中國(guó)高速列車(chē)研發(fā)與展望1)

丁叁叁 陳大偉 劉加利

(中車(chē)青島四方機(jī)車(chē)車(chē)輛股份有限公司,青島 266111)

引言

高速鐵路是世界鐵路運(yùn)輸發(fā)展的共同趨勢(shì),也是鐵路技術(shù)現(xiàn)代化的主要標(biāo)志.高速鐵路已在世界各國(guó)得到廣泛的重視和蓬勃的發(fā)展,我國(guó)也開(kāi)始對(duì)高速鐵路進(jìn)行研究和建設(shè),并取得了迅猛的發(fā)展及舉世矚目的成就.截至2019 年底,我國(guó)高速鐵路運(yùn)營(yíng)里程突破3.5 萬(wàn)公里,在線高速動(dòng)車(chē)組3665 標(biāo)準(zhǔn)組,高速鐵路運(yùn)營(yíng)里程及高速動(dòng)車(chē)組保有量均占世界2/3 以上,穩(wěn)居世界第一.我國(guó)高速鐵路“四縱四橫”干線網(wǎng)已建設(shè)完成,并向“八縱八橫”大網(wǎng)發(fā)展,覆蓋除西藏外的全部省份,預(yù)計(jì)至2030 年,高速鐵路運(yùn)營(yíng)里程將達(dá)到4.5 萬(wàn)千米,在線高速動(dòng)車(chē)組將超過(guò)7000 標(biāo)準(zhǔn)組.

作為高速鐵路核心裝備的高速動(dòng)車(chē)組,自2004年以來(lái),在長(zhǎng)期技術(shù)積累和自主研發(fā)的基礎(chǔ)上,經(jīng)過(guò)引進(jìn)消化吸收再創(chuàng)新、自主提升創(chuàng)新、全面創(chuàng)新和持續(xù)創(chuàng)新,搭建了高速動(dòng)車(chē)組產(chǎn)品譜系化研發(fā)平臺(tái),滿足用戶的差異化需求,形成40 余種型號(hào)的高速動(dòng)車(chē)組產(chǎn)品,涵蓋160～400 km/h 速度等級(jí),運(yùn)用于既有線提速、城際鐵路和客運(yùn)專(zhuān)線,覆蓋不同的運(yùn)用環(huán)境、編組型式和用途.

我國(guó)高速動(dòng)車(chē)組的運(yùn)行速度、綜合舒適度、安全性、可靠性、節(jié)能環(huán)保等各項(xiàng)綜合性能指標(biāo)優(yōu)良,部分指標(biāo)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平,創(chuàng)造多個(gè)世界紀(jì)錄.在運(yùn)行速度方面,2010 年12 月3 日,在京滬高鐵棗莊至蚌埠試驗(yàn)段,CRH380A 創(chuàng)造了486.1 km/h 的世界輪軌鐵路運(yùn)營(yíng)最高速度紀(jì)錄;2016 年7 月15 日,在鄭徐客運(yùn)專(zhuān)線,復(fù)興號(hào)動(dòng)車(chē)組創(chuàng)造了420 km/h 的世界最高速度列車(chē)交會(huì)試驗(yàn).在綜合舒適度方面,350 km/h下,高速動(dòng)車(chē)組客室噪聲為66～68 dB(A),隧道通過(guò)車(chē)內(nèi)壓力波動(dòng)為205 Pa/3 s.在安全性方面,截止到目前,高速動(dòng)車(chē)組安全運(yùn)營(yíng)里程達(dá)90 億千米,安全運(yùn)送人次達(dá)100 億;486.1 km/h 下,高速動(dòng)車(chē)組輪重減載率為0.67;350 km/h 下,高速動(dòng)車(chē)組緊急制動(dòng)距離為4850 m.在可靠性方面,高速動(dòng)車(chē)組百萬(wàn)公里故障率小于0.5,服役壽命達(dá)20 年以上.在節(jié)能環(huán)保方面,350 km/h 下,高速動(dòng)車(chē)組百公里人均能耗為3.8 度電,車(chē)外通過(guò)噪聲為93 dB(A).

在高速動(dòng)車(chē)組研發(fā)過(guò)程中,開(kāi)展了大量的基礎(chǔ)研究、設(shè)計(jì)探索、仿真優(yōu)化、臺(tái)架試驗(yàn)及長(zhǎng)期線路跟蹤試驗(yàn),積累了大量寶貴數(shù)據(jù)與經(jīng)驗(yàn),自主攻克了大量核心技術(shù)難題,解決了一系列重大技術(shù)問(wèn)題,形成了自主研發(fā)能力.本論文將重點(diǎn)回顧我國(guó)高速動(dòng)車(chē)組的發(fā)展歷程,探討高速動(dòng)車(chē)組設(shè)計(jì)研發(fā)中面臨的技術(shù)挑戰(zhàn),論述高速動(dòng)車(chē)組系列關(guān)鍵技術(shù)的研究進(jìn)展,并展望高速動(dòng)車(chē)組核心關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展方向,以期為高速動(dòng)車(chē)組的發(fā)展提供參考.

1 高速動(dòng)車(chē)組產(chǎn)品

1.1 和諧號(hào)動(dòng)車(chē)組

和諧號(hào)動(dòng)車(chē)組是2004 年開(kāi)始,通過(guò)引進(jìn)消化吸收再創(chuàng)新形成的CRH1,CRH2,CRH3 及CRH5 等系列產(chǎn)品,于2007 年開(kāi)始上線運(yùn)營(yíng),實(shí)現(xiàn)國(guó)內(nèi)首次速度為250 km/h 及以上的高速運(yùn)營(yíng).

2008 年,原鐵道部、科技部簽署“中國(guó)高速列車(chē)自主創(chuàng)新聯(lián)合行動(dòng)計(jì)劃”,研制持續(xù)運(yùn)行速度350 km/h,最高運(yùn)行速度380 km/h 的新一代高速動(dòng)車(chē)組,如圖1 所示.在列車(chē)總成、車(chē)體、轉(zhuǎn)向架、牽引控制、變壓器、變流器、電機(jī)、網(wǎng)絡(luò)控制、制動(dòng)系統(tǒng)九大關(guān)鍵技術(shù)方面取得重大突破,成功研制了速度380 km/h 系列高速動(dòng)車(chē)組,建立了中國(guó)高速動(dòng)車(chē)組自主研發(fā)平臺(tái)[1-2],并創(chuàng)造了486.1 km/h 的世界輪軌鐵路運(yùn)營(yíng)最高速度紀(jì)錄.

圖1 和諧號(hào)CRH380A 動(dòng)車(chē)組Fig.1 Hexie CRH380A EMU

1.2 復(fù)興號(hào)動(dòng)車(chē)組

2013 年,由中國(guó)鐵路總公司牽頭組織,依托發(fā)改委示范工程項(xiàng)目,深化自主創(chuàng)新力度,實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)統(tǒng)化及互聯(lián)互通,完善中國(guó)高速動(dòng)車(chē)組標(biāo)準(zhǔn)體系,研制速度為350 km/h 復(fù)興號(hào)動(dòng)車(chē)組[3],如圖2 所示.

圖2 復(fù)興號(hào)CR400AF 動(dòng)車(chē)組Fig.2 Fuxing CR400AF EMU

速度350 km/h 復(fù)興號(hào)動(dòng)車(chē)組在自主化、互聯(lián)互通、安全性、舒適性、節(jié)能環(huán)保、智能化、經(jīng)濟(jì)性等方面開(kāi)展了深化創(chuàng)新工作,取得了重大突破.復(fù)興號(hào)動(dòng)車(chē)組采用正向設(shè)計(jì)方法,進(jìn)行了頂層設(shè)計(jì)指標(biāo)的層層分解,進(jìn)行了牽引、制動(dòng)、網(wǎng)絡(luò)等系統(tǒng)的全新設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了輪軸、制動(dòng)盤(pán)等材料的國(guó)產(chǎn)化.復(fù)興號(hào)動(dòng)車(chē)組實(shí)現(xiàn)了互聯(lián)互通、零部件統(tǒng)型,不同廠家的動(dòng)車(chē)組能夠相互重聯(lián)、救援,操作界面、司乘界面、運(yùn)用模式統(tǒng)一,零部件統(tǒng)型互換,減少配件備件種類(lèi).復(fù)興號(hào)動(dòng)車(chē)組采用了先進(jìn)的安全設(shè)計(jì)理論,采用涵蓋所有關(guān)鍵系統(tǒng)和設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控,設(shè)置實(shí)時(shí)采集項(xiàng)點(diǎn)2682 個(gè),實(shí)現(xiàn)設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)視、控車(chē),同時(shí)開(kāi)展被動(dòng)安全設(shè)計(jì),耐碰撞設(shè)計(jì)滿足EN 15227 標(biāo)準(zhǔn).

