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蚈高速铁路技术及传感器应用荿一、高铁的定义莅对于“高速铁路”一词，现时世界上并没有统一的定义，所以不同的组织或国家均对“高速铁路”有各异的标准。但近年各地的标准均趋于接近，现时世界上最为受广泛接受的“高速铁路”定义为：最高（日常/商业）的营运速度达到200公里/小时的铁路。蒃二、世界高速铁路发展概况聿1、高速铁路的兴起袇1964年，日本新干线开通运营，开启了世界铁路发展的新时代。1981年，法国高速铁路后来居上，将高速铁路的发展推上一个新台阶，同时带动了欧洲高速铁路的发展，意大利、德国、西班牙等国先后投入建设高速铁路的行列。膄2、中国高速铁路薃2008年中国大陆拥有了第一条时速350公里的高速铁路-京津城际铁路。2009年中国拥有了世界上一次建成里程最长、运营速度最高的高速铁路-武广客运专线。蒀3、高速铁路的发展蕿法国在发展高速列车方面一直居世界领先地位，曾在1990年创造了每小时515.3公里的世界最高时速纪录。膇2007年4月3日，在刚刚竣工的巴黎－斯特拉斯堡东线铁路进行了ＴＧＶ试验，列车时速达到574.8公里。蚂4、日本高速铁路袁面对法、德等发达国家的激烈竞争，日本声言:21世纪是新干线时代。日本要使新干线总长从目前的2000公里增加到7000公里，届时在日本全国将形成以东京为中心的全国一日交通圈(即当日到达东京以外的任一大城市)。肇日本高速铁路技术特点：羆（1）线路中桥、隧比重不断增加，线路标准不断提高螂（2）建立试验段，通过试验研究解决技术关键节（3）高速列车采用动力分散型，不断降低轴重，全面提高列车性能蝿（4）列车运行密度高、定员多、旅客输送量大蚅（5）安全性能好、无旅客死亡事故螂（6）增加服务设施、提高服务质量、方便旅客换乘葿5、法国高速铁路膇驰名世界的高速铁路是法国技术的骄傲，但在经济上却使国家背上了沉重的包袱，目前法国高速铁路只有1282公里，法国计划在21世纪的头10年内，把东南线延伸至马赛，还要修建通向意大利和西班牙的南部欧洲线以及巴黎至德国斯特拉斯堡的东部欧洲线。蒄高速铁路是个典型的法国传奇—技术上的成功与财政方面的灾难密不可分。袂法国高速铁路技术特点：袀（1）动车组采用动力集中方式及铰接式车厢衿（2）多电流制供电与简单链型悬挂接触网，能使用一般线路的1500V3000V直流供电，也能使用高速线25KV交流供电。蒇（3）采用符合ETCS标准的TVM列车控制系统羂（4）注重系统的安全性与可靠性。芁（5）高标准、高质量的线路。莆6、德国高速铁路芅德国的高速铁路技术储备不亚于法国，1988年他们电力牵引的行车试验速度突破每小时400公里大关，达到406.9公里。但是德国的实用性高速铁路直到20世纪90年代初才开始修建。目前已建成总长约2620公里的高速运输走廊。肂德国高速铁路技术特点：蚁（1）客货混跑对高速铁路线路的要求更高肈（2）三相交流传动技术肄（3）计算机控制的机车牵引与列车制动技术膂（4）轻型车体构造肂（5）列车自诊断技术薆（6）统一调度指挥肇（7）无渣轨道技术节三、中国高铁的关键技术及传感器应用腿1、转向架芈转向架是支承车体并沿着轨道走行的装置。转向架是车辆最重要的组成部件之一，它的结构是否合理直接影响车辆的运行品质、动力性能和行车安全。袆转向架中的传感器莁速度传感器薀(1)光电式车速传感器--由带孔的转盘两个光导体纤维，一个发光二极管，一个作为光传感器的光电三极管组成。发光二极管透过转盘上的孔照到光电二极管上实现光的传递与接收。羀(2)磁电式车速传感器--模拟交流信号发生器，产生交变电流信号，通常由带两个接线柱的磁芯及线圈组成。磁组轮上的逐个齿轮将产生一一对应的系列脉冲，其形状是一样的。输出信号的振幅与磁组轮的转速成正比(车速)，信号的频率大小表现于磁组轮的转速大小。蚅(3)霍尔式车速传感器--它们主要应用在曲轴转角和凸轮轴位置上，用于开关点火和燃油喷射电路触发，它还应用在其它需要控制转动部件的位置和速度控制电脑电路中。