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变流技术与电力牵引4/2005
新车 新品
韩国HSR 350x型高速动车组的开发
K. Chung等(韩)
【摘要】 韩国在引进法国TGV之后于2004年4月1日启动了韩国特快列车(KTX)的运营,从此韩国便开始步入了高速铁路时代,这被称为“内陆运输革命”。此外,韩国通过名为“高速铁路技术开发”的国家研发项目,自主研制出350型高速试验动车组(HSR 350x),在2003年9月汉城至釜山高速试验线上运行时,其运行速度超过了300 km/h。HSR 350x作为最佳技术成果载入韩国铁路史。
HSR 350x是韩国工程技术人员研制的,从概念设计到在线试验共用了6年的时间。按既定目标该动车组投入Honam高速线的商业运营以及在先期的运行中确定其与地面设施的兼容性。这样,韩国能充分利用自己的技术设计高速铁路、开发主要设备和生产动车组。也就是说,韩国通过修建汉城至釜山的高速铁路线,能进一步掌握高速铁路的建造、管理与维护技术。这一巨大成果将使韩国成为世界上拥有最佳高速铁路技术水平的国家之一。
详细介绍了HSR 350x型高速动车组及其主要核心设备的开发。
关键词:电动车组;高速运输;试验与研究;韩国中图分类号:U266.2文献标识码:A文章编号:1671-8410(2005)04-0042-07
Development of Korean High Speed Rolling Stock HSR 350x
Abstract: Korea introduced a new rail service based on the French TGV called the Korea Train eXpress(KTX) which was launched onApril 1st, 2004, this year to open up the high-speed railway era. That is called an inland transportation revolution. In addition, in Septemberof last year, the Korean High Speed Rolling Stock 350 eXperimental(HSR 350x) , that was independently developed through a nationalResearch & Development project titled‘Development of High Speed Railway Technology’, surpassed 300km/h on the test track of theSeoul-Busan high speed line. The development of the HSR 350x will be classified as the best technological achievement in the Korean railwayhistory.
The HSR 350x was designed and manufactured by Korean engineers in six years from conceptual design to on-line test. It has beenworking toward the commercialization by operating on the Honam high speed line and performing the pilot operation for the review ofappropriateness with the infra facilities. Therefore, Korea has secured the design technology of high speed railway, the development of corecomponents and the manufacturing technology of train sets with its own technologies on top of the construction, management and mainte-nance technology of a high speed railway that was secured through the construction of the Seoul-Busan high speed line. This is a remarkableachievement that has led Korea to be one of the best countries in the world with high speed railway technology.
