高速列车是高科技的复杂系统。对高速列车的研发需要采用系统集成的理念开展。本书对高速列车系统集成进行诠释，论述了高速列车系统整个生命周期各阶段所需要开展的研发工作以及如何开展，并提出了整个系统集成过程的研发路线图，内容涉及运输产品的比较、技术标准体系的建立、系统内外部关系的协调、技术性能的分析论证、高速列车系统的构成、项目的验证等，也涉及与高速列车系统有关的数学建模、系统辨识、载荷分析、性能改善、数据处理、故障诊断等多个方面。本书深入浅出，通过大量举例使复杂的理论问题简单明了。
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“轨道交通科技攻关学术著作系列”序
前言
第1章 绪论 1
1.1 高速铁路发展的概况 1
1.1.1 世界高速铁路的发展 1
1.1.2 中国高速铁路的发展 2
1.1.3 中国高速列车的研发历程 8
1.2 高速列车遇到的科学问题 9
1.3 本书内容的几点说明 13
参考文献 16
第2章 高速列车系统的模型化分析方法 18
2.1 系统概述 18
2.1.1 系统的概念 18
2.1.2 系统动力学简介 20
2.1.3 系统的分类 20
2.2 系统模型与分析的基础知识 22
2.2.1 系统数学模型的表达 22
2.2.2 系统的方框图描述 38
2.2.3 频率特性及其与传递函数的关系 48
2.2.4 系统频率特性的求取 57
2.2.5 离散系统的频率特性 59
2.2.6 非线性系统的分析方法 60
2.3 高速列车系统分析方程 69
2.4 系统辨识知识 70
2.4.1 系统辨识的基本概念 71
2.4.2 系统辨识的分类 72
2.4.3 系统辨识的过程 73
2.4.4 系统辨识的方法 75
2.5 系统辨识在车辆系统故障诊断中的应用 76
2.5.1 铁道车辆采用系统辨识的必要性 76
2.5.2 车辆系统故障诊断的任务 77
2.5.3 车辆转向架监测诊断子系统的构成 79
2.5.4 故障诊断的灰箱辨识方法 80
2.5.5 用模态理论辨识车辆参数 82
参考文献 86
第3章 高速列车系统输入 87
3.1 环境 87
3.1.1 海拔 87
3.1.2 气温 89
3.1.3 湿度 93
3.1.4 风 96
3.1.5 粉尘 98
3.1.6 雨和雷 99
3.1.7 雪 102
3.1.8 雾 103
3.1.9 日照 105
3.1.10 污染与腐蚀 106
3.1.11 热负荷 107
3.2 线路 107
3.2.1 线路等级 107
3.2.2 区间平面最小曲线半径 108
3.2.3 列车可通过最小曲线半径 110
3.2.4 曲线超高的设置 111
3.2.5 缓和曲线的设置 115
3.2.6 隧道与线间距 117
3.2.7 坡道与最小纵断面曲线半径 119
3.2.8 道岔 121
3.2.9 桥梁 122
3.2.10 钢轨 123
3.2.11 轨底坡 123
3.2.12 车站 123
3.2.13 线路不平顺 124
3.2.14 典型的线路输入 135
3.3 机械载荷 136
3.3.1 高速列车的载荷工况 136
3.3.2 基本作用载荷 137
3.3.3 车辆基本作用载荷的使用概要 138
3.3.4 车辆所承受的载荷种类 138
3.3.5 与质量有关的几个定义 138
3.3.6 轮重与轴重 143
3.3.7 与重量有关的各种载荷的计算方法 147
3.3.8 垂直载荷 147
3.3.9 横向载荷 153
3.3.10 纵向载荷 157
3.3.11 扭转载荷(斜对称载荷) 161
3.3.12 车体的顶车载荷 162
3.3.13 车顶的作业载荷 162
3.3.14 零部件的固结强度 162
3.3.15 牵引电机的扭矩 163
3.3.16 轮轨纵向摩擦力 163
3.3.17 轮轨黏着力 164
3.3.18 列车运行阻力 167
3.4 气动载荷 169
3.4.1 列车高速运行带来的问题 169
3.4.2 运行阻力 169
3.4.3 列车交会压力波 175
3.4.4 气动升力 177
3.4.5 侧风 178
3.4.6 通风冷却进排气口的微气压 178
3.4.7 车内微气压波 179
3.4.8 砾石冲击载荷和飞弹冲击载荷 179