由一个几乎完全闭合的包含永久磁铁和磁极部分的磁路组成，一个软磁铁叶片转子穿过磁铁和磁极间的气隙，在叶片转子上的窗口允许磁场不受影响的穿过并到达霍尔效应传感器，而没有窗口的部分则中断磁场。莁红外轴温探测传感器羁列车在运行中，车轴与轴承相互摩擦产生热能。当车轴与轴承间出现故障时，摩擦力增大，产生的热能就随之增加,轴箱的温度也随之升高。因此,测定轴箱的温度变化，可以确定轴箱的工作状态是否正常。铁路行车早期，采用手摸轴箱的办法来判断温度的变化情况，并以手的感觉来确定车辆与轴承间的工作状态。采用这种方法，检测人员劳动强度大，效率低，而且人的手感有差异，没有标准。蒈红外线轴温探测设备由探头、轴温信息处理装置、传输线路、信号报警装置等部分组成。探头由光敏器件和光电转换器件组成。莄轨道清障器蒁CHR1动车组两个端部转向架上各装有一个轨道清障器，用来防止轨道有异物导致出现脱轨现象。莂2、弓网系统膀电弓是电力牵引机车从接触网取得电能的电气设备，安装在机受车或动车车顶上。受电弓与接触电网直接接触，为电力机车提供电力。（包括高压牵引电机电力以及车厢照明等低压电力）受电弓可分单臂弓和双臂弓两种，菱形受电弓，也称钻石受电弓，以前非常普遍，后由于维护成本较高以及容易在故障时拉断接触网而逐渐被淘汰，近年来多采用单臂弓。蒇弓网电弧薁弓网电弧是指由于接触导线的不平顺、接触网的振动、受电弓弓头的振动、轨道的不平顺等多种因素的影响，受电弓与接触导线在相对高速滑动中分离而产生的气体放电现象。弓网电弧的危害有：侵蚀和磨损接触导线和受电弓滑板；产生过电压；产生高频噪声；使电力机车的供电质量下降等。蕿针对以上问题，人们提出许多应对方案，如最初的人工观察记录的方法，到后来的检测车，再到现在的视频监测等。而随着光开关，即光电传感器技术的快速发展，这一技术也被用到了弓网离线电弧的检测方面。由于受电弓离线时，受电弓上的电流为零，所以可通过检测此时受电弓的电流状态来测定离线。而这一检测可通过光电传感器来完成。薇激光位移传感器膆激光位移传感器对接触线（车顶）位置和高度的准确测量对接触网的监控和安装非常重要。恰当的无接触的接触线测量系统已经为韩国高速铁路公司（KHRC）和英国OLE联盟所采用。激光三角扫描仪在运行中在线测量接触线的高度和侧面位置，另外5个激光传感器安装于车箱上，用于测量车箱的倾斜度、侧面位移和轨道间距，所有的这些数据都可以图形显示，这套测量系统几乎可在任何环境下操作（下雨、高温或结霜天气）。蚁3、制动系统羀闸瓦制动，又称踏面制动，是自有铁路以来使用最广泛的一种制动方式。它用铸铁或其他材料制成的瓦状制动块（闸瓦）紧压滚动着的车轮踏面，通过闸瓦与车轮踏面的机械摩擦将列车的动能转变为热能，消散于大气，并产生制动力。其他制动方式除闸瓦制动外，铁路机车车辆还有一些其他制动方式。荿（一）盘形制动盘形制动（摩擦式圆盘制动）是在车轴上或在车轮辐板侧面装上制动盘，一般为铸铁圆盘，用制动夹钳使合成材料制成的两个闸片紧压制动盘侧面，通过摩擦产生制动力，把列车动能转变成热能，消散于大气。与闸瓦制动相比，盘形制动有下列主要优点：（1）可以大大减轻车轮踏面的热负荷和机械磨耗。（2）可按制动要求选择最佳“摩擦副”（采用闸瓦制动时，作为“摩擦副”一方的车轮的构造和材质不能根据制动的要求来选择），盘形制动的制动盘可以设计成带散热筋的，旋转时它具有半强迫通风的作用，以改善散热性能，为采用摩擦性能较好的合成材料闸片创造了有利的条件，适宜于高速列车。（3）制动平稳，几乎没有噪声。但是，盘形制动也有它不足之处：（1）车轮踏面没有闸瓦的磨刮，轮轨粘着将恶化，所以，还要考虑加装踏面清扫器（或称清扫闸瓦），或采用以盘形为主、盘形加闸瓦的混合制动方式，否则，即使有防滑器，制动距离也比闸瓦制动要长。（2）制动盘使簧下重量及其引起的冲击振动增大，运行中还要消耗牵引功率。