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第18章 铁路交通篇(5)

意大利菲亚特公司在研制摆式列车技术上一直领先,产品行销世界各地。其最新设计的摆动结构是用电子操纵,横向悬挂,液压传动,安装在自动导向转向架上。它的轮轴与转向架有几个连杆,在曲线运行时,按照曲线半径大小倾斜主体。车上的中心微机和加速度计、陀螺仪、分相器、转速发电机以各种继电器连接,使列车在曲线区段运行时,车体自动倾斜。这种设计目前在国际摆式列车市场上占主导地位。

瑞典研制的摆式列车在技术上非常先进,是摆式列车的杰出代表。由于有效地克服了侧向力影响,客运量成倍增长。这种列车成功的运营引起轰动,并充分显示了其摆式列车的优越性。

重力列车

20世纪末,人们所面临的是一片工业经济所造成的危机:生态危机、能源危机、人口爆炸接踵而来。其中一个重要的方面,能源危机直接威胁21世纪人类的生存。

在这种情况下,人们不得不对铁路交通这种高能耗、高浪费的能源利用方式提出质疑和反思。各国科学家也提出了多种替代能源的方案,其中引入地球重力作为一种清洁能源的构想,被认为是一种极富创见和极有前途的方案。伴随着这种能源利用途径的试验成功,未来将会出现以动力为主要能源的无污染列车。

古希腊科学家亚里士多德认识到重力的客观存在,却得出了“物体的落下速度和重量成正比”的错误结论。意大利物理学家伽利略通过系统的观察和试验建立了落体定律,否定了亚里士多德的错误结论。前人的研究使英国物理学家牛顿大开眼界,他发现宇宙中一切有质量的物体之间都存在相互引力,并提出了万有引力定律,从而揭开了重力之谜。

重力客观存在使人类能安全地生活在地球之上。人们还利用水流的落差进行水力发电;下坡时骑车人利用惯性滑行,汽车司机则可不踩油门,以达省力和省油之功效……诸如此类的应用,往往看成是对水力和惯性的利用,说明人类还没有把重力单独看成一种能源加以主动利用。因此在科技大发展的今天,重新认识重力资源的作用是十分必要的。

在当代电子计算机技术、自动控制技术和各种新兴动力系统技术全面发展的条件下,如果人们对地球“重力能量”加以引导、控制,以“重力能量”为主,与其他新兴清洁和现代化动力技术有效结合起来实现综合利用,也许能让地球重力为世人提供用之不尽的清洁能源。

了解中国地理的人都知道,我国多山、多丘陵,而且从客观上看是西部高东部低。按高度的明显变化,自西向东可以分成三级阶梯:青藏高原平均海拔4000米以上,是最高的一级;青藏高原以北、以东,下降到海拔2000~1000米以下,浩瀚高原与巨大盆地相间分布,构成第二级阶梯;大兴安岭、太行山、巫山及云贵高原东缘一线以东,平原和丘陵交错分布,一般海拔500米以下,这是第三级阶梯。我国的这种地形分布为将来开行“重力列车”提供了条件。

开行重力列车的基本条件是必须具有下坡路轨和上坡路轨。这也是和既有铁路的显著区别之一。现有的铁路尽量限制坡度,而重力列车的钢轨必须铺设在有较大坡度的路基上。这就是说,重力列车不是在通常轨道上行驶,也不是利用通常的“动力资源”,而是利用重力作为列车前进的动力。

简单点说,列车靠下坡轨面起动、加速、储能,靠上坡轨面减速、停车。

生活常识告诉我们,当坡度越大、斜面越长时,重力加速度可使滚动或滑动的物体速度越来越快。不论是载人或是载货的列车,对列车下坡时的速度必须实施有效的控制。控制列车下坡速度的方法一般有机械刹车、电阻制动、再发生电制动等。尤其是再发生电制动方式给未来的重力列车以启迪。既然电力机车在下坡需要减速时可以将牵引列车运行的电动机变为发电机使用,将动能变为电能返送电网,那么重力列车同样可以将重力能量在减速时转变成其他形式的能量储存起来,以备需要时使用。用限速发电机等“能量转换”设施作为列车“限速负载”,使向下滑行时迅猛增加的列车速度得到控制,通过“限速负载”将被控制的“重力能量”转换为“可控能量”并存储起来,用作列车上坡或加速时的“动力能源”之一。

这里控制下坡时的运行速度是关键。如何保证适当的安全运行速度,同时将剩余的重力能源转变为可储存的其他形式能源。现代计算机技术和现代动力技术为解决此关键开了绿灯。计算机可根据速度、曲线半径等基本条件实时计算出列车速度的最佳值,与现行速度相比较,以此决定加速或减速。

对于重力列车来说,下坡容易上坡难。下坡时依靠重力加速度,上坡时最初一段时间可依靠惯性“闯坡”。可是这种由重力加速度转变而成的动能毕竟有限,列车继续运行还必须有重力能源之外的能源驱动列车。

下坡时为控制列车速度利用多余的重力带动限速发电机,将重力能转换为电能。也可利用风速与车速的速度差,带动风力发电机发电。下坡时还可利用航空技术带动限速负载风洞发电机发电。如果列车车身上安置太阳能电池,在列车某些部位设温差发电装置,还可以将太阳能等其他形式的能量转化为电能。

上述电能用高效蓄电池储存起来,作为上坡时的驱动电源之一。

列车下坡时带动限速负载的空气压缩机并储存压缩空气。还可带动设置在车体上的高速运转的惯性飞轮,并由此飞轮存储可控惯性动能。这种可控动能还可进行二次转换,变成易控的电能。

