新一代中國高速鐵路動車組面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)與策略研究

繆炳榮，張衛(wèi)華，鄧永權(quán)，李旭娟，梅桂明

（西南交通大學(xué)牽引動力國家重點實驗室，成都610031）

新一代中國高速鐵路動車組面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)與策略研究

繆炳榮，張衛(wèi)華，鄧永權(quán)，李旭娟，梅桂明

（西南交通大學(xué)牽引動力國家重點實驗室，成都610031）

基于新一代中國高速列車（動車組）關(guān)鍵技術(shù)的研究發(fā)展趨勢和策略問題進行詳細(xì)討論和技術(shù)展望。主要內(nèi)容包括：首先，介紹國際先進軌道車輛制造商在其新一代車輛開發(fā)過程中采用的先進設(shè)計技術(shù)和理念，分層次研究其各自的核心技術(shù)特點和未來其可能的技術(shù)發(fā)展趨勢。其次，在國內(nèi)外文獻研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合中國高速鐵路車輛發(fā)展的自身特點和實際情況，針對具體的牽引傳動技術(shù)、轉(zhuǎn)向架技術(shù)、車體設(shè)計技術(shù)等可能面臨的核心技術(shù)難題，提出一些分析建議。最后，在綜合考慮軌道車輛造型發(fā)展趨勢及設(shè)計原則的基礎(chǔ)上，根據(jù)集成設(shè)計的理論與多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計方法，針對新一代中國高速鐵路動車組可能面臨的重大技術(shù)挑戰(zhàn)與策略和改進措施的研究提出一些明確的建議。總之，通過本文的初步研究，希望可以對我國高速列車未來的發(fā)展方向和趨勢提出一些有益的建議。

高速鐵路；高速列車；新一代；關(guān)鍵技術(shù)；集成設(shè)計；多學(xué)科優(yōu)化

1　前言

高速鐵路運輸不僅已經(jīng)成為世界經(jīng)濟發(fā)展的重要引擎，而且高速鐵路技術(shù)發(fā)展也帶動了不同的相關(guān)技術(shù)研究領(lǐng)域的發(fā)展。也就是說如何擁有更多、更先進的集成設(shè)計技術(shù)的高速鐵路已經(jīng)成為目前各個國家鐵路的核心競爭技術(shù)的要求所在。世界鐵路旅客運輸?shù)男问胶头秶诓粩鄶U大，傳統(tǒng)的軌道車輛運輸形式也正在不斷地改變。除了那些高速鐵路發(fā)達國家之外，一些發(fā)展中國家，其中包括東南亞國家和其他亞非拉地區(qū)，對新一代的高速鐵路技術(shù)都呈現(xiàn)了異樣的熱情。這是因為先進的高速鐵路技術(shù)不僅能夠加快世界經(jīng)濟運輸服務(wù)領(lǐng)域的溝通，解決許多世界經(jīng)濟面臨的實際課題，而且為了促進世界經(jīng)濟的發(fā)展和融合也提供了極大的助力?？紤]到未來20年內(nèi)世界高速線路網(wǎng)長度的明顯增加、各國對新高速鐵路線路的建設(shè)計劃和熱情，高速列車車輛產(chǎn)品換代和性能提高將會更加頻繁且得到不斷改善[1～5]。

在過去，軌道車輛結(jié)構(gòu)主要追求的是車輛結(jié)構(gòu)輕量化、服役長壽命、免（少）維修性、降低成本等，而近十年來，各個國家在看到高速鐵路帶動國家和區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展的強大動力后，對高速鐵路的重視和熱情空前高漲，也使得高速鐵路技術(shù)的功能性或經(jīng)濟性呈現(xiàn)多樣化和高度化的發(fā)展。這必然導(dǎo)致高速鐵路車輛的新產(chǎn)品的更新?lián)Q代日益頻繁，而且將給世界主要高速鐵路制造廠家?guī)砭薮蟮膲毫吞魬?zhàn)，也給很多高速鐵路的研發(fā)部門的技術(shù)人員對于未來高速鐵路車輛的發(fā)展趨勢帶來很多困惑。但是，經(jīng)濟市場中出現(xiàn)的任何新鮮事物或者說新一代產(chǎn)品的研發(fā)，都必須遵循一個基本的原則，即必須要遵循其可持續(xù)性的科學(xué)發(fā)展規(guī)律。作為主要的公共交通工具，高速鐵路車輛和其他主要交通運輸工具（汽車、航空和船舶等）同樣必須要面對社會多樣化的技術(shù)需求，比如為乘客提供安全、舒適和經(jīng)濟的乘坐環(huán)境服務(wù)；必須要考慮經(jīng)濟效益的同時，還需要考慮社會效益，比如必須要重視LCA(壽命周期評價)的生態(tài)設(shè)計，降低CO2的排放等[6～8]。

盡管中國高速鐵路的快速發(fā)展是近十年的事情，在吸納和融合國外先進高速鐵路技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合自身鐵路系統(tǒng)的特點進行多元創(chuàng)新，也已經(jīng)迅速發(fā)展成為世界高速鐵路車輛的主要制造國家和未來技術(shù)發(fā)展的風(fēng)向標(biāo)。但是應(yīng)該客觀地看到，中國高速鐵路和那些已經(jīng)發(fā)展和積累了幾十年的高速鐵路先進技術(shù)的發(fā)達國家，比如德國、法國和日本依然存在著很多技術(shù)上的差距，各種關(guān)鍵技術(shù)的積累和技術(shù)難題依然客觀存在。這不僅是某一個技術(shù)領(lǐng)域的問題，而是和高速鐵路車輛相互關(guān)聯(lián)的多個基礎(chǔ)學(xué)科（力學(xué)、材料和制造與裝配工程等）均面臨著各種嚴(yán)峻的技術(shù)課題的挑戰(zhàn)。本文將結(jié)合世界幾個主要高速鐵路先進技術(shù)國家的特點，在對國內(nèi)外高速鐵路車輛最新文獻研究的基礎(chǔ)上對研制新一代中國高速鐵路的最新技術(shù)發(fā)展趨勢提出個人的一些淺薄建議。

這里的高速鐵路技術(shù)主要是指運營最高速度高于200 km/h、兩站間不停車運行速度不低于150 km/h的現(xiàn)有商業(yè)運營的高速電氣化干線，以及最近可能將運行的高速干線。目前符合這些線路的國家有中國、日本、法國、德國、西班牙、英國、意大利、瑞典、芬蘭、美國、韓國和俄羅斯等，以及巴黎—布魯塞爾—科隆/阿姆斯特丹高速線(法國、比利時、德國和荷蘭區(qū)域)和“歐洲之星”線(英國、法國和比利時區(qū)域)。高速干線鐵路可區(qū)分為以下幾種類型[3]：a.新建專線，僅用于運行最高速度為250 km/h及以上的列車；b.改建線路Ⅰ，全長或個別區(qū)段可運行速度為200～220 km/h的列車；c.改建線路Ⅱ，全長或個別區(qū)段可運行速度為200～230 km/h的由擺式車輛組成的列車。

未來中國高速鐵路車輛新技術(shù)的發(fā)展趨勢在哪里？如何在研究世界高速鐵路發(fā)展強國的技術(shù)基礎(chǔ)上，進行技術(shù)的不斷創(chuàng)新，繼續(xù)站在世界高速鐵路發(fā)展的前列？如何在追求經(jīng)濟價值的同時努力適應(yīng)未來技術(shù)多樣化、高度功能化的社會效益需求。本文將從技術(shù)層面的角度，多層次研究國外發(fā)展新一代高速鐵路動車組的設(shè)計和開發(fā)理念技術(shù)基礎(chǔ)，針對未來中國高速鐵路車輛發(fā)展可能面臨的一些技術(shù)難題，比如“綠色（生態(tài)）設(shè)計的概念”，“降低壽命周期成本”、“安全、降噪、環(huán)保的概念”等主要課題逐層次地分析和討論。在實施新一代產(chǎn)品設(shè)計理念的構(gòu)筑或關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)研討的同時，也希望中國高速鐵路技術(shù)在未來經(jīng)過新一代車輛的研制或可靠性試驗的基礎(chǔ)上，建立一套完整的新一代中國高速鐵路車輛架構(gòu)系統(tǒng)和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，且為中國高速鐵路的未來技術(shù)發(fā)展提出一些淺薄的技術(shù)性建議。下面，將回顧國外著名軌道車輛制造商最近研制的一些代表性車輛最新發(fā)展趨勢，逐步分解和介紹其主要的設(shè)計理念與技術(shù)構(gòu)成，在其基礎(chǔ)上逐步歸納出中國高速鐵路車輛未來可能面臨的一些技術(shù)挑戰(zhàn)和難題。