速度350 km/h 復(fù)興號(hào)動(dòng)車(chē)組舒適性全面提升,旅客服務(wù)設(shè)施更加完善,采用先進(jìn)的噪聲控制策略,客室噪聲降低3～4 dB(A),全列列車(chē)實(shí)現(xiàn)無(wú)線WIFI覆蓋.復(fù)興號(hào)動(dòng)車(chē)組更節(jié)能、更環(huán)保、更經(jīng)濟(jì),整車(chē)阻力降低12%,牽引效率提升1.8%,人均100 km 能耗降低17%,實(shí)現(xiàn)廢水、廢物零排放,對(duì)外噪聲、電磁輻射大幅降低,壽命延長(zhǎng)至30 年、修程延長(zhǎng)、零部件統(tǒng)型使得運(yùn)用成本大幅降低.復(fù)興號(hào)動(dòng)車(chē)組采用TCN 和高速傳輸以太網(wǎng)雙重冗余設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)任意子系統(tǒng)的健康管理和全方位、多維度的監(jiān)控和故障診斷,智能化水平全面提升.

1.3 城際動(dòng)車(chē)組

為適應(yīng)城市群快速發(fā)展,構(gòu)建四網(wǎng)融合體系,實(shí)現(xiàn)“門(mén)到門(mén)”運(yùn)輸服務(wù)理念,研制了速度120～200 km/h 系列城際動(dòng)車(chē)組,如圖3 所示.城際動(dòng)車(chē)組突破了輕量化、高速持續(xù)快起快停、大負(fù)荷空調(diào)及壓力保護(hù)、大容量快速制動(dòng)、大載重高速轉(zhuǎn)向架及混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)等關(guān)鍵技術(shù)[4-5].

圖3 城際動(dòng)車(chē)組Fig.3 Intercity EMU

此外,為適應(yīng)運(yùn)輸模式改革,實(shí)現(xiàn)跨線、跨區(qū)運(yùn)行,充分利用既有機(jī)、客車(chē)運(yùn)用維護(hù)資源,研制了速度160 km/h 動(dòng)力集中動(dòng)車(chē)組.

1.4 前沿動(dòng)車(chē)組產(chǎn)品

為完善產(chǎn)品譜系,研發(fā)了系列前沿動(dòng)車(chē)組產(chǎn)品,引領(lǐng)高速動(dòng)車(chē)組關(guān)鍵技術(shù)和裝備升級(jí)換代潮流,包括永磁電機(jī)動(dòng)車(chē)組、更高速度試驗(yàn)列車(chē)、高寒防風(fēng)沙動(dòng)車(chē)組、智能列車(chē)樣車(chē)、速度250 km/h 臥鋪動(dòng)車(chē)組等.永磁電機(jī)動(dòng)車(chē)組旨在引領(lǐng)牽引系統(tǒng)的發(fā)展,實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能,永磁電機(jī)功率密度為1.02 kW/kg,效率達(dá)到97.7%,實(shí)現(xiàn)節(jié)能10%.更高速度試驗(yàn)列車(chē)主要探索更高速度動(dòng)態(tài)性能及安全性,臺(tái)架試驗(yàn)速度達(dá)到605 km/h,牽引總功率達(dá)到21 120 kW,并發(fā)展了風(fēng)阻制動(dòng)、碳纖維等新技術(shù)、新材料.高寒防風(fēng)沙動(dòng)車(chē)組提升了列車(chē)惡劣環(huán)境適應(yīng)性,可以適應(yīng)?40～40?C,風(fēng)沙環(huán)境及3000 m 高海拔環(huán)境.智能列車(chē)樣車(chē)提高了高速動(dòng)車(chē)組智能化和服務(wù)品質(zhì),在系統(tǒng)感知、遠(yuǎn)程監(jiān)控、在途預(yù)警、遠(yuǎn)程應(yīng)急指揮等方面實(shí)現(xiàn)突破.

2 關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)

高速動(dòng)車(chē)組是多節(jié)車(chē)輛編組而成的大長(zhǎng)物體,且貼近地面高速運(yùn)行,軌道及沿線設(shè)施的激擾劇烈,地面效應(yīng)顯著,振動(dòng)、沖擊及氣動(dòng)效應(yīng)復(fù)雜,高速動(dòng)車(chē)組作用關(guān)系復(fù)雜.我國(guó)幅員遼闊,地形環(huán)境復(fù)雜,高速動(dòng)車(chē)組運(yùn)行于平原、丘陵、山區(qū)、高原等不同的地理氣候環(huán)境,高速鐵路沿線不同地點(diǎn)的溫度、濕度、海拔高度、風(fēng)沙雨雪等差異顯著,高速動(dòng)車(chē)組需要適應(yīng)高寒高溫高濕環(huán)境,并能夠承受風(fēng)沙雨雪作用[6].我國(guó)鐵路線路狀況復(fù)雜,客運(yùn)專(zhuān)線、快速鐵路、普快鐵路并存,有砟軌道與無(wú)砟軌道并存,且線路上存在高路堤、高架橋、隧道等路況,高速動(dòng)車(chē)組運(yùn)用工況復(fù)雜.我國(guó)高速動(dòng)車(chē)組經(jīng)受復(fù)雜的作用關(guān)系、地理氣候、運(yùn)用工況的考驗(yàn),高速?gòu)?qiáng)流固耦合狀態(tài)下,形成車(chē)?線?網(wǎng)之間的復(fù)雜作用關(guān)系,如圖4 所示.復(fù)雜環(huán)境下高速動(dòng)車(chē)組的振動(dòng)沖擊、疲勞、腐蝕、大風(fēng)、風(fēng)沙、積雪結(jié)冰、電磁干擾、雷電侵襲等適應(yīng)性問(wèn)題,是世界難題.

隨著高速動(dòng)車(chē)組設(shè)計(jì)速度的逐步提高,高速動(dòng)車(chē)組氣動(dòng)載荷、壓力波及微氣壓波、輪軌作用力、振動(dòng)加速度等指標(biāo)迅速惡化,車(chē)?線?網(wǎng)?氣流大系統(tǒng)耦合作用更加劇烈,使得列車(chē)的運(yùn)動(dòng)行為急劇復(fù)雜,解耦難度增大,進(jìn)一步增加了問(wèn)題分析的復(fù)雜性和預(yù)防處置的難度,需要關(guān)注流固耦合與氣動(dòng)安全、系統(tǒng)強(qiáng)耦合作用與輪軌安全、耦合振動(dòng)與疲勞斷裂、強(qiáng)耦合作用與結(jié)構(gòu)可靠性、牽引制動(dòng)與速度匹配等方面的問(wèn)題[7].

圖4 高速動(dòng)車(chē)組耦合作用關(guān)系Fig.4 Coupled interaction of high-speed EMU

高速動(dòng)車(chē)組安全可靠面臨巨大挑戰(zhàn),安全可靠設(shè)計(jì)也是高速動(dòng)車(chē)組技術(shù)發(fā)展的首要任務(wù),需將“裂、脫、燃、斷、爆、火、離、飏”八防要求解構(gòu)到高速動(dòng)車(chē)組本構(gòu)總體、各系統(tǒng)及部件,如圖5 所示.為解決高速動(dòng)車(chē)組安全可靠問(wèn)題,需從技術(shù)方案、仿真優(yōu)化、試驗(yàn)驗(yàn)證、智能監(jiān)控、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等各環(huán)節(jié)開(kāi)展系統(tǒng)研究,高強(qiáng)度、輕量化、耐沖擊、耐疲勞、耐風(fēng)沙、PHM 等技術(shù)都是高速動(dòng)車(chē)組安全可靠綜合解決方案的重要環(huán)節(jié)[8].

隨著高速鐵路系統(tǒng)提質(zhì)增效需求日益突出,提升高速動(dòng)車(chē)組裝備使用率及維護(hù)效率,降低運(yùn)營(yíng)成本,是當(dāng)前高速動(dòng)車(chē)組技術(shù)發(fā)展的第二大重要任務(wù),需要輕量化、減沖擊、提載重、高耐候、高可靠、高可用、高壽命、少維護(hù)的綜合解決方案,同時(shí)需要完善立體交通網(wǎng)絡(luò),解決門(mén)到門(mén)出行效率,高速動(dòng)車(chē)組產(chǎn)品譜系缺口加大.

