高速動(dòng)車(chē)組技術(shù)發(fā)展特點(diǎn)及趨勢(shì)

趙紅衛(wèi) ，梁建英 ，劉長(zhǎng)青

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

b CRRC Qingdao Sifang Co., Ltd., Qingdao 266111, China

c CRRC Changchun Railway Vehicles Co., Ltd., Changchun 130052, China

1. 世界高速列車(chē)發(fā)展歷程

國(guó)際鐵路聯(lián)盟（International Union of Railways,UIC）對(duì)高速鐵路定義為：新線設(shè)計(jì)速度250 km·h-1以上，提速線路速度達(dá)到200 km·h-1的鐵路[1]。我國(guó)對(duì)高速鐵路的定義為：新建設(shè)計(jì)開(kāi)行250 km·h-1（含預(yù)留）及以上動(dòng)車(chē)組列車(chē)初期運(yùn)營(yíng)速度不小于200 km·h-1的客運(yùn)專(zhuān)線鐵路[2]。從世界范圍來(lái)看，高速鐵路及高速動(dòng)車(chē)組發(fā)展大致可以分為3個(gè)歷史時(shí)期，分別是初步運(yùn)營(yíng)期、線路平臺(tái)擴(kuò)展期和快速發(fā)展期。

1.1. 初步運(yùn)營(yíng)期（20世紀(jì)60年代至70年代末）

1964年10月1日，世界第一條高速鐵路——東海道新干線（東京—新大阪）在日本誕生。當(dāng)時(shí)投入運(yùn)營(yíng)的高速動(dòng)車(chē)組為0系，由6節(jié)動(dòng)車(chē)編組而成，最高運(yùn)營(yíng)速度為210 km·h-1。

1.2. 線路平臺(tái)擴(kuò)展期（20世紀(jì)80年代初至20世紀(jì)末）

該階段高速鐵路發(fā)展從日本擴(kuò)展到了歐洲，法國(guó)、德國(guó)、意大利等國(guó)家也紛紛建設(shè)和開(kāi)通高速鐵路，并采用不同的技術(shù)路線研制出具有各自特點(diǎn)的新型動(dòng)車(chē)組平臺(tái)，動(dòng)車(chē)組型號(hào)不斷豐富，技術(shù)性能不斷提升，最高運(yùn)營(yíng)速度逐步提升到了300 km·h-1。

法國(guó)于1983年開(kāi)通了LGV (ligne à grande vitesse)東南線（巴黎—里昂）[3]，該線路的開(kāi)通運(yùn)營(yíng)是世界高速鐵路運(yùn)營(yíng)速度達(dá)到300 km·h-1的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，也是高速鐵路范圍從日本擴(kuò)展到歐洲的開(kāi)端；后來(lái)又逐漸開(kāi)通了LGV大西洋線（巴黎—勒芒/圖爾）等線路，分別采用阿爾斯通公司研制生產(chǎn)的TGV (trains à grande vitesse)系列高速列車(chē)，最高運(yùn)營(yíng)速度達(dá)到300 km·h-1。德國(guó)于1991年開(kāi)通了漢諾威—富爾達(dá)—維爾茨堡、曼海姆—斯圖加特高速鐵路，最高運(yùn)營(yíng)速度均達(dá)到250 km·h-1，均采用西門(mén)子公司研制生產(chǎn)的ICE1、ICE2等動(dòng)力集中型高速動(dòng)車(chē)組。意大利于1992年前分段開(kāi)通了羅馬—佛羅倫薩高速鐵路，最高運(yùn)營(yíng)速度為250 km·h-1，采用FIAT (Fabbrica Italiana Automobili di Torino)公司（后被阿爾斯通公司控股）獨(dú)立研制的ETR450、ETR460等型號(hào)的動(dòng)力分散式擺式高速列車(chē)。西班牙開(kāi)通了馬德里—塞維利亞高速鐵路，采用從法國(guó)阿爾斯通引進(jìn)技術(shù)的S100型動(dòng)力集中型動(dòng)車(chē)組等，最高運(yùn)營(yíng)速度為300 km·h-1。日本的新干線技術(shù)體系繼續(xù)發(fā)展，高速動(dòng)車(chē)組沿著動(dòng)力分散的技術(shù)路線，逐漸推廣應(yīng)用了100系、200系、300系、400系、500系、700系等多種型號(hào)的高速列車(chē)，以及E1系、E2 系、E3系等型號(hào)高速列車(chē)，其中500系動(dòng)車(chē)組于1997年最高速度達(dá)到300 km·h-1。

可以看出，該階段世界高速動(dòng)車(chē)組技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟，涌現(xiàn)出動(dòng)力集中和動(dòng)力分散不同技術(shù)路線，擺式列車(chē)和非擺式列車(chē)也相繼涌現(xiàn)，型號(hào)不斷豐富，速度不斷提升，西門(mén)子、阿爾斯通等幾大制造商已初具規(guī)模和雛形，高速鐵路所發(fā)揮出的巨大效應(yīng)也為經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展帶來(lái)了新的生機(jī)和活力。

1.3. 快速發(fā)展階段（21世紀(jì)以來(lái)）

進(jìn)入21世紀(jì)初，世界高速鐵路快速發(fā)展，美國(guó)、俄羅斯、韓國(guó)、波蘭、中國(guó)等國(guó)家開(kāi)始發(fā)展高速鐵路，尤其是中國(guó)高速鐵路的快速崛起，極大地帶動(dòng)了世界高速鐵路的發(fā)展。僅21世紀(jì)以來(lái)的頭10年中，世界范圍內(nèi)新建高速鐵路近15 000 km，是此前30多年新建高速鐵路總體規(guī)模的3倍多。

與高速鐵路線路相伴而生，高速動(dòng)車(chē)組性能不斷優(yōu)化，動(dòng)車(chē)組平臺(tái)化趨勢(shì)愈加明顯。法國(guó)研制并運(yùn)營(yíng)了TGV POS (Paris-Ostfrankreich-Süddeutschland)、TGV Réseau Duplex動(dòng)車(chē)組，以及TGV Duplex Dasye、TGV Duplex RGV2N2、TGV Océane等型號(hào)雙層動(dòng)車(chē)組，最高運(yùn)營(yíng)速度均可達(dá)320 km·h-1；此外，阿爾斯通公司還轉(zhuǎn)變以往動(dòng)力集中的路線，研制成功了動(dòng)力分散型的動(dòng)車(chē)組AGV（automotrice à grande vitesse，已經(jīng)用于意大利民營(yíng)鐵路公司NTV的運(yùn)營(yíng)）。德國(guó)也改變了以往動(dòng)力集中的技術(shù)路線，研制并運(yùn)營(yíng)了動(dòng)力分散型的ICE3和新型ICE3動(dòng)車(chē)組，最高運(yùn)營(yíng)速度為300 km·h-1；研制了ICE4型動(dòng)車(chē)組，開(kāi)辟了可靈活編組動(dòng)車(chē)組的先河，并有多項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新，最高速度為250 km·h-1；此外，為了適應(yīng)既有線路多曲線的要求，還研制了電力擺式動(dòng)車(chē)組ICE T（最高速度為230 km·h-1）和內(nèi)燃擺式動(dòng)車(chē)組ICE TD（最高速度為200 km·h-1）。意大利應(yīng)用了設(shè)計(jì)速度為400 km·h-1、計(jì)劃運(yùn)營(yíng)速度為360 km·h-1的紅箭1000型動(dòng)車(chē)組，為非鉸接式、動(dòng)力分散型、8節(jié)編組單層列車(chē)，目前最高運(yùn)營(yíng)速度為300 km·h-1。日本東北新干線上投入運(yùn)營(yíng)了E5、E6系動(dòng)車(chē)組，東北新干線上投入運(yùn)營(yíng)的H5系動(dòng)車(chē)組，最高運(yùn)營(yíng)速度均為320 km·h-1，其中H5系動(dòng)車(chē)組可以適應(yīng)北海道地區(qū)多雪寒冷的氣候環(huán)境。該階段動(dòng)車(chē)組制造商開(kāi)始拓展海外市場(chǎng)，例如，西門(mén)子公司Velaro E系列動(dòng)車(chē)組技術(shù)輸出到西班牙、俄羅斯等國(guó)家，阿爾斯通公司的TGV技術(shù)輸出到韓國(guó)、美國(guó)等國(guó)家。

