動車組關鍵技術概述
伍賽特
0
引言
為了使列車高速執行安全、舒適程度高、對線路的破壞作用小、維修工作量小，要求其執行阻力小、重量輕、氣密性和減振降噪效能好、防火效能高，車間連線裝置傳遞與緩衝縱向力的效能亦要好。為滿足這些效能要求，高速動車組採用了大量新技術、新材料和新工藝。
1
動車組系統整合技術
高速動車組是當今世界高新技術的整合，應用了高速輪軌技術、大功率牽引、制動控制技術、列車執行控制、空氣動力學工程、可靠性與安全性技術等鐵路技術專業領域的最新重大成果，是高速鐵路的核心裝備。
動車組主要由動車、拖車、控制車按一定技術要求編掛在一起，對動車組車體、轉向架以及牽引變流、制動、網路控制、輔助供電、車輛連線等元素按照有關引數進行合理選擇設計，進而生產、組裝、測試、試驗等，完成高速動車組整體整合。透過整合使動車組達到牽引、制動、車輛動力學、列車空氣動力學、舒適性、安全性等效能要求。
2
動車組車體技術
2。1
流線型車體結構
對於高速動車組來說，列車頭型設計非常重要，好的頭型設計可以有效地減少執行空氣阻力、列車交會壓力波和解決好高速列車執行穩定性等問題。
車身的外形設計主要是橫斷面形狀設計。其設計特點：整個車身斷面呈鼓形；採用與車身橫斷面形狀相吻合的裙板遮住車下裝置；車體表面光滑平整，儘量減少突出物。
2。2
車體的輕量化設計
為了節省牽引功率，降低高速所引起的動力作用對線路結構、機車車輛結構產生的損傷，以及提高旅客乘坐舒適度，需要最大限度地降低高速動車組的軸重。實現結構輕量化的主要途徑有兩個：一是採用新材料，二是合理最佳化結構設計。
目前，國外高速車輛的車體材料主要有不鏽鋼、高強度耐候鋼和鋁合金。從發展趨勢看，鋁合金將成為動車組車體的主導材料。
在保證車體強度和剛度的基礎上，應充分利用等強度理論和結構的有限元分析程式，對車體結構進行最佳化設計，減輕車輛自重。國內外經驗證明，透過最佳化計算，車體結構重量可顯著降低。
2。3
車體的密封技術
高速列車在會車時，特別是在隧道內會車時，車體表面將受到正負數千帕的瞬時壓力變化，車外壓力的波動會反應到車廂內，使旅客感到不舒服，輕則壓迫耳膜，重則頭暈噁心。為了減少壓力波的影響，保證旅客的舒適度，需要採取措施提高車輛的密封效能。
列車的密封需要從車體結構和部件上給予考慮。當前世界各國在高速列車上採用的密封技術主要有：
（
1
）車體結構採用連續焊縫以消除焊接氣隙；對不能施焊的部位，必須用密封膠密封。
（
2
）採用固定式車窗，車窗的組裝工藝要保證密封的可靠性和耐久性。
（
3
）為保障列車兩側側門、車端的內端門本身及其與車體連線的密封效能和兩車間內風擋連線的密封效能。側門需要採用密封效能良好的塞拉門；頭、尾的端門要採用可充壓縮空氣的橡膠條，透過颱風擋採用橡膠大風擋，並注意處理好渡板處的密封問題。
（
4
）空調換氣裝置設定壓力控制。
（
5
）廁所、洗臉室的水不能採用直排式，而要透過密封裝置排到車外；對貫穿車下的管路和電纜孔應採取必要的密封措施。
2。4
動車組降噪技術
為了降低車內噪聲，一方面要削弱噪聲源發出噪聲的強度，另一方面要提高車體的隔聲效能。具體來說，可以從車體、內裝、裝置安裝、門窗以及研發使用新材料等角度採取降噪措施。
2。4。1
車體降噪
（
1
）對來自於車下的振動噪聲，提高車體剛度，增強抗振能力，降低振動的傳遞，可以有效降低噪聲的傳遞；透過最佳化車體型材斷面，適當增強區域性結構厚度，結合整體強度和剛度校核分析，確定車體剛度最佳化措施。
（
2
）增加車體的隔聲效能。在車體金屬（如地板）表面塗刷防振阻尼層，使鋼結構的聲頻振動轉化為熱能消散，減少聲波的輻射和聲波振動的傳遞，從而減少車內噪聲；採用雙層車窗，提高車體氣密性，減少從側面傳人車內的噪聲；採用雙層牆結構，同樣可增加隔聲量
4
~
5dB
（
A
）。
（
3
）車體外形設計成流線形，車體表面平整、光滑。
（
4
）在車體內表面和部件結構表現針對區域性振動和噪聲較大的部位，進行區域性最佳化結構設計，並透過增加減振隔聲材料，降低噪聲的傳遞。
2。4。2
內裝降噪