智能化是高速鐵路技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì),需將現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)、通信、信息、傳感技術(shù)與列車(chē)控制系統(tǒng)深度融合,全面提升高速動(dòng)車(chē)組自感知、自識(shí)別、自決策及自學(xué)習(xí)能力,實(shí)現(xiàn)高速動(dòng)車(chē)組自動(dòng)駕駛、智能運(yùn)維與智慧服務(wù),從而更高效安全運(yùn)行.

3 關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)展

3.1 PHM 技術(shù)

圖5 高速動(dòng)車(chē)組安全可靠要求Fig.5 Safety and reliability of high-speed EMU

PHM (prognostic and health management) 技術(shù)即為故障預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù),是通過(guò)先進(jìn)的傳感技術(shù)拾取系統(tǒng)狀態(tài)信息,利用智能算法進(jìn)行系統(tǒng)狀態(tài)分析、故障診斷及預(yù)測(cè),并提出維修維護(hù)建議,支持使用者進(jìn)行決策[9-10].PHM 技術(shù)主要關(guān)注系統(tǒng)的狀態(tài)感知、數(shù)據(jù)分析、健康狀況監(jiān)控、故障頻發(fā)位置與時(shí)間、故障發(fā)生與演進(jìn)預(yù)測(cè).PHM 系統(tǒng)可以大幅提升系統(tǒng)的運(yùn)維效率,參考ISO 13774 標(biāo)準(zhǔn),PHM 體系至少應(yīng)該實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、健康評(píng)估、故障預(yù)測(cè)、決策支持六個(gè)方面的功能.

高速動(dòng)車(chē)組PHM 系統(tǒng)主要由車(chē)載系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、地面系統(tǒng),以及應(yīng)用推廣平臺(tái)等構(gòu)成,對(duì)集群、列車(chē)、系統(tǒng)、部件進(jìn)行健康管理,如圖6 所示.車(chē)載PHM系統(tǒng)對(duì)列車(chē)狀態(tài)進(jìn)行預(yù)處理,包括故障診斷、健康評(píng)估和智能決策,并將狀態(tài)特征和預(yù)處理結(jié)果通過(guò)車(chē)地?cái)?shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)反饋到地面PHM 系統(tǒng).地面PHM 系統(tǒng)接收來(lái)自列車(chē)集群的運(yùn)行數(shù)據(jù),對(duì)列車(chē)集群進(jìn)行差異性評(píng)估與分析,對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)中的相關(guān)性和因果性等關(guān)系進(jìn)行挖掘,進(jìn)而訓(xùn)練和優(yōu)化車(chē)載PHM 系統(tǒng)中的分析模型[11-12].

高速動(dòng)車(chē)組PHM 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)大致分為感知、處理與應(yīng)用三個(gè)層次.感知層主要感知車(chē)載既有及新增信息、地面參數(shù)及產(chǎn)品設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、運(yùn)維、售后等信息,完成數(shù)據(jù)采集及清洗.處理層主要接收感知層數(shù)據(jù),進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)、特征提取、關(guān)聯(lián)分析和機(jī)器學(xué)習(xí),進(jìn)行關(guān)系挖掘和建模,完成數(shù)據(jù)到信息的實(shí)時(shí)處理分析.應(yīng)用層主要根據(jù)處理層結(jié)果,將處理信息轉(zhuǎn)化為有價(jià)值的決策,通過(guò)可視化傳遞決策依據(jù)和建議,并通過(guò)信息反饋完成消息閉環(huán).

以走行部監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的軸箱軸承為例,采用具有徑向、橫向振動(dòng)及溫度監(jiān)測(cè)的復(fù)合傳感器、車(chē)載采集分析系統(tǒng)硬件及軟件,部署地面開(kāi)發(fā)驗(yàn)證平臺(tái),分析溫度、振動(dòng)信號(hào),診斷軸承故障、車(chē)輪多邊形等,判讀轉(zhuǎn)向架的健康狀態(tài).軸承前期損傷出現(xiàn)與發(fā)展較為緩慢,當(dāng)宏觀缺陷出現(xiàn)后,缺陷擴(kuò)展可能呈現(xiàn)指數(shù)級(jí)發(fā)展.故障發(fā)展的不同階段采用不同的監(jiān)測(cè)手段,如圖7 所示.在故障早期,采用聲發(fā)射技術(shù),對(duì)軸承損傷探測(cè)的敏度最高,適用于早期故障發(fā)現(xiàn).在故障中期,采用振動(dòng)加速度包絡(luò)分析方法,低頻段的聲發(fā)射信號(hào)分析處理,適用檢測(cè)中、晚期故障.在故障晚期,采用油液鐵磁材料成分分析、振動(dòng)位移與溫度監(jiān)測(cè),對(duì)故障缺陷靈敏度最低,適用于晚期故障發(fā)現(xiàn),此時(shí)軸承功能已經(jīng)失效,需要立即更換.

3.2 車(chē)體輕量化技術(shù)

圖6 高速動(dòng)車(chē)組PHM 系統(tǒng)Fig.6 PHM system of high-speed EMU

圖7 軸承故障診斷方法Fig.7 Fault diagnosis method of bearing

高速動(dòng)車(chē)組車(chē)體輕量化設(shè)計(jì)不僅可以降低材料用量,降低車(chē)輛制造成本,還可以減小輪軌作用力,進(jìn)而降低列車(chē)和軌道的維護(hù)成本.高速動(dòng)車(chē)組車(chē)體輕量化與提高車(chē)體強(qiáng)度、剛度、自振頻率的要求存在沖突,車(chē)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要在滿足現(xiàn)代車(chē)輛設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的條件下,對(duì)車(chē)體強(qiáng)度、剛度、自振頻率和輕量化予以綜合協(xié)調(diào)[13].車(chē)體輕量化設(shè)計(jì)主要從輕質(zhì)高強(qiáng)度材料應(yīng)用和車(chē)體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)兩個(gè)方面開(kāi)展.在輕質(zhì)高強(qiáng)度材料應(yīng)用方面,目前已實(shí)現(xiàn)從碳鋼車(chē)體向不銹鋼車(chē)體、鋁合金車(chē)體的轉(zhuǎn)變,攻克了車(chē)體材料國(guó)產(chǎn)化關(guān)鍵技術(shù),解決了車(chē)體輕量化與強(qiáng)度、剛度及減振降噪等性能的矛盾,以及耐候性、耐腐蝕問(wèn)題,目前正在開(kāi)展碳纖維車(chē)體研制探索.

在車(chē)體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方面,掌握了速度200～250 km/h 高速動(dòng)車(chē)組車(chē)體設(shè)計(jì)制造技術(shù).高速動(dòng)車(chē)組車(chē)體斷面由大型超薄中空鋁合金型材擠壓焊接而成,具有輕量化和等強(qiáng)度的特點(diǎn).通過(guò)自主創(chuàng)新和深化創(chuàng)新,攻克了速度300～350 km/h 高速動(dòng)車(chē)組車(chē)體設(shè)計(jì)制造技術(shù)[2].列車(chē)速度的提升、軸重的增加、氣密強(qiáng)度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的提高,對(duì)高速動(dòng)車(chē)組車(chē)體的強(qiáng)度、剛度等提出了更高的要求.通過(guò)大量的數(shù)值仿真與線路試驗(yàn),研究制定了高速條件下輕量化車(chē)體的主要設(shè)計(jì)目標(biāo):車(chē)體強(qiáng)度滿足EN12663,氣密強(qiáng)度滿足±6000 Pa,車(chē)體一階彎曲振動(dòng)頻率大于10 Hz.為實(shí)現(xiàn)車(chē)體輕量化設(shè)計(jì)目標(biāo),采用分層次分模塊的等強(qiáng)度柔性化設(shè)計(jì)理念,將車(chē)體分為整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化、斷面結(jié)構(gòu)優(yōu)化、車(chē)體部件結(jié)構(gòu)優(yōu)化三個(gè)部分.車(chē)體主體結(jié)構(gòu)仍采用大斷面、超薄中空、通長(zhǎng)鋁合金中空型材焊接的整體承載結(jié)構(gòu).從斷面結(jié)構(gòu)優(yōu)化而言,為了提高車(chē)體剛度和氣密強(qiáng)度,采用了一系列減少應(yīng)力集中、提高承載能力的措施:側(cè)頂圓弧半徑增大,側(cè)頂型材斷面加大并進(jìn)行變截面設(shè)計(jì),并根據(jù)應(yīng)力分布情況,將型材接縫重新分割優(yōu)化,車(chē)體斷面結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后對(duì)比如圖8 所示.車(chē)體部件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化包括:外端墻、氣密隔墻、側(cè)墻門(mén)區(qū)結(jié)構(gòu)采用中空型材結(jié)構(gòu);地板與邊梁采用高強(qiáng)度設(shè)計(jì);司機(jī)室骨架及蒙皮結(jié)構(gòu)優(yōu)化[13].

