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        適應(yīng)長大坡道動車組技術(shù)研究*

        2021-11-19 09:23:52曾一鳴
        鐵道機車車輛 2021年5期
        關(guān)鍵詞:下坡坡道動車組

        曾一鳴

        (中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機車車輛研究所,北京 100081)

        近幾年,具有連續(xù)長大坡道的新修建線路開始出現(xiàn),坡道坡度最大達(dá)到25‰,如蘭新線、寶蘭線、西成線等;另外,京張線、大西線存在30‰大坡道。針對國內(nèi)高鐵長大坡道現(xiàn)狀,目前在用車型均存在動力損失、坡道啟動困難、坡道運行平衡速度低以及因制動容量受限車輛限速等情況,需在既有高鐵系統(tǒng)基礎(chǔ)上研究適應(yīng)于長大坡道的動車組,以滿足運營需求。文中基于我國既有動車組,研究適應(yīng)西成客專大坡道的動車組技術(shù)方案。

        1 需求分析

        1.1 西成客專線路情況[1]

        西成客專全長約657 km,設(shè)計速度250 km/h,車站27 個(含線路所和預(yù)留站),電分相28 處。困難區(qū)段有2 處,其中最困難區(qū)段為下行方向區(qū)間長度約45.05 km 的25‰ 長大連續(xù)坡道(K49+141—K94+191),坡道中心位置K72 處有長度約193 m的分相,如圖1 所示。

        圖1 西成客專線路

        1.2 既有動車組適應(yīng)性分析

        針對動車組大坡道運用,前期開展了大量仿真計算。計算車型包括250、350 km/h 共9 種車型,仿真計算結(jié)果如下:

        (1)制動能力滿足要求[2]:

        各型動車組電制動調(diào)速以250 km/h 下坡均滿足要求。

        各型動車組純空氣制動調(diào)速以不大于200 km/h下坡均滿足要求。

        (2)牽引能力不足[3]:

        250 km/h 動車組:全動力可坡起但平衡速度低于150 km/h;50%動力無法坡起和過分相。

        350 km/h 動車組:全動力可坡起、平衡速度約200 km/h;50% 動力僅部分大功率動車組能夠坡起,但計算闖坡運行時間較長(約35、37 min),存在電機超溫風(fēng)險。

        根據(jù)仿真計算分析,目前現(xiàn)有速度250 km/h動車組均無法滿足25‰長大連續(xù)坡道上的平衡速度和50%動力時的坡起需求。在西成客專運用的本線車、跨線車全部采用350 km/h 速度級動車組,其中圖定有59 組速度350 km/h 動車組擔(dān)當(dāng)D 字頭交路(含高峰線),存在高速度級動車組長期在低速度級線路運用、無法發(fā)揮動車組速度優(yōu)勢的浪費問題。充分考慮西成客專運用需求,應(yīng)研制速度250 km/h 長大坡道配置動車組。

        1.3 運用需求對動車組性能的要求

        為確保動車組正常工況下的運營和故障工況下的應(yīng)急處置安全、高效,西成客專對動車組的運用需求如下:

        (1)動車組正常情況,上坡道運行速度應(yīng)盡可能接近線路允許速度,下坡道應(yīng)能按線路允許速度運行。

        (2)動車組損失50% 動力情況,上坡道能起動、可持續(xù)運行、過分相速度不低于80 km/h,下坡道時電制動調(diào)速運行應(yīng)盡可能接近線路允許速度。

        (3)動車組損失100% 電制動情況,下坡道時純空氣制動調(diào)速運行應(yīng)盡可能接近線路允許速度,并可隨時實施緊急制動。

        根據(jù)運用需求,確定對動車組技術(shù)要求如下:

        (1)25‰上坡道牽引能力:

        全動力時,上坡道平衡速度不低于200 km/h。

        50%動力時,可在上坡道起動并維持運行,過分相速度不低于80 km/h。

        (2)25‰下坡道制動能力:

        電制動正常時,電制動能力滿足下坡道速度250 km/h 運行要求。

        損失50% 電制動時,電制動能力滿足下坡道不低于速度200 km/h 運行要求。

        損失100%電制動時,純空氣制動能力滿足下坡道空氣制動調(diào)速200 km/h 運行,并可在鄰近坡底時實施一次緊急制動停在坡道上。

        2 技術(shù)方案

        2.1 方案選擇

        經(jīng)計算,在既有速度250 km/h 動車組基礎(chǔ)上動力配置為4M4T 方式不變,輪周牽引功率提升超過8 400 kW,可滿足運用需求。從技術(shù)成熟度、互換性、對整車影響、運維界面、技術(shù)性能、經(jīng)濟(jì)性以及研發(fā)周期綜合考慮,可基于既有速度250 km/h動車組平臺直接采用既有速度350 km/h 動車組牽引系統(tǒng),此方案牽引系統(tǒng)技術(shù)成熟,運維界面相同,輪周牽引功率提升至10 000 kW,系統(tǒng)集成上有所調(diào)整,整車變動小,優(yōu)化周期短,技術(shù)經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)。

        2.2 總體方案

        (1)車體、車端連接、主供電、輔助電氣、供風(fēng)制動、旅客信息、空調(diào)、給排水衛(wèi)生、外門及車內(nèi)設(shè)施、駕駛設(shè)施和電務(wù)車載系統(tǒng)與既有速度250 km/h動車組[4]保持一致。

