最新刊期
      2023 年 第 卷 2 期

        专稿

      • 丁荣军,窦泽春,罗海辉
        2023(2): 1-13. DOI: 10.13890/j.issn.1000-128X.2023.02.001
        摘要：功率半导体器件作为电气化进程的核心组成部分，其本身在不断迭代提升，并促进电气化装置和应用的发展。功率半导体器件的关键技术主要体现在4个方面：新材料、新结构、新封装、智能化。针对不同应用的场景，功率半导体器件的要求也不尽相同，文章通过对轨道交通、电动汽车和电力系统等典型场景特点的分析，阐述了精细沟槽型绝缘栅双极型晶体管、碳化硅和高功率密度智能化集成功率器件等的应用；功率半导体器件目前仍然处于飞速且稳健的发展阶段，随着技术不断成熟，新技术的不断涌现，4个关键技术均存在巨大的发展空间。  
        关键词：功率半导体器件;新材料;新结构;新封装;智能化;典型应用   
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        发布时间：2024-08-02

        综述

      • 李秋泽,单巍,张英春,杨广雪,梁树林
        2023(2): 14-35. DOI: 10.13890/j.issn.1000-128X.2023.02.002
        摘要：转向架是支承、牵引和制动车体并能相对车体回转的走行装置，具有缓冲振动和导向功能，决定列车运行安全可靠性和运行品质。中国高速动车组转向架经过技术引进、吸收创新和自主创新3个阶段的发展，通过不断的技术创新与实践，在结构轻量化、安全可靠性、动力学性能及智能化等关键技术上取得了成果，针对转向架结构强度和动力学性能开展的试验台、环形道、试验专线科学研究试验及线路长期服役跟踪测试，为自主创新阶段的中国高速动车组转向架的自主开发奠定了坚实的理论研究和工程实践基础。文章系统地回顾了中国高速动车组转向架在3个发展阶段的结构参数和技术瓶颈，指出了下一代高铁及CR450动车组转向架技术研究方向；从转向架基本结构角度系统论述了转向架总体集成、构架、轮对轴箱及定位装置、悬挂装置、驱动系统、基础制动和辅助装置的技术发展历程及趋势，提出技术自主创新及工程应用创新研究方向；论述了转向架轻量化设计、强度可靠性、车辆系统动力学、智能化设计和试验测试这5种关键技术的研究现状及发展方向。  
        关键词：高速动车组;转向架;结构设计;强度可靠性;车辆系统动力学;智能化;高速列车   
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        发布时间：2024-08-02