圖8 車(chē)體斷面優(yōu)化Fig.8 Optimization of car-body section

3.3 被動(dòng)安全防護(hù)技術(shù)

高速動(dòng)車(chē)組被動(dòng)安全防護(hù)研究是一項(xiàng)系統(tǒng)工程,需從列車(chē)和車(chē)體兩個(gè)方面分別展開(kāi)研究,以列車(chē)撞擊理論及耐撞性設(shè)計(jì)技術(shù)為指導(dǎo),在理論分析、數(shù)值仿真、實(shí)物試驗(yàn)三個(gè)方面取得突破,發(fā)展高速動(dòng)車(chē)組車(chē)輛間碰撞理論,建立系統(tǒng)的高速動(dòng)車(chē)組耐撞性設(shè)計(jì)方法,主要涉及整車(chē)能量分配、車(chē)體主結(jié)構(gòu)與吸能區(qū)剛度匹配、吸能裝置材料選型和吸能裝置設(shè)計(jì)、頭罩自主破損設(shè)計(jì)及排障器剪切設(shè)計(jì)等內(nèi)容[14-17].

根據(jù)剛?cè)狁詈辖Ｋ枷?構(gòu)建高速列車(chē)剛?cè)狁詈吓鲎矂?dòng)力學(xué)模型,僅對(duì)車(chē)體前端可變形結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部有限元建模,車(chē)體彈變區(qū)及轉(zhuǎn)向架等結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為剛體,采用多體系統(tǒng)進(jìn)行模擬,開(kāi)展高速列車(chē)耐撞性設(shè)計(jì).高速列車(chē)剛?cè)狁詈吓鲎矂?dòng)力學(xué)模型的主要接觸為車(chē)體主吸能結(jié)構(gòu)間的接觸.碰撞開(kāi)始后,列車(chē)端部鉤緩裝置首先開(kāi)始接觸,鉤緩吸能裝置壓縮完畢,車(chē)鉤失效,車(chē)體可變形區(qū)域開(kāi)始接觸,繼續(xù)變形吸能,端部主吸能結(jié)構(gòu)形式如圖9 所示.單節(jié)車(chē)體剛?cè)狁詈吓鲎矂?dòng)力學(xué)模型如圖10 所示,模型中各結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為參數(shù)通過(guò)部件沖擊試驗(yàn)得到.

圖9 主吸能結(jié)構(gòu)接觸示意圖Fig.9 Contact of the main energy absorbing structure

圖10 剛?cè)狁詈吓鲎矂?dòng)力學(xué)模型Fig.10 Coupled collision dynamics model

圖11 給出八車(chē)編組高速列車(chē)的吸能結(jié)構(gòu)布置形式,頭部采用三級(jí)吸能結(jié)構(gòu),分別為車(chē)鉤緩沖器,圖中OA段;可變形吸能元件,圖中AB段;主吸能結(jié)構(gòu),圖中CD段;圖中EF段為車(chē)體載人區(qū).高速動(dòng)車(chē)組中間車(chē)端使用二級(jí)吸能結(jié)構(gòu),分別為車(chē)鉤緩沖器,圖中OA段;壓潰管,圖中AB段;圖中CD段為車(chē)體載人區(qū).

圖11 吸能結(jié)構(gòu)布置形式Fig.11 Energy absorption structure decorate

通過(guò)一體化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、梯級(jí)剛度匹配設(shè)計(jì)、分級(jí)強(qiáng)迫導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、高效吸能元件,實(shí)現(xiàn)高速動(dòng)車(chē)組車(chē)體系統(tǒng)級(jí)耐碰撞性設(shè)計(jì).高速動(dòng)車(chē)組長(zhǎng)細(xì)頭型導(dǎo)致主吸能結(jié)構(gòu)與車(chē)鉤、開(kāi)閉機(jī)構(gòu)、排障器及其他設(shè)備的安裝空間異常緊張,主吸能結(jié)構(gòu)與車(chē)體承載結(jié)構(gòu)需一體化設(shè)計(jì).進(jìn)行鉤緩、主吸能、排障器和司機(jī)室的剛度梯級(jí)匹配,各級(jí)塑變協(xié)調(diào),姿態(tài)正確,生存空間完整.采用導(dǎo)筒、導(dǎo)軌及防爬器進(jìn)行宏觀導(dǎo)向和微觀調(diào)節(jié),取代防爬器,保證實(shí)車(chē)狀態(tài)有效嚙合及全程防爬糾偏.圖12 為頭車(chē)碰撞吸能設(shè)計(jì).

通過(guò)開(kāi)展被動(dòng)安全防護(hù)技術(shù),以實(shí)車(chē)工況碰撞防護(hù)為目標(biāo),打破發(fā)達(dá)國(guó)家高鐵市場(chǎng)的技術(shù)壁壘,完成速度52/76 km/h 車(chē)輛級(jí)實(shí)車(chē)碰撞試驗(yàn),吸收能量達(dá)4.0/8.0 MJ,完成速度36 km/h 列車(chē)級(jí)實(shí)車(chē)撞擊試驗(yàn),并據(jù)此優(yōu)化、定型復(fù)興號(hào)高速動(dòng)車(chē)組被動(dòng)安全防護(hù)設(shè)計(jì)方案.

圖12 頭車(chē)吸能設(shè)計(jì)Fig.12 Energy absorption design of head car

3.4 CFRP 應(yīng)用

未來(lái)以高速動(dòng)車(chē)組為代表的軌道車(chē)輛,需要綜合性能優(yōu)良的新型材料與結(jié)構(gòu),并突破傳統(tǒng)金屬等材料的局限,提供高效可靠,節(jié)能環(huán)保的解決方案.碳纖維等復(fù)合材料結(jié)構(gòu),以其輕量化、高強(qiáng)度、高模量、高耐候的優(yōu)異綜合性能,及在航空、航天、船舶、汽車(chē)及體育醫(yī)療等領(lǐng)域的成熟應(yīng)用,成為解決此類(lèi)問(wèn)題的絕佳選擇.

國(guó)外纖維復(fù)合材料在材料設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、制造工藝、服役性能及維護(hù)等多方面積累的豐富經(jīng)驗(yàn),為碳纖維復(fù)合材料(carbon fibre reinforced plastics,CFRP)在高速動(dòng)車(chē)組領(lǐng)域的應(yīng)用提供借鑒.國(guó)外軌道交通類(lèi)企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)在前期基礎(chǔ)上,針對(duì)列車(chē)用碳纖維復(fù)合材料開(kāi)展了系統(tǒng)研究,目前已實(shí)現(xiàn)眾多技術(shù)突破,積累了豐富的工程化應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),應(yīng)用范圍從內(nèi)飾、車(chē)內(nèi)設(shè)備、司機(jī)室外罩等非承載部件和次承載部件,擴(kuò)大到車(chē)體、轉(zhuǎn)向架等主承載結(jié)構(gòu)[18-20].

國(guó)內(nèi)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用研究起步較晚,但發(fā)展迅速,目前已完成了次承載件和零部件的研制與應(yīng)用,諸如高速列車(chē)司機(jī)室頭罩、裙板、受電弓導(dǎo)流罩、內(nèi)飾板,低地板車(chē)的側(cè)墻和頂板,城軌車(chē)輛司機(jī)室頭罩、司機(jī)臺(tái),城際動(dòng)車(chē)組裙板等[21-23].2011 年,中車(chē)青島四方股份有限公司更高速度試驗(yàn)列車(chē)CRH380AM 上采用碳纖維復(fù)合材料頭罩.2013 年,中車(chē)青島四方股份有限公司研制的城際動(dòng)車(chē)組碳纖維設(shè)備艙裙板裝車(chē)試運(yùn)行,相比鋁合金減重30%以上.2015 年,中車(chē)青島四方股份有限公司研制的中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車(chē)組碳纖維設(shè)備艙裝車(chē)考核,較鋁合金結(jié)構(gòu)減重35%以上.2018 年,中車(chē)青島四方股份有限公司研制下一代地鐵列車(chē)“車(chē)體+司機(jī)室+轉(zhuǎn)向架”等承載結(jié)構(gòu),進(jìn)行列車(chē)大型CFRP 復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造工藝探索,并進(jìn)行低速運(yùn)用考核,實(shí)現(xiàn)CFRP 應(yīng)用技術(shù)突破,為主結(jié)構(gòu)向CFRP 遷移做技術(shù)準(zhǔn)備.圖13 為下一代地鐵列車(chē)碳纖維結(jié)構(gòu)應(yīng)用.