2　概述

在高速輪軌技術(shù)上，德國西門子公司（SIEMENS，簡稱西門子）和法國阿爾斯通軌道制造公司（ALSTOM，簡稱阿爾斯通）、日本川崎公司（KAWASAKI）、加拿大龐巴迪公司（BOMBARDIER，簡稱龐巴迪）的鐵路公司技術(shù)世界領(lǐng)先，這些國家在高速鐵路車輛產(chǎn)品的技術(shù)上各有優(yōu)勢和劣勢，也各有自己的核心設(shè)計理念和獨特的技術(shù)特點。在世界軌道車輛的發(fā)展歷史上，軌道車輛結(jié)構(gòu)主要的設(shè)計理念在于結(jié)構(gòu)輕量化、服役長壽命、免（少）維修性、降低成本等[8]。而近十年來，車輛結(jié)構(gòu)已經(jīng)逐步實現(xiàn)輕量化、模塊化的設(shè)計原則，在很多車輛上也采用合適的最佳材料（不銹鋼、鋁合金、復(fù)合材料、玻璃鋼、碳纖維等）。但是在最近的社會環(huán)境急劇變化或技術(shù)革新中，也對新一代高速鐵路車輛結(jié)構(gòu)提出了很多的技術(shù)要求，比如車輛功能或特性的多樣化，環(huán)境的生態(tài)化和綠色化發(fā)展趨勢。為了應(yīng)對這種生態(tài)設(shè)計的發(fā)展趨勢，一些傳統(tǒng)的車輛制造技術(shù)和方法難以延續(xù)下去，必須要進行大量的技術(shù)革新和改革。比如一些著名鐵路公司已經(jīng)將設(shè)計理念定義為：為客戶提供高效、快捷、完善的高速鐵路新技術(shù)（新研究）、提供技術(shù)咨詢、技術(shù)測試、系統(tǒng)工程的檢查和技術(shù)培訓(xùn)，并以高度安全的方式和標(biāo)準(zhǔn)提供相關(guān)技術(shù)支持，確保誠信的最高水平，同時為公司本身營造一個具有挑戰(zhàn)性的和可持續(xù)發(fā)展的工作環(huán)境。這就要求各個國家在開發(fā)新一代高速鐵路車輛產(chǎn)品的時候，必須要有一個創(chuàng)新的設(shè)計理念，對未來高速鐵路車輛的發(fā)展有一些前瞻性的研究，并提出具體的基礎(chǔ)技術(shù)構(gòu)成。

日本是世界上第一個實現(xiàn)高速鐵路運營的國家，1964年開始東海道(東京—大阪)高速鐵路運輸。它的成功運營促進了世界其他高速鐵路干線的建設(shè)?？梢哉f日本是第一個研發(fā)高速列車的國家，并不斷吸納新技術(shù)發(fā)展自己的高速鐵路交通網(wǎng)和不同系列的高速列車（新一代日本高速鐵路主要代表是新干線E7系、N700系、efSET系）。歐洲憑借著濃厚的技術(shù)底蘊，在近三十年來已經(jīng)迅速建立了全歐洲范圍的高速鐵路網(wǎng)，也在根據(jù)不同的需求進行產(chǎn)品的更新?lián)Q代（主要代表為阿爾斯通的TGV/ AGV、西門子的ICE系列、VELARO-X系列）。加拿大龐巴迪是軌道交通領(lǐng)域的一個世界鐵路技術(shù)巨頭，ZEFIRO系列動車組是龐巴迪運輸（Bombardier transportation）2005年公布的超高速鐵路旅行最新概念的高速電動車組設(shè)計平臺，由龐巴迪公司工業(yè)設(shè)計組與意大利工業(yè)設(shè)計公司Zagato共同設(shè)計，但一直沒有得到實用，最近幾年重新啟動研發(fā)計劃。龐巴迪開發(fā)了三種不同型號：ZEFIRO 380（主要瞄準(zhǔn)中國市場，設(shè)計最高時速380 km/h）；ZEFIROV300（主要瞄準(zhǔn)歐洲市場，設(shè)計最高時速300 km/h）；ZEFIRO-250（主要瞄準(zhǔn)普通市場，設(shè)計最高時速250 km/h）。采用ECO4的理念進行高速鐵路車輛設(shè)計，也稱為ECO4計劃項目。

中國新一代的高速列車代表（CRH-380A、CRH380B等）也已經(jīng)成為高速鐵路車輛新技術(shù)的典型代表。實際上，除日本在積極準(zhǔn)備新一代新干線列車，拓展海外市場。其他的國家和地區(qū)，包括中國、歐洲等主要廠家都將面臨著可以預(yù)見的世界高速列車巨大的市場需求和殘酷的技術(shù)競爭，實際上德國的VELARO-D、AGV-11均是其第4代高速列車。由于中國高速鐵路技術(shù)的迅猛發(fā)展，其性價比的優(yōu)勢逐漸成為世界和亞洲許多國家渴望的產(chǎn)品，而鄰國日本、韓國高速鐵路車輛的保有量也在不斷增加，亞洲的高速鐵路市場和線路綜合總量已經(jīng)處于世界領(lǐng)先水平。在亞洲高速鐵路市場出現(xiàn)異乎尋常的高速增長的同時，歐洲高速鐵路網(wǎng)規(guī)劃2020年也開始加大投入，預(yù)計其新增高速鐵路線路約10 000 km。

3　國外動車先進設(shè)計理念和關(guān)鍵技術(shù)構(gòu)成

3.1日本車輛設(shè)計理念的差異性

近年來，日本鐵道部門為了面對世界高速鐵路市場競爭激烈的形勢，針對新產(chǎn)品的研發(fā)重新投入了極大的熱情，比如提高高速鐵路運輸能力，保證車輛運輸效率提高，提高產(chǎn)品的環(huán)境友好性。并且，其在巴西、美國、越南、印度等世界各地，正在計劃開展高速客運專線的建設(shè)和中國高速鐵路展開激烈的競爭。特別是為了滿足國外高速鐵路不同的運營情況，比如不同的線路條件、應(yīng)用規(guī)格、標(biāo)準(zhǔn)等，作為準(zhǔn)備出口國外的高速車輛川崎重工公司考慮為適應(yīng)國外的運行條件及標(biāo)準(zhǔn)，著手開發(fā)新型高速車輛，提出一些新的設(shè)計理念。下面結(jié)合一些代表性的文獻，簡單地說明一下日本新一代高速列車的設(shè)計理念和基礎(chǔ)技術(shù)構(gòu)成[6～11]。

圖1為日本新干線高速鐵路的主要發(fā)展構(gòu)成模式，每一代新干線高速列車產(chǎn)品都是針對不同的技術(shù)問題進行解決。

圖1　日本高速列車的主要研制路線的發(fā)展簡圖[9]Fig.1　The diagram of Japan Shinkansen high-speed train development process[9]

