復(fù)興號中國標(biāo)準(zhǔn)動車組

齊延輝，周黎

a China State Railway Group Co., Ltd., Beijing 100844, China

b China Academy of Railway Sciences Co., Ltd., Beijing 100081, China

1.工程介紹

自2008年北京至天津間建成第一條高鐵城際線路以來，中國高鐵發(fā)展迅猛。在短短10年間，鄭州—西安、北京—上海、北京—廣州、蘭州—烏魯木齊、海南環(huán)島等高鐵陸續(xù)開通運(yùn)營。截至2018年年底，中國高速鐵路營業(yè)里程突破29 000 km，占世界高鐵總里程的2/3以上，“四縱四橫”高鐵網(wǎng)已提前建成運(yùn)營，“八縱八橫”高鐵網(wǎng)建設(shè)全面展開[1]。高鐵拉近了城市間的時(shí)空距離，便捷了城市間的商務(wù)往來，帶動了高鐵周邊經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展，深刻地影響和改變著人們的出行和生活方式，大大提升了中國人民的幸福感和獲得感。

十幾年來，作為中國高速鐵路重要形象和標(biāo)志的高鐵動車組裝備逐步形成了平臺化、系列化產(chǎn)品。中國鐵路持續(xù)開展技術(shù)創(chuàng)新，2017年復(fù)興號動車組被正式命名并投入批量運(yùn)營，標(biāo)志著中國已建立了完整的動車組技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系。復(fù)興號（圖1）成為具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的新一代動車組，打造了一張靚麗的中國名片。復(fù)興號開行范圍不斷擴(kuò)大，覆蓋北京—上海（京滬）、北京—廣州（京廣）、上海—昆明（滬昆）等線路，通達(dá)23個(gè)省會城市、直轄市和自治區(qū)首府。截至2019年9月，動車組保有量達(dá)到3480組，其中復(fù)興號動車組為557標(biāo)準(zhǔn)組。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2019年前三季度全國鐵路日均開行列車8538列，其中動車組占比達(dá)71.6%，動車組中復(fù)興號列車占比達(dá)12%，復(fù)興號品牌影響不斷擴(kuò)大。

圖1 . 復(fù)興號中國標(biāo)準(zhǔn)動車組。

復(fù)興號動車組是由中國國家鐵路集團(tuán)有限公司集合國內(nèi)有關(guān)企業(yè)、高校、科研單位等優(yōu)勢力量，產(chǎn)學(xué)研用緊密結(jié)合、協(xié)同創(chuàng)新、聯(lián)合實(shí)施的鐵路重大裝備工程。該工程項(xiàng)目從2013年開始，歷經(jīng)技術(shù)條件編制、方案制訂、樣車研制、型式試驗(yàn)、運(yùn)用考核、批量生產(chǎn)、上線運(yùn)營、以時(shí)速350 km運(yùn)營的研制試驗(yàn)和批量運(yùn)用歷程。

復(fù)興號動車組適應(yīng)中國高速鐵路運(yùn)營環(huán)境和條件，滿足環(huán)境復(fù)雜多樣、長距離、長時(shí)間、連續(xù)高速運(yùn)行等需求。8輛編組復(fù)興號動車組全長208.95 m，設(shè)計(jì)運(yùn)營時(shí)速350 km，載客量576人，適用環(huán)境溫度-40～40 ℃，使用壽命30年，有CR400AF和CR400BF兩個(gè)平臺，平面布置如圖2和圖3所示。2017年9月21日，復(fù)興號動車組列車在京滬高鐵率先以350 km時(shí)速運(yùn)行，京滬兩地的高鐵行駛時(shí)間從5 h縮短至4.5 h。2018年7月，16輛編組復(fù)興號開始投入運(yùn)營，定員1193人。2019年1月，17輛超長版復(fù)興號動車組在京滬線投入運(yùn)營，可乘坐人數(shù)提升至1283人，較16輛編組提高7.5%。目前復(fù)興號已有兩個(gè)平臺，產(chǎn)品速度等級覆蓋時(shí)速350 km和250 km，系列化產(chǎn)品體系正在形成。

2.技術(shù)解讀

復(fù)興號動車組研制以自主化、統(tǒng)型和互聯(lián)互通為前提，堅(jiān)持軟硬件自主創(chuàng)新研發(fā)，建立了中國高速動車組標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)平臺，在多項(xiàng)性能指標(biāo)方面取得了技術(shù)創(chuàng)新和突破。與既有動車組相比，技術(shù)指標(biāo)更先進(jìn)，安全保障更全面，綠色環(huán)保更節(jié)能，乘坐體驗(yàn)更舒適，周期成本更節(jié)約。