3.4.9 鸟撞载荷 179
3.5 电力 179
3.5.1 牵引供电系统简介 180
3.5.2 互联互通对牵引供电制式的要求 180
3.5.3 接触网 181
3.5.4 与高速列车有关的供电系统品质的几个问题 183
3.6 运输组织相关问题 183
3.7 输入的动态特性知识 184
参考文献 187
第4章 高速列车系统输出 188
4.1 输出的种类与利用 188
4.2 典型输入信号下的系统输出响应 191
4.2.1 一阶微分方程描述的系统对典型输入信号的响应 192
4.2.2 二阶微分方程描述的系统对典型输入信号的响应 195
4.2.3 状态方程描述的系统对典型输入信号的响应 197
4.2.4 离散系统对典型输入信号的响应 200
4.3 利用高速列车的响应进行安全监测 200
4.3.1 高速列车安全监测的任务 201
4.3.2 安全监测与诊断决策系统构成 203
4.3.3 基本单元硬件架构 206
4.3.4 传感器的选择与布置 207
4.3.5 安全监测系统的可靠性 209
4.3.6 安全监测的基本分析方法介绍 210
4.4 利用高速列车的响应进行故障诊断 215
4.4.1 不利速度区的概念 215
4.4.2 单一频率振动形成的不利速度区 220
4.4.3 两个频率振动叠加形成的不利速度区 224
4.4.4 不利速度区的调整 226
4.4.5 常见的一些不利速度区波形 230
4.5 利用高速列车的响应改善车辆性能 233
4.5.1 控制工程中改善系统性能的方法 233
4.5.2 主动半主动控制技术 239
参考文献 247
第5章 高速列车系统特性 248
5.1 高速列车系统特性的基本要求 248
5.1.1 高速列车的主要技术经济指标 248
5.1.2 高速列车设计原则 249
5.2 环境友好性能 250
5.2.1 噪声特性 250
5.2.2 振动特性 252
5.2.3 大气污染性能 252
5.2.4 废水废物排放 253
5.2.5 线路下沉 254
5.2.6 日照障碍 254
5.2.7 电磁兼容性能 254
5.2.8 防霉防虫要求 256
5.3 防火阻燃性能 256
5.4 重量均衡性能 259
5.4.1 轴重的限制 259
5.4.2 轴重的均衡 260
5.4.3 重量的计算方法 261
5.4.4 关于称重试验 262
5.5 高速走行性能 263
5.5.1 性能要求 263
5.5.2 高速动力学性能 264
5.5.3 直线运动稳定性 264
5.5.4 抗爬轨稳定性 265
5.5.5 抗跳轨稳定性 267
5.5.6 抗倾覆稳定性 268
5.5.7 轮轴最大横向力 269
5.5.8 轮轨最大垂向力 270
5.5.9 轮轴平均横向力 270
5.5.10 运行平稳性 271
5.6 承载性能 273
5.6.1 强度评定内容 273
5.6.2 应力评定 273
5.6.3 变形评定 274
5.6.4 稳定性评定 274
5.6.5 疲劳强度评定 275
5.6.6 应力集中问题 278
5.6.7 刚度的判定 279
5.6.8 自振频率的评定 279
5.6.9 气密强度 279
5.6.10 冲击强度 280
5.7 设备的耐冲击和耐振动性能 280
5.8 牵引性能 281
5.8.1 性能要求 281
5.8.2 定速功能 283
5.8.3 牵引计算 284
5.8.4 网侧性能指标 284
5.9 制动性能 285
5.10 列车的重联性能 293
5.11 气动性能 294
5.12 密封性能 297
5.13 车内环境参数控制性能 302
5.13.1 列车高速走行对车内环境的影响 302
5.13.2 车内环境控制系统的任务及控制目标 302
5.13.3 压力保护 304
5.13.4 通风 305
5.13.5 应急通风 306
5.13.6 温度控制 306
5.13.7 车内噪声 308
5.13.8 照明 309
5.13.9 卫生与排污 310
5.14 车体隔热性能 310
5.14.1 高速列车的隔热 310
5.14.2 车体隔热性能与能量的关系 310
5.14.3 车体隔热的组成 311
5.14.4 车体隔热材料 311
5.14.5 车体隔热性能试验 311