        大功率器件

      • 刘敏安,罗海辉,卢圣文,王旭,李诚
        2023(2): 36-42. DOI: 10.13890/j.issn.1000-128X.2023.02.003
        摘要：针对SiC MOSFET模块应用过程中出现的串扰问题，文章首先对3种测量差分探头的参数和测量波形进行对比，有效减小测量误差；然后详细分析串扰引起模块栅源极出现电压正向抬升和负向峰值过大的原因，并提出3种有效应用对策：减小栅极阻抗、采用有源米勒箝位和三级关断串扰抑制电路。其中，减小栅极阻抗可减小感应压降，抑制栅源极过压；有源米勒箝位技术使栅源极电压串扰波形幅值限制在箝位电压范围；利用三级关断串扰抑制电路技术，显著抑制了栅源极电压的正向抬升和负向峰值，最后通过试验仿真验证了3种方法的有效性。  
        关键词：串扰问题;栅源极电压;栅极阻抗;有源米勒箝位;三级关断电平驱动技术   
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      • 胡彪,成兰仙,李振铃,戴小平
        2023(2): 43-49. DOI: 10.13890/j.issn.1000-128X.2023.02.104
        摘要：为了提高功率模块铜线键合性能，采用6因素5水平的正交试验方法，结合BP（Back Propagation）神经网络与遗传算法，提出了一种铜线键合工艺参数优化设计方案。首先，对选定样品进行正交试验并将结果进行极差分析，得到工艺参数对键合质量的影响权重排序。其次，运用BP神经网络构建了铜线键合性能预测模型，并通过遗传算法对BP神经网络适应度函数求解，得到了工艺参数的最优值。将BP-遗传算法与传统优化方法的优化结果进行对比，发现经BP-遗传算法优化后的铜线键合工艺稳定性提升更加明显。最后，对功率模块进行了功率循环试验，结果表明经BP-遗传算法优化后的模块功率循环能力得到显著提升。  
        关键词：铜线键合;BP神经网络;遗传算法;工艺参数优化   
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      • 杨乐乐,陈燕平,窦泽春,漆宇,谢舜蒙,魏海山
        2023(2): 50-58. DOI: 10.13890/j.issn.1000-128X.2023.02.005
        摘要：文章介绍了一种新型IGBT驱动器，该驱动器除具有传统的驱动与短路保护功能外，还具有运行状态数据采集功能。采集IGBT运行状态数据及其故障时刻数据，有助于理解IGBT工作环境，分析IGBT失效原理，为电力电子装置改进和正向设计提供理论依据。该驱动器以可编程逻辑器件FPGA为核心，集脉冲控制、驱动与保护、信号采集、串行通信功能于一体。文章详述了驱动器主要功能模块，运用数学建模、仿真和试验测试等方法验证了其功能与可靠性，为驱动技术数字化、智能化发展提供了技术储备，为IGBT模块失效分析与健康管理研究提供数据支撑。  
        关键词：IGBT驱动;数据采集;FPGA;数字驱动;智能驱动   
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      • 凌人
        2023(2): 59-64. DOI: 10.13890/j.issn.1000-128X.2023.02.006
        摘要：针对新一代高压封装SiC器件功率模块功率密度更大、芯片尺寸更小的问题，文章基于一种新型复合相变散热技术，应用数值仿真和试验测试的研究方法进行传热优化设计研究。将优化设计所得的结果与外形尺寸一致的常规型材翅片散热方案进行性能对比，对比结果表明：在功率3×630 W的工况下，新型复合相变散热器相对型材翅片散热器，在相同风速条件下，温升可减小23.9~32.5 K，降幅为39.7%~61.6%；在相同风冷系统条件下，温升降幅可达到52%，并且对于相同的散热器设计温升，单个IGBT应用功率可增大约860 W，增幅约1倍，对于大功率、高热流密度散热应用发展前景广阔。  
        关键词：新型复合相变散热器;热管理;数值仿真;SiC器件   
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        发布时间：2024-08-02