（
1
）車內裝飾結構降噪。司機室車頭、車頂、側牆、端牆部位是噪聲傳人影響較大的部位，採取的主要降噪措施是採用隔聲、吸聲效能較好的優質材料，結合柔彈性連線，阻隔和抑制噪聲的傳遞。對不同的噪聲主題頻段，採取針對低頻、中頻和高頻不同要求的隔聲和吸聲材料。對於受電弓安裝部位、轉向架上部部位、車端部位、司機室等噪聲傳人較大的部位，進行區域性降噪和重點最佳化。
（
2
）客室降操。充分利用座椅、牆板、頂板等裝置和部件的合理佈置並設定吸聲材料，提高客室內中低頻吸聲效能，降低客室反射混響噪聲。
（
3
）地板降噪。地板部位是車外振動噪聲傳人客室的重要途徑，透過採用隔聲吸聲結構地板以及柔性或彈性安裝結構可以達到降噪的目的。
2。4。3
裝置安裝降噪
由於車外噪聲及振動引起車內裝置部件的激振產生的噪聲，可透過對結構連線處採用彈性或柔性連線，以隔離阻斷振動噪聲的傳播途徑。另外，調整裝置部件自身剛度和進行表面降噪處理，避免共振，減少激振噪聲。在車輪上安裝消音器和開發彈性車輪，可有效地降低輪軌噪聲。在空調系統上安裝消音器，降低牽引電機風扇的噪聲、驅動裝置等裝置的振動噪聲。
2。4。4
門窗降噪
（
1
）車窗和車門降噪。車窗和車門是噪聲傳人的重要部位，動車組車窗可以設定為有多層中空玻璃和鋁框粘接而成，內外層都設定為層壓玻璃，內外層玻璃之間充有惰性氣體，從而具有良好的隔聲和隔熱效能。為了進一步提高車窗部位的降噪效果，還可從車窗的結構和材料出發，透過進一步的研究，選擇新材質，最佳化其結構和效能。
（
2
）風擋降噪。風擋部位是阻止噪聲傳人的薄弱環節，動車組內可以採用雙層折棚結構和單層橡膠風擋兩種形式。同時，作為車端連線的內風擋可以結合外風擋，透過最佳化結構構成，進一步改善隔聲降噪效能。
2。4。5
其他降噪措施
研發及選用新材料是降噪的重要手段。在最佳化結構的基礎上，透過研究開發或尋找各種新型吸聲、隔聲、減振材料，結合車內噪聲頻譜，充分利用材料的降阻特性，合理配置降噪結構組合，針對低頻、中頻、高頻噪聲進行抑制，對關鍵頻率範圍採取適宜的隔聲吸聲材料，對低頻區域加大隔離和吸聲措施，達到改善噪聲的目的。
2。5
傾擺式車體技術
列車透過曲線時，未被平衡的離心加速度超過允許限度時會對乘客產生不舒適感。這種未被平衡的離心加速度與列車速度的平方成正比，由此限制了列車透過曲線時的速度。擺式列車的基本原理是：在透過曲線時，列車傾擺裝置使車體在曲線內側傾斜一定角度，部分抵消列車透過曲線時車體末被平衡的離心加速度，使作用在旅客身體上的離心加速度保持在容許的範圍之內，從而提高列車透過曲線時的執行速度。採用擺式列車可以在既有線路條件下使列車透過曲線時的速度提高約
30%
。
3
動車組轉向架
在設計製造高速轉向架時，必須解決其高速執行時的穩定性、平穩性和良好的曲線透過效能等關鍵技術問題，以保證高速列車安全行駛、乘坐舒適、減少維修量。
3。1
動車組轉向架的分類
動車組轉向架分為動力轉向架和非動力轉向架兩類。動車下面是動力轉向架，拖車下面是非動力轉向架。
3。2
動力轉向架和非動力轉向架的結構特點
動力轉向架和非動力轉向架，其主要部分採用基本一致的結構型式：
（
1
）均為無搖枕轉向架；
（
2
）輪對為空心車軸，整體軋製車輪、磨耗型車輪踏面；
（
3
）
-
系懸掛採用鋼彈簧
+
液壓式減振器
+
軸箱定位裝置；
（
4
）二系懸掛主要採用空氣彈簧系統；
（
5
）牽引裝置主要採用牽引拉桿裝置，傳遞牽引力和制動力。
動力轉向架還要有：
（
1
）牽引電機，安裝方式採用架懸、體懸或軸抱式。其中體懸式可降低簧下質量。
（
2
）驅動裝置（齒輪減速裝置和聯軸節），齒輪減速裝置透過軸承安裝在車軸上，牽引電機與齒輪減速裝置透過聯軸節傳遞驅動力。
此外，動力車和拖車均採用複合制動方式。其中，動力車採用電阻制動（或再生制動）
+
盤形制動，而拖車採用渦流盤制動（或磁軌制動）
+
盤形制動。由於動力轉向架有牽引電機和驅動裝置，空間位置比較緊張，因此需採用輪盤式（每軸
2
個），而非動力轉向架採用軸盤式（每軸
2-3