2.1. 技術(shù)指標(biāo)更先進(jìn)

就動車組而言，既要采用大功率牽引動力，提供足夠的牽引力，達(dá)到列車最高運(yùn)行速度、加速性能和坡道起動等性能指標(biāo)；也要采用高性能的制動系統(tǒng)，提供同步的制動力，滿足列車在調(diào)速和在規(guī)定距離內(nèi)停車的制動性能指標(biāo)[2]。復(fù)興號動車組在牽引、制動、高壓等系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)更為先進(jìn)。

圖2 . CR400AF型動車組編組平面布置。

圖3 . CR400BF型動車組編組平面布置。

（1）復(fù)興號動車組的牽引功率技術(shù)指標(biāo)比既有動車組提升7%，達(dá)到10 400 kW。從靜止到350 km，啟動加速時(shí)間僅有391 s，比既有CRH380動車組減少81 s，加速距離縮短了6.4 km。

（2）復(fù)興號動車組由制動系統(tǒng)實(shí)施統(tǒng)一的列車制動力管理、計(jì)算和分配，實(shí)現(xiàn)空電復(fù)合控制模式，采用統(tǒng)一減速度曲線控制，同步控制性能更優(yōu)異；充分利用黏著及再生電制動，再生制動功率提升為牽引功率的1.3倍，閘片磨耗顯著降低。

（3）復(fù)興號動車組采用主動控制受電弓和整體密閉的高壓箱結(jié)構(gòu)，高壓設(shè)備外絕緣雷電沖擊耐受電壓由170 kV提升至185 kV，提高了霧霾等惡劣天氣條件下，高壓系統(tǒng)抗雷電沖擊和防污閃能力。

2.2.安全保障更智能

動車組采用完善的主動和被動安全防護(hù)設(shè)計(jì)，采用先進(jìn)的車載網(wǎng)絡(luò)、車地通信網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)用傳感器采集、數(shù)據(jù)處理、故障診斷、自動控制、遠(yuǎn)程監(jiān)控等技術(shù)手段，構(gòu)建了更智能的動車組安全保障體系。

（1）全車共設(shè)置2500個(gè)傳感器檢測/監(jiān)視點(diǎn)，比既有動車組增加500個(gè)檢測點(diǎn)，能夠?qū)崟r(shí)智能感知動車組的運(yùn)行及設(shè)備工作狀態(tài)。當(dāng)檢測到異常時(shí)可以及時(shí)自動控制動車組減速或停車使動車組導(dǎo)向安全。

（2）設(shè)置多種主動安全預(yù)警裝置和故障導(dǎo)向安全設(shè)計(jì)，采用多級吸能結(jié)構(gòu)和耐碰撞車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主動和被動安全措施全面。

（3）列車車載控制網(wǎng)采用符合國際標(biāo)準(zhǔn)的列車通信網(wǎng)（train communication network, TCN），列車維護(hù)網(wǎng)采用以太網(wǎng)。維護(hù)網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)故障診斷信息傳輸，完成軟件更新和數(shù)據(jù)下載，數(shù)據(jù)傳輸能力提升至100 Mbp·s-1，可實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)對車上控制設(shè)備的維護(hù)功能。

（4）應(yīng)用3G/4G通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)車地信息傳輸，地面監(jiān)控人員可實(shí)時(shí)掌握動車組運(yùn)行動態(tài)，可支持在線數(shù)據(jù)監(jiān)控。無線傳輸設(shè)備（wireless transmitting device,WTD）系統(tǒng)還可以提供輪對軸承溫度數(shù)據(jù)曲線回放和歷史故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的功能，如圖4所示。迄今為止，包括復(fù)興號動車組在內(nèi)的3000多個(gè)動車組已配備了WTD。

圖4 . 復(fù)興號動車組在線數(shù)據(jù)監(jiān)視。（a）輪對軸承溫度曲線回放（轉(zhuǎn)向架1軸1）；（b）歷史故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。ATP + GFX：自動速度防護(hù)系統(tǒng)和地面過分相裝置。