簡單地來說，0系車輛是最早研制的主力車型（1964）；200系車輛耐寒、抗風(fēng)雪（1982）；100系車輛是0系車輛的后繼車型，追求高舒適度（1985）；300系車輛是新干線（東海道、山陽線）主力車型（1992），主要運營于山區(qū)道路，首款使用交流牽引電動機的列車，有著很好的靜音技術(shù)；400系是實現(xiàn)新干線和既有線直通的車輛（1992）；E1系車輛為雙層編組（1994）；E2系車輛為雙頻、環(huán)境保護（1997）；E3系車輛則采用新機軸應(yīng)用于秋田干線（1997）；500系車輛真正實現(xiàn)300 km/h等（1997）。E5系車輛（2011年投入商業(yè)運營）的車身采用了鋁合金空心桁架斷面和雙皮層構(gòu)造。為了減少通過隧道時的微壓力波，車輛的高度和試驗車E954型車輛（FASTECH360 S）的3 650 mm相同，車輛寬度同為3 350 mm。考慮到車體傾斜，車側(cè)結(jié)構(gòu)主體內(nèi)側(cè)設(shè)計為傾斜式樣，E6系車輛(2013年投入運營)主要運營于北日本海[6～8]。

日本川崎最新研制的E7系新干線列車(2014年投入運營，見圖2)，是融入日本傳統(tǒng)櫻花風(fēng)格的豪華列車，也是面向美國加州地區(qū)推銷的主導(dǎo)高速鐵路車輛產(chǎn)品，藉此面對美國加州高速鐵路線路的競爭。該型車輛于2013年亮相于日本車輛展，并作為日本新干線高速列車50周年慶賀的紀(jì)念品（運營于日本東京—長野）。預(yù)計2015年運營于日本沿海地區(qū)，2025年運營于大阪地區(qū)。最高速度160 mph(約256 km/h，1 mph=1.609 344 km/h)。

圖2　新干線E7系[10]Fig.2　The diagram of Japan Shinkansen high-speed train E7 series[10]

圖3表示日本采用了“A-train”的高速列車設(shè)計概念，是日本首次獲得的歐洲訂單的高鐵產(chǎn)品，也是為英國倫敦奧運會制造的高速列車[10]。

圖3　日本新干線N700系和為英國研制的高速列車(A-train設(shè)計概念)[10]Fig.3　The diagram of Japan Shinkansen high-speed train E7 series and high-speed train for England (A-train design concept)[10]

3.2德國高速鐵路發(fā)展的循序漸進性

德國高速鐵路是從20世紀(jì)80年代初期開始發(fā)展，其中VELARO系列平臺是由德國鐵路運營的ICE-3列車發(fā)展而來的第4代產(chǎn)品。實際上，ICE列車的各款型號主要是在20世紀(jì)90年代出現(xiàn)，由西門子為首的多家公司組成的制造商聯(lián)盟進行開發(fā)。VELARO系列是一款純粹的西門子產(chǎn)品，主要面向國際鐵路市場。為此針對不同的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)西門子公司對動車組進行了很多一般適用性的修改。特別是針對歐盟出臺的互操作性技術(shù)規(guī)范和進一步的標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)中對包括新的消防標(biāo)準(zhǔn)及各項復(fù)雜的要求進行了技術(shù)修改[12,13]。

整體結(jié)構(gòu)采用鋁質(zhì)構(gòu)造的VELARO-D列車目前已經(jīng)被設(shè)計為新一代高速列車設(shè)計平臺概念，它可以針對不同國家客戶的具體需求進行技術(shù)修改?？筛鶕?jù)當(dāng)?shù)匾筮M行調(diào)整的范圍包括傳動功率、配電系統(tǒng)、空調(diào)、座位數(shù)量、車身寬度及軌距。車廂連接處與ICE-3列車相比也有明顯的改變。乘降門為電動塞拉門，其凈寬及凈高分別為900 mm及2 050 mm。不同于ICE-3列車，VELARO的輔助牽引設(shè)備，例如，整流器冷卻水泵、逆變器冷卻風(fēng)機、電動機風(fēng)機以及制動器風(fēng)機均可以獨立于接觸網(wǎng)供電運行。它解決了ICE-3列車在法國高速鐵路東線上通過分相區(qū)時反復(fù)出現(xiàn)的冷卻中斷問題[14]。

德國高速列車的發(fā)展歷程可以參見圖4所示[15]。

圖4　德國高速鐵路的主要研制路線的發(fā)展簡圖[15]Fig.4　The diagram of German high-speed train development process[15]

與ICE-3列車相比，大多數(shù)的Velar列車的變體都沒有配備渦流制動，僅VELARO-D列車具有這樣的制動系統(tǒng)。VELARO列車采用動力分散式技術(shù)。除了牽引電動機及制動器始終安裝在底板下方外，一些原本設(shè)于動力車頭內(nèi)的電氣設(shè)備及機械設(shè)備，例如，變壓器、牽引逆變器、輔助變流器、空壓機、風(fēng)缸、制動架、電池箱和蓄電池充電器等都被分布在每節(jié)車廂的底板下方。一列八節(jié)編組的動車組有50%的轉(zhuǎn)向架為動力轉(zhuǎn)向架（十節(jié)編組的Velaro RUS則為40%），德國高速鐵路VELARO設(shè)計平臺如圖5所示[16]。

圖5　德國高速列車VELARO設(shè)計平臺[16]Fig.5　German high-speed train VELARO design platform[16]

在相同長度的列車中，VELARO列車提供的座位數(shù)提高了15%。被稱為“VELARO-HD”的設(shè)計草圖可在200 m長的列車中提供536個座位（UIC標(biāo)準(zhǔn)的2+2布局）。這個概念還允許乘客在列車兩端獲得清晰的線路視野。駕駛室與客艙僅以一扇玻璃幕墻相隔，坐在休息室內(nèi)的乘客可以越過火車司機眺望列車的前方或后方景觀。VELARO-D系列的列車是集成了德國高速鐵路最新、最全面的先進技術(shù)的高速鐵路車輛新一代研制和開發(fā)的技術(shù)平臺。它已經(jīng)完成了400 000 km測試?yán)锍?，是得到德國?lián)邦鐵路和交通運輸部授權(quán)的標(biāo)志性新一代高速列車產(chǎn)品。很多出口的高速鐵路車輛均是在此基礎(chǔ)上進行修改。圖6是VELARO-Eurostar列車，主要是在比利時進行線路測試，號稱具有完整高速鐵路裝配技術(shù)的第6代高速鐵路產(chǎn)品（主要運營于法國、英國和比利時，2015年投入運營），也屬于VELARO系列，其產(chǎn)品中引入了智能移動通信技術(shù)。

圖6　VELARO-Eurostar列車[16]Fig.6　German high-speed train VELARO-Eurostar[16]

3.3法國阿爾斯通（ALSTOM）的TGV/AGV系列的獨特性

法國阿爾斯通是世界著名的高速列車軌道車輛制造商，也是西門子公司在歐洲最大的競爭對手。AGV即“高速動車組”，由阿爾斯通獨立研發(fā)，是法國最新研制的高速鐵路車輛，AGV車輛主要包括三項關(guān)鍵技術(shù)：鉸鏈結(jié)構(gòu)、發(fā)動機分置和能量反饋技術(shù)。AGV計劃代替TGV作為法國高速鐵路的下一代車型。采用動力分散驅(qū)動是AGV與動力集中式的TGV最大的不同處，此設(shè)計上的優(yōu)勢讓AGV得以在相同的路線上達到較TGV更高的運營速度，其目標(biāo)運營速度為360 km/h。阿爾斯通為AGV提供7節(jié)到14節(jié)的不同編組。列車由3節(jié)小單元組成，每個單元都具有位于車底的1組變壓器和2組牽引電氣組件；兩個上述單元加上1節(jié)拖車構(gòu)成整列7節(jié)編組。7節(jié)編組有2個3節(jié)單元，1節(jié)拖車居中分隔，提供約245個座位；11節(jié)編組則有以2節(jié)拖車分隔的3個3節(jié)單元，座位數(shù)約為446個[17]。