In this article, a summarized form of introduction is given for the development details of the major core equipments and the features ofthe HSR 350x developed through a national R&D project titled‘Development of High Speed Railway Technology’.
Key words: rolling stock; high-speed operation; test and research; Korea
1国家研发项目——高速铁路技术的开发
高速铁路技术开发项目在韩国政府强有力政策的
通过引进KTX,将韩国铁路技术提升到世界领先水平,而当时韩国铁路技术水平落后于发达国家。在韩国建设交通部的领导下,通过与工商能源部以及科技部的合作,“高速铁路技术开发”项目从1996年至2002年用了
支持下,于上世纪90年代初便已着手实施,其目标是
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6年的时间。这项研发计划是为了实现在21世纪造出韩国新一代高速动车组,同时提升350 km/h等级高速铁路
项 目运行速度/km h-1客车车体材料牵引电动机牵引系统
电力电子器件控制方式
KTX300低碳钢同步电动机PFC+相控变流器+电流型逆变器(VVVF-PWM控制)
GTO
的自主设计、工程化和制造能力。该项目的目标是通过吸收KTX技术促成韩国拥有自己的高速铁路(表1)。
HSR 350x350挤压铝型材感应电动机PWM控制变流器+电压型逆变器(VVVF矢量控制)
IGCT再生、电阻
功率电力电子器件最新的控制算法
备 注—减重:15%减少维护费用:30%
表1 KTX与HSR 350x核心技术的比较
制动系统
控制混合制动
通风
增压设备制动方式
再生电阻轮轴踏面BP控制
动力转向架采用电/空混合制动
无Tornad网络模拟控制
涡流轮轴轮盘踏面PWM控制全混合制动自主开发TCN网络数字控制
自主开发涡流制动
提高了响应特性全混合控制算法
提高通过隧道时的乘车舒适度UIC、IEC标准技术条件
现代技术
通信网络牵引控制
该国家级研发项目是由韩国工业技术研究院(KITECH)和韩国铁道研究院(KRRI)牵头,它包括10个由政府管辖的研究院所和35个企业及16所大学,其组织合作关系如图1所示,特别要指出的是列车系统的开发完全由KITECH负责,部件开发分别由Rotem有限公司、Hyundai重型工业公司、LG工业系统公司、Yujin机械有限公司及其他公司承担。参与该项目的专业研究人员每年大约有1 000名,总投资为1.82亿美元。
概念设计、系统初步设计和详细设计。
在列车设计之前,第一步是对列车系统的运行条件进行审定,它包括在设计技术条件中(主要要求列表),在概念设计阶段(表2)就绘制了草案并经过了评审。审定的主要内容包括:运行条件、功能条件、设计标准、环境条件、尺寸和技术条件。根据以上内容分析起草设计条件、要求清单。在审定过程中,获取了与列车有关的试验与评估结果,运行中发现的问题与需要改进的要求以及可能出现的其他情况。而在HSR 350x开发过程中,对提速、增效、提高运量、缩短旅行时间、降低维护费用等因素进行了调查和综合分析,结果反映在概念设计(图2)中。
表
2
运行技术条件一览表
- 汉城至釜山的旅行时间降到
10
0 min之内
- 将能耗、乘座质量和轨道损坏等保持在KTX的水平上- 避免对周围环境增加不良反应
- 保证每趟旅客列车运量高于1 000名乘客
图1
国家研发计划(高速铁路技术开发)机构图
- 保证其灵活性能适应未来的出口市场及国内市场- 保证与KTX有相同的可靠性、使用寿命和安全性- 列车的目标长度小于400 m
2开发HSR 350x列车的系统工程技术
韩国工业技术研究院已掌握自主的列车系统工程
在概念设计阶段,汇总了设计任务书的要求,确认了核心目标,并明确了列车组合的基本概念,此后,为达到目标,对不同的设计变量进行了审查和解释,同时还进行了技术和经济评估,以建立列车配置的基本模型。
在HSR 350x开发过程中,明确列出了动车组的编
技术,并负责HSR 350x从概念设计到试验的工作。
HSR 350x开发步骤包括必要条件的分析、设计、生产、试验与鉴定及优化的全过程,而其设计步骤分为
