動車組
動車組(Unit of motor train/Motor train kit, referred to as European Monetary Union/DMU)它由一輛動車和一輛拖車組成、固定式編組二手列車組。即動車組由動車(有動力)和拖車(無動力)組成,自帶動力、固定編組、駕駛可以兩端控制、整個列車是一套一體化設計的列車。根據傳動軸和驅動設備的布置,動車組可分為集中動力型和分散動力型兩種。動力集中型電動車組包括法國TGV、德國ICE1和ICE2、瑞典X2000和中國DJJ1。動力分散型電動車組包括日本的新干線、德國ICE3和中國“先鋒”號動車組等。
動車組技術起源于地鐵列車,誕生于20世紀初1903年7月8日,德國研制出由四節動車和兩節拖車組成的軌道動力列車,這是世界上第一列電動動車組;10月28日,德國改造三相交流動車組,試驗時速210.2km/h;1964年10月,日本東海道新干線建成了世界 中國第一條最高運行速度210公里的高速鐵路/h。
動車組安全可靠、運行快捷、乘坐舒適、靈活分組等特點,是高效率、密集客運車輛。而且,動車組不需要掉頭或接車,非常適合高速鐵路高密度公交化穿梭運行。目前,國內外高速鐵路旅客列車普遍采用動車組型式。除高速鐵路、城際客運、除了市郊客運使用的動車組,城市中的地鐵列車和輕軌電車也屬于動車組的范疇。
目前,世界上通用的動車組是中國和諧號CRH動車組、復興號CRF動車組系列、日本新干線運營的動車組系列、法國TGV系列、德國ICE系列、瑞典X2000等。
發展歷史
動車組技術源于地鐵列車,誕生于20世紀初。從20世紀初到20世紀50年代,德國、法國、日本等國對高速列車進行了大量的理論研究和試驗工作。隨著第二次工業革命,電力機車為火車帶來了重聯技術許多機車可以通過電氣設備的統一操作而聯系在一起,單個駕駛室可以控制由動車和拖車組成的列車。早期的動車組只用于短途通勤鐵路,沒有“動車組”一說。1903年7月8日,德國研制出由四節移動車廂和兩節拖車組成的軌道動力列車,這是世界上第一列電力動車組;10月28日,德國改造三相交流動車組,試驗時速210.2km/h。
1964年10月,日本東海道新干線建成了世界 中國第一條最高運行速度210公里的高速鐵路/h。此后法國、德國、英國、意大利等國競相跑高速列車,高速列車技術發展迅速,日本新干線提前成型、法國TGV和德國ICE高速動車組是三大技術體系自20世紀90年代以來,中國政府致力于發展高速鐵路,對高速鐵路進行了大規模的試驗研究,并相繼開發了和諧號、復興號動車組站臺。
動車組列車最高試驗速度為日本東海道新干線210km/h不斷刷新,1981年2月,法國 s TGV達到380公里/h;1988年5月,德國冰達到406.9km/h;1990年5月18日法國TGV-a型高鐵列車達到515列.3km/h;2007年4月3日法國TGV-V150超高速列車達到574.8km/創造了鐵路列車最高測試速度的世界紀錄。
日本
1964年,日本東海道運營了日本0系列高速列車,這是世界上第一列商業運營速度超過200公里小時的列車。16輛編組車輛均為動車,屬于完全動力分散。
日本100系列高速列車(有雙層車廂)它于1985年被并入楊珊新干線16個編組單位中有12輛動力車和4輛拖車,屬于比較分散的類型。該車型多為單層車和雙層車的混合組,主要用于長途行駛,最高時速230公里/h。
新一代300系列高速列車于1992年生產首次采用交流牽引電機和變頻變壓調速裝置車體由鋁合金制成,并采用了新型走行部結構和可將制動能量轉化為電能并返回電網的新型再生制動頭部形狀被設計成一個斜鼻。最高運行速度提高到270km/h。300系高速列車的技術突破對新干線列車的設計產生了深遠的影響。
