時(shí)速350公里雙層動(dòng)車組研發(fā)展望

王希剛

（中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司總體研發(fā)部，吉林 長(zhǎng)春130062）

0　概述

為解決發(fā)達(dá)工業(yè)區(qū)、發(fā)達(dá)城市間運(yùn)輸能力，國(guó)外在90年代開(kāi)始研發(fā)雙層動(dòng)車組并投入運(yùn)用。國(guó)內(nèi)京滬等發(fā)達(dá)地區(qū)高速鐵路客流持續(xù)攀升，目前京滬線節(jié)假日期間高速動(dòng)車組最小發(fā)車間隔僅5 min，開(kāi)行的長(zhǎng)編動(dòng)車組占線路總開(kāi)行動(dòng)車組的比例已經(jīng)超過(guò)95%，開(kāi)行車次已近飽和，但仍不能滿足日益增長(zhǎng)的鐵路客運(yùn)需求，研制雙層動(dòng)車組迫在眉睫。根據(jù)目前國(guó)內(nèi)外雙層動(dòng)車組技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，分析了研發(fā)雙層動(dòng)車組需要攻克的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)發(fā)展中國(guó)雙層動(dòng)車組進(jìn)行可行性分析。

1　研制雙層動(dòng)車組的必要性

1.1　解決節(jié)假日期間繁忙線路運(yùn)能的需要

目前京滬線節(jié)假日期間高速動(dòng)車組最小發(fā)車間隔僅5 min，開(kāi)行的長(zhǎng)編動(dòng)車組占線路總開(kāi)行動(dòng)車組的比例已經(jīng)超過(guò)95%，開(kāi)行車次已近飽和，但仍不能滿足節(jié)假日期間的鐵路客運(yùn)需求，而雙層動(dòng)車組可以增加約50%的定員，而成本僅增加約20%.從經(jīng)濟(jì)性及人員流動(dòng)的季節(jié)性考慮，可以考慮將京滬線等繁忙線路運(yùn)行上的30%動(dòng)車組改為雙層動(dòng)車組。

1.2　加快振興交通運(yùn)輸裝備制造業(yè)的需要

國(guó)務(wù)院頒布的《國(guó)務(wù)院關(guān)于加快振興裝備制造業(yè)的若干意見(jiàn)》（國(guó)發(fā)[2006]8號(hào)）明確指出，到2010年，發(fā)展一批有較強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力的大型裝備制造企業(yè)集團(tuán)，增強(qiáng)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)重大技術(shù)裝備的制造能力。目前，具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的時(shí)速350公里中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組已經(jīng)研制成功。因此以時(shí)速350公里中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組為平臺(tái)，研制高速雙層動(dòng)車組，可以完善產(chǎn)品種類，進(jìn)一步促進(jìn)我國(guó)軌道交通裝備制造業(yè)快速發(fā)展并達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

1.3　培養(yǎng)高層次技術(shù)創(chuàng)新人才的需要

雙層動(dòng)車組的系統(tǒng)集成化更高，對(duì)車輛重量管理、動(dòng)力學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)、牽引系統(tǒng)、減震降噪與車內(nèi)環(huán)境控制等方面提出更高要求，在雙層動(dòng)車組的研制過(guò)程中，可以培養(yǎng)掌握先進(jìn)的高速動(dòng)車組產(chǎn)業(yè)技術(shù)的高層次專業(yè)人才和現(xiàn)代化管理人才，打造高水平的國(guó)家級(jí)科研創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，為我國(guó)高速鐵路的發(fā)展提供人力資源保障。

2　國(guó)外雙層動(dòng)車組技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

在歐洲和日本，雙層動(dòng)車組技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用時(shí)間長(zhǎng)、應(yīng)用廣，研制和運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)較為豐富。

2.1　阿爾斯通TGV系列雙層動(dòng)車組

阿爾斯通自1988年開(kāi)始先后研制了TGV-DUPLEX、TGV-EURODUPLEX、TGV2N 系列雙層動(dòng)車組，TGV雙層動(dòng)車組如圖1所示，交付于法鐵、摩洛哥國(guó)鐵，前后共交付近200列。列車采用2動(dòng)8拖動(dòng)力集中配置，定員509～560人，運(yùn)行速度320 km/h，車輛高度為4 320 mm[1].

圖1　TGV雙層動(dòng)車組

2.2　日本E1、E4雙層動(dòng)車組

JR東日本先后于 1994、1997年開(kāi)行了 E1、E4系動(dòng)車組，共交付16列（E1系6列、E4系10列），E4系雙層動(dòng)車組如圖2所示。列車采用動(dòng)力分散配置，E1系6動(dòng)6拖，E4系4動(dòng)4拖，E1系定員1235人，E4系定員817人，運(yùn)營(yíng)速度240 km/h，車輛高度為4 485 mm[2]。

圖2　E4雙層動(dòng)車組

2.3　IR200-動(dòng)力分散雙層動(dòng)車組

IR200動(dòng)車組為龐巴迪研發(fā)的雙層動(dòng)車組，2010年在瑞士鐵路公司SBB投入運(yùn)用，IR200雙層動(dòng)車組如圖3所示。列車采用8輛編組，3動(dòng)5拖動(dòng)力分散配置，總功率7 500 kW，定員682人，運(yùn)營(yíng)速度200 km/h.