2.3. 綠色環(huán)保更節(jié)能

雖然鐵路具有能耗低、污染小和運(yùn)量大等優(yōu)勢，但隨著列車運(yùn)行速度的提高、運(yùn)量的增加、運(yùn)行距離的延長，節(jié)能和環(huán)保方面也面臨了新的挑戰(zhàn)。高速鐵路是龐大復(fù)雜的系統(tǒng)工程，列車運(yùn)行過程中影響因素眾多，為實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保目標(biāo)，復(fù)興號在降低能耗和噪聲，采用環(huán)保材料，提高能效和再生能源利用方面取得成效。

（1）復(fù)興號動車組采用全新低阻力流線型頭型設(shè)計(jì)，優(yōu)化車頂設(shè)備安裝結(jié)構(gòu)，采用全包式外風(fēng)擋，實(shí)現(xiàn)車體平順化，如圖5所示。復(fù)興號動車組運(yùn)行阻力比既有動車組降低7.5%～12.3%，以350 km運(yùn)營時(shí)，人均百公里能耗降低約17%。

（2）復(fù)興號動車組車外噪聲優(yōu)于既有動車組，在京滬高鐵350 km·h-1運(yùn)行時(shí)車外噪聲降低1～3 dB。

（3）大量使用環(huán)保綠色材料，如采用水性涂料，無毒無刺激氣味，環(huán)保節(jié)能。

（4）提高牽引系統(tǒng)效率，降低冷卻系統(tǒng)能耗，使用再生制動技術(shù)，降低閘片磨耗，實(shí)現(xiàn)電能循環(huán)使用。

2.4. 乘坐體驗(yàn)更舒適

研究資料表明，高速動車組旅客對有關(guān)乘車舒適度各影響因素的關(guān)注程度由大到小依次為：噪聲、空氣瞬變壓力、異臭味、廁所設(shè)施、溫度、振動、座椅寬度、空氣清新度等[3]。復(fù)興號在旅客乘座空間、座椅間距、內(nèi)部噪聲、空氣瞬變壓力、平穩(wěn)性方面顯著改善。

（1）動車組內(nèi)部噪聲優(yōu)于既有動車組，在京滬高鐵350 km·h-1運(yùn)行時(shí)，司機(jī)室內(nèi)和客室內(nèi)噪聲降低1～3 dB，受電弓客室端部噪聲降低6～7 dB。

（2）壓力波變化率比既有動車組降低20%，進(jìn)一步降低通過隧道或交會時(shí)耳部不適感。

（3）車體橫向平穩(wěn)性均值降低21%，車體垂向平穩(wěn)性均值降低11%，動車組運(yùn)行更加平穩(wěn)舒適。

（4）動車組的車體寬度增加到3360 mm，高度增加到4050 mm，車體斷面增大7%～10.5%，乘客座椅間距加大，旅客乘坐空間改善，乘坐環(huán)境更舒適，如圖6所示分別為商務(wù)座席、餐廳吧臺、一等座席和二等座席布局。

（5）增設(shè)旅客用免費(fèi)WiFi無線網(wǎng)絡(luò)，提供移動辦公環(huán)境，豐富旅途生活。

2.5. 全壽命周期成本更節(jié)約

動車組互聯(lián)互通、備品備件和主要零部件統(tǒng)型、高速列車維修周期統(tǒng)一是高速鐵路系統(tǒng)綜合保障工程中的重要組成部分，它們既是高速列車運(yùn)用的前提和安全的保障，也是提高車輛效率、可用性、安全性和降低壽命周期成本的主要措施。

（1）一級修統(tǒng)一為6000 km，三級修從6×105km統(tǒng)一為1.2×106km。復(fù)興號動車組全壽命周期減少高級修12次。

（2）復(fù)興號動車組整車壽命達(dá)30年，與既有動車組相比延長10年。

圖5 . 動車組運(yùn)行低阻力設(shè)計(jì)。（a）流線型頭型設(shè)計(jì)； （b）頭部周圍流場； （c）平順化； （d）氣動力風(fēng)洞試驗(yàn)。

圖6 . 復(fù)興號動車組的布局提高了乘客舒適度。（a）商務(wù)座席；（b）餐廳吧臺；（c）一等座席；（d）二等座席。

（3）通過統(tǒng)一互聯(lián)、互通、互操作功能，實(shí)現(xiàn)不同廠家生產(chǎn)的相同速度等級動車組能夠重聯(lián)運(yùn)行，不同速度等級動車組能夠相互救援，使運(yùn)營組織更加靈活，提升動車組的利用效率，降低運(yùn)用成本；