總體來(lái)看，世界動(dòng)車(chē)組經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展已經(jīng)形成模塊化、系列化產(chǎn)品[4]。其中，德國(guó)ICE系列動(dòng)車(chē)組已經(jīng)囊括ICE 1、ICE 2、ICE 3、ICE 3M以及ICE 4等車(chē)型。法國(guó)TGV高速列車(chē)已發(fā)展到第四代，其中，第一代為T(mén)GV-PSE、郵政高速列車(chē)，第二代為T(mén)GV-A、AVE、TGV-R、TGV-TMST（歐洲之星）、TGV-PBKA等型號(hào)，第三代為T(mén)GV-2N等型號(hào)，第四代為AGV高速列車(chē)。日本高速動(dòng)車(chē)組列車(chē)形成兩大系列，其一為以百位數(shù)字表示的高速列車(chē)，從0系開(kāi)始，發(fā)展出100系、200系、300系、400系、500系、700系、800系及N700系；其二為E系高速列車(chē)，有E1、E2、E3、E4、E5等型號(hào)。這種模塊化、平臺(tái)化的趨勢(shì)，便于在平臺(tái)化的基礎(chǔ)上針對(duì)多樣化的市場(chǎng)需求，通過(guò)編組變化、模塊化設(shè)計(jì)等手段，滿足各種運(yùn)用模式和運(yùn)營(yíng)環(huán)境的需求，而且有利于列車(chē)的升級(jí)、縮短考核時(shí)間和準(zhǔn)入流程。

1.4. 中國(guó)高速鐵路發(fā)展

中國(guó)高速動(dòng)車(chē)組技術(shù)發(fā)展歷經(jīng)自主探索、引進(jìn)消化吸收再創(chuàng)新和全面自主創(chuàng)新三個(gè)階段。目前動(dòng)車(chē)組產(chǎn)品覆蓋時(shí)速250 km、300 km、350 km及以上速度級(jí)，能夠適應(yīng)不同線路、不同環(huán)境條件和不同運(yùn)輸需求。

自主探索階段開(kāi)始于20世紀(jì)末，1997年中國(guó)開(kāi)始第一次大提速，1999年秦皇島—沈陽(yáng)（秦沈）客專(zhuān)開(kāi)工建設(shè)，設(shè)計(jì)時(shí)速250 km；期間自主研發(fā)了“中華之星”和“先鋒號(hào)”等動(dòng)車(chē)組。引進(jìn)消化吸收再創(chuàng)新階段開(kāi)始于2003年，2004年中國(guó)政府發(fā)布了《中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》，提出規(guī)劃建設(shè)“四縱四橫”高鐵網(wǎng)。北京—天津（京津）線、鄭州—西安（鄭西）高鐵、上海—南京（滬寧）線、北京—上海（京滬）線和哈爾濱—大連（哈大）線等線路陸續(xù)開(kāi)通運(yùn)營(yíng)[5]。這個(gè)階段中國(guó)從龐巴迪、川崎、西門(mén)子和阿爾斯通分別引進(jìn)了4種原型動(dòng)車(chē)組并打造了CRH1、CRH2、CRH3和CRH5共4個(gè)和諧號(hào)動(dòng)車(chē)組平臺(tái)。其中，時(shí)速300 km及以上動(dòng)車(chē)組平臺(tái)包括CRH2C、CRH3C和380系列動(dòng)車(chē)組。CRH2C和CRH3C是設(shè)計(jì)時(shí)速為300～350 km的動(dòng)車(chē)組，CRH2C為6M2T（M為動(dòng)車(chē)，T為拖車(chē)），CRH3C為4M4T，均在2008年投入運(yùn)營(yíng)。380系列均為時(shí)速350 km等級(jí)動(dòng)車(chē)組。CRH380A采用6M2T形式，CRH380AL采用14M2T；CRH380B、CRH380D均為8輛編組列車(chē)，采用4M4T形式；CRH380BG基于CRH380B，專(zhuān)門(mén)為高寒地區(qū)應(yīng)用而設(shè)計(jì)；CRH380BL、CRH380CL型動(dòng)車(chē)組均為長(zhǎng)編動(dòng)車(chē)組，專(zhuān)門(mén)為京滬、北京—廣州（京廣）等長(zhǎng)大干線應(yīng)用而設(shè)計(jì)，采用8M8T編組形式。以上和諧號(hào)系列動(dòng)車(chē)組，當(dāng)前實(shí)際運(yùn)營(yíng)速度均為300 km·h-1。

我國(guó)2013年開(kāi)始自主創(chuàng)新階段，由中國(guó)鐵路總公司牽頭組織研制具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的復(fù)興號(hào)中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車(chē)組。復(fù)興號(hào)系列動(dòng)車(chē)組有CR400AF和CR400BF兩個(gè)平臺(tái)，為8輛編組動(dòng)車(chē)組（4M4T），設(shè)計(jì)速度為350 km·h-1，當(dāng)前實(shí)際運(yùn)營(yíng)速度為350 km·h-1。2018年為適應(yīng)京滬等長(zhǎng)大干線運(yùn)輸需求，分別推出CR400AF-A、CR400BF-A和CR400AF-B、CR400BF-B動(dòng)車(chē)組，A和B分別為8M8T和8M9T形式。

截至2019年10月，中國(guó)已擁有高速動(dòng)車(chē)組3480標(biāo)準(zhǔn)組，已累計(jì)運(yùn)輸旅客突破100億人次。目前，中國(guó)已成為高鐵運(yùn)營(yíng)速度最高、規(guī)模最大、運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景最為豐富的國(guó)家。

2. 提升綜合技術(shù)性能

高速鐵路是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，作為移動(dòng)裝備的高速動(dòng)車(chē)組，它與固定基礎(chǔ)設(shè)施包括接觸網(wǎng)、軌道以及周邊的空氣都形成了耦合關(guān)系。從某種意義上看，這種關(guān)系甚至比公路車(chē)輛、飛機(jī)、船舶等其他交通系統(tǒng)都更加復(fù)雜。要進(jìn)一步提升高速動(dòng)車(chē)組的綜合性能，必須要處理好這幾個(gè)耦合關(guān)系，除此之外，還要解決好牽引和制動(dòng)控制技術(shù)，提高牽引和制動(dòng)性能，同時(shí)進(jìn)一步提升行車(chē)安全監(jiān)測(cè)水平等。

2.1. 優(yōu)化輪軌關(guān)系問(wèn)題，保證良好動(dòng)力學(xué)性能

在各種耦合關(guān)系中，輪軌關(guān)系是最基礎(chǔ)和決定性的約束關(guān)系。高速動(dòng)車(chē)組依靠輪軌黏著產(chǎn)生牽引力和制動(dòng)力，也依靠輪軌接觸力獲得垂直定位（支撐）和水平定位（橫向?qū)颍?。受輪軌關(guān)系制約，高速動(dòng)車(chē)組達(dá)到一定速度時(shí)轉(zhuǎn)向架會(huì)出現(xiàn)固有的蛇行失穩(wěn)現(xiàn)象（橫向穩(wěn)定性），動(dòng)車(chē)組在理論上的最高極限速度在很大程度上受限于蛇行臨界速度。因此高速動(dòng)車(chē)組在最高運(yùn)營(yíng)速度下，既需要足夠的安全裕度，也需要足夠的臨界速度裕度。按《高速電動(dòng)車(chē)組整車(chē)試驗(yàn)規(guī)范》（鐵運(yùn)〔2008〕28號(hào)）[6]的規(guī)定，高速列車(chē)在試驗(yàn)認(rèn)證時(shí)必須通過(guò)比最高運(yùn)營(yíng)速度高出10%速度下的動(dòng)力學(xué)性能試驗(yàn)，對(duì)包括運(yùn)行穩(wěn)定性、橫向穩(wěn)定性、運(yùn)行品質(zhì)和運(yùn)行平穩(wěn)性試驗(yàn)在內(nèi)的動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行驗(yàn)證。