圖3　IR200雙層動(dòng)車組

2.4　澳大利亞EDI不銹鋼雙層動(dòng)車組

中車長(zhǎng)客股份公司于2009-2013年為澳大利亞生產(chǎn)了78列不銹鋼雙層動(dòng)車組，EDI不銹鋼雙層動(dòng)車組如圖4所示。列車采用8輛編組，4動(dòng)4拖動(dòng)力分散配置，總功率2 960 kW，定員896人，設(shè)計(jì)速度130 km/h.

圖4　EDI不銹鋼雙層動(dòng)車組

表1分析了以上四種國(guó)外雙層動(dòng)車組的列車重量、牽引功率、定員、車體材質(zhì)、車輛基本參數(shù)等信息。

表1　國(guó)外雙層動(dòng)車組參數(shù)對(duì)比

3　國(guó)內(nèi)雙層動(dòng)車組技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

3.1　“新曙光”號(hào)內(nèi)燃雙層動(dòng)車組

1999年研制，采用二動(dòng)九拖推挽式重聯(lián)牽引，首尾兩節(jié)為動(dòng)車，裝車功率2 760 kW，定員1 140人，最大運(yùn)用速度180 km/h，共有3組投入運(yùn)營(yíng)，“新曙光”號(hào)雙層動(dòng)車組如圖5所示。

圖5　新曙光雙層內(nèi)燃動(dòng)車組

3.2　神舟號(hào)雙層內(nèi)燃動(dòng)車組

2000年研制，采用動(dòng)力集中二動(dòng)十拖12輛編組，裝車功率2 740 kW，運(yùn)營(yíng)速度140 km/h，共有5組投入運(yùn)營(yíng)[3]，“神州”號(hào)雙層動(dòng)車組如圖6所示。

圖6　神舟號(hào)雙層內(nèi)燃動(dòng)車組

3.3　廬山號(hào)雙層內(nèi)燃動(dòng)車組

1998年研制，采用動(dòng)力集中二動(dòng)二拖4輛編組，裝車功率864 kW，運(yùn)營(yíng)速度120 km/h，共有5組投入運(yùn)營(yíng)，“廬山”號(hào)雙層動(dòng)車組如圖7所示。

圖7　廬山號(hào)雙層內(nèi)燃動(dòng)車組

3.4　金輪號(hào)雙層內(nèi)燃動(dòng)車組

2001年研制，采用動(dòng)力集中二動(dòng)六拖8輛編組，裝車功率3 310 kW，共2組投入運(yùn)營(yíng)，“金輪”號(hào)雙層動(dòng)車組如圖8所示。

圖8　金輪號(hào)雙層內(nèi)燃動(dòng)車組

目前國(guó)內(nèi)僅有內(nèi)燃雙層動(dòng)車組，沒(méi)有運(yùn)營(yíng)速度200 km/h以上速度等級(jí)的雙層動(dòng)車組，在運(yùn)營(yíng)速度、節(jié)能環(huán)保、旅客界面方面與國(guó)外雙層動(dòng)車組還有明顯差距，高速雙層動(dòng)車組發(fā)展存在市場(chǎng)空白。

4　國(guó)內(nèi)動(dòng)車組技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

目前，我國(guó)CRH系列動(dòng)車組的技術(shù)平臺(tái)由CRH1型、CRH2型、CRH3型和CRH5型組成。投入運(yùn)營(yíng)的動(dòng)車組已有2470組，每天出行動(dòng)車組列車4200多列，安全運(yùn)行里程超過(guò)37.4億公里，均居世界首位。

我國(guó)高速動(dòng)車組經(jīng)過(guò)引進(jìn)、消化吸收、再創(chuàng)新三個(gè)階段形成了我國(guó)高速動(dòng)車組特殊的技術(shù)體系。2015年6月，具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的時(shí)速350公里中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組成功下線，并于2016年11月完成60萬(wàn)公里運(yùn)用考核試驗(yàn)，具備正式上線運(yùn)營(yíng)的條件。時(shí)速350公里中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組的成功研制，一方面，能夠適應(yīng)中國(guó)高速鐵路運(yùn)營(yíng)環(huán)境和條件更為復(fù)雜多樣、長(zhǎng)距離長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)高速運(yùn)行等需求，對(duì)保持我國(guó)高速鐵路可持續(xù)發(fā)展、推進(jìn)高鐵裝備自主創(chuàng)新成果產(chǎn)業(yè)化、全面系統(tǒng)掌握高速鐵路動(dòng)車組及關(guān)鍵裝備的核心技術(shù)，具有重要戰(zhàn)略意義；另一方面，能夠根據(jù)世界各國(guó)高鐵運(yùn)營(yíng)需求，提供系列化產(chǎn)品和成套技術(shù)解決方案，成為中國(guó)高鐵“走出去”的新平臺(tái)。