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比较和审查动车各个系统结构的主要内容有:动车系统的总质量;乘客人数;能耗比;直接影响轨道寿命的轴重;簧下质量和粘着系数的利用等等。通过3种选择方案的比较和审查,动力集中系统可满足各种技术要求,易于采用KTX转让技术,被确认为韩国高速动车组进入商业化运作的基本组合模式。
在最初系统设计阶段,提出了每一模块的结构布置,并确立了电气与机械部件的布置图。在完成该步骤之后,便进行了分析、计算及基本试验,以便找出每一模块存在的问题,并进行补充设计。
例如在车体制造方面进行了7个方面的设计审查,即:车体外壳设计;转向架设计;碰撞仿真;HVAC(加热、通风及空调设备)系统设计;制动系统设计;噪声预报和动态仿真。
图2初步设计分析实例:运行时间仿真图
组配置,并对每一种编组配置方案进行了数量和质量评估,以便确定能满足设计任务中提出的动车结构要
求。就HSR 350x型动车组的结构而言,已审查的3种动车结构(图3)分别为:
(1) 能充分利用KTX转让技术的动力集中系统;(2) 能有效结合德国最新研制的ICE 3型动车技术的动力分散系统;
(3)一种新型的动车混合方案结构。
图4修改前(左)和修改后(右),审查与改进后
的动力车车体端部结构设计与强度分析示意图
图4为经上述审查后进行的补充设计示意图。车体端部结构(上部)的强度分析结果示出了其强度的集中区,而起初的弯曲形(左)已改成直线形(右),以便降低其应力等级。同时为详细设计阶段制定了专用技术条件与规则。
为了建立与客车(带动力的中间车和拖车)集成系统相配套的高速铁路设计集成系统,在高速铁路动车组制造和交付使用之前,不断进行了修改与补充。其中包括客车单元空间和车内部件以及司机室外形。从高速铁路的早期设计阶段到动车生产阶段的整个过程中出
图3
动车组系统结构(长400m)的评估方法
现的各种问题导致动车外形不断改动。
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原型车设计集成的验收与改进大致分为两个方面,即动车外形集成设计与动车内部形状集成设计。
为了分析HSR 350x的详细设计并确保系统集成,采用计算机仿真对设计规范和图纸进行了仔细检查和分析并通过技术会议确认子系统与部件之间的接口。主要分为机械和电子2个方面。几次连续的技术审查与调整已认定HSR 350x的最佳详细设计。图5示出了每种车的详细设计结果。
标定位是否必须预先进行。在HSR 350x的研制过程中,进行了各种试验,其中包括:
(1) 部件单元试验,即对每个部件的性能进行试验与评价。
(2) 厂内试验,即对HSR 350x上所有子系统和速度低于60 km/h动车系统的性能进行检验。
(3) 综合驾驶操作包括加速度试验,目标速度350km/h。
因此包括带动力的中间车在内仅有5辆车。
3HSR 350x的特性
HSR 350x在一个高起点的技术水平上获得了成功。
已设计出来的韩国高速动车组在保持与KTX兼容的同时,还能与国内环境相配套。该车完全是由韩国技术团队设计的,从主要核心技术到其设计,国产化率达到了92%。3.1编组
已设计的韩国高速动车组在汉城—釜山高速铁路上以2种方式投入运行,最高速度350 km/h。此外编组大体上分为20辆车为一组,满载时旅客可达1 000名;而11辆车编组时,满载旅客可达500名。由于站台长度的限制,就象KTX那样,动车组的长度为400 m或者更短一些。
原型车是作为“高速铁路技术开发”这一国家研发项目的最终产品来制造的,该车用于对关键部件和未来的商业化运营动车系统做试验。该车组共有7节车,是用于评估和检验其性能的最短编组,可以显示出韩国高速动车组的整个特性。动车组的组合顺序
图5
每种车的结构图
为:动力车(TP1)+带动力的中间拖车(TM1)+拖车(TT2,TT3,TT4)+带动力的中间车(TM5)+动力车(TP2)。图6示出了韩国高速动车组HSR 350x的基本结构及其所有关键部件。换言之,原型车是由下
在动车制造阶段,按早期的设计图生产与组装动车及部件。该阶段是在划分车体外壳、装璜设计、转向架及强电区后才开始生产和组装。就通用车体而言,
其制造过程分为:车体焊接阶段和装配阶段,装配阶段是在已制造好的车
体上安装和装配各种部件。
在试验阶段评判已研制的HSR350x是否已达到其目标。最重要的是对已开发项目的目标功能和性能与实际试验结果进行了比较与检验。因此在动车开发过程中,设定其目标功能和性能是试验评估方面最为重要的部分,这就需要弄清基本技术参数的目
图6
HSR 350x的基本编组图
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列车辆构成:2节动力车,配有控制动车各种功能的司机室及能产生和控制牵引功率的设备;2节带动力的中间车,无司机室但能产生牵引功率,又能当拖车用;3节拖车,有旅客座位及方便旅客的空间,但无动力设备(如图7所示)。
