成渝中線400 km/h輪軌動(dòng)車組技術(shù)指標(biāo)研究

徐銀光 李 艷

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 成都 610031)

在推動(dòng)成渝地區(qū)雙城經(jīng)濟(jì)圈建設(shè)實(shí)施的背景下，作為更高速度級(jí)軌道交通的示范線工程，成渝中線的建設(shè)正在加速推進(jìn)。成渝中線不僅承載著成渝地區(qū)經(jīng)濟(jì)圈東出南下、多方向?qū)ν廨椛涞母咚倏瓦\(yùn)通道的運(yùn)輸功能，還承載著中國高速鐵路建設(shè)向更高水平發(fā)展的技術(shù)引領(lǐng)功能。結(jié)合成渝地區(qū)雙城經(jīng)濟(jì)圈多層次軌道交通體系構(gòu)建和都市區(qū)1 h通勤要求，成渝中線的時(shí)間目標(biāo)值宜控制在50 min以內(nèi)。同時(shí)，考慮到目前我國350 km/h高速鐵路線網(wǎng)已成規(guī)模，為更好地與 350 km/h線網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)相適應(yīng)，甚至更大程度上充分利用350 km/h技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，在充分考慮當(dāng)前軌道交通制式的技術(shù)成熟度、工程配套能力、線網(wǎng)適應(yīng)性、運(yùn)輸能力、建設(shè)和運(yùn)營成本等因素下，經(jīng)綜合研究比選，最終確定成渝中線工程將開行400 km/h高速輪軌動(dòng)車組的設(shè)計(jì)方案。該方案技術(shù)較為成熟，可與既有路網(wǎng)互聯(lián)互通，建設(shè)成本低，運(yùn)輸能力強(qiáng)。

400 km/h高速動(dòng)車組工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的確定，對(duì)我國實(shí)現(xiàn)開行更高速度鐵路具有示范意義，更具有戰(zhàn)略引領(lǐng)作用。本文在詳細(xì)分析國內(nèi)外高速動(dòng)車組現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出了成渝中線工程400 km/h高速輪軌動(dòng)車組的技術(shù)指標(biāo)和優(yōu)化方案措施。

1 國內(nèi)外高速動(dòng)車組現(xiàn)狀

1.1 國內(nèi)外既有高速動(dòng)車組試驗(yàn)研究及設(shè)計(jì)制造現(xiàn)狀

全世界實(shí)車最高線路試驗(yàn)速度為574.8 km/h，是2007年法國AGV V-150高速試驗(yàn)列車在巴黎-斯特拉斯堡高速線上創(chuàng)造的紀(jì)錄；中國高速動(dòng)車組CRH380AL和CRH380BL分別于2010年和2011年在京滬高速鐵路先導(dǎo)段綜合試驗(yàn)過程中創(chuàng)造了 486.1 km/h和487.3 km/h的最高時(shí)速；2014年，中國超速試驗(yàn)車CIT500在輪軌臺(tái)架試驗(yàn)中成功實(shí)現(xiàn)了605 km/h的試驗(yàn)速度。4種高速試驗(yàn)速度列車的外形如圖1所示。由此可見，基于輪軌關(guān)系的高速動(dòng)車組具備在350 km/h基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升運(yùn)營速度的潛力和空間。

自2008年京津城際鐵路開通至今，我國 350 km/h速度等級(jí)高速鐵路系統(tǒng)已累計(jì)安全運(yùn)營近10年。目前，越來越多的國家正在開展300～350 km/h速度等級(jí)高速鐵路系統(tǒng)的建設(shè)和運(yùn)營，并在繼續(xù)探索更高速度等級(jí)高速鐵路列車的商業(yè)運(yùn)營，如法國AGV的 360 km/h速度級(jí)車型、日本ALFA-X的360 km/h商業(yè)運(yùn)營車型等。350 km/h以上速度級(jí)高速鐵路列車的商業(yè)運(yùn)營已成為高速鐵路列車發(fā)展共識(shí)。