500系高速列車于1997年投入使用它最明顯的特點是長達15m的長鼻型,極其輕量化,以盡可能減少運行阻力和列車壓力波“釬焊蜂窩擠壓型材”鋁合金結構車體和圓形車體的截面設計使行駛阻力比300系列降低了31%,最高運行速度為300公里/h。
700系高速列車是日本最先進的動車組采用12動4拖的編組方式,功率13200kW,總長約400mm,車體為鋁合金空心外殼,內部填充吸音、防震復合材料,最高運行速度為285公里小時/h。它于1999年投入運營。
法國
1955年3月,法國制造出331公里電力機車牽引列車/h的速度記錄。自1967年以來,法國國家鐵路公司(SNCF)1967年5月開始學習高速運輸-6500型電力機車牽引客車實現最高時速200公里/h商業運行。1969年,ETG燃氣輪機電動車組研制成功,最高試驗時速248公里/h;第三代TGV于1972年開發-001型燃氣輪機動車組由5節組成,最高試驗速度為381公里/h;開發于1981年-直傳動TGV-PSE動車組投入運營。AGV是法國新開發的第四代高速動車組列車,由集中動力向分散動力轉變。AGV是分散型動車組,TGV是集中式動車組。AGV在相同路線上實現了比TGV更高的運行速度,其目標運行速度為360公里/h。2007年,法國AVG-V150列車在巴黎—斯特拉斯堡東線鐵路至574.8km/創造新的世界紀錄。
德國
德國于1988年成功研制出ICE高速動車組列車-v試驗列車從集中動力模式開始,然后發展到分散動力模式經過不斷改進,ICE1逐漸形成、ICE2、ICE3系列系列。
第一代ICE1由兩個頭車提供動力、客車14輛,最高時速280km/h型,1991年投入運營,實際最高運行速度為250公里/h既有線改建段200km/h的速度運行。ICE-1998年投入運營的2型高速動車組采用集中動力方式,由1輛動車和7輛拖車組成,最高運行時速280km/h。ICE-3型高速動車組于2002年投入運營它由四輛機動車和四輛拖車組成,最高行駛速度為330公里/h。ICE-350E型高速列車于2010年正式投入運營它由四輛機動車和四輛拖車組成,最高運行速度為350公里/h。
中國
早在20世紀50年代,中國就開始了動車組的研制。1958年,青島四方廠設計制造了第一輛東風牌雙層摩托車列車。這列火車由兩輛子彈頭列車和四輛雙層巴士組成。中國第一條高鐵始于1999年、2003年建成的秦神科學院發展至今“藍箭”中原之星”中華之星”等類型的動車組。2007年,第六次提速,中國鐵路多條干線旅客列車運行速度達到200km/h,其中先鋒動力分散型動車組設計時速200公里/最高測試速度為292.8km/h;中華之星動力集中動車組設計時速270公里/h,最高測試速度321.5km/h。
2004年10月,原鐵道部組織完成時速200公里動車組采購項目合同簽訂,成功引進川崎重工、龐巴迪、阿爾斯通電動車組的先進技術。2005年完成時速300公里動車組采購項目。通過引入消化和吸收,形成了共同的CRH1、CRH2、CRH3、CRH5四列動車組系列、200 ~ 350公里小時、8節或16節編組、全裝備臥鋪動車組產品體系。
主要分類
動力源
動車組按動力源分為動車組(multiple unit MU)和內燃動車組(dieselmultipleunit,DMU)動車組采用電力驅動,由牽引接觸網供電;內燃動車組以內燃機為動力來源,以柴油機為動力源。
電動車組