影響動(dòng)車(chē)組運(yùn)行穩(wěn)定的因素有很多，僅從動(dòng)車(chē)組本身來(lái)看，轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)和懸掛是主要因素。世界各國(guó)提高列車(chē)動(dòng)力學(xué)性能的研究都以轉(zhuǎn)向架的開(kāi)發(fā)為先導(dǎo)，以輪軌關(guān)系的研究為基礎(chǔ)。

CR400AF/BF復(fù)興號(hào)動(dòng)車(chē)組采取全新的轉(zhuǎn)向架構(gòu)造、懸掛連接與牽引方式，以實(shí)現(xiàn)整體輕量化設(shè)計(jì)，減小轉(zhuǎn)向架簧下質(zhì)量和優(yōu)化轉(zhuǎn)向架與車(chē)體之間的懸掛參數(shù)，具有安全舒適、線路適應(yīng)性強(qiáng)、可靠性高、易維護(hù)性的特點(diǎn)，轉(zhuǎn)向架在設(shè)計(jì)時(shí)考慮了以下主要因素。

（1）線路適應(yīng)性。由于中國(guó)高速鐵路線路長(zhǎng)，運(yùn)營(yíng)區(qū)間跨度大，轉(zhuǎn)向架需要充分適應(yīng)自然環(huán)境條件、線路條件和運(yùn)營(yíng)條件等方面的差異。

（2）運(yùn)行安全性。轉(zhuǎn)向架技術(shù)涉及輪軌動(dòng)力學(xué)、靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)理論，需考慮輪軌關(guān)系與轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)和懸掛的匹配，保障其安全性、橫向穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度具有充足的裕量。

（3）舒適性設(shè)計(jì)。轉(zhuǎn)向架需在設(shè)計(jì)上保證車(chē)輛具有優(yōu)良的乘坐舒適性能。為了使高速運(yùn)行中的列車(chē)保持平穩(wěn)，在轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)上采用了兩級(jí)懸掛來(lái)隔離簧下振動(dòng)，抑制車(chē)輛的振動(dòng)[7]，列車(chē)車(chē)廂內(nèi)振動(dòng)加速度值需小于2.5 m·s-2。通過(guò)仿真計(jì)算、實(shí)驗(yàn)室臺(tái)架試驗(yàn)與線路試驗(yàn)相結(jié)合的方法完成動(dòng)力學(xué)性能分析，確定了懸掛系統(tǒng)方案，優(yōu)化了懸掛參數(shù)。

（4）可靠性設(shè)計(jì)。配備大柔度空氣彈簧和高阻尼抗蛇行減振器的無(wú)搖枕轉(zhuǎn)向架取代了早期結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零部件繁多、帶有搖枕甚至搖動(dòng)臺(tái)以及摩擦式旁承的客車(chē)轉(zhuǎn)向架，極大地簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，提高了運(yùn)用可靠性。

（5）輕量化設(shè)計(jì)。通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化并引入新型高強(qiáng)度輕型材料，減輕構(gòu)架質(zhì)量，降低簧下質(zhì)量。通過(guò)有限元分析，對(duì)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架進(jìn)行靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度評(píng)估以及模態(tài)計(jì)算，對(duì)轉(zhuǎn)向架進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，部分零部件合理地采用了輕型高強(qiáng)度材料。

（6）易維護(hù)性設(shè)計(jì)。采用模塊化設(shè)計(jì)，便于轉(zhuǎn)向架主要的零部件的拆卸和檢修?；谳嗆壗佑|關(guān)系和轉(zhuǎn)向架的輪對(duì)定位方式及參數(shù)優(yōu)選車(chē)輪外形，結(jié)合薄輪緣鏇修技術(shù)，延長(zhǎng)車(chē)輪鏇修周期和車(chē)輪使用壽命。

（7）運(yùn)行安全監(jiān)測(cè)。設(shè)置轉(zhuǎn)向架橫向失穩(wěn)監(jiān)測(cè)、軸抱死監(jiān)測(cè)和輪對(duì)軸承溫度監(jiān)測(cè)裝置，設(shè)置安全閾值提前預(yù)警或報(bào)警，確保走行部運(yùn)行安全。

復(fù)興號(hào)動(dòng)車(chē)組分為CR400AF和CR400BF兩種平臺(tái)，每一平臺(tái)轉(zhuǎn)向架又分為動(dòng)力轉(zhuǎn)向架和非動(dòng)力轉(zhuǎn)向架，兩種平臺(tái)轉(zhuǎn)向架在結(jié)構(gòu)上均采用兩軸無(wú)搖枕輕量化結(jié)構(gòu)，拖車(chē)轉(zhuǎn)向架主要由構(gòu)架、輪對(duì)、軸箱定位裝置、一系懸掛、二系懸掛、基礎(chǔ)制動(dòng)裝置以及轉(zhuǎn)向架輔助組成，動(dòng)車(chē)轉(zhuǎn)向架另外裝有齒輪箱和電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置。CR400AF動(dòng)車(chē)轉(zhuǎn)向架和拖車(chē)轉(zhuǎn)向架分別如圖1和圖2所示。轉(zhuǎn)向架承載能力設(shè)計(jì)指標(biāo)為軸重17 t。實(shí)驗(yàn)室滾振試驗(yàn)結(jié)果證明，動(dòng)車(chē)組轉(zhuǎn)向架臨界速度超過(guò)550 km·h-1。線路測(cè)試結(jié)果表明，復(fù)興號(hào)動(dòng)車(chē)組運(yùn)行平穩(wěn)性明顯優(yōu)于和諧號(hào)動(dòng)車(chē)組，在京滬線以350 km·h-1運(yùn)行時(shí)，車(chē)體橫向平穩(wěn)性均值降低約21%，車(chē)體垂向平穩(wěn)性均值降低11%。

圖1 . CR400AF動(dòng)車(chē)轉(zhuǎn)向架。

圖2 . CR400AF拖車(chē)轉(zhuǎn)向架。

2.2. 解決弓網(wǎng)關(guān)系問(wèn)題、保障高速運(yùn)行條件下良好受流

弓網(wǎng)關(guān)系是高速鐵路系統(tǒng)中又一對(duì)很重要的耦合關(guān)系。安裝在動(dòng)車(chē)組上高速運(yùn)動(dòng)的受電弓需要與固定的接觸導(dǎo)線緊密接觸以實(shí)現(xiàn)良好受流，兩者之間存在摩擦，還要傳輸巨大的電力。

對(duì)于300 km·h-1以上的高速鐵路，弓網(wǎng)受流性能直接影響列車(chē)的運(yùn)行速度和運(yùn)行安全，弓網(wǎng)接觸力、燃弧、受電弓滑板垂向加速度等指標(biāo)尤為重要。隨著動(dòng)車(chē)組速度的提高，受電弓弓頭和接觸線的振動(dòng)幅度加大，導(dǎo)致弓網(wǎng)的接觸力波動(dòng)劇烈，受流質(zhì)量下降。如果弓網(wǎng)的劇烈振動(dòng)使得弓網(wǎng)之間接觸力降低到零，那么弓網(wǎng)會(huì)脫離產(chǎn)生電弧，灼傷接觸線和受電弓，也可能引起電能傳輸中斷，影響列車(chē)的運(yùn)行安全。如果接觸力過(guò)大，會(huì)使得接觸線抬升量超過(guò)允許值，引起弓網(wǎng)磨耗損失，甚至造成弓網(wǎng)事故。