AGV的優(yōu)點在于：與相同長度單層TGV列車相比提供更多座位；鉸接式轉(zhuǎn)向架的采用可以降低列車轉(zhuǎn)向架數(shù)目，從而降低維護費用；高的功率重量比與高效永磁同步電動機的使用，以及其他設(shè)計改進，令列車擁有更高的能源效率，更低的噪音水平和車廂兩端貫通部位的更多空間。采用結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計和模塊化設(shè)計，在保證車體結(jié)構(gòu)滿足EN 12633-1500 kN標(biāo)準(zhǔn)的同時也極大地降低了重量，鉸接支撐部位的枕梁采用鋼材和復(fù)合材料。同時其在舒適度，平穩(wěn)度，可靠性和可用性方面都做了極大地改觀，在能源消耗，環(huán)境影響，運營成本上也進行了重點設(shè)計，比如：采用了98%的易回收的材料（鋁合金、鋼、銅和玻璃、復(fù)合材料等）；采用了再生電力，最高可以達到8 MW能量反饋技術(shù)。采用了優(yōu)化的氣動外形設(shè)計，可以保證225 mph和187 mph時的噪聲水平相當(dāng)。和同類型車相比，降低了15%的能源消耗。較早進行了抗碰撞和吸能設(shè)計[18]。圖7表示AGV-Ⅱ系列列車和車體結(jié)構(gòu)三維模型，圖8表示其抗碰撞性能設(shè)計的特點，圖9表示其采用的氣動性能設(shè)計。

圖7　法國AGV-Ⅱ系列和車體結(jié)構(gòu)三維模型[18]Fig.7　The French AGV-Ⅱseries train and the structure of 3D model of car body[18]

圖8　AGV列車在抗碰撞性能設(shè)計的特點[18]Fig.8　AGV trains on the design characteristics of collision resistance performance[18]

圖9　AGV列車的氣動性能設(shè)計[18]Fig.9　Aerodynamic performance design of AGV train[18]

2008年，阿爾斯通開發(fā)“AGV Duplex”，作為在TGV 2N2之后提供給法國國家鐵路的后續(xù)車型。2011年6月阿爾斯通開始開發(fā)最高速度達400 km/h的新型高速列車，并同時有單層和雙層版本。新設(shè)計采用動力集中于機車的設(shè)計，此設(shè)計稱為“AGVII”。在AGV的產(chǎn)品研發(fā)過程中，阿爾斯通投入了大量的精力進行相關(guān)的技術(shù)創(chuàng)新。比如采用最新的變壓器技術(shù)，每兩個電機有一個獨立的變流器，采用新一代的IGBT6.5 kV-600A技術(shù)；輔助變流器集成在牽引裝置中，同時采用同步永磁電機技術(shù)、動力分置技術(shù)。采用的永磁電機比傳統(tǒng)發(fā)動機體積和質(zhì)量更小（約小40%～50%），并配有樣機和試驗平臺等。圖10為AGV采用的永磁電機技術(shù)示意圖[18]。

圖10　法國AGV采用的永磁電機技術(shù)(功率-質(zhì)量比＞1 kW/kg)[18]Fig.10　Permanent magnet motor technology used in the French AGV(power-weight ratio＞1 kW/kg)[18]

3.4龐巴迪（BOMBARDIER）的ECO4設(shè)計理念

加拿大龐巴迪也是一家世界領(lǐng)先的創(chuàng)新交通運輸解決方案供應(yīng)商，公司的結(jié)構(gòu)以飛機和列車這兩個規(guī)模幾乎相當(dāng)?shù)臉I(yè)務(wù)領(lǐng)域為核心。目前，龐巴迪是中國地鐵車廂及支線與公務(wù)飛機的主要供應(yīng)商。ZEFIRO系列動車組是龐巴迪運輸（Bombardier transportation）2005年公布的超高速鐵路旅行最新概念的高速電動車組設(shè)計平臺，由龐巴迪公司工業(yè)設(shè)計組與意大利工業(yè)設(shè)計公司Zagato共同設(shè)計，但一直沒有得到實用，最近幾年迫于世界高速鐵路市場的激烈競爭，重新啟動研發(fā)計劃。其中龐巴迪開發(fā)了三種不同的型號：ZEFIRO-380（主要瞄準(zhǔn)中國市場，設(shè)計最高時速380 km/h）；ZEFIROV300（主要瞄準(zhǔn)歐洲市場，設(shè)計最高時速300 km/h）；ZEFIRO-250（主要瞄準(zhǔn)普通市場，設(shè)計最高時速250 km/h）。龐巴迪幾年前就提出建立包括能源（energy）、效益（efficiency）、經(jīng)濟（economy）和生態(tài)（ecology）的研發(fā)理念，并將其全面覆蓋至自產(chǎn)品設(shè)計到產(chǎn)品運營的整個生命周期。龐巴迪在中國的龐巴迪合資公司BST正在制造的CRH380D高速列車正是融入了“ECO4”的研發(fā)設(shè)計理念。龐巴迪的產(chǎn)品生產(chǎn)流程采用更嚴(yán)格的國際標(biāo)準(zhǔn)，在實現(xiàn)優(yōu)化能效、降低噪音、使用無害可回收材料的同時，許多車輛都具備超過95%的可回收性。CRH380D電力動車組是由青島四方龐巴迪鐵路運輸設(shè)備有限公司基于龐巴迪ZEFIRO平臺研發(fā)的CRH系列高速動車組。設(shè)計標(biāo)稱運行時速為380 km。在2010年9月龐巴迪首度公開展示了最新ZEFIRO 380動車組頭車的1∶1全尺寸實體模型，并用互動式三維顯示技術(shù)展示了車廂內(nèi)部的設(shè)計。2013年4月，在寧杭甬高速鐵路的試驗中，跑出最高時速420 km[19，20]。

列車外形設(shè)計以“獨特性、空氣動力學(xué)和優(yōu)化的運營成本”為主，在速度方面，良好的空氣動力性能提高了最大速度，同時降低了能源的消耗，因而減少了運作成本；而在安全方面，優(yōu)良的空氣動力性能減少了側(cè)風(fēng)影響，從而大大地改善了穩(wěn)定性；而在降低噪音方面，高級別的空氣動力性能在環(huán)保設(shè)計中是關(guān)鍵的因素，因為它大大地降低了噪音污染，同時提高了旅客舒適度；而列車在整體性能上都達到了更好的空氣動力的功效。列車內(nèi)部以“布置靈活、照明充足和座位舒適”為主，座位方面安排靈活，即使是二等車廂需要更多的座位都會與民航客機的經(jīng)濟艙相若，并可根據(jù)需求增加或減少行李容量和座位數(shù)目。至于一等車廂的座位將如客機的商務(wù)艙或公務(wù)艙。而每個座位底部墊子翻轉(zhuǎn)后可作為靠墻桌、衣架、附加存物位、推拉桌或無靠背椅使用。而車廂照明可讓乘務(wù)員控制燈光，通過增加或降低照明強度或改變燈光顏色為旅客創(chuàng)造完美的氣氛。列車內(nèi)部所用的物料有良好的耐火性、有毒煙霧釋放量低的特點，堅固耐用，提高旅客的安全性[18]。圖11表示BOMBARDIER的ZEFIRO系列（ECO4計劃）。

圖11　BOMBARDIER的ZEFIRO系列（ECO4計劃）[20]Fig.11BOMBARDIER ZEFIRO series(ECO4 program)[20]

主要具備如下特點：具有獨特的氣動外形設(shè)計；最低能量消耗；符合歐盟標(biāo)準(zhǔn)的寬車體設(shè)計；最多可以提供4種不同的電壓功率模式；可滿足跨國界的設(shè)計模式；可以設(shè)計到664個座位/（8車編組）；1 336個座位/（16車編組）；具有高速臥鋪車等。

其他的國家，比如西班牙、瑞典和韓國等也結(jié)合各自國家的高速鐵路技術(shù)特點，分別進行了高速列車的研制。限于論文研究的篇幅具體情況可以參見相關(guān)研究文獻，在這里不再分別贅敘。