5.15 RAMS性能 312
5.15.1 定义 312
5.15.2 可靠性 315
5.15.3 可用性 316
5.15.4 可维护性 317
5.15.5 安全性 324
参考文献 326
第6章 高速列车与相关系统的关系 327
6.1 高速列车与限界的关系 327
6.1.1 限界的种类与区别 327
6.1.2 我国铁路既有线限界的改变过程 329
6.1.3 我国高速机车车辆限界的发展历程 333
6.1.4 动态包络线的计算 337
6.1.5 与互联互通的关系 341
6.1.6 我国铁路机车车辆限界的改进方向 343
6.2 高速列车与线路相关问题 344
6.2.1 轴重对线路的影响 344
6.2.2 线间距 349
6.2.3 坡道 349
6.2.4 曲线半径 350
6.2.5 缓和曲线 350
6.2.6 隧道 351
6.2.7 道岔 351
6.2.8 线路不平顺管理 351
6.2.9 钢轨 352
6.2.10 桥梁 352
6.2.11 站台 353
6.2.12 高速列车横向载荷与欠超高的关系 354
6.2.13 关于选线的几个问题 354
6.3 高速列车与互联互通相关的问题 355
6.3.1 高速铁路与既有线的互通问题 355
6.3.2 高速动车组之间的互联问题 358
6.3.3 高速列车与救援机车的互联问题 363
6.3.4 与通信信号的相关问题 364
6.4 高速列车与运营相关的问题 365
6.4.1 与各种交通运输工具的衔接 365
6.4.2 多种经营模式探究 365
6.4.3 运营与高速列车的关系 365
6.4.4 整备作业 367
6.4.5 客运与货运 369
6.5 高速列车与电气化线路的供电关系 370
6.5.1 供电网网压波动范围 370
6.5.2 电源三相电压的不平衡现象 371
6.5.3 功率因数 371
6.5.4 谐波 372
6.5.5 关于过分相区 373
6.5.6 接触网 376
6.6 高速列车与通信信号相关的问题 378
6.6.1 关于闭塞分区的长度 378
6.6.2 目标距离一次连续速度控制的模式曲线 379
6.6.3 轨道电路 382
6.6.4 信息共享 384
6.7 高速列车的修制及修程问题 385
6.7.1 检修周期与检修内容 385
6.7.2 高速列车状态管理系统 386
6.7.3 远程诊断中心 387
6.8 车辆基地 388
6.8.1 基本情况 388
6.8.2 车辆基地的职责 389
6.8.3 运用检修基地的类别与设置 390
6.8.4 高速动车段(所)总体布局 391
6.8.5 车库 392
6.8.6 信息中心 395
参考文献 396
第7章 高速列车系统集成流程 397
7.1 需求调研与项目规划 397
7.1.1 第一阶段的任务 397
7.1.2 车辆工作者的任务 398
7.2 系统概念与运用条件 408
7.2.1 第二阶段的任务 408
7.2.2 高速列车的形式选择 408
7.2.3 高速列车速度目标值的确定 417
7.2.4 与铁路其他子系统的接口问题 419
7.2.5 高速列车总体技术参数的确定 420
7.2.6 维修原则与基地设置 421
7.3 系统要求与方案设计 424
7.3.1 第三阶段的任务 424
7.3.2 确定运营环境和高速列车的输入 424
7.3.3 制定主要技术标准 424
7.3.4 高速列车的性能功能与验收 427
7.3.5 高速列车及其车辆主要尺寸的确定 429
7.3.6 车种与定员 431
7.3.7 高速列车的编组组成 434
7.3.8 高速动车组的牵引外特性 436
7.3.9 高速动车组的制动特性 438
7.3.10 高速列车技术方案的确定 439
7.4 系统要求分配 439
7.4.1 第四阶段的任务 439
7.4.2 确定高速动车组的各子系统 440
7.4.3 高速动车组特性指标的分配 441
7.4.4 车体结构与内部布置 444
7.4.5 司机室 450
7.4.6 转向架 452
7.4.7 旅客信息系统 454
7.4.8 牵引系统 454
7.4.9 制动系统 458
7.4.10 供风系统 463
7.4.11 动车组供电系统 463