        铁道机车车辆

      • 杜子学,唐恬,杨震,廖从建
        2023(2): 65-70. DOI: 10.13890/j.issn.1000-128X.2023.02.007
        摘要：胶轮地铁车辆拥有三系悬挂系统和胶轮、钢轮两套走行系统，钢轮作为安全轮仅在爆胎和过岔工况起作用，正常行驶时，钢轮与钢轨未接触，故以往推导的轨道车辆柔性系数计算公式不适用于胶轮地铁车辆。针对胶轮地铁与铁道车辆走行系统的差异，本文根据UIC 505-5规程中柔性系数的定义，推导出胶轮地铁车辆的柔性系数计算公式，并利用多体动力学软件ADAMS建立胶轮地铁车辆的“车辆－轮胎－轨道梁”耦合动力学仿真模型进行仿真验证公式的正确性，计算结果与仿真结果较接近。胶轮地铁车辆在AW5工况停在超高率为11.15%的倾斜轨道上时，柔性系数的值最大且超过UIC 505-5规程中柔性系数限定值0.4，但通过轮胎受力和轮重减载率判断胶轮地铁车辆此时处于安全状态，未发生倾覆。研究结果表明：推导的柔性系数计算公式与仿真结果具有良好的一致性，但是由于胶轮地铁车辆与常规轨道结构上的明显差异，在AW5工况时沿用UIC 505-5规程中对柔性系数的限定值以及采用柔性系数评价胶轮地铁车辆的抗倾覆能力并不适用。  
        关键词：胶轮地铁;三系悬挂;柔性系数;抗倾覆;多体动力学;地铁车辆   
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      • 侯传伦,杨新文,戚援,李稳,郭鑫
        2023(2): 71-77. DOI: 10.13890/j.issn.1000-128X.2023.02.008
        摘要：针对轮箍在运用过程中的疲劳失效问题，结合弹性车轮结构特点和承载原理，对轮箍的承载特性及相关影响因素进行系统研究，以提高轮箍的承载强度和弹性车轮运用安全性。为了精确分析弹性车轮轮箍在弹性支撑下的应力特性，基于有限元理论，建立了考虑橡胶块弹性离散支撑的轮箍承载特性参数化计算模型，对不同车轮刚度、轮箍厚度和车轮直径等结构参数下的轮箍应力状态分布、动态变形量、应力幅值等进行了研究。研究结果表明，在车轮运行过程中，轮箍内表面和外表面应力分布均呈“W”形变化趋势，其中内表面以拉应力为主，外表面以压应力为主；随着轮箍厚度、车轮刚度的增大，轮箍承载性能和安全性得到改善；但随着车轮直径的增大，轮箍的承载强度呈降低趋势，因此对于直径较大的弹性车轮应当适当增大车轮刚度及轮箍厚度，以确保轮箍的安全性能。文章的研究方法和结果为弹性车轮结构及性能优化提供了可靠的设计依据，为提高弹性车轮的运用安全可靠性提供了极强的指导作用和参考价值。  
        关键词：轨道交通;弹性车轮;轮箍;承载特性;应力;有限元   
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        发布时间：2024-08-02
      • 陈伯清,曾元辰,宋冬利,张卫华,傅双波,姜陈
        2023(2): 78-89. DOI: 10.13890/j.issn.1000-128X.2023.02.009
        摘要：车轮是动车组的关键零部件，在长期服役过程中会发生状态退化，影响动车组的安全平稳运行；同时，动车组的全列车轮均是成组运行、成组检修，各车轮的退化具有整体同步性和个体差异性，并且邻近车轮在运用和检修过程中相互影响。车轮退化具有影响因素多样、参数互相影响、随机性强的特点，因此提出一种动车组全列车轮运维全过程退化数值模拟方法。针对车轮磨耗、缺陷和镟修等运维过程的关键环节，采用了考虑各环节相关因素、退化规律及其不确定性的概率模型，再通过闭环迭代实现车轮退化过程的数值模拟；为模拟动车组全列车轮在不同随机环节影响下的退化过程，提出了基于Monte Carlo仿真的车轮退化数值模拟方法；最后，基于我国动车组运维数据，给出了建模与模拟算例。结果表明，该方法能够有效预测动车组全列车轮退化过程的平均水平及其不确定性，进而实现车轮剩余寿命预测，并结合车轮运维成本评估，支撑车轮高级修限值优化，降低车轮运维全过程成本，改善动车组维修经济性。  
        关键词：动车组;车轮;磨耗;镟修;运维;退化过程;数值模拟   
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      • 刘新,邓自刚,梁乐,李凯文,鲁浩,郑珺
        2023(2): 90-96. DOI: 10.13890/j.issn.1000-128X.2023.02.100
        摘要：基于永磁电动悬浮的原理，将Halbach环形永磁轮和导体板顺时针旋转后倾斜布置，提出一种实现磁浮列车“悬浮‒导向‒推进”一体化方案。首先，采用ANSYS Maxwell有限元仿真软件对斜置永磁轮的三维力特性进行分析，仿真结果表明：对于单个外径为200 mm的永磁轮，倾斜角度应不小于60°，从而保证浮重比大于5.5，此时仍可获得310 N的推进力和380 N的导向力。然后，进一步分析了永磁轮三维力随工作气隙、导体板厚度和电导率的变化规律：随着工作气隙变大，三维力均呈下降趋势；随着导体板厚度和电导率的增加，悬浮力和导向力先增加后饱和，驱动力则先增大后减小。基于上述分析结果，给出了新型磁浮列车“悬浮‒驱动‒推进”一体化的概念模型设计，并对更大直径、宽度的磁轮进行了计算分析，结果表明：直径250 mm永磁轮的磁场利用率最大，磁场利用率和磁轮宽度的变化呈正相关。相关的研究工作是对永磁电动悬浮理论的应用和拓展，能够有效降低磁浮列车系统的建设成本，为“悬浮‒导向‒推进”一体化的新型磁浮列车设计提供参考。  
        关键词：永磁轮;一体化;磁浮列车;磁轮利用率   
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      • 白永平,彭长福
        2023(2): 97-102. DOI: 10.13890/j.issn.1000-128X.2023.02.011
        摘要：文章以中车资阳机车有限公司参与建设的2条试验线为背景，介绍了悬挂式单轨列车研制过程中的设计原则、总体参数取值依据、总体实施方案以及转向架、电气控制系统、制动系统、救援设备等关键子系统的实施方案。同时，解析了列车运行平稳性、运行姿态、运行噪声等关键性能的试验测试数据，描述了试验过程中出现的具体问题和状态表现，分析了相关问题发生的原因，介绍了逐步优化改进、确定相关设备最佳结构和最优参数的过程。相关经验可为后续类似产品的设计开发提供参考。  
        关键词：悬挂式单轨列车;选型;研制;试验;城市轨道交通   
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        电力牵引与控制