4　未來高速列車的設(shè)計思想

德國西門子、日本聯(lián)合財團（川崎、三菱為代表）、法國阿爾斯通、加拿大龐巴迪，這些國際軌道交通的制造業(yè)的跨國巨頭高速鐵路車輛技術(shù)世界領(lǐng)先，目前已經(jīng)處于第4代高速列車技術(shù)，關(guān)鍵在于其產(chǎn)品的設(shè)計理念領(lǐng)先[1～8，21，22]。這些國家在高速鐵路的技術(shù)上各有優(yōu)勢和劣勢，也各有自己鮮明的技術(shù)特點。簡單地總結(jié)這些國家的設(shè)計理念基本上都異曲同工，圍繞的還是能源、效益、經(jīng)濟和生態(tài)的“環(huán)境友好性”研發(fā)理念，這些理念貫穿于各個產(chǎn)品的設(shè)計環(huán)節(jié)。實際上，中國2005年最早簽訂合同引進的CRH2-200屬于E2系（日本新干線1997年技術(shù)產(chǎn)品）；2007年引進的CRH3-300技術(shù)屬于德國VELARO-CN技術(shù)（德國西門子2007年制造的第三代技術(shù)產(chǎn)品），后者引進的技術(shù)明顯要較前者先進。據(jù)此構(gòu)想，未來中國的高速列車的新一代產(chǎn)品應(yīng)該立足于國外第4代高速列車的產(chǎn)品技術(shù)基礎(chǔ)之上，結(jié)合中國自身的技術(shù)特點和原始創(chuàng)新技術(shù)，產(chǎn)品的核心思想預(yù)測簡單地用下圖12所示表述。

圖12　新一代中國高速列車設(shè)計的核心思想Fig.12　The core design thought of Chinese new generation high-speed train

近10年來，由于中國高速鐵路技術(shù)的迅猛發(fā)展，國內(nèi)外鐵路專家面對龐大的中國高速鐵路市場進行了很多層面的技術(shù)博弈，尤其在動車組研究技術(shù)方面也在尋求很多重要的技術(shù)突破。擁有原創(chuàng)性技術(shù)和自主知識產(chǎn)權(quán)的中國高速鐵路車輛產(chǎn)品逐漸增加，固有的設(shè)計思維和傳統(tǒng)經(jīng)驗的束縛被逐漸打破。

尤其，針對高速鐵路車輛產(chǎn)品的重要技術(shù)發(fā)展方向和需要解決的關(guān)鍵技術(shù)難題，各個國家都設(shè)立了不同層面的大型國家計劃項目予以支撐。比如中國第一個軌道交通領(lǐng)域的國家級計劃項目（973計劃項目，項目號2007CB714700）“高速列車安全服役關(guān)鍵基礎(chǔ)問題研究”（西南交通大學(xué)張衛(wèi)華教授為首席科學(xué)家，2007―2012年）正好覆蓋整個中國高速鐵路發(fā)展的飛躍時期，進行了大量的科學(xué)試驗和關(guān)鍵基礎(chǔ)的技術(shù)問題研究（涵蓋6個主要課題，幾十個關(guān)鍵技術(shù)課題研究方向），從不同的技術(shù)層面上，指導(dǎo)了中國高速鐵路的技術(shù)的正確發(fā)展方向。國家后續(xù)還資助了針對不同高速列車關(guān)鍵技術(shù)問題的國家級973計劃項目、863計劃項目、兩部行動計劃等。比如結(jié)合具體的高速檢測列車產(chǎn)品（也稱為CIT400計劃項目，28個子課題）863計劃項目（2012年結(jié)題）；比如中國中科院力學(xué)所主持的500km/h高速列車關(guān)鍵技術(shù)的973計劃項目等等。

面對未來的國際、國內(nèi)高速鐵路激烈的競爭市場，各個國家在近5年來，從不同的角度和技術(shù)層面積極吸收和運用當(dāng)代先進科技成果，進行技術(shù)創(chuàng)新，其深度和廣度可以稱得上一次跨時代的高速鐵路技術(shù)革命。比如中國提出的綠色生態(tài)設(shè)計列車；德國逐漸完善的VELARO-D高速列車設(shè)計平臺；日本面向國際高速鐵路市場的環(huán)境友好性概念列車（efSET、E7系列車）；法國融入最新技術(shù)的AGV列車（鉸接式、發(fā)動機分置和能源反饋技術(shù)），龐巴迪的ECO4概念列車ZEFIRO，韓國KTX-400計劃項目中采用的碳纖維車體技術(shù)等等。在這些最新研制的列車中，牽引供電方式經(jīng)歷交流、直流，交直流混合以及未來燃料電池為動力方式的不斷轉(zhuǎn)變。采用寬體的車體技術(shù)和獨立輪對的技術(shù)實現(xiàn)低地板和無臺階的動車設(shè)計，能量反饋和再生制動的技術(shù)等等。未來的高速列車已經(jīng)面臨既要保證車輛應(yīng)有的安全性、平穩(wěn)性和舒適度，又必須要保證高效節(jié)能和環(huán)境友好性（低能耗、低排放和低噪聲）；材料的多樣性和可回收性（要求采用低污染的水性涂料）等復(fù)雜技術(shù)的要求。

5　高速鐵路車輛關(guān)鍵的基礎(chǔ)技術(shù)

國際鐵路車輛設(shè)計和制造理念已經(jīng)由傳統(tǒng)的企業(yè)生產(chǎn)為導(dǎo)向，向系統(tǒng)集成設(shè)計方向轉(zhuǎn)變；由組裝式設(shè)計向模塊化設(shè)計轉(zhuǎn)變等。這就需要建立完善的總體系統(tǒng)集成設(shè)計體系。從各個系統(tǒng)的概念設(shè)計、項目管理到售后服務(wù)要進行全程的跟蹤和管理。以產(chǎn)品功能設(shè)計為中心，拓展到RAMS（可靠性—reliability、可用性—availability，可維修性—maintainability、安全性—safety）及LCC（全壽命周期成本—life cycle cost）工程設(shè)計。滿足高速列車檢測任務(wù)需求，致力整體設(shè)計功能最優(yōu)。高速列車的關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)可以簡單地概述為如下幾點。

5.1牽引供電技術(shù)[1～8，23，24]

對于日益提高的高速鐵路車輛運營速度而言，要滿足高效和低能源、低排放、低噪聲和低污染等眾多復(fù)雜技術(shù)的要求，交流-直流的電力傳動技術(shù)，以及未來的燃料電池技術(shù)的發(fā)展成為了必然的選擇。牽引供電設(shè)備是電力傳動技術(shù)的關(guān)鍵組成，其中還包括各種電力、電子和電器設(shè)備及其輔助系統(tǒng)，體積要降低，結(jié)構(gòu)要求輕量化，而且還需要保證提供高功率（功率質(zhì)量比是重要設(shè)計參數(shù)），可以說，牽引供電技術(shù)的研究成為首當(dāng)其沖的一項關(guān)鍵技術(shù)課題。以牽引逆變器為例，已經(jīng)由傳統(tǒng)的晶閘管（SCR）、門級可關(guān)斷晶閘管（GTO）逐步向絕緣柵雙極晶體管（IGBT）、集成門級換向晶閘管（IGCT）和智能功率模塊（IPM）發(fā)展。日本新干線采用的三菱電機，采用交-直-交的單項交流電力傳動技術(shù)，主要應(yīng)用于目前的日本300系、500系、700系以及E1/E2/E3/E4系等。逆變器的功率可以達到1 200 kW。西班牙TALGO350型高速列車中采用軸功率大于1 000 kW的智能功率模塊IPM技術(shù)，降低了功率損失。韓國在引進法國TGV的技術(shù)基礎(chǔ)上，研制了韓國高速列車KHST，大量采用集成門級換向晶閘管（IGCT）技術(shù)；法國在新一代高速列車技術(shù)中，大量采用ONIX交流牽引驅(qū)動系統(tǒng)，極大提高了電機的牽引功率的同時也使得電機質(zhì)量輕量化和體積減小。這些牽引動力新技術(shù)的采用，不僅減少元器件的數(shù)量，也提高了電器設(shè)備的質(zhì)量和可靠性與可用性，降低了維護費用。