個），也可同時採用輪盤式制動。
3。3
轉向架結構輕量化技術
降低轉向架自重是高速轉向架技術開發的一個重要方面，它對改善車輛振動效能和減小輪軌之間的動力作用均具有顯著效果。國外高速轉向架輕量化的主要措施之一是採用無搖枕結構，此外還有很多輕量化措施，如：
（
1
）構架結構輕量化。採用焊接構架可比鑄鋼結構減重
50%
左右。
（
2
）輪對輕量化。採用空心車軸和小直徑車輪，減輕轉向架重量。
（
3
）軸箱和齒輪箱採用鋁合金製作，其重量大幅減少。
4
動車組制動及其控制
4。1
高速列車的制動方式
（
1
）制動方式的分類。根據列車動能消耗的方式不同，制動方式可分為摩擦制動和動力制動。摩擦制動是指透過機械摩擦來消耗列車動能的制動方式。其優點是制動力與列車速度無關。無論列車是在高速還是低速時都有制動能力，特別是在低速時能對列車施行制動直至停車。可以說，摩擦制動始終是列車最基本的制動方式。摩擦制動的缺點是，制動力有限，這是受熱能散發的限制而直接影響制動功率增大的緣故。摩擦制動包括閘瓦制動、盤形制動和磁軌制動等；動力制動是指利用某種能量轉換裝置，將執行中列車的動能轉換為其他形式的能量，並予以消耗的制動方式。其特點是制動力與列車速度有很大關係，列車速度越高，制動力越大，隨著列車速度的降低，制動力也隨之下降。動力制動包括電阻制動、再生制動、電磁渦流軌道制動以及電磁渦流轉子制動等。
根據制動力產生的方式不同，制動方式又可分為黏著制動和非黏著制動。黏著制動是指依靠黏著滾動的車輪與鋼軌黏著點之間的黏著力來實現列車制動的方式，包括閘瓦制動、盤形制動、電阻制動、再生制動及電磁渦流轉子制動等。非黏著制動包括磁軌制動和軌道渦流制動等。
（
2
）複合制動。傳統的純空氣制動能力已不能滿足高速列車的需要，高速列車必須採用能提供強大制動力並更好利用黏著的複合制動系統。複合制動系統通常由制動控制系統、動力制動、摩擦制動（如盤形制動和踏面制動等）系統、微機控制的防滑器和非黏著制動裝置等組成。複合制動力的產生分別來自電氣（動力制動）、機械（盤形制動或踏面制動）和非黏著力（磁軌制動或渦流制動）。
高速列車的複合制動模式包括不同車輛在不同制動作用工況和各種速度下的制動能量分配關係，應根據列車的動力方式和編組條件進行設計並透過微機控制。
4。2
制動控制系統
4。2。1
高速列車制動系統的基本要求
為保證列車正常執行和停車制動，並在意外故障或其他必要情況下具有儘可能短的緊急制動距離，高速列車必須裝備高效率和高安全性的制動系統。由於列車的制動能量和速度成平方關係，因此，時速
200
~
350 km
的高速列車與我國的普通客車（時速
100
~
140 km
）在制動系統的效能要求和組成方面，均有很大區別。對高速列車制動系統的基本要求如下：
（
1
）制動能力的要求。列車制動能力是根據緊急制動距離標準來設計的。因此需要確定高速列車的緊急制動距離標準。在同樣的制動裝置、操縱方式和線路條件下，其制動距離基本上與列車制動初速度的平方成正比關係。所以隨著列車速度的提高，必須相應地改進其制動裝置和制動控制方式才能滿足縮短制動距離的要求。在各種不同的制動方式中，又以緊急制動距離為最短。緊急制動是檢驗列車制動能力和執行安全性的基本技術條件，也是通訊訊號系統設計和運輸組織的重要依據。緊急制動距離的數值是世界各國根據本國鐵路情況（主要是列車速度、牽引質量、訊號和制動技術等）以及乘坐舒適性（加速度）制訂出來的，還要考慮必要的安全裕量，特別是在動力制動作用不良狀態下的緊急制動能力，並以此值作為對輪軌間制動黏著的利用、基礎制動裝置的熱容量以及制動控制性能等提出要求的依據。
國外
300 km/h
高速列車的緊急制動距離均在
3000
-
4000 m
之間。根據制動粘著利用和熱負荷等理論計算的結果，我國高速列車在初速
300 km/h
條件下的複合緊急制動距離可保證在
3700 m
以內。
（
2
）舒適性的要求。由於高速列車對制動平均減速度、最大減速度和縱向衝動的要求，均遠高於普通旅客列車。因此為滿足縱向舒適性的高要求，高速列車制動系統必須採用下述關鍵技術：