CR400AF/BF復(fù)興號(hào)動(dòng)車(chē)組在弓網(wǎng)關(guān)系優(yōu)化方面采取了以下技術(shù)措施。

（1）合理匹配弓網(wǎng)參數(shù)。對(duì)高速運(yùn)行時(shí)接觸網(wǎng)和受電弓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)受流性能進(jìn)行計(jì)算和仿真分析，選擇合理匹配的弓網(wǎng)參數(shù)，以達(dá)到良好受流性能。

（2）采用主動(dòng)控制受電弓。對(duì)受電弓進(jìn)行主動(dòng)控制，改善受電弓對(duì)接觸線的跟隨性能，使得弓網(wǎng)接觸力保持在合理范圍之內(nèi)，減小接觸線與受電弓滑板磨耗，延長(zhǎng)使用壽命，增強(qiáng)動(dòng)車(chē)組線路運(yùn)行的適應(yīng)性。高速動(dòng)車(chē)組受電弓的幾何形狀必須與接觸網(wǎng)相兼容，使受電弓與接觸導(dǎo)線具有良好的接觸性能。弓網(wǎng)之間的摩擦和磨損是不可避免的，但要避免接觸導(dǎo)線和受電弓滑板過(guò)度磨損。

（3）優(yōu)化動(dòng)力學(xué)性能。從提高受電弓的動(dòng)態(tài)性能、空氣動(dòng)力學(xué)性能和弓網(wǎng)動(dòng)力學(xué)性能幾個(gè)方面改善弓網(wǎng)關(guān)系，提高受流質(zhì)量。通過(guò)穩(wěn)定受流技術(shù)減少電弧發(fā)生的數(shù)量，降低接觸受流損耗率，以減輕接觸導(dǎo)線承受過(guò)度的壓力，同時(shí)降低弓網(wǎng)接觸區(qū)域的磨耗。

（4）強(qiáng)度分析。對(duì)受電弓的整體進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，對(duì)受電弓部分零部件進(jìn)行強(qiáng)度校核，使受電弓整體和各部件的靜強(qiáng)度具有較大的安全余量。

（5）快速降弓保護(hù)功能。采用不受電氣控制的緊急降弓系統(tǒng)，保證在突發(fā)弓網(wǎng)事故時(shí)，1 s內(nèi)弓頭下降200 mm以上，從而保證列車(chē)及供電系統(tǒng)安全。

高速弓網(wǎng)關(guān)系是各國(guó)高速鐵路研究的主要技術(shù)方向之一，歐洲鐵路公司正在研究采用多電壓兼容的受電弓技術(shù)，以減少受電弓數(shù)量。減少受電弓的數(shù)量可減輕列車(chē)重量以及空氣運(yùn)行阻力和接觸噪聲，還能降低生產(chǎn)和維護(hù)成本，每列車(chē)僅使用一個(gè)受電弓是最理想的。在這種情況下，受電弓的設(shè)計(jì)和備用受電弓的安裝必須考慮電流容量，多流制動(dòng)車(chē)組需要采用單一的多電壓兼容的受電弓。

2.3. 提高牽引動(dòng)力性能，優(yōu)化電機(jī)控制及黏著控制策略

交流傳動(dòng)技術(shù)的發(fā)展一方面由于功率半導(dǎo)體和變流技術(shù)的進(jìn)步，另一方面取決于日臻完善的控制方法和控制裝置。后者能夠使變流器-電機(jī)整個(gè)系統(tǒng)具備優(yōu)異的控制性能，以滿足不同應(yīng)用場(chǎng)合的要求。具體性能要求包括：平穩(wěn)啟動(dòng)、抑制車(chē)輪空轉(zhuǎn)和滑行、再生制動(dòng)、較寬的調(diào)速范圍等。

CR400AF/BF復(fù)興號(hào)動(dòng)車(chē)組為了達(dá)到動(dòng)車(chē)組總體技術(shù)條件要求[8]，即動(dòng)車(chē)組定員載荷在平直道上，牽引能力滿足：

（1）0～200 km·h-1的平均加速度不小于0.4 m·s-2；

（2）350 km·h-1運(yùn)行時(shí)的剩余加速度不小于0.05 m·s-2。

CR400AF、CR400BF型動(dòng)車(chē)組牽引/再生制動(dòng)特性曲線如圖3、圖4所示。

從系統(tǒng)效率、電壓及電流、電氣參數(shù)、機(jī)械接口及重量等方面開(kāi)展CR400AF/BF復(fù)興號(hào)動(dòng)車(chē)組牽引系統(tǒng)設(shè)計(jì)和設(shè)備研制，優(yōu)化系統(tǒng)匹配參數(shù)，通過(guò)仿真分析和試驗(yàn)，最終獲得了優(yōu)異的牽引系統(tǒng)性能。

（1）在牽引系統(tǒng)輕量化設(shè)計(jì)方面，整車(chē)功重比約為20.7 kW·t-1，牽引系統(tǒng)效率在0.85以上。牽引系統(tǒng)主要組成部件功率密度顯著超過(guò)相同速度等級(jí)的“和諧號(hào)”動(dòng)車(chē)組，其中，①牽引/輔助變流器功率密度高達(dá)0.82 kV·A·kg-1，CRH380A功率密度為0.43 kV·A·kg-1，CRH380B功率密度為0.63 kV·A·kg-1；②牽引變壓器功率密度為0.99 kV·A·kg-1，功率密度高于CRH3C的0.91 kV·A·kg-1；③牽引電機(jī)功率密度為0.909 kV·A·kg-1，功率密度高于CRH380B的0.78 kV·A·kg-1。

（2）在動(dòng)車(chē)組牽引散熱系統(tǒng)冷卻能力設(shè)計(jì)方面，充分考慮了中國(guó)高速鐵路運(yùn)用環(huán)境，在滿負(fù)荷運(yùn)行下還有15%的余量，即使在中國(guó)獨(dú)有的楊柳絮滿天飛舞的春季，牽引系統(tǒng)仍能可靠工作。因此，牽引變流器箱體濾網(wǎng)的清潔周期縮短，變流器過(guò)溫故障也隨之減少，動(dòng)車(chē)組的可用性從而得到改善。

圖3 . CR400AF型動(dòng)車(chē)組牽引/再生制動(dòng)特性曲線。

圖4 . CR400BF型動(dòng)車(chē)組牽引/再生制動(dòng)特性曲線。

（3）在牽引系統(tǒng)控制方面，優(yōu)化了高速動(dòng)車(chē)組牽引傳動(dòng)系統(tǒng)控制策略，實(shí)現(xiàn)對(duì)牽引變壓器、牽引變流器、牽引電動(dòng)機(jī)等設(shè)備的高性能控制和完善的故障診斷，滿足高速動(dòng)車(chē)組啟動(dòng)和持續(xù)高速運(yùn)行的要求。

牽引控制系統(tǒng)具有高效、節(jié)能、安全可靠的技術(shù)特點(diǎn)，具體如下：

a. 采用兩相兩重四象限整流器控制策略，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度；利用移相技術(shù)有效控制諧波，保證再生能量的回收質(zhì)量；采用基于電流諧波優(yōu)化的牽引逆變器混合脈寬調(diào)制策略，有效改善網(wǎng)側(cè)諧波分布，降低對(duì)供電網(wǎng)的污染；

b. 采用高性能的牽引電機(jī)控制策略，有效抑制牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，使大功率牽引逆變器在全速度范圍內(nèi)達(dá)到良好的輸出波形和控制性能[9]。圖5為各載波比切換時(shí)刻脈沖寬度調(diào)制（pulse width modulation, PWM）波形。