盘形制动的制动力羄（二）磁轨制动磁轨制动（摩擦式轨道电磁制动）是在转向架的两个侧架下面，在同侧的两个车轮之间，各安置一个制动用的电磁铁（或称电磁靴），制动时将它放下并利用电磁吸力紧压钢轨，通过电磁铁上的磨耗板与钢轨之间的滑动摩擦产生制动力，并把列车动能变为热能，消散于大气。参看图4—1－5。磁轨制动的制动力式中K——每个电磁铁的电磁吸力；φ一一电磁铁与钢轨间的滑动摩擦系数。与闸瓦和盘形制动相比，磁轨制动的优点是，它的制动力不是通过轮轨粘着产生的，自然也不受该粘着的限制。高速列车加上它，就可以在粘着力以外再获得一份制动力，使制动距离不致于太长。磁轨制动的不足之处是，它是靠滑动摩擦来产生制动力的，电磁铁要磨耗，钢轨的磨耗也要增大，而且，滑动摩擦力无论如何也没有粘着力大。所以，磁轨制动只能作为紧急制动时的一种辅助的制动方式，用于粘着力不能满足紧急制动距离要求的高速列车上，在施行紧急制动时与闸瓦（或盘形）制动一起发挥作用。肅（三）轨道涡流制动轨道涡流制动又称线性涡流制动或涡流式轨道电磁制动。它与上述磁轨制动（摩擦式轨道电磁制动）很相似，也是把电磁铁悬挂在转向架侧架下面同侧的两个车轮之间。不同的是，轨道涡流制动的电磁铁在制动时只放下到离轨面几毫米处而不与钢轨接触。它是利用电磁铁和钢轨的相对运动使钢轨感应出涡流，产生电磁吸力作为制动力，并把列车动能变为热能消散于大气。轨道涡流制动既不通过轮轨粘着（不受其限制），也没有磨耗问题。但是，它消耗电能太多，约为磁轨制动的10倍，电磁铁发热也很厉害，所以，它也只是作为高速列车紧急制动时的一种辅助制动方式。莀（四）旋转涡流制动旋转涡流制动（涡流式圆盘制动）是在牵引电动机轴上装金属盘，制动时金属盘在电磁铁形成的磁场中旋转，盘的表面被感应出涡流，产生电磁吸力，并发热消散于大气，从而产生制动作用。与盘形制动（摩擦式圆盘制动）相比，旋转涡流制动（涡流式圆盘制动）的圆盘虽然没有装在轮对上，但同样要通过轮轨粘着才能产生制动力，也要受粘着限制。而且，与轨道涡流制动相似，旋转涡流制动消耗的电能也太多。螇（五）电阻制动电阻制动广泛用于电力机车、电动车组和电传动内燃机车。它是在制动时将原来驱动轮对的自励的牵引电动机改变为他励发电机，由轮对带动它发电，并将电流通往专门设置的电阻器，采用强迫通风，使电阻发生的热量消散于大气，从而产生制动作用。羇（六）再生制动与电阻制动相似，再生制动也是将牵引电动机变为发电机。不同的是，它将电能反馈回电网，使本来由电能或位能变成的列车动能获得再生，而不是变成热能消散掉。显然，再生制动比电阻制动在经济上合算，但是技术上比较复杂，而且它只能用于由电网供电的电力机车和电动车组，反馈回电网的电能要马上由正在牵引运行的电力机车或电动车组接收和利用。上述各种制动方式中，除磁轨制动和轨道涡流制动外，都要通过轮轨粘着来产生制动力并受粘着限制，所以习惯上统称为“粘着制动”，并把不通过粘着者统称为“非粘（着）制动”。制动机种类按制动原动力和操纵控制方法的不同，机车车辆制动机可分类为：手制动机、空气制动机、真空制动机、电空制动机和电（磁）制动机。肅动车组采用复合制动方式，即动车使用电制动＋空气制动、拖车使用空气制动的复合制动方式。M车、T车的基础制动装置都是采用进行空油变换的增压缸和油压盘式装置。4M4T的编组构成下，T车为全机械制动。再生制动与空气制动的切换，通过电－空协调。控制，由制动控制装置判断制动力，当再生制动力不足时由空气制动补充。螁4、列车控制系统葿列车运行控制系统是对列车速度进行自动控制的各种装置的统称,主要由列车自动防护系统(ATP)和列车自动运行系统(ATO)组成。螆列车定位系统的基本功能:能够在任何时刻、任何地方按要求确定列车的位置,包括列车行车安全的相关间隔、速度;对轨旁设备和车载设备等资源进行分配和故障诊断;在局部出现故障时,能够在满足一定精度要求的前提下,降级运行。膅高速铁路已在发达国家取得了很大发展,所采用的列车定位技术是多种多样的。如法国AS2TREE系统采用多普勒雷达进行测速定位;北美ARES、PTC、PTS系统采用GPS(全球定位系统)进行定位;欧洲E