①採用微機控制的電氣指令制動系統以實現制動過程的最佳化控制，並在提高平均減速度的同時儘量減小減速度的變化率。
②對複合制動的模式進行合理設計，使不同形式的制動力達到較佳的匹配作用。
③減少同編組列車中不同車輛制動力的差別，以減緩車輛之間的縱向動力作用。
④組合採用摩擦效能良好的盤形制動裝置和強有力的動力制動裝置等複合方式，以提供足夠的制動力。
（
3
）可靠性要求。制動系統作用的可靠性是列車行車安全的基本保證。特別是高速執行時制動系統失靈的後果將不堪設想。它包含兩方面的內容：首先是組成制動系統的零部件和軟體必須具備一定的可靠性，這是整個系統可靠的基礎；其次是系統的可靠性。
系統的可靠性首先是指系統的重要支系統或關鍵（薄弱）部件是否有冗餘，例如指令傳輸方式的冗餘、備用制動（冷備或熱備）相對常用制動的冗餘、非常制動相對緊急制動的冗餘等。
其次是故障是否導向安全。零部件的可靠性是相對的，不可靠是絕對的。系統只有在“故障導向安全”的前提下，才能在零部件故障時保證系統的基本功能。也只有在這一前提下，冗餘才能真正發揮作用。要設計一個可靠的制動系統，除了選擇儘量可靠的零部件、精心編制軟體以外，更為重要的是運用可靠性理論，進行可靠性設計、可靠性試驗和可靠性計算，以此貫穿制動系統的研製過程，並在制動系統的運用過程中加以驗證。
4。2。2
制動控制系統組成
微機控制的制動控制系統由電氣部分和氣路閥類部分組成。電氣部分又包括制動控制器、微機控制系統和安全聯鎖裝置。氣路閥類部分包括制動電磁閥和緩解閥、緊急制動電磁閥、強迫緩解電磁閥和切換閥、荷重感測器和
EP
感測器、重空車壓力平衡閥、緊急限壓閥、制動缸壓力中繼閥、總風缸及電控制動壓力開關、空電轉換電磁閥等。
利用這套控制系統可以操縱兩種制動裝置：其一是正常情況下使用的採用微機控制的直通式電空制動裝置。這是一種以動力制動為優先的動力制動、空氣制動、磁軌制動的複合制動方式。其二是在電空制動失效的情況下使用的處於熱備用狀態下的自動空氣制動裝置。整個制動系統分成三級控制：網路控制、電控制動控制和空氣制動控制。三種控制的安全級別以空氣制動最高，其餘依次為電空制動和網路制動。其指揮級別以網路控制最高，電空制動控制次之，空氣制動控制最低。
5
動車組牽引與控制系統
5。1
動車組的動力配置
動車組動力分散配置有兩種模式。一種是完全分散模式，即高速列車編組中的車輛全部為動力車，如日本的
o
系高速列車，
16
輛編組中全部是動力車。另一種是相對分散模式，即高速列車編組中大部分是動力車，小部分為無動力的拖車，如日本的
100
系、
700
系高速列車，
16
輛編組中有
12
輛動力車，
4
輛是拖車，即
12
動
+4
拖。
5。2
動車組牽引傳動系統組成
受電弓將接觸網的
AC25kV
單相工頻交流電輸送給牽引變壓器，經變壓器降壓後的單相交流電供給脈衝整流器，脈衝整流器將單相交流變換成直流電經中間直流電路將直流電輸出給牽引逆變器，牽引逆變器輸出電壓、電流，頻率可控的三相交流電供給三相非同步牽引電動機，牽引電機軸端輸出的轉矩與轉速透過齒輪傳動傳遞給輪對，轉換成車輪牽引力和線速度。是將電能轉換成機械能的過程，再生制動執行是將機械能轉換成電能。
高壓電器裝置完成從接觸網到牽引變壓器的接通與斷開，主要包括：受電弓、主斷路器、避雷器、電流互感器、接地保護開關等。其中，受電弓最為關鍵，它負責完成列車執行過程中的高速受流並確保受流質量。高速列車受流的主要特點如下：
（
1
）接觸網與受電弓的波動特性。
（
2
）高速列車在高速執行時所受的空氣阻力遠較常速列車大得多，空氣動態力也是高速受電的一個重要因素。
（
3
）受電弓從接觸網大功率受電問題。
牽引變壓器用來把接觸網上取得的
25 kV
高壓電變換為供給牽引變流器及電機、電器工作所適合的電壓。針對高速列車交流傳動系統的特點，為了抑制變壓器二次側電流紋波、控制開關器件的關斷電流以及抑制網側諧波電流，要求牽引變壓器各繞組有很高的電抗（一般在
20%