（4）推進(jìn)動車組主要部件統(tǒng)型，部件統(tǒng)型涉及十大系統(tǒng)86項(xiàng)，減少了備品備件種類，降低了動車組購置及運(yùn)用成本。

2.6. 列車標(biāo)準(zhǔn)體系

復(fù)興號中國標(biāo)準(zhǔn)動車組技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系涵蓋包括基礎(chǔ)通用、車體、走行裝置等13大類技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。復(fù)興號動車組采用的260項(xiàng)重要標(biāo)準(zhǔn)中，大量為國家標(biāo)準(zhǔn)、鐵路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、國鐵集團(tuán)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)性技術(shù)文件等中國標(biāo)準(zhǔn)，占比達(dá)84%；同時(shí)部分采用了國際鐵路聯(lián)盟（International Union of Railways, UIC）、國際電工委員會（International Electrotechnical Commission, IEC）和國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（International Organization for Standardization, ISO）等國際標(biāo)準(zhǔn)。

3.研制及試驗(yàn)過程

3.1. 研制過程

（1）頭型及車體方案。研發(fā)團(tuán)隊(duì)最初設(shè)計(jì)了46種頭型概念方案，經(jīng)過氣動阻力、氣動升力、側(cè)向力及隧道效應(yīng)等18類上百次仿真計(jì)算，確定6種備選頭型，并結(jié)合風(fēng)洞試驗(yàn)和動模型試驗(yàn)進(jìn)行方案驗(yàn)證與多目標(biāo)迭代優(yōu)化，確定了最終的“飛龍”“金鳳”頭型方案。

（2）核心關(guān)鍵系統(tǒng)方案。根據(jù)動車組最高持續(xù)運(yùn)營速度、動車組自重、運(yùn)行阻力和制動距離等頂層指標(biāo)，進(jìn)行牽引系統(tǒng)和制動系統(tǒng)設(shè)計(jì)。根據(jù)牽引功率和制動力需求進(jìn)行分析評估，確定了4動4拖（four motor with four trailer, 4M4T）編組動力分散模式。

總體和核心系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括牽引/輔助變流器、牽引電機(jī)、制動系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向架、牽引變壓器、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等主要系統(tǒng)硬件和軟件均經(jīng)過了方案評審、樣機(jī)研制、型式試驗(yàn)、地面組合試驗(yàn)等階段，全部試驗(yàn)完成后方可進(jìn)行裝車試驗(yàn)。

（3）運(yùn)行安全技術(shù)方案。在車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中引入被動安全設(shè)計(jì)理念，開發(fā)了專用碰撞吸能裝置。吸能元件采用成本低和吸能效率高的金屬薄壁管件，以八邊形管為主，六邊形管件圍繞四周，形成五孔組合結(jié)構(gòu)形式。同時(shí)，設(shè)置導(dǎo)向型材控制車鉤座的后退方向，保證吸能裝置發(fā)生碰撞時(shí)變形有序可控。經(jīng)過吸能元件、部件、司機(jī)室級試驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了動車組全包覆工況下，部件協(xié)調(diào)動作、吸能與承載結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)，形成了長行程、大容量、穩(wěn)定性好的吸能結(jié)構(gòu)方案，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)如圖7所示。

（4）互聯(lián)互通、統(tǒng)型技術(shù)。2003年以來，通過引進(jìn)消化吸收再創(chuàng)新，中國鐵路分別形成CRH1、CRH2、CRH3與CRH5一共4種技術(shù)平臺?；诓煌夹g(shù)平臺研發(fā)出的既有動車組車型不能互聯(lián)互通，一旦某型車發(fā)生故障，需同種類型車輛進(jìn)行救援。除此之外，檢修車間也需要配齊不同車型的全部零部件，運(yùn)營和維修成本居高不下。

復(fù)興號動車組總體和零部件全部采用自主化設(shè)計(jì)，11個(gè)系統(tǒng)86項(xiàng)零部件按照統(tǒng)型設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)了動車組零部件通用互換，減少了備品配件種類，降低了檢修維護(hù)成本。除零部件統(tǒng)型外，軟件控制也全部自主研發(fā)。牽引、制動、網(wǎng)絡(luò)等關(guān)鍵系統(tǒng)軟硬件實(shí)現(xiàn)自主化，形成統(tǒng)一的司乘操作界面、統(tǒng)一的操控模式，如圖8、圖9所示，最終實(shí)現(xiàn)不同廠家動車組連掛、重聯(lián)運(yùn)營，如圖10所示，提高了運(yùn)行效率。

