浅谈高铁的运行原理和制造工艺

浅谈高铁的运行原理和制造工艺

孙菁睿刘超

（中国中车唐车公司，063000）

摘要：如今，高铁在人们出行中非常重要，“千里江陵一日还”已经变成现实，高铁改变的不仅是“中国速度”，更为区域与城市生长带来新模式。中国高铁凭借惊人的发展速度以及过硬的实力，给百姓带来巨大便利，同时赢得了国际社会的高度认可。

关键词：高铁发展；原理；制造工艺

高速铁路，简称高铁，作为日常生活的习惯用语，泛指能供列车以250km/h以上最高速度行驶的铁路系统；作为专业术语，全称高速铁路系统、简称高铁级，是一种铁路等级类型。中国铁路在速度方面上分了高速铁路、快速铁路、普速铁路三级。高速铁路不等于高速列车，高速铁路是铁路系统，高速列车是车型。而人们概念中的“高铁”，其实是高速铁路和高速列车的综合体，二者缺了谁，都无法实现高速运行。

一、高铁的运行原理

（一）高速铁路的轨道原理

高速铁路绝大部分都是无缝钢轨，热胀冷缩问题就不能通过缝隙来解决。解决热胀冷缩有两种方法：一种是长轨节自身承受全部温度应力，这种方法适用于年温差不大的地区。另一种方法，即长轨节自身不承受温度应力，而以自动放散应力或定期放散应力的方法，使长轨节随温度升降而自由收缩，这种方法适用于年温差较大的地区。将生产出来的短钢轨加热至1000度以上，焊接在一起成500米长的轨道，在合适的季节，在铺设现场再次焊接成几十公里长或者100多公里长的铁路。这样消除了钢轨上数不尽的接口，车轮平稳滚动，列车得以平稳高速前进。

高速铁路采用无砟轨道，无砟轨道采用自身稳定性较好的混凝土或沥青道床代替有砟道床来传递行车时的动、静荷载，而行车时需要的弹性变形主要由设置在钢轨或扣件下精确定义的单元材料提供，保证了平顺性。无砟轨道线路的长期稳定性较好，特别是在高速行车条件下，属于一种正常情况下很少需要维修的上部结构形式。

（二）高速列车的工作原理

第一方面的原因，是高速铁路的路轨较普速铁路做出了改进，使列车行驶平稳，能够高速、全速行驶。另一方面，就是高铁的列车也做出了改进。

1、牵引原理

传统列车靠的是火车头提供牵引力。而高速列车是使用动车组，几乎每节车厢的所有车轮一同运转，牵引力量强大，变速灵活。我国的高速列车均是动力分散式电力动车组，动车组有牵引电机的不只火车头，几乎每个车厢都有电动机。这部分动车厢顶部装有受电弓，受电弓从接触网受流获得高压交流电能，经过安装在车底架上的主变压器降压，降压后的交流电经过网侧变流器转换直流电，该直流电再经牵引逆变器转换可变频可变压的三相交流电送给牵引电机，将电能转换成牵引列车的机械能。并且电机便于统一控制调度，变速灵活，机动性和稳定性均达到较高水平。

2、刹车制动原理

电力动车组用计算机控制制动。设置了“速度——粘着模式”随速度改变制动力，制动时确保在设计距离内停车。基础制动装置采用进行空、电变换的增压气缸和油压盘式装置。动车组采用复合制动方式，即动车使用电制动（再生制动）+空气制动，拖车使用空气制动。由制动控制装置判断制动力大小，动车电制动优先，低速区域的电制动停止工作时或电制动故障时，不足的部分由空气制动补充。为了减少制动盘及闸瓦磨损，使用延迟控制：最先再生制动，然后拖车空气制动，最后动车空气制动。

二、高铁的制造工艺

高铁列车在制造中由四大部分组装而成：车体、转向架、车上车下大部件、车内设施。

（一）车体铝合金骨骼工艺

车体就是列车的框架，是高铁列车整车制造的核心之一。所有的部件都固定或悬挂在车体上。而且出现安全事故时，它的强度关系到是否能最大强度的保护旅客的生命安全。车体制造的过程是：先将铝合金原材料按尺寸采用激光、水切割等工艺切割下料，之后加工焊接成不同部件，这些部件被组合，最终组焊成一个车体。