（4）開(kāi)發(fā)和采用新型半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件，在復(fù)興號(hào)動(dòng)車(chē)組上首次采用6500 V/750 A等級(jí)關(guān)斷電壓高、導(dǎo)通電流大、開(kāi)關(guān)頻率高的絕緣柵雙極型晶體管（insulated gate bipolar transistor, IGBT），有效減少開(kāi)關(guān)損耗，提高了牽引變流器系統(tǒng)工作穩(wěn)定性，保證了動(dòng)車(chē)組持續(xù)高速運(yùn)行能力。

（5）設(shè)計(jì)了緊急牽引功能，即使動(dòng)車(chē)組網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)癱瘓時(shí)，仍然能夠根據(jù)硬線指令發(fā)揮牽引力，使列車(chē)規(guī)避危險(xiǎn)地段。

（6）實(shí)現(xiàn)過(guò)分相不斷電控制及無(wú)火回送/救援自發(fā)電功能，在過(guò)分相和無(wú)火回送過(guò)程中空調(diào)等輔助系統(tǒng)舒適性負(fù)載仍可以正常工作，提高動(dòng)車(chē)組的可用性和服務(wù)品質(zhì)。

牽引系統(tǒng)及其控制技術(shù)一直是動(dòng)車(chē)組產(chǎn)品更新?lián)Q代的重要決定因素之一。交流異步電動(dòng)機(jī)的控制（調(diào)速）技術(shù)比直流串勵(lì)電動(dòng)機(jī)復(fù)雜，較早的交流傳動(dòng)高速動(dòng)車(chē)組，如日本的300系采用轉(zhuǎn)差特性控制方法。從20世紀(jì)80年代以來(lái)，國(guó)外三相交流電傳動(dòng)機(jī)車(chē)和動(dòng)車(chē)組普遍采用矢量變換控制方法，典型的代表是德國(guó)西門(mén)子公司的ICE系列高速動(dòng)車(chē)組（包括ICE1～I(xiàn)CE3）。到20世紀(jì)80年代中期（1985年），德國(guó)和日本分別有人提出了一種先進(jìn)的控制技術(shù)，即直接轉(zhuǎn)矩控制（direct torque control, DTC）方法，獲得了與矢量控制相媲美的傳動(dòng)性能，結(jié)構(gòu)也較簡(jiǎn)單。目前，國(guó)內(nèi)外高速動(dòng)車(chē)組普遍采用以上兩種控制技術(shù)對(duì)牽引電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制。我國(guó)復(fù)興號(hào)動(dòng)車(chē)組CR400AF型動(dòng)車(chē)組采用直接轉(zhuǎn)矩控制，CR400BF型動(dòng)車(chē)組則采用矢量控制。

圖5 . 各載波比切換時(shí)刻PWM波形。（a）11脈波向9脈波切換；（b）9脈波向7脈波切換；（c）7脈波向5脈波切換；（d）5脈波向3脈波切換。

2.4. 采用多種制動(dòng)結(jié)合方式、優(yōu)化制動(dòng)控制和防滑策略

CR400AF/BF復(fù)興號(hào)動(dòng)車(chē)組在制動(dòng)系統(tǒng)控制方面采用了以下關(guān)鍵技術(shù)。

（1）系統(tǒng)強(qiáng)化微機(jī)直通電空制動(dòng)系統(tǒng)的性能和可靠性，充分利用再生制動(dòng)，可方便調(diào)節(jié)制動(dòng)力。采用復(fù)合制動(dòng)方式，在常用制動(dòng)的工況下通常都是以電制動(dòng)為優(yōu)先，降低了閘片和制動(dòng)盤(pán)之間的磨耗，保證了節(jié)能和環(huán)保性；緊急制動(dòng)實(shí)行空-電聯(lián)合緊急制動(dòng)。純空氣緊急制動(dòng)仍作為最終的安全保障。

（2）統(tǒng)一由制動(dòng)系統(tǒng)實(shí)施列車(chē)制動(dòng)力的管理、計(jì)算和分配，采用統(tǒng)一減速度曲線控制，達(dá)到了良好的制動(dòng)控制性能。

（3）隨著速度的提高，輪軌黏著系數(shù)越來(lái)越低[10]，列車(chē)制動(dòng)時(shí)出現(xiàn)滑行可能性越來(lái)越大，優(yōu)化了高速制動(dòng)階段的制動(dòng)力分配和制動(dòng)控制防滑策略。

（4）列車(chē)制動(dòng)動(dòng)能與速度平方成正比，高速列車(chē)制動(dòng)時(shí)將產(chǎn)生巨大熱負(fù)荷，研制出承擔(dān)熱負(fù)荷吸收的制動(dòng)盤(pán)和耐熱裂、抗熱衰退性好的閘片。

（5）完善系統(tǒng)診斷和故障導(dǎo)向安全控制，動(dòng)車(chē)組制動(dòng)的安全性主要涉及制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)能力、可靠性、故障導(dǎo)向安全設(shè)計(jì)等方面。

（6）出于可靠性和可維護(hù)性考慮，系統(tǒng)具有模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化的技術(shù)特點(diǎn)。

CR400AF/BF復(fù)興號(hào)動(dòng)車(chē)組的制動(dòng)系統(tǒng)主要由制動(dòng)控制系統(tǒng)、供風(fēng)系統(tǒng)、基礎(chǔ)制動(dòng)裝置等組成，系統(tǒng)構(gòu)成如圖6所示。

圖6 . CR400AF/BF復(fù)興號(hào)動(dòng)車(chē)組制動(dòng)系統(tǒng)組成。BP：制動(dòng)管。

CR400AF/BF制動(dòng)控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)接收司機(jī)或列車(chē)自動(dòng)速度控制系統(tǒng)的制動(dòng)指令，進(jìn)行空氣制動(dòng)和再生電制動(dòng)力的管理和分配，通過(guò)發(fā)出制動(dòng)壓力驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向架上的基礎(chǔ)制動(dòng)裝置動(dòng)作產(chǎn)生制動(dòng)力，或者發(fā)出再生制動(dòng)力指令使?fàn)恳到y(tǒng)發(fā)揮電制動(dòng)力。風(fēng)源系統(tǒng)主要由主空氣壓縮機(jī)組、干燥裝置、輔助空氣壓縮機(jī)、風(fēng)缸以及貫穿全列的總風(fēng)管組成?；A(chǔ)制動(dòng)裝置由制動(dòng)盤(pán)、制動(dòng)夾鉗、閘片組成，安裝在轉(zhuǎn)向架上，動(dòng)車(chē)和拖車(chē)均采用氣壓盤(pán)式基礎(chǔ)制動(dòng)裝置，其中拖車(chē)采用軸裝制動(dòng)盤(pán)，動(dòng)車(chē)采用輪裝制動(dòng)盤(pán)。

各國(guó)高速動(dòng)車(chē)組普遍采用空電復(fù)合制動(dòng)，但空氣制動(dòng)仍然是高速動(dòng)車(chē)組最基本的制動(dòng)方式。以法國(guó)為例，除法國(guó)第一代TGV采用自動(dòng)式電空制動(dòng)外，其余都采用最新的微機(jī)控制電氣指令直通電空制動(dòng)?；A(chǔ)制動(dòng)方面，第三代和第四代TGV動(dòng)車(chē)組大都采用盤(pán)型制動(dòng)。各國(guó)高速動(dòng)車(chē)組在電制動(dòng)方面主要有電阻制動(dòng)和再生制動(dòng)。其中，電阻制動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是，一旦電網(wǎng)斷電，動(dòng)車(chē)組仍然可以利用電阻制動(dòng)產(chǎn)生制動(dòng)力，安全性較好，缺點(diǎn)是無(wú)法實(shí)現(xiàn)節(jié)能。再生制動(dòng)的優(yōu)缺點(diǎn)與電阻制動(dòng)正好相反，能改善接觸網(wǎng)供電系統(tǒng)的功率因數(shù)，從而節(jié)約能源。日本除早期的高速動(dòng)車(chē)組采用電阻制動(dòng)外，其余都采用再生制動(dòng)。德國(guó)ICE系列動(dòng)車(chē)組則從一開(kāi)始就采用了再生制動(dòng)。