5　雙層動(dòng)車組的研制方向分析

5.1　長(zhǎng)編組

研制雙層動(dòng)車組就是為了提高載客量，解決部分繁忙線路運(yùn)能問(wèn)題，經(jīng)研究8輛編組的雙層動(dòng)車組只能增加30%左右的定員，而16輛長(zhǎng)編組的雙層動(dòng)車組，能實(shí)現(xiàn)定員增加50%左右的目標(biāo)，因此應(yīng)該研制16輛長(zhǎng)編組的雙層動(dòng)車組。

5.2　高速度

由于定員增加，從充分發(fā)揮動(dòng)車組運(yùn)行效率、用水排污、旅客乘坐舒適性等方面考慮，應(yīng)直接發(fā)展350 km/h雙層動(dòng)車組，縮短運(yùn)行時(shí)間。

5.3　鋁合金車體

從輕量化方面考慮應(yīng)采用鋁合金車體，鋁合金車體相比不銹鋼和碳鋼車體每輛車重量減少約3 t.

5.4　動(dòng)力分散

按TB10621-2009《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范（試行）》規(guī)定，運(yùn)行車輛軸重不能超過(guò)17 t，而采用動(dòng)力集中方式的雙層動(dòng)車組車頭會(huì)超出規(guī)定軸重要求，因此只能研制動(dòng)力分散形式的雙層動(dòng)車組。

5.5　舒適性

雙層動(dòng)車組在舒適性、安全性等方面不應(yīng)低于目前運(yùn)行的250 km/h和350 km/h動(dòng)車組。

5.6　新技術(shù)、新材料、新結(jié)構(gòu)

為增加定員，減少重量及整車能耗，可以考慮采用一些經(jīng)試驗(yàn)論證具備可行性的新技術(shù)、新材料或新結(jié)構(gòu)，提高運(yùn)行安全性和可靠性，降低運(yùn)用維護(hù)成本。

6　研制雙層動(dòng)車組需要解決的關(guān)鍵技術(shù)和難題

6.1　輕量化

目前動(dòng)車組滿載情況下單層動(dòng)車重量約64 t，而雙層動(dòng)車組在增加定員、上層地板、座椅和樓梯等設(shè)備，經(jīng)估算單車重量接近滿軸重（67 t），因此需要輕量化設(shè)計(jì)。

6.2　適用于雙層動(dòng)車組的牽引系統(tǒng)

目前的牽引系統(tǒng)均布置在動(dòng)車組車下設(shè)備艙內(nèi)，而雙層動(dòng)車組需要將牽引變流器布置在車內(nèi)，需要考慮安裝、檢修、通風(fēng)散熱、電磁兼容等問(wèn)題，并提出解決方案。

6.3　動(dòng)力學(xué)

雙層動(dòng)車組車輛輪廓加高，重心相應(yīng)提高，需要研究對(duì)動(dòng)力學(xué)性能的影響；為重量平衡考慮，可能有部分車輛設(shè)計(jì)為單層車，這兩種車輛重心高度不一致又會(huì)對(duì)列車動(dòng)力學(xué)性能產(chǎn)生影響，也需進(jìn)行重點(diǎn)分析。

6.4　聲學(xué)控制

雙層動(dòng)車組有部分牽引和冷卻設(shè)備安裝在車內(nèi)，同時(shí)下層客室靠近轉(zhuǎn)向架，這都會(huì)對(duì)整車噪聲控制產(chǎn)生不利影響，需要從設(shè)備降噪、結(jié)構(gòu)降噪、新材料降噪、主動(dòng)降噪四個(gè)方面考慮減震降噪控制。

通過(guò)以上分析發(fā)現(xiàn)，基于目前國(guó)內(nèi)動(dòng)車組研制技術(shù)水平，制約雙層動(dòng)車組研發(fā)的主要技術(shù)和難題在2～3年內(nèi)可以通過(guò)分析計(jì)算、樣件試制及試驗(yàn)等方式來(lái)解決，研制雙層動(dòng)車組具備可行性。

7　結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)比分析國(guó)內(nèi)外雙層動(dòng)車組技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀以及國(guó)內(nèi)動(dòng)車組技術(shù)發(fā)展水平，提出研發(fā)雙層動(dòng)車組來(lái)緩解節(jié)假日期間運(yùn)能需求。并提出研發(fā)雙層動(dòng)車組的發(fā)展方向、需要解決的關(guān)鍵技術(shù)及難題。根據(jù)目前國(guó)內(nèi)動(dòng)車組技術(shù)發(fā)展水平，分析認(rèn)為雙層動(dòng)車組的研發(fā)具備可行性。

參考文獻(xiàn)：

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