動車組簡稱動車組通過接觸網或供電軌驅動牽引電機的動車組根據列車動力輪對和驅動設備的設置可分為動力分散型和動力集中型;它還可以細分為兩種類型DC動車組和交流動車組。電動車組屬于電力機車,在電氣化鐵路上運行。中國動車組包括200公里/h速度級別和300公里/h速度等級均屬于功率分散交流傳動電動車組。
內燃動車組
內燃動車組由柴油機提供動力,主要用于非電氣化鐵路的短途客運和非電氣化干線的城際客運。主要優點是:載客量比轎車大,但能耗比轎車低,乘坐舒適性高,行駛速度快、安全運行成本低環境污染小。與機車牽引的旅客列車相比,它可以在丹線上穿梭折返和倒車,時間短運行快應用靈活。柴油動車組包括中國“和諧號”內燃觀光動車組、中國NZJ1型“新曙光號”準高速內燃動車組、中國NZJ2型“神州”雙層內燃動車組、法國ETG燃氣輪機電動車組、法國TGV-001型燃氣輪機動車組等。
和諧號”內燃觀光動車組采用動力集中兩動七拖編組型式,頭尾動車組與7輛拖車固定重組而成,運行時速160公里/h。該型動車組采用大開口電動塞拉門、帶有可旋轉座椅的廣角窗戶、綠色環保材料和設施符合旅游列車的人性化要求。
NZJ1內燃動車是“新曙光”準高速內燃動車組的動車組部分。采用交-直流驅動,負載功率2760kW,使用12V280ZJ柴油機。車體采用流線型車體,桁架側壁承重結構,單司機室。電空制動系統采用JZ-7型電動氣動制動器,單端控制。轉向架采用軸型為A1A的框架懸掛準高速轉向架。前后動車的電氣控制采用重聯控制和微機控制兩種方式,同時并行控制。電動車組600V DC供電系統采用電動車組集中供電和客車分散逆變器供電,前后電動車組均配備獨立的600V電源。
NZJ2型“神州”雙層內燃動車組1號屬于動力集中型雙層內燃動車組,分為雙層空調硬座車和雙層空調軟座車兩種。整體列車由10列雙層拖車的動車組組成,車體內部結構和設備具有良好的阻燃和防火性能。
動力分布方式
按動力分配方式分為動力集中型動車組(Concentrated power multiunit)和動力分散型電動車組(separatedpowermultipleunit)動力集中動車組是將列車的動力設備集中在列車一端或兩端的車輛上的動車組;動力分散型動車組是將動力分配到幾輛車上的動車組,每輛車都可以載客。日本是動力分散型動車組的代表,法國和德國是動力集中型動車組的代表。
動力集中型
動力集中型動車組將列車的電氣和動力設備集中在位于列車尾部的動力車上只有動車的輪對是動力輪對,動車不載客或只有小客室乘客主要集中在中間拖車動車組,包括法國TGV、德國ICE1和ICE2、瑞典X2000和中國DJJ1。
這種模式的主要優點是:1.牽引動力集中在兩個運行的車廂上,所以牽引電機和電力數量少,列車制造和維護成本低。2.受電弓數量少,整個列車只需要兩套受電弓,甚至可以使用一輛行駛列車上的一套受電弓受電。3.很容易改變機動車型號以滿足不同路況的需要。
主要缺點是:1.列車編組調整困難,不易適應運量的變化,應用靈活性差。2.附著力利用率等指標不如動力分散型。3.列車總功率有限。
動力分散型
動力分散型動車組是將由電動機驅動的動力輪對分布在列車的全部或部分輪對上,列車的主要電氣和機械設備懸掛在車輛下部,使列車所有車輛都能載客的列車模式動力分散型動車組包括日本的新干線、德國ICE3和中國“先鋒”號動車組等。動力分散的特點是動軸數量多,軸重輕。
這種模式的主要優點是:1.牽引附著重量大,附著性能好,易于施加牽引力,滿足高速運行的需要。2.動車組易于加長或縮短,使用靈活。3.各轉向架的牽引裝置功率和體積重量小,有利于實現轉向架的輕量化和低軸重。