圖1 4種高速試驗(yàn)速度列車外形圖

自2008年京津城際350 km/h速度等級(jí)高速列車和諧號(hào)CRH2C、CRH3C列車商業(yè)運(yùn)用以來，我國一直持續(xù)不斷地推進(jìn)著高速列車的技術(shù)創(chuàng)新，發(fā)展了持續(xù)運(yùn)營速度達(dá)380 km/h的和諧號(hào)CRH380A列車和諧號(hào)CRH380B列車，并于2013年啟動(dòng)了中國標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組統(tǒng)型的工作。目前已實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組的統(tǒng)型(統(tǒng)型為復(fù)興號(hào)CR400系列高速列車)，統(tǒng)一了中國高速列車的檢修維護(hù)接口、列車車鉤和制動(dòng)等救援接口、運(yùn)用界面和乘客界面，實(shí)現(xiàn)了不同廠家制造動(dòng)車組的重聯(lián)運(yùn)行。當(dāng)前復(fù)興號(hào)CR400系列列車正以 350 km/h的最高運(yùn)營速度，在我國高速鐵路網(wǎng)中全面推廣應(yīng)用。

1.2 我國400 km/h高速動(dòng)車組初步研究成果

目前，我國高速列車相關(guān)科研院所和研制企業(yè)正基于復(fù)興號(hào)CR400系列等車型平臺(tái)開展400 km/h高速動(dòng)車組的車型研究，初步形成兩種研究思路。一是對(duì)既有牽引系統(tǒng)性能進(jìn)行提升，實(shí)現(xiàn)速度目標(biāo)；二是在實(shí)現(xiàn)速度目標(biāo)的同時(shí)，原則上保持相關(guān)工程性能指標(biāo)與350 km/h動(dòng)車組指標(biāo)相近。

基于思路一，當(dāng)前已完成了樣車的試制研究，并已于2019年底下線。該400 km/h高速動(dòng)車組樣車在CR400基礎(chǔ)上，動(dòng)車組輪周功率提升了23%，充分保障了400 km/h運(yùn)營的加速度裕量；其在400 km/h速度下的緊急制動(dòng)距離設(shè)計(jì)值，較CR400系列動(dòng)車組在350 km/h速度下的緊急制動(dòng)距離增加了61.5%。通過初步仿真計(jì)算，此樣車性能尚不能滿足成渝中線的目標(biāo)時(shí)間要求，牽引性能、制動(dòng)性能都亟待提升。

綜上，我國復(fù)興號(hào)CR400系列高速動(dòng)車組已實(shí)現(xiàn)了350 km/h的商業(yè)運(yùn)營，動(dòng)車組技術(shù)較為成熟。國內(nèi)外正在發(fā)展350 km/h以上速度等級(jí)動(dòng)車組的商業(yè)運(yùn)營，但截止目前尚無400 km/h成熟運(yùn)營的高速輪軌列車面世。我國400 km/h試制樣車雖已下線調(diào)試，但其牽引、制動(dòng)性能尚不能滿足成渝中線的工程需求，亟待優(yōu)化。因此，合理確定適用于成渝中線功能定位和運(yùn)輸組織要求的400 km/h高速列車車型和技術(shù)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)方案的工程可用性和可實(shí)施性，并使其可在全國高速鐵路網(wǎng)中推廣應(yīng)用，是當(dāng)前階段車輛研究的關(guān)鍵。

2 更高速度等級(jí)高速動(dòng)車組技術(shù)指標(biāo)的研究

結(jié)合當(dāng)前我國400 km/h高速動(dòng)車組發(fā)展的總體思路，本文從成渝中線工程研究需求出發(fā)，并充分考慮既有350 km/h線網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，開展“優(yōu)化400”高速動(dòng)車組主要技術(shù)指標(biāo)的研究。

2.4 新生兒窒息后發(fā)生AKI的COX回歸性分析 將尿液減少、Kim-1、Netrin-1、窒息程度納入COX回歸性分析發(fā)現(xiàn)，上述因素均與新生兒窒息后AKI發(fā)生呈正相關(guān)(P<0.05)，見表2。

2.1 最高速度和剩余加速度

高速動(dòng)車組最高速度分為最高設(shè)計(jì)速度和最高運(yùn)營速度。從設(shè)計(jì)安全角度考慮，最高設(shè)計(jì)速度通常為最高運(yùn)營速度的1.1倍及以上[1]，且此速度需在試驗(yàn)臺(tái)或線路試驗(yàn)上實(shí)車驗(yàn)證，以預(yù)留出一定的安全速度域。因此，為實(shí)現(xiàn)運(yùn)營速度400 km/h的目標(biāo)，最高設(shè)計(jì)速度需達(dá)到 440 km/h及以上。同時(shí)，為實(shí)現(xiàn) 400 km/h的持續(xù)運(yùn)行，高速列車剩余加速度不宜小于0.05 m/s2。