        (2)牽引系統(tǒng)采用既有速度350 km/h 動車組方案,牽引變壓器、牽引電機和牽引電機送風(fēng)機無需變更,牽引變流器輔變輸出由三相四線制改為三相三線制,牽引用動力電纜需更換為3 600 V 等級電纜,變流器輸入電壓由950 V 改為1 900 V,相應(yīng)提高過橋動力連接器的耐壓等級。

        (3)高壓系統(tǒng)受電弓到高壓設(shè)備箱電纜終端由120 平方改為240 平方,線纜規(guī)格同既有速度350 km/h 動車組方案。

        (4)網(wǎng)絡(luò)及輔助監(jiān)控系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和硬件與既有速度250 km/h 動車組保持一致,需根據(jù)牽引系統(tǒng)需求變更軟件。

        (5)轉(zhuǎn)向架主體結(jié)構(gòu)與既有速度250 km/h 動車組保持一致,為適應(yīng)牽引電機安裝,需重新設(shè)計齒輪箱。

        (6)車下設(shè)備布置和設(shè)備艙需調(diào)整,總體布置與既有速度350 km/h 動車組基本相同。

        既有速度250 km/h 動車組為“通用型”,速度250 km/h 長大坡道配置動車組為“山區(qū)型”,動車組主要技術(shù)參數(shù)見表1。

        表1 主要技術(shù)參數(shù)

        2.3 牽引系統(tǒng)技術(shù)變更

        2.3.1 牽引變壓器

        牽引變壓器型式采用既有速度350 km/h 技術(shù)方案,與通用型動車組相比,牽引繞組電壓由950 V 變?yōu)? 900 V,容量增加。牽引變壓器電氣參數(shù)對比見表2。

        表2 牽引變壓器電氣參數(shù)對比

        2.3.2 牽引變流器

        牽引變流器方案采用既有速度350 km/h 動車組技術(shù)方案,在既有速度350 km/h 動車組技術(shù)方案基礎(chǔ)上將輔助逆變器輸出改為三相三線制。牽引變流器電氣參數(shù)對比見表3。

        表3 牽引變流器電氣參數(shù)對比

        2.3.3 牽引電機

        牽引電機采用既有速度350 km/h 動車組技術(shù)方案,需改變電機的牽引特性曲線和再生制動特性曲線,牽引電機電氣參數(shù)對比見表4。

        表4 牽引電機電氣參數(shù)對比

        3 牽引能力分析

        (1)全動力(4M4T)牽引計算,牽引特性曲線如圖2 所示。

        圖2 全動力牽引特性曲線

        山區(qū)型(10 000 kW)方案在25‰ 坡道平衡速度最高,達(dá)到237 km/h,有利于在大坡道線路持續(xù)運行;計算結(jié)果和結(jié)論見表5。

        表5 牽引性能指標(biāo)校驗

        (2)當(dāng)動車組50%動力失效,在25‰坡道,牽引特性曲線、闖分相加速曲線如圖3、圖4 所示。

        圖3 50%動力失效,25‰坡道啟動牽引特性曲線

        圖4 50%動力失效,25‰坡道闖分相加速曲線

        山區(qū)型(10 000 kW)方案在動車組50% 動力失效(損失2 節(jié)車動力)時,可在25‰ 的坡道上起動,且平衡速度點為137 km/h,在過分相前3.4 km即可達(dá)到100 km/h,滿足“在定員載荷下可在25‰的坡道上起動,并低速過分相要求”。

        4 制動能力分析[4]

        山區(qū)型(10 000 kW)方案在動車組50% 動力失效(損失2 節(jié)車動力)時,在25‰ 坡道僅使用電制動,以速度250 km/h 下山,如圖5 所示。

        圖5 50%動力失效,25‰坡道電制動能力

        《時速250 公里中國標(biāo)準(zhǔn)動車組暫行技術(shù)條件》[5]中規(guī)定了制動盤熱容量需滿足動車組最高允許速度下連續(xù)2 次緊急制動的熱負(fù)荷要求,并需滿足最高試驗速度下的緊急制動能力要求。通用型據(jù)此開展了17 t 滿軸重在30‰坡道條件下的熱容量計算,結(jié)果滿足要求。因此,采用通用型基礎(chǔ)制動可滿足西成線25‰坡道線路條件的運用要求。熱容量計算結(jié)果見表6。

        表6 熱容量仿真計算結(jié)果

        5 結(jié) 論

        山區(qū)型動車組技術(shù)方案,綜合考慮經(jīng)濟(jì)性、自主化、統(tǒng)型要求,基于通用型動車組平臺,根據(jù)運用需求對動車組的性能要求,按照技術(shù)性能優(yōu)、技術(shù)變動小、運用維護(hù)界面不變、經(jīng)濟(jì)性好的原則開展方案設(shè)計。通過仿真計算分析,得出如下結(jié)論:

        (1)動車組牽引性能。全動力時,上坡道平衡速度為237 km/h;50%動力時,可在上坡道起動并維持137 km/h 的速度運行,保證過分相速度不低于80 km/h。

        (2)動車組制動性能。電制動正常時,電制動能力滿足下坡道250 km/h 的速度運行要求;損失50%電制動時,電制動能力滿足下坡道不低于200 km/h 的速度運行要求;損失100%電制動時,純空氣制動能力滿足下坡道空氣制動調(diào)速200 km/h 運行,并可在鄰近坡底時實施一次緊急制動停在坡道上。

        綜上所述,基于既有速度250 km/h 動車組平

        臺,4M4T,牽引功率10 000 kW 的動車組設(shè)計方案,滿足西成客專長大坡道對動車組的運用需求。

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