圖13 下一代地鐵列車(chē)碳纖維應(yīng)用Fig.13 CFRP application of next generation metro train

目前,中車(chē)青島四方股份有限公司正在加速推進(jìn)速度350 km/h 高速動(dòng)車(chē)組、速度600 km/h 高速磁浮列車(chē)碳纖維承載結(jié)構(gòu)研制.我國(guó)軌道交通產(chǎn)業(yè)正處于快速發(fā)展時(shí)期,應(yīng)捉住這一機(jī)遇,建立產(chǎn)、學(xué)、研、用一體化研究平臺(tái),推動(dòng)CFRP 在軌道車(chē)輛領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用,特別是在大型、復(fù)雜、通用承載結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用,促進(jìn)我國(guó)高速軌道交通事業(yè)的發(fā)展.

3.5 氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)技術(shù)

隨著高速動(dòng)車(chē)組運(yùn)行速度的不斷提高,列車(chē)與空氣之間的相互作用變得越來(lái)越顯著,需要開(kāi)展人、車(chē)、隧、環(huán)境耦合的空氣動(dòng)力理論、評(píng)估、設(shè)計(jì)和制造一體化設(shè)計(jì)技術(shù)研究,突破氣動(dòng)效應(yīng)、隧道效應(yīng)、交會(huì)效應(yīng)、大風(fēng)效應(yīng)、地面效應(yīng)和尺度效應(yīng)的制約,攻克結(jié)構(gòu)空間、線路條件、制造工藝約束的氣動(dòng)外形多目標(biāo)循環(huán)優(yōu)化設(shè)計(jì)難題,實(shí)現(xiàn)高速動(dòng)車(chē)組綜合氣動(dòng)性能的逐步提升[24-27].

高速列車(chē)氣動(dòng)性能涉及多個(gè)方面,需要解決不同氣動(dòng)性能與設(shè)計(jì)參數(shù)之間的匹配問(wèn)題,同時(shí)需要考慮到空間結(jié)構(gòu)對(duì)外形設(shè)計(jì)的限制,并需要兼顧民族文化傳統(tǒng)的要求.高速列車(chē)的氣動(dòng)設(shè)計(jì)是在一定的限制條件下,系統(tǒng)分析氣動(dòng)性能指標(biāo)與設(shè)計(jì)變量的相關(guān)性,遵循設(shè)計(jì)目標(biāo)最優(yōu)化的原則,采用仿真和試驗(yàn)相結(jié)合的方法開(kāi)展設(shè)計(jì)[28-30].圖14 給出高速列車(chē)氣動(dòng)設(shè)計(jì)的頂層設(shè)計(jì)原則、性能指標(biāo)及設(shè)計(jì)變量之間的關(guān)系.高速動(dòng)車(chē)組氣動(dòng)性能指標(biāo)與氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)變量之間的關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜,且不同氣動(dòng)性能指標(biāo)之間可能會(huì)存在相互矛盾,為高速動(dòng)車(chē)組氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)帶來(lái)巨大的困難.

高速動(dòng)車(chē)組氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)主要從流線型頭型設(shè)計(jì)和表面平順化設(shè)計(jì)兩個(gè)方面展開(kāi),綜合提升列車(chē)氣動(dòng)性能;通過(guò)氣動(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)分析,總結(jié)前期氣動(dòng)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),同時(shí)借鑒其他車(chē)型的成功經(jīng)驗(yàn),根據(jù)頂層指標(biāo)的新要求,提出高速動(dòng)車(chē)組氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)思路和建議.高速動(dòng)車(chē)組氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)策略主要為:反饋迭代,優(yōu)化邊界,結(jié)果一致,完善平臺(tái).

針對(duì)流線型頭型設(shè)計(jì),建立了涵蓋“概念設(shè)計(jì)+方案設(shè)計(jì)+技術(shù)設(shè)計(jì)+施工設(shè)計(jì)+樣車(chē)試驗(yàn)”的高速動(dòng)車(chē)組譜系化外形多目標(biāo)循環(huán)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)體系,通過(guò)系統(tǒng)優(yōu)化,得到幾十種備選方案,綜合氣動(dòng)性能優(yōu)良,滿足設(shè)計(jì)要求.外形特征分明,文化內(nèi)涵豐富,可作為系列高速動(dòng)車(chē)組備選方案.大量的初步方案各具特色,都有進(jìn)一步優(yōu)化提升空間,可作為頭型設(shè)計(jì)的備用庫(kù).圖15 給出了典型高速動(dòng)車(chē)組頭型設(shè)計(jì)方案.

在表面平順化設(shè)計(jì)方面,主要從集電系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向架區(qū)域、車(chē)端連接、車(chē)頂天線、車(chē)門(mén)車(chē)窗等部位進(jìn)行流線化、平順化處理,降低氣動(dòng)阻力、減小氣動(dòng)噪聲.針對(duì)不同部位的特點(diǎn),結(jié)合前期研究成果,提出多種氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)方案,通過(guò)仿真優(yōu)化、風(fēng)洞試驗(yàn)及動(dòng)模型試驗(yàn)方法,綜合分析評(píng)估,確定表面平順化氣動(dòng)設(shè)計(jì)方案.圖16 給出復(fù)興號(hào)CR400AF 表面平順化設(shè)計(jì)方案.

通過(guò)長(zhǎng)期的氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)技術(shù)探索,解決了中國(guó)高速動(dòng)車(chē)組面臨的大量氣動(dòng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題,滿足不同速度、不同運(yùn)用環(huán)境的安全可靠、節(jié)能環(huán)保、舒適性等方面的需求.

圖14 設(shè)計(jì)原則、性能指標(biāo)及設(shè)計(jì)變量的相關(guān)性Fig.14 Correlation among design principle,performance indexes and design variables

圖15 流線型頭型設(shè)計(jì)方案Fig.15 Design schemes of the streamlined head

圖16 表面平順化設(shè)計(jì)方案Fig.16 Design schemes of the surface smooth

3.6 高速轉(zhuǎn)向架技術(shù)

轉(zhuǎn)向架是決定高速動(dòng)車(chē)組運(yùn)行安全特性及乘坐舒適度的關(guān)鍵子系統(tǒng).以新材料、新結(jié)構(gòu)、機(jī)電一體化為支撐的高強(qiáng)、輕質(zhì)、智能高速轉(zhuǎn)向架是轉(zhuǎn)向架技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì).

轉(zhuǎn)向架質(zhì)量為7～10 t,2 臺(tái)轉(zhuǎn)向架約占車(chē)輛質(zhì)量的1/3,轉(zhuǎn)向架輕量化是實(shí)現(xiàn)高速動(dòng)車(chē)組輕量化的關(guān)鍵.然而,轉(zhuǎn)向架作為走行關(guān)鍵承載部件,其結(jié)構(gòu)安全性、系統(tǒng)剛度匹配性又與輕量化相制約.根據(jù)高速動(dòng)車(chē)組耦合大系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究成果,隨著車(chē)速的增大,較大的簧下質(zhì)量將使軌道下沉量加劇而增大線路維護(hù)保養(yǎng)成本,同時(shí)使車(chē)輛的輪重減載率增大而降低車(chē)輛運(yùn)行安全性,以降低簧下質(zhì)量為原則對(duì)轉(zhuǎn)向架簧下及簧間質(zhì)量進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì).