行产生直接的影响,使其具有韩国旅游文化特色并提高舒适性,使高速铁路更加人性化。
对于动力车的外形,利用现代空气动力学计算分析程序减少200 km/h及更高速度运行时的空气阻力和噪声,从动力车前尖端到顶部保持了单曲线的设计。
转向架采取覆盖方式,以减少空气阻力(根据牵引系数,大约有6.6%的改善),同时也可降低噪声。
动力车司机室内部的设计采用人机工程学方法,使司机的疲劳强度最小,并提高司机的工作效率。
此外对于可能出现的碰撞,采用了安全
原型车中带动力的中间车和TT3型拖车可用作测试和评估动车运行工况的会议室和测量室,因而取销了拖车中的设施。
原型车中的座位总数为82个,其中一等座位26个,二等座位56个。此外就原型车中的拖车设施而言,在TM1、TT2和TT4中有3个休息室,在TT2上有一个残疾人休息室和乘务员休息室,在TT4上有一个网络室,而在TT3上则有一个自助餐厅。
尤其是原型车的结构合理,在运行安全方面,动车之间采用了连接式,拖车与拖车之间采用了绞接式转向架,从而实现了牢固的连接。HSR 350x的总质量为330 t,总长为145m。目前该车正在汉城至釜山高速线路上作试运行,不久的将来便可实现其商业化运营。3.2
动车的主要尺寸与性能
HSR 350x动车组的外形尺寸基本上已经确定,能在汉城至釜山高速铁路上投运。根据车头前端的空气动力学设计动车尺寸并对车内各项指标进行了修改。尤其在实际的研制过程中,由于动车系统性能的改进
导致了总质量的增加,因而为满足轴重限制的要求作了大量研究。
为了使动车的质量更小,通过负载优化设计和采用轻型材料,对结构进行了改进。此外,为解决由于车体质量较小造成的动力学方面的问题(包括动车结构的稳定性、客车单元防噪声与抗振动和乘车舒适度等),进行了许多方面的尝试。
此外注重了拖车内部空间的设计,因为这会对旅客愉快而安全的旅
设计以保护乘客。在司机室的前部,采用了一种蜂巢状的结构,用来吸收冲击能量。完全可吸收6 MJ的冲击能量,安全性得到了改善。3.3
核心部件的生产
本节介绍HSR 350x部件(图8)改进后的特性与核心技术的几个实例。HSR 350x客车车体采用挤压铝型材制造,与低碳钢制造的KTX不同,质量减小了15%。为了降低空气动力噪声与阻力,HSR 350x前端形状是经过空气动力学分析后设计的。分析结果表明,空气动力阻力与KTX相比可降低27%。
HSR 350x由动力单元(变流器与逆变器)控制牵引电动机。一个动力单元控制两台牵引电动机。韩国高速动车组安装了1.1MW级的大功率感应电机。主变压器为高速动车提供所需的全部电源,与KTX的相比,其质量大约减小了15%,其容量大约增加了20%。
动力单元通过控制牵引电动机的供电来控制动车的速度和加速度。对于2.5MW装置,它采用了世界上最先进的IGCT元件来提高效率和控制性能。有害电磁干扰波与既有铁路(采用电力机车)的相比,大约下
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7辆车编组82(一等26,二等56)
降了49%。
为了维持高速运行的稳定性,必须为动车提供连续的电源。安装在动力车顶部的受电弓是承担这些功能的核心部件。受电弓是决定动车最高速度及克服噪声的核心部件,
表3
动车编组定员/个最高速度/km h
-1
HSR 350x的主要技术参数
3500.330.06(350km/h)
13 200330145
22 645×2 814×4 062(长×宽×高)21 845×2 970×3 694(长×宽×高)18 700×2 970×3 694(长×宽×高)挤压铝型材焊接结构
无摇枕转向架
PWM变流器+电压型逆变器(VVVF),IGCT器件
TCN(列车通信网络)
电气制动:再生制动、电阻制动及涡流制动
机械制动:踏面制动、车轮盘形制动及轮轴盘形制动
单臂受电
弓
启动加速度/m s-2
外轨超高加速度/m s-2额定输出功率/kW质量/t
动车组尺寸 动力车/mm
带动力的拖车/mm 拖车/mm
车体结构转向架种类动力单元通信网络制动系统
经过几个试验阶段及进行设计与改 长度/m进过程,最终采用国内技术成功地研制出来。
高速动车组的运行需要计算机进行数据管理与传送。第一单元的计算机为主机,而其他单元中附加的计算机作为辅助计算机,通过传送司机发出的指令实现精确的运行。
通过计算机监视设备(监测控制
主电路系统 VVVF(变频调压)感应电动机 主变压器:25kV,8 900kVA受电弓
装置SCU),司机能了解到有关动车的状况,并采取相应的措施。此外,在连接计算机与设备的神经系统中,采用了世界通行的列车通信网络标准(TCN)(图9)。
4测试与在线试验
评估研制的动车性能和提交需要补充的改进计
划的技术工作是动车研制过程中的核心部分。通过国家级“高速铁路技术开发”研发项目,自主开发的技术可用来试验、评估和检验动车的性能,并与世界上其他高速铁路进行比较。韩国高速动车组之所以被认定为在技术上有突出发展,其理由是它具有从设计、数据分析到生产制造和试验评估方面的综合系统技术。