      • 杨岗,卫昱乾,李芾
        2023(2): 103-112. DOI: 10.13890/j.issn.1000-128X.2023.02.012
        摘要：滚动轴承作为高速列车牵引电机的重要部件，其故障情况严重影响列车运行安全。声学轴承故障诊断方式具有无安装侵入性、运维成本低的优点，但也具有信噪比低、故障特征难以提取的缺点，机器学习则具有克服噪声影响的鲁棒性。针对应用机器学习进行声学故障诊断时，少量特征无法全面表征轴承故障的难题，文章提出将格拉姆角场（GAF）与小波时频图进行叠加融合，构成6通道融合特征图用以有效表征轴承的故障。首先，建立牵引电机轴承声学故障试验台获取故障声学信号；其次，建立基于GAF的声学信号融合特征图，然后使用残差网络（ResNET）模型针对融合特征图特征训练并验证故障分类模型，并与以单种特征图作为特征的故障分类方法进行准确率对比。结果表明，基于GAF的融合特征图的声学故障分类模型具有99.89%的准确率，融合特征图能更有效地映射轴承故障。  
        关键词：牵引电机轴承;声学故障诊断;卷积神经网络;融合特征图;格拉姆角场;高速列车   
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      • 刘怡恒,张和洪,龙志强,谢云德,顾秋明,傅随金
        2023(2): 113-122. DOI: 10.13890/j.issn.1000-128X.2023.02.013
        摘要：磁浮列车悬浮系统的间隙传感器信号存在大量量测噪声，影响了悬浮控制的控制品质与稳定性。为解决该问题，文章借助等时区的方法确定最速离散二阶系统的边界层，根据边界层与可达区构造无需复杂开根号运算的新型最速控制综合函数，同时通过微分预报补偿方式实现相位补偿，进而设计了基于新型跟踪微分器的悬浮反馈控制器。数值仿真表明，该跟踪微分器能够快速跟踪输入信号，具有良好的滤波效果，无颤振、无超调。通过磁浮列车实车测试，基于所提出的跟踪微分器的悬浮控制器能使起浮阶段的最大超调量减少约15%，实现磁浮列车的稳定悬浮控制，具有很强的工程实用性。  
        关键词：磁浮列车;悬浮控制;间隙信号;跟踪微分器;相位补偿;仿真   
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      • 宋平岗,魏文龙,陈紫君,陈子豪
        2023(2): 123-130. DOI: 10.13890/j.issn.1000-128X.2023.02.014
        摘要：为进一步解决铁路牵引供电系统中无功功率、负序电流和谐波失真率高等对电能质量的影响，将多维泰勒网（Multi-dimensional Taylor Network, MTN）优化控制应用于与模块化多电平换流器结合的铁路功率调节器（Railway Power Conditioner with Modular Multilevel Converter, MMC-RPC）。相比传统双闭环PI控制器，多维泰勒网控制器的优点在于抗扰动能力更强、鲁棒性更好和谐波失真率更低等。针对参数整定问题，将dq轴电流参考值与实际值之间误差平方的积分作为输出性能指标，并运用粒子群算法对MTN当中的参数进行优化。在MATLAB/Simulink软件中分别搭建了MMC-RPC采用MTN控制器和PI控制器的仿真模型，对电气化铁路中常见的一侧供电臂有机车负载和负载突变2种常见工况进行对比，验证了MTN控制器在MMC-RPC中的可行性和优越性。  
        关键词：铁路功率调节器;模块化多电平换流器;多维泰勒网控制器;粒子群算法   
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      • 韩芝星
        2023(2): 131-135. DOI: 10.13890/j.issn.1000-128X.2023.02.015
        摘要：列车精准定位对列车运营安全有着十分重要的意义。在某些国外地铁项目中，受限于技术体系的成熟度和设计成本，常规的GPS定位和CBTC定位技术无法满足项目对列车定位的需要，文章为此提出一种基于非线性补偿的轨道交通列车自定位方法。该方法能够在不增加新设备（如GPS、CBTC等）的情况下，仅依赖于车载既有设备实现列车位置的精确定位。所提出的方法系统组成简单、成本低、精度高、可靠性高（不受环境影响），具备推广意义。具体思路为：首先利用神经网络建立列车瞬时速度的补偿模型，通过补偿模型提升列车瞬时速度的精度；然后根据补偿后的列车实时运行速度与列车运行时间作积分累积得到列车实时的运行距离，再根据列车的固定运营线路图，计算得到列车距下一站的距离，实现定位。试验证明，补偿后的定位精度小于0.2 m，较补偿前提高了3~4倍。  
        关键词：轨道交通;列车定位;神经网络;非线性补偿   
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        铁道电气化