1.材料工艺

铝合金是生产高铁的最好的材料之一，铝的重量只有钢的三分之一左右，但铝的强度较低，所以目前大部分铝合金车体普遍采用的是“大截面中空挤压型材构成的筒形结构”，就是中间是空的，但两个面之间夹支撑的筋板，实现了提升强度而降低重量。

高速列车在高速下会车和出入隧道时，会生出巨大的空气压力波，这主要由车体来承受，这时，车体必须确保安全性和气密性。中国高铁目前的气密性指标设定为车内压力波动小于200帕/秒。

2.焊接工艺

车体加工中长焊缝由机器人焊接，小部位人工焊接。如今，搅拌摩擦焊、激光复合焊等工艺投入使用。铝合金焊接相比其他焊接难度更大，有恒温恒湿的高要求环境，并需要大量空气净化设施。

车体按结构分为中间车和头车：中间车为基础车，分为底架、侧墙、车顶、外端墙、内端墙等，分别制作，最后组焊成形，主要采用机器人组焊。头车的车体是制造最难的车体。主要采用手工组焊，工艺更加繁杂，尺寸规定更加苛刻。双工位数控加工中心，这个用于车体侧墙和地板整体加工的装备，加工定位精度达微米级，以确保车体的整体加工精度。而车体总组成焊接机器人，用在车体总组成中长直焊缝的焊接，同时具有打磨、铣削等辅助功能。车体焊接完成，在焊接的过程中，都在不断地进行调直打平，打磨几乎和焊接一样重要，为了消除应力，保证车身的平整度。

（二）转向架工艺

转向架主体是4个车轮、2根轴、1个钢铁框架，转向架的构架，好比是整个转向架的“骨架”，制动系统和牵引系统均安装在构架上。

1、车轴工艺

高铁列车的车轴是空心的，空心车轴自动化生产线采用中央控制模式，自动上料、加工、检测、下线，中心孔偏移量误差小于等于0.1mm。车轴加工完成后，与车轮组装成轮对。

2、转向架组装

转向架的组装，也就是制动装置、电机设备和管道线路的安装。在专用工艺装备的辅助下，构架正反两面安装。最后，安装多种部件的构架，被吊落在轮对上，完成转向架装配。组装完成的转向架，需进入综合试验平台自动接受测试，达标后等待装车。

（三）总装

在总装分厂，对车体、转向架及高铁列车大部件、内设，即对每列车4余万个零部件进行组装和调试。

1、组装

相对于转向架、车体的自动加工、自动焊接，总装的大部分工作需要人工或半人工方式完成，工人的操作技能对于保证总装质量至关重要。动车组每列车约1万多根电线电缆。电线下料区，以白色背板模拟现实车辆，按1：1下线，然后对电线电缆成束捆扎。车体被架在台位上，一节车上多人同时操作。车上安装保温材料、风道、地板、车窗、座椅等部件，车下大部件主要是变压器、变流器等，车顶主要安装受电弓和主电力线，车门是动车组一个安全控制点，要保证数十万次准确操作。最后，工人们将车体吊装到已做好的转向架上，称为落车。

2、试验

落车完成的车辆，进行单车的称重、淋雨、保压、耐压和气密等一系列试验。制动系统至关重要。国家标准和欧洲标准都允许管路有一定的泄漏量，达标的密封性保证空气制动的有效性。试验达标后，进行静态试验，全车调试。之后，高铁列车在试验线上进行试跑动态试验。试验完毕，全新的动车组已完全具备上线条件，只需等待调度命令进入运营线路。

参考文献

[1]胡一峰，李怒放著，高速铁路无砟轨道路基设计原理，中国铁道出版社，2010.11

[2]赵妮娜著，《四方——沉静的工程师》，光明日报出版社，2015.05.

[3]高速铁路设备系列介绍之十三——电力接触网与受电弓，浦东老胡新浪博客，2012.09.