主要缺點是:每列動車組配備全套牽引器具和電極,增加了動車組的制造成本和維護成本。
組成結構
組成單元
動車組部件有動車、拖車、端車、中間車和動力裝置。動車組是具有牽引輸出能力的車輛;拖車是一種沒有牽引輸出能力的車輛;末車是一輛有司機和司機的汽車動車組兩端的駕駛室;中間車廂是位于動車組兩端車廂之間的車輛;動力單元是通過連接多輛裝有動力設備的車輛來提供牽引動力的整車組合。
部件系統
車體及車內設備
動車組的車體為司機和乘客提供了空間,也提供了牽引力、制動等系統為安裝和連接其他設備提供載體,這就要求車體要輕,要有足夠的強度和剛度以及良好的氣動性能。它可以分為兩種類型帶駕駛室的車身和不帶駕駛室的車輛。其作用是安裝基礎承重骨架。車身是乘客和駕駛員駕駛的地方,也是安裝和連接其他設備和部件的基礎和骨架它通常由底架組成、端墻、側墻和屋頂等。為滿足自重最輕情況下的強度和剛度要求,現代動車組車體均采用整體承重鋼結構或輕金屬結構。
車內設備是汽車中為乘客服務的固定附屬設備,例如車內電力、供水、通風、空調、座椅、車窗、車門、行李架、衛生間等。
轉向架
轉向架是動車組車輛最重要的組成部分,必須承受載荷、導向、緩沖、牽引和制動功能。主要包括輪對和軸箱、彈簧懸掛裝置、構架、牽引驅動裝置、基礎制動裝置。主要功能:承載車體、乘客重量,使軸重均勻分布;轉彎以確保車輛順利通過彎道;緩沖,緩解線路不平順對車輛的影響,保證車輛具有良好的行駛穩定性;牽引(動力轉向架),確保必要的輪軌附著力,并將輪軌接觸周圍的牽引力傳遞到車體、車鉤,牽引列車向前;制動以產生必要的制動力,使車輛在規定的距離內減速或停止。
牽引驅動和控制系統
牽引系統主要由受電弓組成、牽引變壓器、牽引變流器和牽引電機。牽引系統主要起到能量傳遞和轉換的作用,將接觸網電能轉化為機械能以牽引列車運行。牽引傳動與控制系統的作用是實現電能的有效傳輸和轉換,控制列車的正常運行。主要指動車電氣設備,包括動車(或拖車)世界上各種電氣設備及其控制電路一般分為有源驅動電路、輔助電路和電子及控制電路系統3部分組成。有源驅動電路系統主要包括主變壓器、變頻器和牽引電機等;輔助電路系統主要包括各種通風和冷卻裝置;電子和控制電路系統主要包括與牽引傳動系統相關的各種控制裝置。
制動系統
動車組列車需要配備足夠的制動能力高速動車組列車的制動能力主要由緊急制動距離決定動車組的制動設備需要按照規定的緊急制動距離進行設計和安裝,以確保高速列車的安全。
制動系統包括機械部分、空氣管路部分和電氣控制部分。主要作用是產生一定的制動力,使列車在規定的距離或時間內減速或停止。再生制動是現代電動車組的首選。
車輛信息控制系統
車輛信息控制系統通過貫穿列車的總線和列車信息中央設備傳輸信息、列車信息終端設備、列車信息顯示器、帶牽引力的車內信息顯示器/制動控制、設備狀態監測和控制、性能測試和現有車輛測試等功能。這個系統的作用是拉動整個列車、剎車和車內所有設備都是空盒子、監測和診斷。
司機室
有一個司機 電動車組兩車司機室及司機室設備布置出租車是一樣的,司機和的座位和助手 的座位;制動和牽引手柄分別安裝在控制臺上,整個控制臺分為控制臺面板、左柜組成、中柜組成、右柜組成和主、副駕駛員由踏板組成,采用模塊化設計,可自動駕駛和手動駕駛。主驅動程序和左側空間設置、右柜和后壁側柜,以及側柜和左柜、右側機柜的一體化設計使整個控制臺成為一個整體,側墻和后墻的主要設備都安裝在機柜內。
主要技術
頭形流線化
高速列車運行引起的空氣動力學現象對周圍環境產生影響隨著列車速度的提高,動車組高速列車的頭型設計至關重要良好的車頭形狀設計可以減少運行空氣阻力,列車將遇到壓力波并提高列車運行的穩定性。
車體輕量化