2.5. 解決氣動(dòng)減阻和車(chē)體輕量化問(wèn)題

氣動(dòng)阻力是車(chē)輛運(yùn)行阻力的重要組成，降低氣動(dòng)阻力成為高速列車(chē)減阻的關(guān)鍵因素。CR400AF/BF復(fù)興號(hào)動(dòng)車(chē)組在頭型設(shè)計(jì)、車(chē)體斷面輪廓、車(chē)體重量、轉(zhuǎn)向架區(qū)域和受電弓區(qū)域等影響列車(chē)運(yùn)行阻力和能耗的主要因素方面開(kāi)展了大量研究和試驗(yàn)。動(dòng)車(chē)組降低運(yùn)行阻力措施如圖7所示。

（1）頭型優(yōu)化。采用流固耦合技術(shù)及阻力、升力、運(yùn)行安全性與平穩(wěn)性、氣動(dòng)噪聲等多個(gè)性能指標(biāo)的耦合關(guān)系分析技術(shù)，設(shè)計(jì)流線型車(chē)頭，通過(guò)增加長(zhǎng)細(xì)比例等，改善綜合氣動(dòng)性能。

（2）表面平順化。對(duì)車(chē)頂空調(diào)裝置進(jìn)行平順處理，優(yōu)化車(chē)間風(fēng)擋連接，優(yōu)化改進(jìn)轉(zhuǎn)向架區(qū)域氣動(dòng)外形等。

（3）流動(dòng)控制。通過(guò)擾流和溝槽等流動(dòng)控制技術(shù)，修正優(yōu)化動(dòng)車(chē)組表面流場(chǎng)，減少氣動(dòng)阻力，減少受電弓流場(chǎng)對(duì)受電弓動(dòng)態(tài)性能的影響及空氣阻力。

（4）車(chē)體輕量化。為避免車(chē)體輕量化影響車(chē)體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、氣密強(qiáng)度等車(chē)輛性能，依據(jù)等強(qiáng)度設(shè)計(jì)理念對(duì)車(chē)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，依靠仿真計(jì)算，均衡設(shè)計(jì)各個(gè)部件的載荷率。

圖7 . 動(dòng)車(chē)組降低運(yùn)行阻力。

（5）在建立典型高速動(dòng)車(chē)組模型和軌道、隧道等環(huán)境模型基礎(chǔ)上，仿真分析動(dòng)車(chē)組以不同速度等級(jí)在明線運(yùn)行、明線交會(huì)、隧道通過(guò)等不同工況下的空氣流場(chǎng)分布規(guī)律。采用仿真分析、風(fēng)洞試驗(yàn)、動(dòng)模型試驗(yàn)相結(jié)合的分析驗(yàn)證方法，系統(tǒng)研究動(dòng)車(chē)組不同外形的空氣動(dòng)力學(xué)與氣動(dòng)噪聲性能。

（6）車(chē)體輕量化主要采取材料創(chuàng)新和結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)合的方式。復(fù)興號(hào)動(dòng)車(chē)組在保證車(chē)體強(qiáng)度和剛度的基礎(chǔ)上，對(duì)生產(chǎn)工藝進(jìn)行優(yōu)化改善，整節(jié)車(chē)廂采用超薄長(zhǎng)大中空鋁合金擠壓型材，逐級(jí)焊接組成薄壁筒體作為承載結(jié)構(gòu)，有效降低了殘余應(yīng)力及焊接變形，提升焊接效率。車(chē)頭和車(chē)體結(jié)構(gòu)如圖8和圖9所示。

通過(guò)氣動(dòng)減阻和車(chē)體輕量化設(shè)計(jì)，CR400動(dòng)車(chē)組運(yùn)行阻力顯著降低。CR400AF在350 km·h-1時(shí)總阻力比CRH380A降低12.3%，CR400BF比CRH380B降低7.5%。

國(guó)內(nèi)外高速鐵路均著力加強(qiáng)列車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)及研發(fā)。日本高速動(dòng)車(chē)組在頭部形狀設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)空氣阻力和氣動(dòng)噪聲、隧道微氣壓波等內(nèi)容進(jìn)行深化研究，從0系到500系，高速動(dòng)車(chē)組頭部逐漸長(zhǎng)型化。為降低微氣壓波，700系和E4系還開(kāi)發(fā)了獨(dú)特的頭車(chē)形狀。日本自N700系開(kāi)始以仿生學(xué)外形設(shè)計(jì)作為高速列車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)外形設(shè)計(jì)的理念，其中N700A和N700S采用經(jīng)過(guò)三維仿真優(yōu)化的“雙翼背鰭流線頭型”，可降低駛?cè)胨淼罆r(shí)的氣動(dòng)力噪聲[11]，車(chē)體平滑化和形狀優(yōu)化可降低運(yùn)行阻力，歷經(jīng)N700系、E5系、E6系和E7系等車(chē)型的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)趨于成熟。

圖8 . 頭車(chē)車(chē)體結(jié)構(gòu)。

圖9 . 有受電弓中間車(chē)車(chē)體結(jié)構(gòu)。

為了提高列車(chē)運(yùn)行速度，各國(guó)高速列車(chē)十分注重輕量化設(shè)計(jì)。在車(chē)體輕量化方面，采用雙殼層結(jié)構(gòu)和模塊化與集成化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用新型結(jié)構(gòu)材料。當(dāng)前主要車(chē)體結(jié)構(gòu)為雙殼層大型中空擠壓鋁型材結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于日本的700系、N700系、E6系等主力車(chē)型上；德國(guó)ICE新型列車(chē)上也采用雙殼層結(jié)構(gòu)；意大利ETR 1000型高速列車(chē)車(chē)體外殼以及內(nèi)部裝飾大量采用輕合金材料，一方面可以實(shí)現(xiàn)車(chē)體輕量化，另一方面可以實(shí)現(xiàn)再生和重復(fù)利用。

2.6. 采用綜合監(jiān)控與診斷，保障動(dòng)車(chē)組運(yùn)行安全

隨著動(dòng)車(chē)組運(yùn)行速度的提升，動(dòng)車(chē)組各系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)和動(dòng)車(chē)組運(yùn)行安全性問(wèn)題更為突出，一旦動(dòng)車(chē)組發(fā)生軸承溫度超溫、軸抱死滑行、橫向運(yùn)行穩(wěn)定性指標(biāo)超限等故障時(shí)，就會(huì)存在較大的安全風(fēng)險(xiǎn)。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)車(chē)組設(shè)備狀態(tài)和運(yùn)行安全監(jiān)控，動(dòng)車(chē)組上安裝有各類(lèi)傳感器，傳感器連接各系統(tǒng)控制設(shè)備，其狀態(tài)由控制設(shè)備采集，列車(chē)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)完成各系統(tǒng)信息共享，實(shí)現(xiàn)整列動(dòng)車(chē)組的控制監(jiān)視與診斷。與列車(chē)網(wǎng)絡(luò)相連接的設(shè)備有：牽引設(shè)備、制動(dòng)和防滑裝置、列車(chē)輔助設(shè)備（如空調(diào)、采暖、通風(fēng)、照明等）、通信和信號(hào)設(shè)備、轉(zhuǎn)向架失穩(wěn)檢測(cè)裝置、軸箱溫度檢測(cè)裝置、煙火報(bào)警裝置、旅客信息系統(tǒng)、診斷系統(tǒng)等。