3.2. 試驗(yàn)過程

圖7 . 吸能系統(tǒng)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)。

圖8 . 復(fù)興號動車組司機(jī)室電氣柜布置。CIR：機(jī)車綜合無線通信設(shè)備；PIS：旅客信息系統(tǒng)。

圖9 . 復(fù)興號動車組駕駛室圖片。

圖10 . 不同廠家復(fù)興號重聯(lián)。

2015年7月開始，兩列復(fù)興號動車組在中國鐵道科學(xué)研究院（簡稱鐵科院）環(huán)行試驗(yàn)基地和大西線開展了動力學(xué)、弓網(wǎng)受流、牽引性能、制動性能、空氣動力學(xué)等66項(xiàng)整車型式試驗(yàn)項(xiàng)目，鐵科院對復(fù)興號中國標(biāo)準(zhǔn)動車組各項(xiàng)性能進(jìn)行了全方位驗(yàn)證。2015年11月，復(fù)興號動車組在大通—西安（大西）客專的最高試驗(yàn)速度達(dá)到385 km·h-1。

與型式試驗(yàn)同步還開展了大量科學(xué)研究性試驗(yàn)，圍繞深化高速鐵路基礎(chǔ)理論和完善中國高速鐵路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)體系開展了研究工作。2016年7月15日，兩列中國標(biāo)準(zhǔn)動車組在鄭州—徐州（鄭徐）客專完成420 km·h-1的交會和重聯(lián)試驗(yàn)，創(chuàng)造了實(shí)際運(yùn)營動車組的最高試驗(yàn)速度，監(jiān)測系統(tǒng)及交會試驗(yàn)如圖11和圖12所示。2016年7—10月，復(fù)興號動車組在武漢—廣州（武廣）線和哈爾濱—大連（哈大）線陸續(xù)完成了空載運(yùn)行、模擬載客等運(yùn)用考核。

圖11 . 復(fù)興號動車組試驗(yàn)監(jiān)測系統(tǒng)。

圖12 . 復(fù)興號動車組交會試驗(yàn)。

2018年6月，在北京—沈陽（京沈）高鐵遼寧段，復(fù)興號動車組試驗(yàn)了自動駕駛系統(tǒng)，采用“CTCS3+ATO”技術(shù)，實(shí)現(xiàn)列車自動發(fā)車、區(qū)間自動運(yùn)行、到站自動停車、停車后車門自動打開、車門與站臺屏蔽門之間自動聯(lián)控等功能，還可根據(jù)列車運(yùn)行區(qū)間自動調(diào)整列車運(yùn)行的最高時(shí)速。

4.總結(jié)

時(shí)速350 km復(fù)興號動車組開行以來，展現(xiàn)出良好的技術(shù)先進(jìn)性、安全可靠性和乘坐舒適性，總體運(yùn)行狀況平穩(wěn)，旅客體驗(yàn)反映良好，贏得了社會廣泛贊譽(yù)。復(fù)興號動車組作為中國高速動車組產(chǎn)品平臺，也可面向世界各國的實(shí)際需求量身打造，設(shè)計(jì)研制具有國際競爭力的動車組成套技術(shù)產(chǎn)品。

軌道交通前沿技術(shù)的研究也一直在持續(xù)推動。圍繞新技術(shù)研究應(yīng)用，未來列車高速運(yùn)行下的低噪聲控制、整車輕量化、5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的運(yùn)用也為高速鐵路發(fā)展帶來了新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。在舒適性方面，列車高速運(yùn)行時(shí)的輪軌沖擊導(dǎo)致振動與噪聲加劇，對列車的舒適性控制與噪聲抑制成為重點(diǎn)關(guān)注方向；在節(jié)能性方面，整車輕量化是降低車輛能耗、減少制動負(fù)荷的有效途徑，除了結(jié)構(gòu)與材料的輕量化，將牽引系統(tǒng)等車載設(shè)備向線路轉(zhuǎn)移的“輕裝備”技術(shù)也是重要發(fā)展方向；在智能化方面，隨著具備高帶寬、低時(shí)延的5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展應(yīng)用，車地間可以傳輸更大容量、更快響應(yīng)的列車狀態(tài)數(shù)據(jù)，可進(jìn)一步提升列車運(yùn)行的智能化、安全性與可靠性。

Appendix A. Supplementary data

Supplementary data to this article can be found online at https://doi.org/10.1016/j.eng.2020.01.004.