以上）；為了使二次側並聯的脈衝整流器的負荷平衡，各牽引繞組的電抗必須相等；當二次側各繞組之間相互干擾很強時，電流波形會產生紊亂，嚴重影響開關器件的關斷電流，要求各繞組之間須採取磁去耦結構；由於變流器負載的諧波電流等會引起牽引變壓器局部發熱，則需對冷卻系統提出高要求；同時高速列車要求其體積小、重量輕、效能穩定。
脈衝整流器是牽引傳動系統的電源側變流器，列車牽引時作為整流器，再生制動時作為逆變器，可以實現牽引與再生工況問快速平滑地轉換。
牽引逆變器是牽引傳動系統的電機驅動側變流器，列車牽引時作為逆變器，再生制動時作為整流器，可以實現牽引與再生工況間快速平滑地轉換。
牽引電機是實現電能和機械能轉換的最核心部件。高速列車要求牽引電機機械強度，高速執行時能承受很大的輪軌衝擊力；採用耐電暈、低介質損耗的絕緣系統以適應變頻電源供電；電機前後端採用絕緣軸承，以防止電機軸承的電蝕；轉子導條採用低電阻、溫度係數高的銅合金材料，保證傳動系統的控制精度；電機採用輕質高強度材料，以減輕電機自重；採用經過驗證的軸承和軸承潤滑結構，從而減少電機的維護，保證電機軸承更可靠工作；在輸出一定功率的情況下，為減少體積，採用強迫通風和最佳化的通風結構，充分散熱，以降低電機的溫升，提高材料的利用率；電機的非傳動軸端安裝了兩個速度感測器；用以給傳動控制系統提供速度訊號，便於逆變器控制和制動控制。
牽引傳動系統是高壓系統，為保證系統安全可靠工作，系統的保護十分必要。因此，牽引驅動系統應對各種故障具有檢測和保護功能；為了有效利用黏著力，牽引變流器設有牽引時檢測空轉實施再黏著控制的功能，在制動控制裝置設有制動時檢測滑行並進行再黏著控制的功能；為了在故障和並聯電機載荷分配不均勻等情況時保護牽引電機，設有電機過流檢測、電機電流不平衡檢測、接地檢測等保護功能。
5。3
動車組牽引網路控制系統
列車牽引網路控制系統是列車網路控制系統的子集，透過列車網路完成列車牽引和傳動的分散式實時控制，其工作過程為：列車控制單元透過列車網路獲得各車輛單元裝置的狀態資料，然後根據這些資料，按預先設想的策略向各車輛控制單元發出轉矩指令值等控制命令，經車輛控制單元處理後，最後由傳動控制單元控制驅動裝置實現列車牽引與動力制動等功能。
採用交流傳動的高速動車組，列車牽引由分散在多個車輛單元的牽引控制單元和驅動單元構成。列車牽引網路控制系統劃分列車級、車輛級和傳動級。
列車級完成列車的綜合資訊管理和控制決策，給出與整個列車有關的給定目標和控制策略。從主司機室採集的司機控制指令、
ATP
執行控制指令和重聯訊號，透過列車級處理後，完成列車執行速度、加速度、牽引
/
制動力等執行目標最佳化，生產列車牽引控制指令，經列車匯流排傳送到車輛級控制單元，實現列車的統一指揮。列車級控制由列車網路層主司機室的列車控制單元擔當。
車輛級的主要任務是監測和管理車輛單元內的裝置，接收列車級發來的牽引指令，決策車輛單元的控制策略、最佳化控制目標、協調控制行為、執行監控和效能評估等等，實施主體是車輛控制單元。
傳動級完成傳動過程各種物理量和狀態開關值的資料採集、資料處理、邏輯控制、調節控制、狀態監測與診斷、故障保護、資料通訊等功能，具體控制網測高壓回路、網測變流器、電機測逆變器和輔助電源。由牽引控制單元具體實施。
6
動車組車內空氣環境控制系統
6。1
車內空氣環境控制系統組成
當列車以高速執行時，如果開啟車窗，車內將會產生強烈的“穿堂風”和噪聲，並隨之進人大量灰塵。為此，動車組都採用固定車窗；又由於其車體採用氣密性高的結構，這就必須很好地解決車內的通風換氣問題。另一方面，在外界氣溫變化時，車內應保持一定的溫度和相對溼度，為旅客創造舒適的旅途生活條件。
因此，空氣調節裝置（簡稱空調裝置）是高速動車組的主要裝置之一，通常由通風系統、製冷系統、供暖系統、加溼系統以及自動控制系統等系統組成，另外還包括車內空氣壓力波動控制系統、應急系統等。並具有以下特點：①高可靠性；②高舒適性；③適應車外壓力波的變化；④適應高速車輛輕量化、小型化的要求；⑤低噪聲和低振動。
6。2
車內空氣壓力波動控制技術