為了節省牽引功率和減小高速對線路結構的動力影響、機車車輛結構的損壞需要盡可能降低高速動車組的軸重各國高速列車車體的主要材料是鋁合金和不銹鋼,鋁合金將成為動車組車體的主導材料。
高性能轉向架技術
提高列車運行速度,首先要解決轉向架的穩定性和安全性,高速動車組轉向架應具有高速運行穩定性、彎道通過性能好,強度高、輕量化轉向架結構減少了輪軌間的動力作用,提高了高速運行的穩定性。
復合制動技術
高速列車的制動能量與速度的平方成正比,傳統的空氣制動能力無法滿足需要高速列車必須采用能夠提供強大制動力并更好地利用附著力的復合制動系統。通常由制動控制系統控制、動力制動、空氣制動(包括盤式制動器和踏式制動器)系統、微電腦控制防滑裝置和非粘性制動裝置等。
交流傳動技術
早期的電力牽引傳動系統使用交流電-直接驅動,由DC電機驅動,但DC電機的單位功率較大,高速列車需要大功率驅動并減少軸重。在交流傳動系統中,交流牽引電機比傳統的DC牽引電機結構簡單、運行可靠、體積小、重量輕成本低。而且換向器結構對電機功率沒有限制,其牽引功率可以進一步提高。
列車自動控制和故障診斷技術
列車自動控制系統對高速列車的安全運行起著重要作用高速鐵路的自動控制模式可分為兩類。一類主要是設備、以人為控制為輔的控制方式是日本新干線采用的ATC(列車自動控制)方式為代表。另一個是人機共享、人控方式主要以法國TGV高速列車采用的TVM300安全防護系統和改進型TVM430安全防護系統為代表。
編組形式
自高速動車組誕生以來,相對固定的編組方式被廣泛采用。日本E235采用11輛編組單元,動車組編組方式為6動5拖3356;E4系列采用4輛動車和4輛拖車的編組形式;700系列采用16輛的編隊形式。
德國 ICE1動車組有2M14T、2M12T、2M10T三種不同的分組形式;ICE2是由8節車廂組成的1M7T短列車,ICE3是由8節車廂組成的4M4T短列車,ICE-TD型動車組采用4M編組形式。
法國AGC系列電動車組的編組形式如下:單司機室電動車組M1被納入所有類型的電動車組;R1拖車分為3節和4節電動車組;拖車R2被納入一個4節動車組;只有一個司機室的M2電動車組并入不同組的所有電動車組。三節動車組的編組形式:M1R1M2;4節動車組的編組形式:M1R1R2M2。
中國一般采用八車編隊或十六車編隊。2019年2月,中車唐山公司完成可變編組動車組出廠試驗,通過可變編組驗證,具備出廠條件。可變編組動車組的最小編組單位為兩節面對客流變化,如果要擴大編組,應根據速度和功率計算效率的最佳搭配,動車組和拖車可在2至16節范圍內隨機變化和匹配,以快速定制不同的速度等級、動車組列車的編組數量和座位配置。復興號CR400AF和CR400BF列車分為8列標準列車和17列超長列車。
優點缺點
優勢
動車組列車為固定編組,到站需要折返或變向時無需摘掛,節省了停靠時間;動車組采用輕量化設計,軸重低加速度設定大,顯著提高了列車運行速度、提高運輸效率;采用密接式、半永久車鉤降低了動車運行的縱向沖動,減少了噪聲和振動的影響,提高了旅行舒適性;動車組多采用點空聯合制動,制動減速度大,制動距離短、這種方式靈活,可以在短時間內反復釋放制動,提高鐵路網的交通密度和運輸能力。
缺點
動車組的主要缺點是制造和維修成本高,功率損耗大,噪音大。動力集中型動車組軸重大,粘著性差、與常規列車接近,對線路要求較高,但總質量小于分散式動車組。動力分散電動車組總質量大,電氣設備數量多,維護成本高,建設成本昂貴。一些長期開行的動車組列車,由于沒有分動力單元,無法臨時調整編組改變車廂數量,導致無法適應 的不斷變化的客流。