5.2轉(zhuǎn)向架技術(shù)[25～30]

轉(zhuǎn)向架技術(shù)，這是整個高速列車設(shè)計過程中最核心的關(guān)鍵技術(shù)之一。隨著動車組功率的增加，在高速運營的條件下，由于各種振動導(dǎo)致的問題已經(jīng)成為工程界最受關(guān)注的技術(shù)難題。比如速度的提高，輪軌作用力急劇增大，輪軌磨耗和噪聲加重；輪軌的粘著性能則快速下降，牽引效率下降；制動功率和距離要求增加，這些變化要求轉(zhuǎn)向架必須要具備足夠的牽引功率，要求提高運行安全性（防止脫軌）、平穩(wěn)性和舒適度；要求提高制動能力，降低制動距離，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的疲勞可靠性、可用性和低維護性等。轉(zhuǎn)向架的技術(shù)具體可以包括以下幾點[20～22]。

1）結(jié)構(gòu)輕量化與抗疲勞性能的選擇。結(jié)構(gòu)的輕量化必然導(dǎo)致結(jié)構(gòu)強度和剛度的下降，也導(dǎo)致轉(zhuǎn)向架動力學(xué)性能和抗疲勞性能的惡化。這是因為轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)參數(shù)（質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量和質(zhì)心位置）的選擇極大地影響著轉(zhuǎn)向架的動力學(xué)性能。轉(zhuǎn)向架的質(zhì)量主要分為簧下質(zhì)量和簧上質(zhì)量。為了降低車輛，尤其是車輪對軌道的沖擊作用力，需要盡可能降低簧下質(zhì)量，目前世界高速列車的簧下質(zhì)量有著明顯降低的趨勢（軸重小于17 t）。降低簧下質(zhì)量，就需要考慮采用一些關(guān)鍵的輕量化技術(shù)措施，比如采用整體碾壓的鋼制小半徑車輪；采用空心車軸；采用整體鑄造的輕型軸箱；電機采用架懸和體懸等懸掛方式。另外，研制輕量化的焊接構(gòu)架和鋁合金的齒輪箱技術(shù)也是關(guān)鍵技術(shù)。甚至研制其他的復(fù)合材料（比如采用碳纖維材料、鈦合金等）的構(gòu)架也成為未來轉(zhuǎn)向架輕量化設(shè)計技術(shù)的一個重要方面。但是也應(yīng)該看到，過分追求輕量的同時，必然會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的強度和剛度下降，也導(dǎo)致焊接制造加工工藝的復(fù)雜性，結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能降低和局部顫振問題也會劇烈增加，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)疲勞失效問題的頻繁產(chǎn)生，這些需要進行多學(xué)科問題的技術(shù)優(yōu)化。

2）動力學(xué)懸掛參數(shù)的優(yōu)化。高速列車的穩(wěn)定性、平穩(wěn)性和曲線通過性能是衡量其動力學(xué)性能的幾個主要方面。結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇和動力學(xué)懸掛參數(shù)的選擇需要進行精心的優(yōu)化與控制。如何平衡動力學(xué)懸掛參數(shù)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計參數(shù)之間的矛盾問題是關(guān)鍵。比如車輛直線運行穩(wěn)定性與曲線通過性能之間的在軸箱一系懸掛參數(shù)定位剛度的選取上的矛盾問題；二系懸掛參數(shù)（空氣彈簧剛度和垂向減振器阻尼系數(shù)）的選擇需要考慮轉(zhuǎn)向架平穩(wěn)性和相對位移選擇的矛盾問題。而懸掛參數(shù)選擇的確定，在面對不同軌道不平順線路的激勵下，如何繼續(xù)保持良好的動力學(xué)特性也面臨著技術(shù)挑戰(zhàn)，這就要求進行主動和半主動懸掛控制技術(shù)的選擇與優(yōu)化，解決實際線路運營過程中的高速運行和平穩(wěn)度、舒適度及曲線通過性能（防止脫軌）。在未來主動控制懸掛技術(shù)和半主動控制懸掛技術(shù)依然是提高車輛運動性能和改善轉(zhuǎn)向架振動特性的關(guān)鍵技術(shù)之一。

3）適應(yīng)多標(biāo)準(zhǔn)的兼容性設(shè)計問題。目前，為了爭奪國際高速鐵路市場，西門子、阿爾斯通、龐巴迪，日本川崎等公司均要求高速鐵路產(chǎn)品滿足不同的國際和區(qū)域的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。比如日本最新研制的高速列車E7系就需要同時滿足JIS標(biāo)準(zhǔn)、EN標(biāo)準(zhǔn)和美國設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)進行設(shè)計，并重點進行350 km/h速度下穩(wěn)定運行的技術(shù)參數(shù)研究；構(gòu)架焊接要求滿足AWS標(biāo)準(zhǔn)（美國焊接協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)）；為了提高舒適度和抑制車輛曲線通過時車體橫向搖晃的嚴(yán)重問題，裝備上可以防止車體搖晃的橫向穩(wěn)定主動控制裝置；另外為了安全運行，每臺轉(zhuǎn)向架安裝4個抗蛇形減振器的冗余設(shè)計模式?；A(chǔ)制動裝置采用中心部緊固式的制動盤，以及列車啟動時的卡鉗制動裝置，實現(xiàn)輕量化設(shè)計的同時，提高零部件的耐久性。采用全主動懸掛控制裝置，主要目標(biāo)是降低高速運行產(chǎn)生的空氣激振力的影響，同時安裝有更好減振性能的全主動控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過裝備作動器（Actuator）直接控制作用載荷抑制車體的橫向振動。日本川崎公司在新一代高速列車中采用了獨特設(shè)計和開發(fā)的小型電磁式作動器。在高速運行區(qū)域，有時由于抗蛇形減振器的故障及零件性能的下降，可能會導(dǎo)致轉(zhuǎn)向架的運動不穩(wěn)定，產(chǎn)生蛇行運行的危險狀態(tài)，就必須要安裝異常的檢測裝置（失穩(wěn)檢測裝置），主要檢測轉(zhuǎn)向架、車體振動、軸箱軸承、齒輪箱潤滑系的溫度監(jiān)控等。由于轉(zhuǎn)向架技術(shù)涉及的層面比較寬，相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)可以參見一些技術(shù)文獻。

5.3車體設(shè)計技術(shù)[32～45]

1）氣動外形和氣動性能的設(shè)計與優(yōu)化。由于空氣阻力與車輛運行速度的2次方成正比且逐步增大，在高速運行時，能耗巨大，且空氣阻力遠大于輪軌滾動阻力，必須要進行氣動性能的設(shè)計和優(yōu)化。降低空氣阻力和噪聲影響，不僅可以實現(xiàn)節(jié)能和高效，而且以降低阻力的設(shè)計為目標(biāo)，還可以影響到其他結(jié)構(gòu)設(shè)計方面的要求，比如車體、轉(zhuǎn)向架等主要部件的結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計以便于降低機械運行阻力；降低主電路容量以節(jié)約能耗等。隧道微氣壓（隧道出口處的氣爆聲，引起周圍環(huán)境振動和噪聲現(xiàn)象，微氣壓強度與列車進入隧道速度的三次方成正比關(guān)系），隧道內(nèi)氣壓擾動（對車輛運行穩(wěn)定性影響較大，且隧道內(nèi)氣動激振力加大車體的晃動），隧道內(nèi)壓力變化（內(nèi)外壓差的動影響）等問題也需要展開專題研究（車體項目中的核心研究內(nèi)容之一）。頭車外形的設(shè)計一直是各個國家關(guān)注的熱點，也是代表一個國家的文化精髓所在。在前面已經(jīng)對各個高速列車代表性國家的高速列車進行了介紹（可以看出日本的頭車外型處于多變，但是整體上可以看出其主要還是仿真于海洋生物的外形；法國的AGV和德國的VELARO-D系列車輛的外形變化不大，頭型基本上都是經(jīng)過大量風(fēng)洞試驗和氣動性能優(yōu)化設(shè)計技術(shù)分析的結(jié)果，限于篇幅本文不在此贅述）。