2.2 軸重

動(dòng)車組軸重是影響線下基礎(chǔ)工程的重要指標(biāo)，也是輪軌振動(dòng)及噪音控制的關(guān)鍵?？紤]成渝中線高速列車對(duì)既有高速線網(wǎng)線下基礎(chǔ)工程的適應(yīng)性，高速動(dòng)車組的軸重不應(yīng)突破17 t。

國內(nèi)外高速列車的軸重指標(biāo)如表1所示。

表1 高速列車軸重表

從表1可以看出，歐系車型軸重指標(biāo)相對(duì)偏大，但隨著車型的發(fā)展，軸重指標(biāo)在不斷降低，通常在 15～17 t之間；日系車型軸重指標(biāo)通常較小，動(dòng)力分散型動(dòng)車組基本在11～15 t之間[2-3]，300 km/h速度級(jí)車型軸重亦不超過12 t[4]，未來車型軸重也將考慮既有新干線16 t軸重指標(biāo)[5]的限制。由此可見，動(dòng)車組牽引和制動(dòng)性能的提升，將帶來列車重量的增加，但可通過列車重量的合理設(shè)計(jì)分配和輕量化技術(shù)的應(yīng)用，400 km/h高速動(dòng)車組最大軸重指標(biāo)可控制在16 t及以下。

為適應(yīng)成渝中線的近期建設(shè)要求，可采用碳纖維、鎂合金、玻璃纖維等輕量化復(fù)合材料[6-8]進(jìn)行優(yōu)化，以控制動(dòng)車組重量。

2.3 輪周功率

列車輪周功率是列車牽引性能的直接表征，與最高速度、軸重等都密切相關(guān)，同時(shí)也是列車能耗的間接表征指標(biāo)。隨著列車動(dòng)力配置的不斷增強(qiáng)，不突破粘著極限的速度目標(biāo)原則上都是可以實(shí)現(xiàn)的，但過高能耗是不經(jīng)濟(jì)、也不合理的選擇?？紤]與我國既有高速鐵路線路的互通互用，特別是對(duì)供電系統(tǒng)能力的要求，列車功率不宜增加過多。因此，基于當(dāng)前電機(jī)技術(shù)、列車重量和列車阻力控制技術(shù)的發(fā)展情況，400 km/h的8輛編組列車輪周功率宜控制在 11 000～12 000 kW之間。

為滿足成渝中線的近期建設(shè)要求，可首選永磁同步電機(jī)[9]提升功率，提高功率因素、起動(dòng)扭矩、電機(jī)效率等，降低損耗，控制重量和噪聲。再在CR400系列的4M4T基礎(chǔ)上增加動(dòng)拖比，進(jìn)一步提升起動(dòng)牽引力，提高起動(dòng)加速度，提升加速性能。

2.4 制動(dòng)距離

制動(dòng)距離是全線旅行時(shí)間、行車追蹤間隔和高速鐵路信號(hào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。既有高速鐵路以 350 km/h速度下6.5 km的緊急制動(dòng)距離來設(shè)計(jì)，若速度提升至400 km/h，對(duì)應(yīng)的制動(dòng)距離將延長至10 km以上?？紤]列車對(duì)既有高速鐵路線網(wǎng)提速的適應(yīng)性，動(dòng)車組制動(dòng)距離應(yīng)盡量向既有高速鐵路6.5 km的指標(biāo)靠攏。

為滿足成渝中線的近期建設(shè)要求，先增加動(dòng)拖比，提升再生制動(dòng)力，減小制動(dòng)距離和基礎(chǔ)制動(dòng)損耗，再應(yīng)用渦流、風(fēng)阻等非粘著制動(dòng)提升減速度，控制制動(dòng)距離。

2.5 動(dòng)車組減阻能力

高速列車基本運(yùn)行阻力包括列車自身及其與鋼軌之間的機(jī)械阻力和空氣阻力?？諝庾枇εc列車速度的平方成正比，當(dāng)列車運(yùn)行速度在300 km/h及以上時(shí)，空氣阻力占列車基本運(yùn)行阻力的95%以上[12]?？諝庾枇εc列車橫截面積、頭部形狀以及流線型長度等密切相關(guān)，為滿足與當(dāng)前國內(nèi)既有高速鐵路線路的互通互用，線間距、隧道斷面(100 m2)、隧道內(nèi)空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)、進(jìn)出口微氣壓波等都需要400 km/h列車通過設(shè)計(jì)改型來適應(yīng)，特別是在線下基礎(chǔ)預(yù)留有更高速度條件的區(qū)段。