      • 喻文彬
        2023(2): 136-141. DOI: 10.13890/j.issn.1000-128X.2023.02.016
        摘要：在城市轨道交通中，列车供能除采用架空接触网系统外还常采用靴轨系统。在靴轨系统中，集电靴沿接触轨滑行，振动行为复杂，易受线路条件和结构本身的影响。当接触轨出现轨缝时，集电靴通过会产生较大冲击力，造成靴轨系统受流工况恶化。文章基于多体动力学和有限元理论，搭建靴轨耦合动力学模型，并与实测数据相对比，验证模型准确性。基于所搭建的模型，考虑在标准规定的最恶劣的接触轨轨缝条件，分析靴轨系统在不同速度和轨缝方向下的动态性能。结果表明，相对于前低后高轨缝的工况，集电靴通过前高后低轨缝时，车辆运行速度对靴轨系统受流质量的影响更加严重。  
        关键词：城市轨道交通;集电靴-接触轨系统;轨缝;受流质量;多体动力学方法   
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      • 刘福,廖启术
        2023(2): 142-150. DOI: 10.13890/j.issn.1000-128X.2023.02.017
        摘要：为保证牵引供电系统电能质量并减少牵引变电所购电成本，文章提出了一种基于稀疏高斯过程（sparse Gaussian process, SGP）的牵引负荷概率预测模型。该模型首先构建以牵引负荷历史特征和时间信息为基础的输入特征向量；然后建立输入特征到牵引负荷之间的映射关系，并用SGP来拟合该映射关系；最后使用滚动预测的形式来实现对牵引负荷的预测。在朔黄铁路某牵引变电所实际运行数据上进行的对比试验验证了所提方法的优越性，其中，点预测可以得到误差在7%左右的预测值，概率预测可以得到不同置信度下可靠的预测区间。  
        关键词：牵引负荷;负荷预测;高斯过程;点预测;概率预测;电力机车   
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        发布时间：2024-08-02
      • 常占宁,张一平,余姝丹,谢子宁,卢伟楠,程宏波
        2023(2): 151-156. DOI: 10.13890/j.issn.1000-128X.2023.02.018
        摘要：为解决高土壤电阻率地区牵引供电系统的接地问题，文章提出一种基于导电混凝土的接触网支柱基础自然接地方法。围绕机械强度和导电性能进行导电混凝土的配比优化，筛选出20%石墨+2.5%钢纤维的复合导电相材料；对导电混凝土接触网支柱基础自然接地方案和接地效果进行了分析，发现该方案的接地电阻降低了73.16%，将相邻的多个接触网支柱基础相连时，可满足牵引供电系统接地电阻的要求。对雷电冲击下导电混凝土支柱基础的电热特性进行了分析，发现导电混凝土接触网支柱基础在泄放雷电流时温升较小，内部温度分布均匀，不易受到结构应力的影响。文章所提基于导电混凝土的牵引供电系统接地方法，只需将施工时的浇筑材料由普通混凝土替换成导电混凝土即可，实施简单便捷，为高土壤电阻率地区电气化铁路的接地提供了一种新的方法。  
        关键词：牵引供电;接地电阻;导电混凝土;接触网;支柱基础   
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