2）高速列車的氣密性技術(shù)。高速列車的車體密封技術(shù)是車體的關(guān)鍵技術(shù)，整車的密封性尤其是氣密性問題是車體的關(guān)鍵性技術(shù)之一。高速列車的密封性，實際上指的是車輛的空氣壓力密封性，一般稱之為氣密性。整車氣密性是指在列車完成整備狀態(tài)，即在安裝廁所、供水系統(tǒng)、車窗和車門等之后和關(guān)閉列車與外界相通的所有開孔（包括通過門和空調(diào)設(shè)備的開孔），車內(nèi)壓力相對車外壓力變化的密封性能。高速列車運行速度的提高，使得對高速列車的車體要求也越來越高，高速列車運行中的密封性問題越來越引起人們的重視。影響氣密性的因素很多，除了端門、側(cè)門、車窗等與外界相通的結(jié)構(gòu)外，在車體的四周還有許多與外界相聯(lián)系的各種接口。高速列車的密封技術(shù)主要包括4個部分：固定部分，主要指車體、車窗和通線口等，包括采用擠壓型材料的焊接問題；玻璃安裝部位的密封性問題，通線口的密封問題等；活動部分，主要指車門，如何采用密封膠條保證氣密性，以及采用塞拉門和密封鎖緊機構(gòu)；排水部分，設(shè)置空調(diào)排水孔，廁所排污孔的密封；排氣部分，主要指空調(diào)換氣裝置。簡單地說車體密封問題包括：通線口（各種電纜、信號線等）、通水口（空調(diào)排水孔、廁所排污口等）、通氣口（空調(diào)換氣裝置等）以及其他各種需要與外界聯(lián)系的封口類型。因此，每個列車車廂的不同部位存在著許多不同尺寸和不同類型的封口。研究不同類型封口的氣密性是評估整車氣密性的基礎(chǔ)，進而建立一種統(tǒng)一的氣密性評價標(biāo)準(zhǔn)，形成一個對高速列車評價的技術(shù)體系也是車體設(shè)計的一項重要技術(shù)內(nèi)容和課題。

3）車體結(jié)構(gòu)的設(shè)計與開發(fā)。對于車體結(jié)構(gòu)等主要部件，首先要求滿足適應(yīng)不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，比如國際標(biāo)準(zhǔn)和歐美等區(qū)域性標(biāo)準(zhǔn)的強度要求。其次從節(jié)能的觀點出發(fā)，要求實現(xiàn)車體結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計，并且提高材料的可再生利用和應(yīng)用水性涂料等。具體的一些技術(shù)要求可以簡單地闡述如下。

a.提高車體振動性能，保證其良好的動態(tài)特性。采用寬車體和輕量化的動車組設(shè)計技術(shù)是目前國際高速列車新一代產(chǎn)品的主流方向。也可以說，提高車輛的安全性、舒適度和平穩(wěn)度，一直是車輛動力學(xué)的研究核心所在，而如何保證輕量化的車體具有良好的振動特性也是其關(guān)鍵的技術(shù)課題。如何在車體輕量化設(shè)計與提高強度、剛度設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)之間的矛盾問題的平衡和優(yōu)化，保證設(shè)定適當(dāng)?shù)哪繕?biāo)剛度，在滿足強度（動強度和疲勞強度）的基礎(chǔ)上，設(shè)計出滿足輕量化且具有最佳剛度的車體也是核心可以研究的內(nèi)容（在結(jié)構(gòu)設(shè)計、載荷時間歷程和新型材料之間的選擇與優(yōu)化）。避免車體與轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)、車體與車下懸掛設(shè)備的共振破壞問題是關(guān)鍵技術(shù)課題，車體座椅的優(yōu)化設(shè)計（側(cè)重動力學(xué)性能）與人體舒適度之間的平衡問題等也需解決。另外，內(nèi)外壓差的波動對車體疲勞性能的影響也是重點。內(nèi)外壓差的波動不僅會使得車體產(chǎn)生明顯鼓脹變形，而且頻繁進出隧道可能會導(dǎo)致車體疲勞破壞，日本專家認(rèn)為車體內(nèi)外壓差頻繁波動是導(dǎo)致車體結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞破壞問題的主要原因之一（可能源于日本隧道的小截面設(shè)計和隧道多發(fā)線路比較多）。如何開發(fā)出適應(yīng)小截面隧道的嚴(yán)格技術(shù)要求，既要滿足輕量化設(shè)計又要保證一定的疲勞強度的車體也是核心研究內(nèi)容。

b.進行抗碰撞車體結(jié)構(gòu)的設(shè)計。高速列車車體結(jié)構(gòu)的抗碰撞性能設(shè)計的要求，不僅包括同類編組車輛，車輛與站臺和護欄，還包括與其他類型的小型車輛以及小變形體、小型障礙物，如鳥、石子等一系列抗碰撞性能的設(shè)計。

c.防火、阻燃性能及溫差適應(yīng)性能。車輛在不同地區(qū)的極端氣溫和氣候條件下的車體技術(shù)要求，比如嚴(yán)寒地區(qū)的冰雪對結(jié)構(gòu)性能的影響；沿海地區(qū)潮濕空氣對車體結(jié)構(gòu)材料的腐蝕問題研究等等。

d.提高車體材料可再生和利用性。比如日本新干線7000系列車選擇的主要材料屈服強度高，可以應(yīng)用在強度要求高的車體部位，但是由于其含有鋅，不利于再生利用，有待解決。其6000系和5000系車輛研制過程中，水性涂料的應(yīng)用也是有待解決的研究課題。傳統(tǒng)的車輛涂裝材料中，一般使用有機溶劑系的涂料，但是由于采用了揮發(fā)性的有機化合物容易導(dǎo)致周圍環(huán)境破壞問題，新一代產(chǎn)品中已經(jīng)計劃采用水性涂料，利于環(huán)境。

e.降低噪聲研究。高速列車的噪聲問題主要包括氣動噪聲和輪軌滾動噪聲，以及其他機械振動導(dǎo)致的噪聲。弓網(wǎng)系統(tǒng)導(dǎo)致的氣動噪聲需要加強其氣動外形優(yōu)化設(shè)計和耐磨材料的選擇；空調(diào)進出風(fēng)口導(dǎo)致的噪聲；動力設(shè)備制造的噪聲等。由于目前動力分散式是高速列車設(shè)計的主流方向，而動力設(shè)備分散，導(dǎo)致的噪聲源增多，如何進行有效的噪聲控制研究，也是環(huán)境友好性的研究內(nèi)容。有時需要高速鐵路大系統(tǒng)進行配套設(shè)計（比如聲屏障等）。另外車體室內(nèi)噪聲（含設(shè)備噪聲、電磁噪聲等）也需要加強車體內(nèi)部的密封性研究及成本、質(zhì)量適合的降噪靜音設(shè)計策略，達到國際和區(qū)域設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的隔聲要求。