國內(nèi)高速列車尺寸如表2所示。從表中可以看出，相較于CRH380系列車型，復(fù)興號(hào)CR400系列車高較高，車寬尺寸相差不大。通過列車車下和車頂設(shè)備的合理布局，車高和橫截面積約有3%～5%的調(diào)整空間。

表2 國內(nèi)高速列車尺寸表

據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，列車流線型頭部長度與列車氣動(dòng)阻力密切相關(guān)，在列車運(yùn)行速度為350 km/h的條件下，列車頭部長度每增加1 m，列車氣動(dòng)阻力可減小約4%～8%[13-14]。因此，結(jié)合當(dāng)前車輛減阻技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，400 km/h高速動(dòng)車組宜在CR400系列的基礎(chǔ)上降阻5%及以上。

為滿足成渝中線的近期建設(shè)要求，可首選降低車高，優(yōu)化截面，再通過對(duì)頭車形狀、流線型長度，以及氣動(dòng)外形進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)動(dòng)車組減阻。

3 “優(yōu)化400”高速動(dòng)車組概念方案的性能

基于對(duì)列車最高速度、剩余加速度、輪周功率、軸重、制動(dòng)距離、減阻能力等指標(biāo)的分析，本文提出了“優(yōu)化400”高速動(dòng)車組概念方案，其基本參數(shù)與CR400系列車型的對(duì)比結(jié)果如表3所示。

表3 “優(yōu)化400”與CR400系列車型的基本參數(shù)對(duì)照表

從表3可以看出，相較于CR400系列車型，“優(yōu)化400”高速動(dòng)車組輪周功率最大提升約18%，動(dòng)車增加1節(jié)，動(dòng)拖比提升，軸重降低約5%，車體斷面減小約3%，最高運(yùn)營速度下的制動(dòng)距離相當(dāng)。通過線路運(yùn)行仿真初步計(jì)算，“優(yōu)化400”高速動(dòng)車組可實(shí)現(xiàn)成渝中線50 min以內(nèi)的開行需求。

“優(yōu)化400”高速動(dòng)車組的牽引性能也較CR400系列有所提升，其牽引特性的對(duì)比如圖2所示。

圖2 “優(yōu)化400”和CR400系列車型牽引性能對(duì)比圖

從圖2可以看出，““優(yōu)化400”高速動(dòng)車組因動(dòng)拖比的增加，低速區(qū)段的牽引性能有所提升，啟動(dòng)加速度提升至0.6 m/s2左右，為實(shí)現(xiàn)400 km/h持續(xù)運(yùn)行，輪周功率提升并不大，較CR400B車型僅提升約13%。“優(yōu)化400” 高速動(dòng)車組的坡道特性如圖3所示。

圖3 “優(yōu)化400”動(dòng)車組坡道特性圖

由圖3可知，“優(yōu)化400”動(dòng)車組在20‰坡道上的平衡速度提升到了300 km/h(CR400系列車型在20‰坡道上的平衡速度為260 km/h)，可更好適應(yīng)20‰及以上大坡道高速鐵路網(wǎng)的高速開行。

綜上所述，“優(yōu)化400”高速動(dòng)車組概念方案的性能良好，符合成渝中線功能定位，滿足開行需求。

4 結(jié)束語

“優(yōu)化400”高速動(dòng)車組概念設(shè)計(jì)方案，是基于成渝中線工程以及既有中國高速鐵路網(wǎng)提速和增效的需求而提出的，且充分考慮了國內(nèi)外高速動(dòng)車組先進(jìn)技術(shù)研究發(fā)展和設(shè)計(jì)制造的現(xiàn)狀，技術(shù)可行，工程可用性和可實(shí)施性高，能有效支撐成渝中線工程設(shè)計(jì)的開展，助推了成渝地區(qū)雙城經(jīng)濟(jì)圈建設(shè)。同時(shí)，為400 km/h高速動(dòng)車組產(chǎn)品的優(yōu)化提供了方向，為實(shí)現(xiàn)更高水平高速鐵路技術(shù)的引領(lǐng)奠定了基礎(chǔ)。