高速列車(chē)簧下部件主要包括輪對(duì)、軸箱及齒輪箱,輕量化設(shè)計(jì)要在動(dòng)力學(xué)、強(qiáng)度及工藝可行性間進(jìn)行平衡.以空心車(chē)軸、小直徑車(chē)輪等優(yōu)化措施為例,其在設(shè)計(jì)過(guò)程中以重量和強(qiáng)度安全系數(shù)為目標(biāo)進(jìn)行多軸疲勞評(píng)估下的優(yōu)化設(shè)計(jì).轉(zhuǎn)向架簧間部分質(zhì)量對(duì)動(dòng)力學(xué)的影響不如簧下部分明顯,其輕量化目的主要在于減輕軸重.對(duì)于構(gòu)架的輕量化設(shè)計(jì)要兼顧結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度匹配.此外,集成式基礎(chǔ)制動(dòng)裝置、永磁電機(jī)技術(shù)的應(yīng)用也為高速列車(chē)簧間質(zhì)量的輕量化提供了更廣闊的空間[13].

在新材料應(yīng)用方面,依托下一代地鐵列車(chē)項(xiàng)目,研制了碳纖維構(gòu)架,掌握了碳纖維構(gòu)架設(shè)計(jì)、制造及試驗(yàn)技術(shù),與鋁合金構(gòu)架相比,實(shí)現(xiàn)減重40%以上.同時(shí),研制了碳陶制動(dòng)盤(pán),與鋼制制動(dòng)盤(pán)相比,實(shí)現(xiàn)減重30%以上.在新結(jié)構(gòu)應(yīng)用方面,開(kāi)展軸箱內(nèi)置設(shè)計(jì)研究,包絡(luò)輪廓降低10%,簧下重量減重20%.目前正持續(xù)推進(jìn)碳纖維構(gòu)架、大功率基礎(chǔ)制動(dòng)、主動(dòng)控制、智能監(jiān)測(cè)及高速箱內(nèi)置技術(shù)等研究,進(jìn)一步提高列車(chē)運(yùn)行安全性、穩(wěn)定性、舒適性及運(yùn)用經(jīng)濟(jì)性.

3.7 噪聲控制技術(shù)

噪聲傳播的三要素為噪聲源、傳遞途徑和接受者.高速動(dòng)車(chē)組噪聲控制技術(shù)主要是對(duì)噪聲源和傳遞途徑兩個(gè)方面進(jìn)行控制,使得車(chē)內(nèi)外的噪聲水平控制在一定的范圍之內(nèi),從而滿足旅客乘坐舒適度要求.

高速列車(chē)噪聲控制主要是對(duì)車(chē)外噪聲和車(chē)內(nèi)噪聲進(jìn)行控制.根據(jù)國(guó)內(nèi)外鐵路噪聲理論研究和試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果,高速列車(chē)車(chē)外噪聲主要由牽引噪聲、輪軌噪聲和氣動(dòng)噪聲組成[31],它們與列車(chē)速度的變化關(guān)系如圖17 所示.牽引噪聲與列車(chē)速度近似成線性關(guān)系,輪軌噪聲與列車(chē)速度近似成3 次方關(guān)系,氣動(dòng)噪聲與列車(chē)速度近似成6 次方關(guān)系,3 類(lèi)噪聲對(duì)總噪聲的貢獻(xiàn)量與列車(chē)速度有關(guān).在低速時(shí),牽引噪聲對(duì)總噪聲的貢獻(xiàn)量最大,占主導(dǎo)地位.隨著列車(chē)速度的提高,輪軌噪聲對(duì)總噪聲的貢獻(xiàn)量將超過(guò)牽引噪聲,占主導(dǎo)地位.隨著列車(chē)速度的進(jìn)一步提高,氣動(dòng)噪聲對(duì)總噪聲的貢獻(xiàn)量將超過(guò)輪軌噪聲,占主導(dǎo)地位.由此將產(chǎn)生兩個(gè)臨界速度VC1和VC2,稱(chēng)為聲學(xué)轉(zhuǎn)變速度.當(dāng)輪軌噪聲得到很好的控制后,VC1將變大,而VC2將變小,也就是說(shuō)在低速區(qū)域內(nèi),牽引噪聲將在更高的車(chē)速下占主導(dǎo)地位,而在高速區(qū)域內(nèi),氣動(dòng)噪聲將在更低的車(chē)速下占主導(dǎo)地位.研究表明,當(dāng)列車(chē)速度達(dá)到300 km/h 時(shí),氣動(dòng)噪聲將成為高速列車(chē)車(chē)外噪聲的主要來(lái)源[32].高速列車(chē)氣動(dòng)噪聲源主要包括受電弓、轉(zhuǎn)向架、車(chē)端風(fēng)擋、頭尾車(chē)流線型等區(qū)域,氣動(dòng)外形優(yōu)化設(shè)計(jì)是降低高速列車(chē)氣動(dòng)噪聲的主要手段[33-36].

圖17 車(chē)外噪聲與速度的關(guān)系Fig.17 Exterior noise and its relationship with speed

高速動(dòng)車(chē)組車(chē)內(nèi)噪聲主要來(lái)自于車(chē)外噪聲源,車(chē)外噪聲通過(guò)車(chē)體表面時(shí)一部分被反射,一部分被轉(zhuǎn)化為其他形式的能量或波被吸收,一部分以結(jié)構(gòu)輻射噪聲的形式進(jìn)入車(chē)內(nèi),最后一部分透過(guò)車(chē)體斷面進(jìn)入車(chē)內(nèi).因此,傳遞途徑控制主要是對(duì)空氣聲和結(jié)構(gòu)聲的控制.

在對(duì)動(dòng)車(chē)組大量部件的試驗(yàn)室測(cè)試和實(shí)車(chē)線路運(yùn)行測(cè)試結(jié)果、數(shù)據(jù)分析及對(duì)理論系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上,通過(guò)對(duì)噪聲源和噪聲傳遞路徑的系統(tǒng)研究,在技術(shù)方案工程化設(shè)計(jì)中綜合考慮列車(chē)開(kāi)發(fā)所追求的節(jié)能、環(huán)保設(shè)計(jì)理念,總結(jié)形成了分頻段控制、等聲壓級(jí)設(shè)計(jì)和輕量化設(shè)計(jì)三大原則.噪聲控制技術(shù)的關(guān)鍵問(wèn)題是按照這三大控制策略,采用模態(tài)控制、減振設(shè)計(jì)、隔聲設(shè)計(jì)、吸聲設(shè)計(jì)和降低噪聲源等技術(shù)手段,實(shí)現(xiàn)對(duì)噪聲源和傳播途徑的控制[37].圖18 給出多層復(fù)合降噪設(shè)計(jì)方案.

圖18 多層復(fù)合降噪結(jié)構(gòu)Fig.18 Multi-layer composite noise reduction structure

復(fù)興號(hào)車(chē)內(nèi)外噪聲已達(dá)到優(yōu)級(jí),優(yōu)于國(guó)內(nèi)外噪聲標(biāo)準(zhǔn).然而,在結(jié)構(gòu)輕量化、聲品質(zhì)提升、設(shè)備單頻噪聲控制、噪聲主動(dòng)控制等方面尚有提升空間.圍繞現(xiàn)車(chē)噪聲問(wèn)題診斷、新車(chē)型噪聲管理、典型車(chē)型聲品質(zhì)提升等問(wèn)題,從噪聲源識(shí)別與控制、整車(chē)降噪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、聲品質(zhì)與噪聲主動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用三方面持續(xù)展開(kāi)研究,提升乘坐舒適性.

3.8 牽引制動(dòng)技術(shù)

在牽引系統(tǒng)方面,研制基于SiC 的變流系統(tǒng),攻克了冷卻、故障保護(hù)及診斷等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),變流器重量降低30%,損耗降低20%以上,并已在城軌領(lǐng)域進(jìn)行裝車(chē)考核.開(kāi)展功率芯片、智能化控制器、高效散熱器、超薄低感母排和傳感器等變流模塊PCU集成技術(shù),滿足未來(lái)定制化、輕量化和小型化需求,并已完成PCU 樣機(jī)研制,通過(guò)了功率測(cè)試及可靠性試驗(yàn).研究級(jí)聯(lián)分壓整流技術(shù),研制電力電子變壓器,大幅提高功率密度,減重節(jié)能效果優(yōu)良,并已完成1.6MVA 工程牽引變流樣機(jī),效率提高2%,體積減小20%,重量減小15%.