当列车本身以重力能源为主所有可供上坡的“自产”驱动能源仍不能满足需要时,还可利用地面站向列车输送清洁能源。这种输送可以在停站时预先输送,也可在列车运行中进行。既然地面可向卫星、导弹、飞船、航天飞机发射激光束将其摧毁,那么就有可能用激光束向列车接受装置传输能量,以求驱动列车爬上山坡。

为了减少上坡时轮轨之间的摩擦力以节约驱动能源,必要时可利用“气垫”、“磁浮”等新兴动力技术。

重力列车是一种集现代化高科技于一身的未来新型列车,电子计算机的全面使用,则是重力列车构想中不可缺少的重要环节。

例如对列车安全系统的总体控制,列车上下坡速度控制及随机制动,多种限速负载的启动、增减,能量转换和存储等自动选择及协调控制,可控能量使用、转换、负载调整,上下坡及过曲线时车体保持稳定、平衡的最佳行车状态,列车自动驾驶系统及新兴动力系统的控制,通信及自动信号系统等都离不开计算机。

重力能源列车所用能源清洁,运行中无污染,低噪音,与现行列车相比具有明显优势。当人们对重力能源有效控制并与其他新兴动力系统结合使用后,“重力列车”将具有广泛的应用前景。

高速列车采用的各种高新技术

当人们看到具有流线型华丽外表的高速列车,以300千米的时速从身边呼啸而过时,都会感到惊叹不已。人们不禁会问,高速列车何以能有如此高的速度呢?

高速列车跑得快,必须具备以下条件:要有大功率的牵引动力拉着列车跑;要求车辆又轻又稳;由于列车阻力与速度平方成正比,所以必须采用流线型车体以减少阻力等一系列措施,才能实现列车高速运行;列车跑得快,还要能及时停下来,因此高速列车不像普通列车那样依靠闸瓦与车轮摩擦力来制动,而要采用先进的综合制动手段;高速列车在线路上高速行驶,必须确保运行安全,这就要有一套确保安全的运行指挥系统,同时高速铁路的轨道、桥梁的结构与技术条件必须满足高速列车高速行驶的要求;高速列车向旅客提供高档次的旅行服务,所以需要具备相应的服务设施等等,高速列车又是怎样满足这些要求的呢?

原因是高速列车采用了各种最新的高新技术成果。它集机械、电子、控制、通讯、空气动力学、环境保护等一系列学科的精华,综合利用了电子计算机、信息技术、新材料、电力电子元件等多种新产品,使之成为世界上仅次于飞机的高速交通工具。下面就让我们来看看高速列车究竟采用了哪些高新技术。

(1)牵引动力装置的重大突破。

高速列车要达到高速运行,必须具有大功率的牵引系统。目前普通旅客列车所需牵引功率大约为2000~3000千瓦。如果列车行车时速要达到300千米以上,牵引功率大约在10000千瓦左右。这样大的高速列车功率,通常只有用电力牵引才能获得。随着近代大功率电力电子半导体元件及电子计算机控制技术的发展,出现了大功率交—直—交变流技术。

高速列车所需要的牵引调速性能,不像汽车那样采用简单的机械变速传动方式,而是采用“电传动”方式,即机车从电网获得电能(或将机车发动机的机械能转变成电能),然后通过变流器调节该电能的电压、频率等实现电动机调速,带动列车轮旋转使列车前进。

电传动系统一般分为“交—直”和“交—直—交”等类型。“交—直”电传动是将机车从供给电能的接触网经受电弓获得的交流电,再经整流器将其变成电压可调的直流电,供给直流电机牵引列车,通过改变电压实现变速。但由于直流牵引电动机结构复杂,电刷易磨耗,维修量大,单位重量比功率小等原因,不适合高速列车。而“交—直—交”电传动是将获得的单相交流电,经变流器变成直流电,再经逆变器将直流电变成电压和频率都可调的三相交流电,供给三相交流电动机,驱动列车。当今高速列车都采用“交—直—交”电传动方式,它具有可实现大功率、交流电机重量轻、少维修、利于轮轨粘着、易实现再生制动等优点,这些都是高速列车希望获得的性能。如再生制动能将高速列车巨大的动能通过电动机转变为发电机工况运行,使列车动能被利用,重新转化为电能,反馈回电网,具有较好的经济性。尤其是当前“交—直—交”变流及逆变器元件的迅速发展,十几年来从可控硅晶闸管发展到大电流门极可关断晶闸管,进而采用高压绝缘双极晶体管及智能功率模块等,使逆变器性能及机车控制等得到进一步改善。

(2)动力性能优良的高速转向架。

高速列车走行性能是极为重要的。它要求列车即使在有一定不平顺的线路上运行时,列车本身的振动和线路激扰的振动都要被衰减在一定水平以下。要达到这一要求,必须有性能优良的转向架。为此,必须对转向架各悬挂参数进行优化设计。

设计师们利用计算机仿真技术在计算机上对列车的运动进行模拟分析,通过改变转向架的悬挂参数得到不同的结果,从而可以选取最佳的参数,并对其进行合理匹配,再在试验台上进行滚动试验和在线路上进行运行试验,以进一步验证。为了使列车能高速平稳运行,对转向架的制造和组装精度要求非常严格。国外高速列车要求同一轮对左右滚动圆直径之差小于0.2毫米,这远比一般列车高很多,所以必须要具有高水平的制造技术。目前一些技术比较先进的国家,已经能够制造出在时速300千米以上仍具有良好走行性能的高速转向架。

(3)采用新材料使列车轻量化。

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