高速列車在透過隧道或兩列車交會時，車外空氣壓力會大幅度變化。例如，列車進入隧道時產生“活塞”效應，列車前部的牆板所承受的空氣壓力大為增加，而列車尾部處於負壓作用下。該壓力的變化與列車速度、長度、隧道長度、列車與隧道的斷面積比有關。兩列車在隧道內交會時，空氣壓力變化最大。國外曾對進入隧道後車外空氣壓力的變化進行過專門測定：速度為
200 km/h
時，空氣壓力變化為
3。2
~
4。9 kPa
；速度為
280 km/h
時，空氣壓力變化為
3。9
~
5。9kPa
。
由於車體結構不能做到完全密封，因此，車內空氣壓力會隨著車外空氣壓力的變化而上下波動。車內壓力對旅客的舒適度，尤其是“耳感不適”有很大影響。為了減少壓力波的影響，保證旅客的舒適度，一方面高速車輛必須採取良好的空氣壓力密封，列車空調裝置的進排氣口應避開低壓或渦流區佈置；另一方面需要加裝可控的間歇或連續作用式進排氣控制裝置，以便在車外壓力發生變化時調節進排氣口的工作狀態，防止車內空氣壓力變化過大，並保持一定的正壓（一般不小於
30 Pa
）。
為了在車外氣壓變化很大時仍能正常地進行通風換氣，同時避免透過換氣口將車外氣壓變化傳人車內。國外高速客車的通風換氣裝置都設計成可控式，我國
CRH2
型動車組是在空調系統中採用了連續換氣裝置。
7
動車組網路控制
7。1
概述
列車控制系統已從單臺機車的集中控制向整列車的分散式網路控制方向發展，網路控制已成為高速動車組的必備技術之一。動車組網路控制系統集測、控、管為一體，是列車執行控制的中樞神經和指揮中心，是保證列車正常執行的關鍵技術之一。動車組網路控制系統的主要任務有：
（
1
）透過貫穿列車的匯流排來傳送資訊，簡化連線，減輕列車的重量，降低安裝和佈線的費用。
（
2
）實現整列車同步、協調、可靠的牽引與制動控制功能。
（
3
）實現整列車的狀態監測、故障診斷、故障決策、安全防護等功能，實時將資訊顯示在資訊顯示屏上，使司機及時瞭解列車的執行狀態。
（
4
）提供更多的資訊流，實現全列車所有智慧裝置的聯網通訊和資源共享。
（
5
）實現全列車的自動門控制和空調控制等功能。
（
6
）提供列車車載試驗功能。
（
7
）集中管理列車及車載裝置執行的相關資料，提高列車的保養能力和降低維護強度。
列車網路控制系統涉及網路、控制和計算機等技術領域。在實時性、安全性、可靠性和執行環境等方面有特殊要求。列車通訊網路的選擇必須綜合考慮如下多種因素：
（
1
）列車執行環境及其可靠性要求。
（
2
）具有列車初執行功能，滿足非固定編組列車和列車重聯的需求。
（
3
）低層具有防止電介質的接觸處氧化等功能。
（
4
）傳輸介質。
（
5
）傳輸速率及傳輸距離。
（
6
）最大節點數。
（
7
）傳送的基本週期。
（
8
）介質訪問方式，實時性要求高、具有確定的傳送時間。
（
9
）傳輸訊號編碼和校驗方式。
（
10
）拓撲結構。
目前典型的列車網路控制系統基本上採用列車匯流排和車輛匯流排的兩級分層網路結構。列車匯流排用於連線列車各個車輛單元（一節車輛或車輛組）的節點（閘道器）；車輛匯流排用於連線列車匯流排節點（閘道器）和連線在該車輛匯流排的裝置。
列車匯流排與車輛匯流排之間透過閘道器通訊。閘道器是將兩個或多個不同體系結構、不同協議的網路在高層協議上互聯時所用的裝置或節點，位於
ISO
的第七層。它的主要作用是實現不同網路傳輸協議的翻譯和轉換工作，因此又叫做網間協議轉換器。控制單元及子功能單元統稱裝置，是車輛總線上用於實現功能的節點；匯流排控制器管理列車匯流排或車輛匯流排，也可以直接參與控制。在列車總線上設有主節點（又稱強節點），用於實現列車網路的監控、管理、維護和功能排程，一個列車網路內可設多個主節點作為冗餘，但任何時刻只能有一個主節點實施主控。
7。2
動車組監控與診斷網路的組成
高速動車組的控制、監測與診斷系統是車載分散式的計算機網路系統。在每節車輛（動車或拖車）內透過車廂匯流排將分佈在同一車廂內的各計算機控制裝置聯網；透過列車匯流排把分佈在不同車廂中的主控單元（節點）聯網，直至安裝在列車前、後端動車上的列車控制、診斷中心，再透過動車司機操縱檯上的顯示屏，可選擇顯示列車中各受控裝置的工作狀態。從而實現對動車的重聯控制和對全列車的綜合監控作用。