在研制过程中,各种核心部件都进行了试验,总计为4 386项,其中包括厂内运行试验、动车结构及功能动态试验。
图9HSR 350x监测控制装置(SCU)与列车通信
网络(TCN)
图
为了保证在高速范围内制动性能的稳定性,HSR350x在拖车转向架上安装了4组涡流制动装置。涡流制动器是一种电气制动器,因此它既无机械磨损又无接触噪声。另一个主要课题是在HSR 350x所有类型的车中都安装增压装置。增压装置是一种自动压力控制器。它能降低列车通过隧道时乘客室内压力突然发生改变而引发的耳鸣。图10为HSR 350x 5种制动装置的混合制动力示意图。HSR 350x有2种制动工况,即:常用制动工况,制动距离为5 523 m;紧急制动工况,制动距离为4 800 m(表3)。
在韩国国家铁路和韩国特快运输公司的支持下,2002年8月19日在汉城至釜山高速线路上的Osong车站,以60 km/h的速度开始进行了在线试运。考虑到安全因素,运行速度逐步提高,当年9月17日达到了300 km/h。至此,总共进行了80次试运行,运行里程达1.8 万km,最高速度为322 km/h。将来还要试运约10万km,计划将速度提到350 km/h。
在综合试验方面,对包括运行性能、稳定性、振动特性及乘车舒适度在内的12个项目进行了测试与评审,以便验证动车能否达到目标等级规定的各项性能。
为了完成动车性能分析和系统评估,HSR 350x有一套内置计算机测试系统。该系统采用自主开发技术研制而成。借助于该系统,可收集并综合分析动车运
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行期间的性能。此外,在大约400个地方安装了电量传感器,以便获取动车全面的动态特性。
图10常用制动(左)和紧急制动(右)的制动力分布图
1——总制动力;2——电力制动;3——涡流;4——轮轴;5——踏面;6——轮盘;7——牵引
5结语
韩国的第一条铁路是位于Noryangin与Jemulpo之间
研制工作。从一开始,制造原型车及其部件的重要角色就给了私营企业,而研究单位和高等院校的任务是基础理论研究和技术集成与验证。
韩国高速试验动车已成功研制出来,KTX的商业运营已迅速启动,并稳步发展。可以期盼韩国铁路工业获得了重大突破,并具有国际竞争力。
为了验证可靠性、安全性以及技术的完整性,HSR350x将在高速线路上进行连续不断的试验,以便能在2007年为汉城至木浦的Honam高速线路提供旅客运营服务。
译自《ZEVrail Glasers Annalen》2004,№9译者:李云浩
校者:张劲松
的Gyeongin线路,于1899年9月18日开始投入运营。105年以后,韩国的企业集团成功开发了最高速度达到350km/h的新型高速动车组。这在韩国铁路历史上,尤其在铁路研发领域中是一个里程碑。在此之前,忽略了铁路方面的研发投资,同时缺乏核心技术和工程人力资源。然而,就在短短的6年中,韩国的工程技术人员通过与工业部门、高等院校及研究单位的合作,克服了在高速铁路领域中存在的巨大技术差距,目前的铁路核心技术已达到了与发达国家类似的水平。
研制HSR 350x的3个企业集团(即:私营企业、高等院校、研究单位)相互合作,而且每一方都分担了
俄罗斯铁路与西门子公司合作
俄罗斯铁路股份公司打算和西门子公司合作,共同生产高速列车。
2004年11月8日,俄罗斯铁路股份公司总裁法杰耶夫和西门子公司董事会成员克鲁巴西克、拉姆列赫特在德国举行了会谈,新铁路工艺金融工业集团的领导也参加了此次会谈。会谈中,双方就使用西门子公司的工艺创建电动车组的合资企业事宜制定了合同草案。此合资企业将在莫斯科机车修理厂的基础上创建。
此次访问德国时,法杰耶夫还参观了阿拉赫机车制造厂。
2004年12月1日,在莫斯科举行第二次会谈时,双方确定了主要的技术参数,设计师将根据此技术参数设计出新型电动车组:动力集中牵引,最高速度为250km/h,车体为钢结构。此外,从经济性考虑,
双方还商定了最小批量为60列,考虑到俄罗斯铁路股
份公司的各线路所要求的车速不同,可能会把这批电动车组最高速度分为两种,即160km/h和250km/h。
为了降低电动车组的成本,西门子公司准备促进本地化生产,尽可能地使用俄罗斯的配套设施并把生产铁路设备的德国公司招募到俄罗斯市场。
第一列新型快速电动车组预计在2007年出厂,这些新型列车将在莫斯科—圣彼得堡,圣彼得堡—赫尔辛基的线路上运营。以后还会在莫斯科—罗斯托夫—多娜、莫斯科—下诺夫哥罗得两条线路上运营。据专家估计,俄罗斯铁路股份公司对各型快速电动车组的远景需求量可能会超过150列。
译自《Желез.дор.мира》2004,№12译者:唐靓校者:韩宝军