7.4.12 辅助冷却系统 465
7.4.13 动车组的控制-监测-诊断系统 465
7.4.14 安全监测系统 471
7.4.15 车端连接组成 473
7.4.16 车内环境控制系统 475
7.4.17 供排水、排污与卫生系统 476
7.4.18 列控系统车载设备 479
7.4.19 通信车载设备 479
7.4.20 编制技术规格书、提出高速列车集成方案 479
7.5 细节设计与施工设计 479
7.5.1 第五阶段的任务 479
7.5.2 虚拟样机技术 480
7.5.3 重量平衡 481
7.5.4 参数灵敏度分析 482
7.5.5 整体刚度调配优化 485
7.5.6 列车动力学问题 487
7.5.7 本阶段必须实施的计算内容 489
7.6 采购与生产制造 490
7.6.1 第六阶段的任务 490
7.6.2 制造工艺要适应市场需求的变化 491
7.6.3 制造工艺要适应产品升级换代的需要 491
7.6.4 形成高速列车的零部件的例行试验验证能力 492
7.6.5 供应商管理 492
7.6.6 零部件、车辆及相应子系统的型式试验 492
7.7 总成与调试 495
7.8 试验验证与系统确认 496
7.8.1 第八阶段的任务 496
7.8.2 型式试验 496
7.8.3 试验数据采集与处理系统 501
7.8.4 开展试验验证手段研究 504
7.8.5 高速动车组的运用考核 508
7.9 安全评估与系统验收 509
7.9.1 第九阶段的任务 509
7.9.2 安全评估 509
7.9.3 投入运营前的试运行 510
7.10 运营维护与性能监控 517
7.10.1 第十阶段的任务 517
7.10.2 动车组维修对制造商技术支持的要求 518
7.10.3 开通前的各项准备工作 518
7.10.4 动车组的性能监控 518
7.11 改进与更新 520
7.11.1 第十一阶段的任务 520
7.11.2 改进与更新的反馈 520
7.11.3 高速动车组改进与更新的主要概况 521
7.12 停用与处置 522
7.13 集成流程汇总 523
参考文献 525
第8章 高速列车的主要子系统 527
8.1 车体结构与内部设施 527
8.1.1 车体的作用、设计理念和类型 527
8.1.2 车体承载结构 528
8.1.3 车体内部设施 533
8.1.4 尚待落实的几项优化措施 536
8.2 转向架 536
8.2.1 转向架的作用、基本要求和技术关键点 536
8.2.2 客车转向架的分类 539
8.2.3 客车转向架的发展历程 541
8.2.4 构架 542
8.2.5 轮对 542
8.2.6 一系悬挂 545
8.2.7 二系悬挂 548
8.2.8 机械传动装置 551
8.2.9 附属装置 552
8.2.10 七步设计法 553
8.2.11 尚待落实的几项优化措施 554
8.3 牵引电传动系统 554
8.3.1 牵引系统技术发展历程 554
8.3.2 交直交电传动系统的基本功能 556
8.3.3 牵引电传动系统方案比选 557
8.3.4 列车牵引系统的主要零部件 558
8.3.5 尚待落实的几项优化措施 561
8.4 制动系统 562
8.4.1 制动种类 562
8.4.2 制动系统的设计 564
8.4.3 空气制动系统的主要零部件 565
8.4.4 尚待落实的几项优化措施 566
8.5 辅助供电系统 567
8.5.1 辅助供电系统用电设备 567
8.5.2 辅助供电制式的状况 567
8.5.3 列车供电系统 568
8.5.4 尚待落实的几项优化措施 569
8.6 控制-监测-诊断系统 570
8.6.1 发展历程 570
8.6.2 控制策略与执行 571
8.6.3 尚待落实的几项优化措施 573
8.7 车钩缓冲装置与风挡 574
8.7.1 端部车钩缓冲装置 574
8.7.2 中间车钩缓冲装置 574
8.7.3 前端开闭机构 575
8.7.4 内风挡 575
8.7.5 尚待落实的几项优化措施 575
8.8 车内环境控制系统 575
8.8.1 压力保护装置 575
8.8.2 真空集便器 578
8.8.3 尚待落实的几项优化措施 581
京公网安备 11010102004214号