該系統組成在結構上可以分為三個層次：列車級、車輛級和子系統級。由兩個網路即列車網路和車廂網路的各計算機聯結構成為一個樹狀網路系統。系統組成按其作用功能又可分為三部分：首先是一個包括牽引控制、制動控制、車輛部件控制、輔助系統控制和超速防護在內的控制系統，在控制系統的各部分均應作冗餘設計，保證在工作層失效時冗餘層能頂替工作；同時，在上述各控制中具有各種故障診斷、儲存及顯示功能，如通風溫度檢測、轉向架動力學效能檢測、軸溫檢測、火災檢測和制動裝置檢測等均屬於這部分的作用功能；此外，還有傳輸大量資訊的網路通訊功能，不僅是列車內部各種控制命令、裝置狀態、旅客服務資訊和故障資訊等的傳輸，還包括和地面的無線電網路聯絡、與車輛維修基地之間的遠端故障資訊傳輸等。
7。3
動車組監測診斷系統
7。3。1
監測和診斷系統的任務
對高速動車組實施車上監測和診斷的目的是提高其運營安全性和車輛運用率，最佳化執行管理，並便於運用和維修作業。為此，監測和診斷的主要任務是：
（
1
）識別部件磨耗和偶發性故障，並記錄故障資訊。
（
2
）儘量明確顯示故障發生的部位和功能範圍。
（
3
）在故障情況下提示執行方式，包括提出保持功能措施的建議。
（
4
）提示迅速排除故障的維修方式。
（
5
）在必要時提示緊急制動作用。
（
6
）自動化整備作業，包括全自動的制動過程試驗等。
7。3。2
監測、診斷裝置的車載裝置
動車組除在司機室內裝有顯示各種機器動作狀態和故障資訊的顯示裝置以外，還有其他一些具有診斷功能的監測裝置，按其系統結構和作用功能可以分為：
（
1
）機器監測器。為分析故障原因，需要有故障發生時間（地點）和故障發生前後機器狀態的資訊記錄。因此在機器內裝有經常監視機器動作狀態的監測器，平時經常按幾秒鐘的間隔進行記錄儲存，當發生故障時觸發使保護裝置動作，從而可保持故障前後的詳細記錄。其資料取樣時間為數十毫秒，在裝置高速動作時的取樣時間可精確到
250Y，S
甚至
20
。
AS
，以便於分析故障。
（
2
）帶有傳輸功能的監測裝置。機器監測器帶有傳輸系統，能採集資料和故障顯示，並具有表示故障處理順序的指導顯示，還有到站顯示、自動廣播等服務機器接受傳輸地面資訊的例子。為了減少車輛連線線，傳輸系統採用序列傳輸，司機室的顯示裝置經由中央裝置與終端裝置連線。在一個有限範圍也可設有月檢功能與試執行功能。
（
3
）帶有執行控制的監測裝置。本裝置是帶有傳輸功能的監測裝置的進一步發展。由於司機室內主控制器及前後轉換器等均為無接點化，使傳輸系統達到高速化及高可靠性。在作月檢查時除主控制器本身的檢查外，不需要檢查員操作主控制器，從司機室中央裝置自動發出檢查所需的模擬牽引、制動指令，可以有效地進行車內檢查。
7。3。3
車載診斷系統分類
車載診斷系統的結構分為下列三個層次：
（
1
）部件診斷。由各計算機控制裝置對其本身進行自診斷，並對被控物件進行監測診斷，然後按事先確定的編碼將診斷資料輸入控制單元。
（
2
）單節車輛診斷，包括動車和拖車。各車的節點透過車廂匯流排或輸出人口獲取、分類、評估本車的診斷資料，並以斷電儲存的方式儲存這些資料，按事先確定的單車診斷引數編碼，傳輸到動力車主控單元中進行故障列表。
（
3
）列車診斷。由列車安裝在動力車上的主控單元（診斷中心）獲取、分類、評估和儲存列車的診斷結果，並在前導動力車上顯示，同時可將這些資訊儲存在其他動車的主控單元中。
上述各層診斷級均應設有故障自診斷、故障資訊儲存、必要的故障自排除以及將重要故障資訊向上一級傳送的功能。各診斷裝置還應配備有人機介面，以便維修人員從故障部件讀取故障資訊和對故障進行定位分析，並查知本車的診斷結果。列車診斷級的人機介面應包括彩色液晶顯示屏、功能按鍵及蜂鳴警報器。
7。3。4
動車組控制與監測診斷的關係