在制動(dòng)系統(tǒng)方面,開(kāi)展更高速度制動(dòng)技術(shù)、綠色化制動(dòng)技術(shù)、智能化制動(dòng)技術(shù)、及新型摩擦材料研究.在更高速度制動(dòng)方面,克服黏著極限,開(kāi)展非黏著制動(dòng)及減速度閉環(huán)研究,滿足更高速度下的制動(dòng)需求.開(kāi)展風(fēng)阻制動(dòng)、線性渦流制動(dòng)、磁軌制動(dòng)等非黏著制動(dòng)技術(shù)研究,風(fēng)阻制動(dòng)已在更高速度試驗(yàn)列車(chē)上完成裝車(chē)考核,如圖19 所示.在綠色化制動(dòng)技術(shù)方面,開(kāi)展電機(jī)械制動(dòng)和無(wú)油空壓機(jī)研究,電機(jī)械制動(dòng)技術(shù)采用電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)基礎(chǔ)制動(dòng)器實(shí)施制動(dòng),取消風(fēng)源與管路,已在城軌車(chē)輛上進(jìn)行應(yīng)用.無(wú)油空壓機(jī)具有免潤(rùn)滑與維護(hù)的優(yōu)勢(shì),提高空氣質(zhì)量,已開(kāi)發(fā)無(wú)油活塞式和渦旋式兩種.在智能化制動(dòng)技術(shù)方面,開(kāi)展制動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵部件本地/遠(yuǎn)程診斷、預(yù)警及預(yù)測(cè)研究,已完成車(chē)載智能單元研制,實(shí)現(xiàn)閥類(lèi)、風(fēng)源等關(guān)鍵部件的故障診斷與預(yù)警.在新型摩擦材料方面,摩擦材料的選擇向輕量化、更高熱容、更耐磨方向發(fā)展,重點(diǎn)開(kāi)展鋁基復(fù)合摩擦材料和碳陶摩擦材料研究,包括材料制備、成型、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及關(guān)鍵共性技術(shù)及服役邊界條件.

圖19 風(fēng)阻制動(dòng)技術(shù)Fig.19 Wind brake technology

4 技術(shù)發(fā)展方向

隨著技術(shù)不斷成熟進(jìn)步,高速動(dòng)車(chē)組產(chǎn)品譜系與性能不斷發(fā)展,推動(dòng)一體化交通體系建設(shè),大幅度提高門(mén)到門(mén)旅行效率和舒適性、便利性.為支撐高速動(dòng)車(chē)組產(chǎn)品研發(fā),亟需重點(diǎn)突破一系列關(guān)鍵技術(shù).

4.1 動(dòng)力學(xué)技術(shù)深化研究

深入研究高速輪軌關(guān)系及系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論:進(jìn)行高速和復(fù)雜服役環(huán)境下輪軌接觸、脫軌及蠕變機(jī)理研究,從微觀辨識(shí)其行為特征和變化規(guī)律;持續(xù)優(yōu)化懸掛系統(tǒng)性能,提高故障運(yùn)行能力和冰雪運(yùn)行安全性;研究主動(dòng)懸掛技術(shù),實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)懸掛性能參數(shù);研究多種徑向技術(shù),提高曲線通過(guò)能力;持續(xù)進(jìn)行脫軌防護(hù)技術(shù)研究,優(yōu)化防護(hù)策略.

進(jìn)一步完善動(dòng)力學(xué)研究平臺(tái):健全動(dòng)力學(xué)、強(qiáng)度等標(biāo)準(zhǔn)及仿真?試驗(yàn)?評(píng)估?優(yōu)化流程;建立更精確的剛?cè)狁詈洗笙到y(tǒng)模型,基于線路條件(曲線、坡度、不平順等) 和線路載荷譜,修正模型與邊界,提升分析精度,研究主動(dòng)控制與動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)合的分析技術(shù);建設(shè)耦合滾振+車(chē)體激勵(lì)+氣動(dòng)激勵(lì),和線路條件及牽引制動(dòng)工況的高速車(chē)輛級(jí)動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)臺(tái),提升研究能力.

4.2 結(jié)構(gòu)安全技術(shù)精細(xì)化研究

研究線路運(yùn)行載荷,獲取各種線路條件、運(yùn)行里程及速度工況下,振動(dòng)、氣動(dòng)、電磁沖擊的載荷譜,建立數(shù)據(jù)庫(kù).優(yōu)化系統(tǒng)仿真模型,基于線路載荷譜,修正流固與電磁耦合大系統(tǒng)及各子系統(tǒng)模型,精細(xì)分析車(chē)體等各部件安全性.深入揭示微動(dòng)機(jī)理,實(shí)現(xiàn)精確仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證,完善疲勞評(píng)價(jià)技術(shù),對(duì)輪軸等部件進(jìn)行更準(zhǔn)確的損傷評(píng)估.研發(fā)新型試驗(yàn)平臺(tái),運(yùn)用車(chē)輛級(jí)的模態(tài)振動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái),開(kāi)展車(chē)體、轉(zhuǎn)向架整體、局部及耦合模態(tài)試驗(yàn);建設(shè)氣密與振動(dòng)載荷耦合的強(qiáng)度試驗(yàn)平臺(tái),模擬線路運(yùn)行工況.

4.3 被動(dòng)安全防護(hù)技術(shù)深化研究

發(fā)展列車(chē)追蹤接近預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù),提高主動(dòng)安全性能;持續(xù)深化被動(dòng)安全技術(shù),盡快納入高速動(dòng)車(chē)組設(shè)計(jì)流程.

深化材料動(dòng)態(tài)性能研究,全面開(kāi)展金屬材料、復(fù)合材料動(dòng)態(tài)性能研究,建立材料動(dòng)態(tài)性能數(shù)據(jù)庫(kù).繼續(xù)優(yōu)化吸能結(jié)構(gòu),全包覆工況下,車(chē)體結(jié)構(gòu)、吸能部件、包覆部件剛度梯度匹配、協(xié)調(diào)動(dòng)作及輕量化優(yōu)化研究,設(shè)計(jì)輕量化高性能耐撞擊結(jié)構(gòu),防護(hù)速度達(dá)到100 km/h.開(kāi)展高速列車(chē)級(jí)的撞擊試驗(yàn),獲取核心數(shù)據(jù),支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),促進(jìn)吸能技術(shù)工程化應(yīng)用.完善列車(chē)高速撞擊平臺(tái),持續(xù)開(kāi)展撞擊試驗(yàn),完善仿真模型,評(píng)估設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),建立設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn).

4.4 流固耦合技術(shù)深化研究

深入研究流動(dòng)精細(xì)化技術(shù):深化車(chē)體邊界層機(jī)理研究,準(zhǔn)確揭示其流場(chǎng)機(jī)理和脈動(dòng)規(guī)律;深化復(fù)雜流場(chǎng)分析,精準(zhǔn)描述設(shè)備艙、轉(zhuǎn)向架、車(chē)端及集電系統(tǒng)等復(fù)雜湍流流場(chǎng)特征;發(fā)展煙、火、風(fēng)、沙、雪等多相流仿真及試驗(yàn)技術(shù),提高災(zāi)害及惡劣環(huán)境安全性;建立完善的地面效應(yīng)理論與試驗(yàn)方法,探明其持續(xù)與非周期性變化特征,及隨速度變化規(guī)律;深入研究相似準(zhǔn)則,提高風(fēng)洞及動(dòng)模型試驗(yàn)準(zhǔn)確度;優(yōu)化測(cè)試技術(shù),提高模型及線路試驗(yàn)精度.

深入研究氣動(dòng)噪聲仿真及試驗(yàn)技術(shù):氣動(dòng)噪聲計(jì)算復(fù)雜,列車(chē)氣動(dòng)噪聲評(píng)估通常只能針對(duì)三車(chē)編組1:8 縮比模型,計(jì)算精度和效率也亟需提升,縮比模型與全尺寸模型氣動(dòng)噪聲近似轉(zhuǎn)換理論也亟待建立.在線路試驗(yàn)方面,車(chē)外噪聲解耦技術(shù)也是世界難題.

完善氣動(dòng)優(yōu)化及試驗(yàn)平臺(tái):建立高速動(dòng)車(chē)組專(zhuān)用試驗(yàn)平臺(tái),具有移動(dòng)地面等抵消附面層影響、模擬相對(duì)運(yùn)動(dòng)、適應(yīng)長(zhǎng)細(xì)模型的高速力學(xué)及環(huán)境、風(fēng)沙風(fēng)洞;具備橫風(fēng)功能,試驗(yàn)速度500 km/h 的輪軌和試驗(yàn)速度600 km/h 的磁浮動(dòng)模型試驗(yàn)臺(tái)及更高速度低真空試驗(yàn)臺(tái);完成標(biāo)準(zhǔn)模型及氣動(dòng)性能測(cè)試研究,以標(biāo)定風(fēng)洞試驗(yàn),提高試驗(yàn)精準(zhǔn)度;完善高速動(dòng)車(chē)組的參數(shù)化氣動(dòng)優(yōu)化平臺(tái),形成譜系化產(chǎn)品研發(fā)能力.