CR400AF/BF復(fù)興號(hào)動(dòng)車(chē)組全車(chē)設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)2500余項(xiàng)，采集各種車(chē)輛狀態(tài)信息1500余項(xiàng)，實(shí)時(shí)診斷動(dòng)車(chē)組運(yùn)行故障，出現(xiàn)異常時(shí)，自動(dòng)預(yù)警或報(bào)警。例如，動(dòng)車(chē)組設(shè)置輪對(duì)、齒輪箱軸承溫度監(jiān)測(cè)和轉(zhuǎn)向架橫向穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)裝置，當(dāng)出現(xiàn)預(yù)警或報(bào)警時(shí)，及時(shí)提供應(yīng)急處理和維修建議，并根據(jù)安全策略自動(dòng)控制限速或停車(chē)，保證了動(dòng)車(chē)組運(yùn)行安全性。

各國(guó)高速動(dòng)車(chē)組都在列車(chē)上的關(guān)鍵部位廣泛安裝各種傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各個(gè)參數(shù)，防止發(fā)生事故。例如，法國(guó)AGV動(dòng)車(chē)組裝有速度監(jiān)測(cè)裝置、動(dòng)車(chē)三爪萬(wàn)向軸失衡和斷裂監(jiān)測(cè)器、車(chē)輛軸溫監(jiān)測(cè)裝置等。龐巴迪公司為意大利鐵路公司提供的ETR1000高速列車(chē)在列車(chē)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上裝備了遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)。

3. 改善舒適性與降低壽命周期成本

為提高舒適性，國(guó)內(nèi)外許多國(guó)家采取了包括減小噪聲和振動(dòng)、增加擺式裝置、加大客室空間、調(diào)整座椅間距、引入無(wú)障礙設(shè)施和車(chē)內(nèi)溫度微調(diào)控制等措施。

3.1. 優(yōu)化客室空間

CR400AF/BF復(fù)興號(hào)動(dòng)車(chē)組旅客界面設(shè)計(jì)堅(jiān)持以人為本，運(yùn)用人機(jī)工程學(xué)合理設(shè)計(jì)旅客乘坐空間、占用空間、通過(guò)空間和乘降空間。動(dòng)車(chē)組充分利用車(chē)輛限界，車(chē)體斷面統(tǒng)一為寬3360 mm、高4050 mm。CR400AF比CRH380A斷面積增大7%；CR400BF比CRH380B斷面積增大10.5%。復(fù)興號(hào)動(dòng)車(chē)組車(chē)體斷面如圖10所示。

CR400AF/BF復(fù)興號(hào)動(dòng)車(chē)組加裝了無(wú)線WiFi系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)內(nèi)外網(wǎng)資源訪問(wèn)的功能。在動(dòng)車(chē)組內(nèi)旅客可通過(guò)個(gè)人終端接入互聯(lián)網(wǎng)或訪問(wèn)列車(chē)局域網(wǎng)，進(jìn)行影音娛樂(lè)、游戲互動(dòng)、應(yīng)用下載、社交/聊天、電子閱讀等服務(wù)。動(dòng)車(chē)組還加裝了座位信息顯示系統(tǒng)，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)接入12306售票平臺(tái)，獲取動(dòng)車(chē)組的售票信息，可進(jìn)行電子座位號(hào)指示及座位售票狀態(tài)信息實(shí)時(shí)顯示。

法國(guó)AGV采用低地板式設(shè)計(jì)，且地板為貫通式，改善乘客上下車(chē)的方便程度。此外，很多新型高速列車(chē)也采用了優(yōu)化列車(chē)內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，配置齊備的衛(wèi)生間、飲水設(shè)施，設(shè)置殘疾人設(shè)施，優(yōu)化旅客服務(wù)信息系統(tǒng)，采取接入無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、增強(qiáng)車(chē)內(nèi)空調(diào)性能等措施。

3.2. 減振降噪

動(dòng)車(chē)組車(chē)內(nèi)噪聲控制是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，與車(chē)體輕量化設(shè)計(jì)、氣密性設(shè)計(jì)、車(chē)下設(shè)備布局、減振結(jié)構(gòu)優(yōu)化及吸隔聲材料的選型等相關(guān)。CR400復(fù)興號(hào)動(dòng)車(chē)組為提高乘坐舒適性，增大了車(chē)體斷面，但同時(shí)也造成了氣動(dòng)噪聲的增大；為降低運(yùn)行阻力，空調(diào)和受電弓等裝置采用下沉安裝，也嚴(yán)重影響了該區(qū)域的隔聲效果。因此，為降低客室內(nèi)噪聲水平，在聲源、振源以及傳遞路徑方面開(kāi)展了車(chē)輛減振降噪系統(tǒng)分析，進(jìn)行綜合治理，例如如下3個(gè)方面。

圖10 . 復(fù)興號(hào)動(dòng)車(chē)組車(chē)體斷面。

（1）分析噪聲傳遞路徑，綜合利用隔聲、吸聲方法，設(shè)計(jì)應(yīng)用多層復(fù)合隔聲、吸聲結(jié)構(gòu)。

（2）采取流線型設(shè)計(jì)，降低車(chē)輛表面氣動(dòng)噪聲。

（3）傳統(tǒng)的隔聲和吸聲減噪措施很難降低由振動(dòng)引起的低頻結(jié)構(gòu)噪聲，從而需要利用聲振解耦措施以降低結(jié)構(gòu)噪聲。優(yōu)化車(chē)體局部結(jié)構(gòu)、車(chē)體局部剛度和阻尼，從而解決車(chē)體局部顫振和噪聲問(wèn)題。

經(jīng)過(guò)一系列的減振降噪措施，CR400AF/BF復(fù)興號(hào)動(dòng)車(chē)組的車(chē)內(nèi)噪聲指標(biāo)均優(yōu)于“和諧號(hào)”動(dòng)車(chē)組，在京滬高鐵以350 km·h-1運(yùn)行時(shí)，司機(jī)室內(nèi)和客室內(nèi)噪聲分別降低1～3 dB，受電弓客室端部噪聲降低6～7 dB。

國(guó)內(nèi)外鐵路綜合集成各種新技術(shù)以降低列車(chē)噪聲，具體措施包括：低噪聲新型結(jié)構(gòu)的受電弓及隔聲板的研制、車(chē)體側(cè)墻裙板及地板采用新型吸聲材料、車(chē)廂間采用疊式金屬擋罩等。如日本E5、E6、E7系動(dòng)車(chē)組采用新型單臂多分割低噪聲受電弓，配合其他降噪措施，可以實(shí)現(xiàn)列車(chē)速度為320 km·h-1時(shí)，環(huán)境噪聲維持275 km·h-1的水平。E5還采用低噪聲型受電弓和性能優(yōu)良的隔聲材料、增大窗戶玻璃隔層厚度；車(chē)體側(cè)面采用性能良好的隔音材料；轉(zhuǎn)向架四周加罩，不傳播車(chē)下轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)域噪聲；全列車(chē)車(chē)體高度變化小，四周平滑，車(chē)輛之間不留間隙；車(chē)體吸聲材料能有效吸收軌道與車(chē)體間的反射噪聲。

3.3. 節(jié)能環(huán)保

從國(guó)內(nèi)外情況來(lái)看，節(jié)能環(huán)保是高速動(dòng)車(chē)組的重要發(fā)展方向之一，其原因來(lái)自全球環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的要求。CR400AF/BF復(fù)興號(hào)動(dòng)車(chē)組與國(guó)內(nèi)外機(jī)車(chē)車(chē)輛制造企業(yè)一樣，都采取了很多具體措施。