車輛及列車診斷裝置作為診斷系統的專用裝置，與控制系統不直接相關，但部件診斷這一層一般與控制系統結合在一起，有的是增加外掛（插在控制箱中），有的是在控制系統中增加診斷的功能，診斷與控制共享輸人和輸出資料，不必另外增設感測器。保護性監測不僅是診斷需要，也是控制所必不可少的，診斷主要起故障監測、故障資料的儲存、故障性質的評估以及故障資料的編碼傳送等方面的作用。診斷系統不附屬於控制系統，它不是控制系統的一部分。沒有診斷系統，車輛亦能正常執行。診斷功能與控制功能是不同的，是相對獨立的。但作為一個完善的計算機系統，在力所能及時應增加診斷功能，可使系統性能更完善。
在車載診斷之外，還有地面診斷裝置和控制系統的關係。主要是列車主控單元上應附加有對地面的傳送裝置，以便在列車到達前，將故障隋況及時傳送至地面車輛基地作好地面維修的準備。
7。4
控制系統
7。4。1
車載裝置
從
20
世紀
80
年代以後，日本、法國和德國等園的高速列車上發展新型控制系統的主要特點是將列車基本資訊採集放在車上，不需要軌道電路等地面檢測裝置，在地面和車上之間的資訊傳輸採用無線方式，從而能高速地進行大量的資訊交換。由車載感測器接收地面的無線資訊後，再透過車上的微機處理，根據列車制動效能、線路坡度及限速對制動模式進行計算，以防止超速和冒進。目前，我國高速動車組控制系統也在朝著這個方向發展。
7。4。2
列車控制級
列車控制級主要由動力車上的主控單元（
MCU
）執行以下任務：
（
1
）從動力車上獲取司機操縱檯（包括牽引
/
制動指令）和列車自動防護裝置（
ATP
）對列車控制的要求，並將控制所需的狀態資訊經過處理後送至各車輛的計算機接點，由後者再將狀態的故障資訊反饋給該主控單元；
（
2
）實現列車單元之間的重聯控制；
（
3
）自動牽引
/
電制動控制，即牽引和動力制動級位的控制；
（
4
）傳送列車速度、動力制動級位和
ATP
要求，以便各動車和拖車的制動控制單元對各種制動裝置進行制動力的分配，包括列車超速時的調速制動；
（
5
）在列車停站時按列車執行方向和站臺位置，控制拖車側門的開啟和關閉；
（
6
）收集各車廂中主要裝置的診斷資料，採取相應的故障對策，並在顯示屏上顯示；
（
7
）根據列車防護裝置（
ATP
）的訊號允許速度要求和實際執行速度，對備用制動線輸出控制要求，以便在通訊故障時，司機仍能對列車進行常用制動和緊急制動的控制；
（
8
）與旅客資訊系統介面；
（
9
）對列車匯流排和車廂匯流排的資訊傳輸實施管理。
7。4。3
動力車車廂控制級
動力車車廂總線上的控制資訊主要是牽引和轉向架控制單元、空氣制動單元、空氣裝置與主控制單元之間的交換資訊，其任務如下：
（
1
）牽引控制單元根據來自主控單元的指令及列車實際速度的目標控制值分別對動力車的兩個轉向架進行牽引
/
制動和防空轉
/
滑動控制；
（
2
）空氣制動控制單元根據上一級指令對本動力車的空氣制動裝置分配製動力，並進行防滑保護；
（
3
）對動力車電氣部分的主要引數進行監測和安全聯鎖的保護邏輯運算，並在必要時採取保護措施，以避免事故擴大；
（
4
）網側變流器控制，使網側功率因數接近於
1
，並採取措施防止過分相區時的電流衝擊；
（
5
）司機室空調控制及軸溫檢測；
（
6
）電機側變流器控制；
（
7
）輔助變流器控制；
（
8
）透過列車匯流排傳來的資料和人機介面查知本車各計算機控制裝置的狀態。
7。4。4
拖車車廂控制級
（
1
）拖車車門控制；
（
2
）防滑控制；
（
3
）軸溫檢測：分為預告、報警、故障三個檔次；
（
4
）拖車車廂內壓力和溫度的空調控制；
（
5
）拖車制動控制：根據列車速度和從上一級接收的制動指令計算目標控制值，自動地對本拖車的各種制動裝置分配製動力；
（
6
）列車和拖車車廂供電控制。
此外，拖車子系統應具有過分相區的保護措施，拖車中的各種微機控制裝置可透過車廂匯流排與拖車控制單元通訊，也可以透過輸入
/
輸出口與拖車控制單元交換資訊，透過控制單元的人機介面應能查知本車中各計算機控制裝置的狀態。
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