4.5 牽引及制動(dòng)系統(tǒng)深化研究

大功率高效牽引輔助:圍繞小型化、輕量化、高效率、低能耗需求,持續(xù)研究推動(dòng)大功率IGBT、碳化硅器件和高性能永磁材料應(yīng)用,盡快研發(fā)大功率高效牽引系統(tǒng)及高頻輔變系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)高速動(dòng)車(chē)組牽引系統(tǒng)輔助升級(jí)換代.

高速高效的電磁與超導(dǎo)系統(tǒng):研究高導(dǎo)磁、低鐵損電磁材料及高性能永磁材料,提高電機(jī)力矩及牽引效率;研究高可靠性超導(dǎo)材料,提高超導(dǎo)電機(jī)、儲(chǔ)能系統(tǒng)及磁浮系統(tǒng)的牽引、儲(chǔ)能及懸浮導(dǎo)向效率,支撐高速磁浮及未來(lái)各型高速動(dòng)車(chē)組系列研發(fā).

開(kāi)展制動(dòng)黏著特性、摩擦材料、新型制動(dòng)裝置等制動(dòng)基礎(chǔ)技術(shù)以及大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用研究,進(jìn)一步提升制動(dòng)能力及可靠性.繪制中國(guó)線路輪軌黏著曲線,填補(bǔ)空白,為制動(dòng)力與防滑設(shè)計(jì)提供依據(jù);試驗(yàn)出準(zhǔn)確的制動(dòng)摩擦特性曲線,提升控制精度;研制碳陶等高性能摩擦材料,滿足更高速度更大容量需求.推動(dòng)風(fēng)阻、磁軌、渦流、相變等非黏著制動(dòng)技術(shù)及直接制動(dòng)等新型制動(dòng)技術(shù)的工程化應(yīng)用.

4.6 智能控制安全技術(shù)研究

基于控制安全,開(kāi)展全自動(dòng)控制技術(shù)、智能化診斷、智能傳感器網(wǎng)絡(luò)及一體化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的研究,進(jìn)一步提升控制智能化與安全性.深化基于工業(yè)以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)及融合控制技術(shù),實(shí)現(xiàn)與人工智能技術(shù)有機(jī)結(jié)合,實(shí)現(xiàn)智能運(yùn)維、無(wú)人駕駛和現(xiàn)代智能服務(wù).研究碳納米芯片及柔性化、集成化、智能化的多種傳感?采集?處理系統(tǒng).

智能設(shè)備、智能分析、智能決策三大要素與網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算、運(yùn)維有機(jī)整合,可挖掘工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)及人工智能潛能,實(shí)現(xiàn)節(jié)能降本增效,帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展.人工智能在列車(chē)裝備的應(yīng)用方向包括:數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的預(yù)測(cè)性建模分析,以預(yù)測(cè)為基礎(chǔ)的資源有效性運(yùn)營(yíng)決策優(yōu)化,對(duì)實(shí)體鏡像對(duì)稱(chēng)建模的信息-物理系統(tǒng).

4.7 PHM 技術(shù)持續(xù)研究

將結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè) (structural health monitoring,SHM) 等既有及新增單元納入PHM 系統(tǒng),感知信息協(xié)同、同步,構(gòu)建關(guān)聯(lián)性系統(tǒng)分析模型,并融入列車(chē)智能運(yùn)維系統(tǒng)平臺(tái),提高故障監(jiān)測(cè)、分析、報(bào)警、決策的系統(tǒng)性和時(shí)效性.

建立各關(guān)鍵部位的系列材料、結(jié)構(gòu)、性能的正常及損傷樣本,完善列車(chē)及集群級(jí)PHM 數(shù)據(jù)庫(kù),基于大數(shù)據(jù)技術(shù),研究損傷特征及衍變規(guī)律,提高健康監(jiān)測(cè)和剩余壽命分析的準(zhǔn)確性、實(shí)用性.

構(gòu)建基礎(chǔ)設(shè)施、移動(dòng)裝備、運(yùn)營(yíng)指揮、檢修、旅客服務(wù)五位一體的統(tǒng)一數(shù)據(jù)中心,研究海量數(shù)據(jù)高效處理、多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合技術(shù)、制定數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)及接入規(guī)范,融合各種檢測(cè)系統(tǒng),納入PHM 體系平臺(tái),實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享、同步及協(xié)同驅(qū)動(dòng),統(tǒng)籌數(shù)據(jù)分析管理,高效監(jiān)測(cè)管理與服務(wù).

目前,PHM 基礎(chǔ)理論與軌道車(chē)輛應(yīng)用技術(shù)發(fā)展迅速,經(jīng)初步裝車(chē)考核,效果良好.為進(jìn)一步推廣應(yīng)用,需加快研究發(fā)布相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范.為推進(jìn)軌道車(chē)輛的標(biāo)準(zhǔn)化工作,后續(xù)需深入開(kāi)展以下技術(shù)研究課題.

(1)故障判據(jù):研究不同材料在不同系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)中的最小故障識(shí)別標(biāo)準(zhǔn).

(2)損傷容限:進(jìn)行安全評(píng)估與壽命預(yù)測(cè),建立容限?策略模型,及剩余壽命評(píng)估標(biāo)準(zhǔn).

(3)決策機(jī)制:研究失效準(zhǔn)則,故障發(fā)展規(guī)律,建立數(shù)據(jù)庫(kù),確定決策機(jī)制與流程.

(4)應(yīng)用準(zhǔn)則:確定各方法技術(shù)條件,檢查驗(yàn)收及認(rèn)證規(guī)范.

(5)裝車(chē)工藝:深入研究不同監(jiān)測(cè)技術(shù)裝車(chē)方案,建立各種PHM 系統(tǒng)裝車(chē)規(guī)范.

(6) 系統(tǒng)試驗(yàn):研究各種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)調(diào)試試驗(yàn),建立監(jiān)測(cè)系統(tǒng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn).

(7)數(shù)傳處理:研究車(chē)地間數(shù)據(jù)傳輸處理機(jī)制,特別是海量數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸和異構(gòu)數(shù)據(jù)處理.

4.8 綜合節(jié)能技術(shù)研究

圖20 綜合節(jié)能技術(shù)Fig.20 Comprehensive energy-saving technology

節(jié)能主要從列車(chē)減阻、系統(tǒng)效率及能量管理三方面入手,綜合解決,如圖20 所示.有序推進(jìn)研究碳纖維、鎂合金、高強(qiáng)度鋼、納米合金、碳化硅等先進(jìn)材料工程化應(yīng)用.進(jìn)行精細(xì)化氣動(dòng)設(shè)計(jì)優(yōu)化和動(dòng)量管理,推動(dòng)基于流動(dòng)控制的氣動(dòng)減阻技術(shù)應(yīng)用.研究高能效牽引傳動(dòng)及輔助技術(shù)、提高全系統(tǒng)效率,提升車(chē)體隔熱性能與空調(diào)等系統(tǒng)的節(jié)能水平.開(kāi)展精確的列車(chē)能量管理,統(tǒng)籌設(shè)備工作序列與狀態(tài).

5 結(jié)論

十幾年來(lái),以高速動(dòng)車(chē)組為代表的高速鐵路裝備在長(zhǎng)期技術(shù)積累和自主研發(fā)基礎(chǔ)上,經(jīng)過(guò)引進(jìn)消化吸收再創(chuàng)新、自主提升創(chuàng)新、全面創(chuàng)新和持續(xù)創(chuàng)新,成功研制了多代先進(jìn)產(chǎn)品,并通過(guò)持續(xù)創(chuàng)新,積極應(yīng)對(duì)產(chǎn)品安全性、可靠性、能效及智能化出現(xiàn)的新挑戰(zhàn).

未來(lái)高速動(dòng)車(chē)組發(fā)展應(yīng)以國(guó)家戰(zhàn)略為指引,以用戶需求為導(dǎo)向,以技術(shù)創(chuàng)新為支撐,堅(jiān)持合作發(fā)展、協(xié)作共贏的全球化市場(chǎng)理念,通過(guò)戰(zhàn)略實(shí)施、統(tǒng)籌管理、協(xié)同布局,提升高速動(dòng)車(chē)組產(chǎn)品技術(shù)水平,推動(dòng)高鐵裝備走世界引領(lǐng)之路.