头车的司机室后部设有观光区,此处的旅客可以通过除通过侧窗外,还可通过司机室的玻璃后墙观赏线路前方的景色。
行李架的设计与客室内的设计相呼应,主体结构为型材加玻璃,内设主照明隐型光源,新颖、现代。
采用可旋转的座椅,座椅的后背角度可调。一等座椅设有脚踏和音频系统的插孔,并设有交流220V电源插座。
为适合中国人的饮茶习惯,每节车厢设计有电开水炉。
车上设有残疾人卫生间,轮椅坡道等设备,满足残障旅客的需要。
CRH3动车组设有旅客信息系统,包括通告与通讯子系统、信息显示子系统和影音娱乐子系统。可为旅客提供全面的声音和视觉信息使旅客在旅途中及时准确的掌握旅途相关信息,引导旅客顺利地抵达目的地,同时使旅客在旅途中更安全、更加舒适。在一等车设有影音系统,提供视频和音频娱乐节目。
空调系统
客室空调系统采用车顶单元式空调,为了保证室内温度的平衡和气流的合理分配,在车顶设有中间送风管道和两侧的送风管道。在制冷模式下,大约有75%以上的风量通过中间管道输送,外侧两个管道输送25%。中间风道的冷风通过风道下面的出风孔经多孔天花板通道排出,两侧风道冷风通过地板出口排出,并且在窗口侧可以对车厢内的温度分布进行调节。在采暖模式下,热风主要通过2个与单独分支管道连接的外侧暖风管道供风(大约80%),其它从车顶板风道送出。暖风约70%被输送到地板区域,约30%经窗口下方送出。
为了避免列车通过隧道或会车时车厢内的压力波动,在新风口和废排风口设有压力保护装置。
转向架
转向架分动力转向架和拖车转向架。两种转向架构架为双H字结构,包括两个焊接在一起的箱型截面侧梁,通过两个管状横梁相互连接。构架的材料为S355J2G3WC 和S355J2G3C。
一系采用钢簧和油压减震器,转臂定位方式。轮对采用空心车轴,轮径为920mm,采用圆柱滚子轴承。车轮踏面采用经过优化的S1002外形,轮对内侧距为1353mm。
二系悬挂采用空气弹簧。空气簧的横向距离为1900mm。空气悬挂为两点控制,每转向架带有一个高度阀。为防止过曲线和侧风带来车体过倾,安设了抗滚杆。它也保证车体的横向水平。
为简化转向架与车体间的连接,转向架与车体间设有一个过渡梁,牵引装置、抗侧滚扭杆等都是转向架与过渡梁连接。
转向架上设安全监测装置,监测转向架的稳定性和对其它故障进行诊断。
试验和试运行情况
2008年3月至2008年6月在北京铁科院环行铁道试验基地和京津线,对国产化的3列CRH3动车组(即CRH3-001C、CRH3-002C和CRH3-004C)进行了整车动态调试和综合性能试验,试验内容包括:牵引性能、制动性能、动力学性能、弓网受流性能、噪声、电磁兼容、接地回流、内部过电压水平、高阻抗、车载ATP、车载ETCS、车载计算机网络性能等。北京铁科院环行铁道试验基地最高试验速度为170km/h,在京津线最高试验速度达到385 km/h,试验运行总里程达到4万多公里。
300~350 km/h试验运行时,牵引加速度、制动减速度、制动距离、车内外噪声最大值、轮轨作用力、轮轴横向力、车体横向振动加速度、受电弓压力等主要技术参数达到了CRH3动车组供货技术条件和试验大纲的要求;各项试验结果表明国产化动车组可以满足在客运专线上安全平稳地运行。
(作者:唐山轨道客车有限责任公司研发中心副主任;铁道部运输局装备部副部长;唐山轨道客车有限责任公司总工程师)