（1）提高牽引系統(tǒng)的效率，包括采用新型電力變換裝置和牽引電機(jī)，采用最優(yōu)控制策略等。

（2）降低列車(chē)重量等，從優(yōu)化單個(gè)部件的設(shè)計(jì)入手來(lái)達(dá)到整體輕量化的目標(biāo)。

（3）減小運(yùn)行阻力，從高速列車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)方面提高高速列車(chē)流線型外形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平，實(shí)現(xiàn)減阻節(jié)能。

（4）采用自動(dòng)/輔助駕駛技術(shù)，達(dá)到最佳運(yùn)行控制，提高能效利用率，降低能耗。

（5）采用低能耗設(shè)備技術(shù)，如發(fā)光二極管（lightemitting diode, LED）照明技術(shù)，采用高效智能化空調(diào)實(shí)現(xiàn)余熱利用。

（6）采用可降解、無(wú)公害、高阻燃的合成酯油作為變壓器冷卻油。

能耗低不僅能降低列車(chē)運(yùn)營(yíng)成本，也能進(jìn)一步增強(qiáng)高速鐵路作為一種環(huán)保交通方式在能耗方面的優(yōu)勢(shì)。ICE 3和ICE 4都將進(jìn)一步降低能耗作為列車(chē)設(shè)計(jì)的一大重點(diǎn)。N700和N700A高速列車(chē)在700系的基礎(chǔ)上，改善了車(chē)廂照明，增強(qiáng)了節(jié)能環(huán)保性能。例如，列車(chē)洗手間應(yīng)用了LED照明技術(shù)，座椅采用最新設(shè)計(jì)的100%可回收的聚酯材料，轉(zhuǎn)向架側(cè)板由纖維板改為不銹鋼，通過(guò)走行風(fēng)冷卻系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)變換器的無(wú)風(fēng)扇化等。

3.4. 降低全壽命周期成本

成本節(jié)約需要考慮的因素包括：設(shè)計(jì)成本、制造成本、運(yùn)營(yíng)成本、維修成本等。通過(guò)模塊化設(shè)計(jì)來(lái)降低制造周期和成本；同時(shí)有的企業(yè)為降低成本，采用雙層動(dòng)車(chē)組列車(chē)，降低單位坐席成本，提高收益。主要有法國(guó)的TGV Duplex。日本E4系動(dòng)車(chē)組也采用雙層動(dòng)車(chē)組設(shè)計(jì)。另外，以周期性檢修為主的傳統(tǒng)維修模式，存在一定的過(guò)維修和欠維修，通過(guò)車(chē)地?zé)o線通信將車(chē)載狀態(tài)與故障信息傳輸至車(chē)輛檢修站段，以狀態(tài)修取代傳統(tǒng)的計(jì)劃修，也是各國(guó)普遍采用的提高檢修效率、降低維修成本的主要手段。

復(fù)興號(hào)動(dòng)車(chē)組壽命為30年?？紤]運(yùn)維成本，采用互聯(lián)互通和統(tǒng)型設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)動(dòng)車(chē)組相互重聯(lián)、救援、熱備，提高使用率，降低運(yùn)營(yíng)成本。動(dòng)車(chē)組采用標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、模塊化設(shè)計(jì)，減少了備品備件的品種和數(shù)量，降低了運(yùn)用維護(hù)檢修成本。動(dòng)車(chē)組控制網(wǎng)絡(luò)列車(chē)級(jí)采用絞式列車(chē)總線（wired train bus, WTB）、車(chē)輛級(jí)采用多功能車(chē)輛總線（multi-function vehicle bus, MVB），維護(hù)網(wǎng)采用以太網(wǎng)，車(chē)地通信采用4G移動(dòng)通信技術(shù)，如圖11所示。動(dòng)車(chē)組設(shè)有無(wú)線傳輸裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)故障數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)無(wú)線發(fā)送功能。地面專(zhuān)家系統(tǒng)接收無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)，導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù)，應(yīng)用平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)動(dòng)車(chē)組運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控、故障預(yù)警、安全評(píng)價(jià)、輔助維修、運(yùn)維決策支持等功能。通過(guò)建立故障預(yù)測(cè)與健康管理（prognostic and health management, PHM）模型，進(jìn)一步優(yōu)化了復(fù)興號(hào)動(dòng)車(chē)組部件修程修制與智能化管理。

未來(lái)基于智能技術(shù)、專(zhuān)家系統(tǒng)故障診斷模型和大數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)挖掘等功能，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)動(dòng)車(chē)組故障預(yù)測(cè)、健康評(píng)估，提前實(shí)施“預(yù)見(jiàn)性”維修，保障動(dòng)車(chē)組運(yùn)營(yíng)安全和可靠，使動(dòng)車(chē)組全壽命周期成本進(jìn)一步降低。

圖11 . 網(wǎng)絡(luò)控制通信系統(tǒng)采用TCN +以太網(wǎng)+ 4G移動(dòng)通信的技術(shù)架構(gòu)。 GPRS：通用無(wú)線分組業(yè)務(wù)（基于GSM）； WLAN：無(wú)線局域網(wǎng)； ECNN：以太編組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)； EGWM：帶以太網(wǎng)接口網(wǎng)關(guān)模塊； EVCM：帶以太網(wǎng)接口車(chē)輛控制模塊； EDRM：以太網(wǎng)數(shù)據(jù)記錄模塊； WTD：無(wú)線傳輸裝置； AP：接入點(diǎn)； GSM-R：鐵路綜合數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)； CARS：中國(guó)鐵道科學(xué)研究院有限公司； EOAS：動(dòng)車(chē)組司機(jī)操控信息分析系統(tǒng)； PTU：便攜式單元（筆記本電腦）。

4. 結(jié)語(yǔ)

總體來(lái)看，實(shí)現(xiàn)高鐵動(dòng)車(chē)組高速安全運(yùn)行，需要克服輪軌關(guān)系、弓網(wǎng)關(guān)系、減阻降噪等一系列技術(shù)難題，需要不斷探索新技術(shù)解決方案和先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用，以提升動(dòng)車(chē)組綜合技術(shù)性能。為了吸引旅客，提升列車(chē)的舒適性也是多個(gè)國(guó)家考慮的重要因素。為滿足全球環(huán)境可持續(xù)發(fā)展要求，動(dòng)車(chē)組更加注重節(jié)能環(huán)保；作為鐵路運(yùn)營(yíng)公司和動(dòng)車(chē)組制造商，在采購(gòu)和研制生產(chǎn)動(dòng)車(chē)組時(shí)更加關(guān)注全壽命周期成本，綜合考慮動(dòng)車(chē)組列車(chē)的經(jīng)濟(jì)效益。綜上所述，技術(shù)平臺(tái)化、綜合技術(shù)性能提升、節(jié)能環(huán)保、舒適性和經(jīng)濟(jì)性等特點(diǎn)是當(dāng)前動(dòng)車(chē)組的主要技術(shù)特點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)。

未來(lái)，在新一輪科技革命背景下，云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、寬帶通信等技術(shù)快速發(fā)展，以科技創(chuàng)新為源動(dòng)力，加快新技術(shù)、新材料、新工藝的應(yīng)用和轉(zhuǎn)化，高鐵行業(yè)孕育著重大的技術(shù)創(chuàng)新需求和發(fā)展機(jī)遇。加快智能高鐵科技攻關(guān)，將物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)應(yīng)用在高鐵各專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域，打造更加安全可靠、經(jīng)濟(jì)高效、溫馨舒適、方便快捷、節(jié)能環(huán)保的智能高鐵系統(tǒng)將成為中國(guó)高鐵乃至世界高鐵發(fā)展的未來(lái)趨勢(shì)。