4）其他關(guān)鍵技術(shù)[46～50]。高速列車是一個非常繁雜的技術(shù)系統(tǒng)，比如國家863計劃CIT400項目中就涵蓋了28個關(guān)鍵技術(shù)研究方向，這里限于篇幅只是簡單列出了部分關(guān)鍵技術(shù)，其他技術(shù)一樣重要，比如列車牽引制動技術(shù)與電氣設(shè)備控制技術(shù)、智能通信與故障實時診斷技術(shù)、海量數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)等等。各個國家在高速列車的制動技術(shù)上采用了不同的制動方式，比如新型制動裝置的研發(fā)，主要設(shè)定為再生制動，并采用指令方式的空氣制動方式，裝備常規(guī)制動、非常規(guī)制動、緊急制動和停車制動。針對極端氣候環(huán)境下（刮風(fēng)、下雨、下雪等）車輪與鋼軌之間的粘著力不穩(wěn)定性問題的解決。如何調(diào)整編組車優(yōu)化運行方式，達到整體調(diào)節(jié)制動的編組控制方式運行等運輸規(guī)劃技術(shù)。350 km/h的受電弓的設(shè)計和優(yōu)化技術(shù)，需要設(shè)計開發(fā)出耐磨性、跟隨性好、低噪聲的最佳氣動外形結(jié)構(gòu)的受電弓。采用減輕接觸導(dǎo)線磨損量的碳系換班和自降弓裝置的設(shè)計應(yīng)用（一旦滑板破損時使用）。車輛信息控制的設(shè)計和實時健康監(jiān)控技術(shù)（如加速、制動指令的準(zhǔn)確傳輸、空調(diào)服務(wù)設(shè)備的控制、各設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)控，車上試驗等檢修支持等，信息傳輸網(wǎng)絡(luò)的研制）。研究電動空氣壓縮機采用無油往復(fù)式壓縮機或者螺旋式壓縮機等等，限于篇幅無法一一介紹。

6　結(jié)語

高速列車關(guān)鍵技術(shù)較多，本文只能以點帶面，根據(jù)相關(guān)最新文獻的研究基礎(chǔ)，針對代表性高速鐵路發(fā)達國家在高速列車設(shè)計上采用的部分先進技術(shù)，對我國未來高速列車的發(fā)展方向提出一些淺薄的建議和展望?？陀^地說，高速列車關(guān)鍵技術(shù)只是高速鐵路技術(shù)中的核心部分之一。而國外先進高速列車技術(shù)，也可以說動車組設(shè)計技術(shù)涵蓋的范圍要遠遠多于本文闡述的內(nèi)容，比如列車網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、制動設(shè)計技術(shù)、電磁兼容技術(shù)、故障實時診斷技術(shù)、空調(diào)設(shè)計技術(shù)，外形、內(nèi)飾設(shè)計及人機工程技術(shù)、列車供電技術(shù)等等。根據(jù)前面章節(jié)的概述，中國高速列車技術(shù)的發(fā)展方向，就是建立新一代中國高速列車的先進集成技術(shù)設(shè)計平臺。該平臺水平應(yīng)該類似于歐洲高鐵的第4代高速列車先進設(shè)計平臺，比如德國的VELARO-D設(shè)計平臺。在此集成設(shè)計平臺基礎(chǔ)上，面向國際高速鐵路市場研制出具有環(huán)境友好性特點的高速列車等。且在產(chǎn)品設(shè)計過程中，逐漸融入自身民族的傳統(tǒng)文化和特色，真正實現(xiàn)高速列車產(chǎn)品的“環(huán)境友好性“。環(huán)境友好性設(shè)計不僅僅是在低能耗、低噪音、低污染以及可持續(xù)發(fā)展方面。它也意味著與城市背景下充分的視覺和諧，針對不同國家的文化設(shè)計出一些獨特的解決方案。

對于未來中國高速鐵路技術(shù)發(fā)展要形成具有中國風(fēng)格和標(biāo)準(zhǔn)的中國高速列車，特別保持足夠先進和安全可靠的動車組的設(shè)計技術(shù)，科研人員還有一條極為艱巨的道路需要走。這不僅要求國家繼續(xù)加大技術(shù)投入，針對高速列車相關(guān)的基礎(chǔ)科學(xué)和應(yīng)用科學(xué)問題提出良好的解決方案，而且要求新產(chǎn)品研制人員，不斷進行技術(shù)原始創(chuàng)新，融入新的科學(xué)成果，在多學(xué)科優(yōu)化的基礎(chǔ)上，研制出具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的高速列車技術(shù)。只有這樣才可以保證中國高速列車核心技術(shù)的創(chuàng)新性和前瞻性，才可能面對未來國際市場的激烈競爭，滿足未來國際市場對高速列車的更加嚴(yán)格要求和巨大競爭壓力。未來高速列車的技術(shù)可以簡單地歸結(jié)為如下幾點。

1）設(shè)計理念具有足夠的先進性和前瞻性。即要求整車的總體設(shè)計水平具備足夠的先進性和前瞻性。不僅需要保證高速列車設(shè)計技術(shù)的環(huán)境友好性（也可以說生態(tài)設(shè)計、綠色設(shè)計），而且要求高效率、低能耗、低排放、低污染；保證車輛在高速運行時實現(xiàn)能源再生和能源反饋技術(shù)。對車內(nèi)車外環(huán)境的電磁干擾和振動噪聲、氣動噪聲的影響降低到合理水平。高速列車必須要從多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計的角度真正實現(xiàn)高速列車總體技術(shù)條件及集成技術(shù)總體設(shè)計的優(yōu)化和先進性，在此基礎(chǔ)上確定新一代高速列車各項關(guān)鍵的技術(shù)設(shè)計參數(shù)。

2）中國新一代高速列車必須要擁有自己具有標(biāo)志性的新一代的產(chǎn)品設(shè)計平臺。平臺設(shè)計理念主要基于模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化和定制化設(shè)計。模塊化可以滿足客戶不斷變化的需要（例如，通過增加列車長度，采用寬車體技術(shù)等）；標(biāo)準(zhǔn)化允許降低采購成本與減少交貨時間，并提高產(chǎn)品品質(zhì)；定制化提供給客戶定制產(chǎn)品，提供選項設(shè)計系統(tǒng)，允許不同的設(shè)計方案，可以為客戶定制不同的產(chǎn)品特征，例如頭型設(shè)計，車體外飾和內(nèi)飾（適應(yīng)對方特定的民族文化），座椅布置，旅客設(shè)施和司機室以及控制臺等設(shè)計。

3）保證高速列車運行足夠的安全性、穩(wěn)定性、舒適性和可靠性。采用先進的材料（比如鋁合金、鎂鈦合金、復(fù)合材料和碳纖維等）和先進的焊接制造加工工藝；滿足高速列車安全服役前提下的關(guān)鍵技術(shù)問題的解決。必須要考慮高速列車在復(fù)雜載荷環(huán)境下的振動破壞問題（車-線-橋-風(fēng)的耦合振動問題，如地震條件下的列車安全運行問題，危險線路段的防脫軌裝置的設(shè)計）；比如關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件的疲勞失效問題，振動噪聲問題，曲線通過的穩(wěn)定性（防止脫軌）；高速列車的碰撞安全和吸能裝置的設(shè)計問題，比如高速列車運行時與小型物體的碰撞安全問題（飛鳥，小石塊，小型異物等）；保證高速列車在極端氣候條件下（嚴(yán)寒、暴雪、大風(fēng)沙等）安全運行機制。

4）高速列車應(yīng)該具備的良好空氣動力學(xué)特性和氣動性能。保持高速列車具有良好的氣動性能的同時（良好的橫風(fēng)穩(wěn)定性），降低氣動噪聲，保證進出隧道內(nèi)外壓差波動對車體結(jié)構(gòu)安全問題的影響，列車高速會車的安全問題等。

5）保證牽引供電等電器和通信信號等高速鐵路配套設(shè)備的安全可靠性；要求高速列車具備良好的制動性能；具有足夠的故障實時診斷能力，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷和裂紋的動態(tài)監(jiān)測等。

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Technology challenges and strategies of the new generation Chinese highspeed railway EMU

Miao Bingrong，Zhang Weihua，Deng Yongquan，Li Xujuan，Mei Guiming
(State Key Laboratory of Traction Power，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China)

Based on the study on key technical problems and prospect of a new generation of Chinahigh-speedtrains(electricmultipleunit，EMU)，thedevelopmenttrendandstrategiesarediscussed in detail.The main contents include：firstly，the advanced design technology and concept of international advanced rail vehicle manufacturers used in the new generation vehicles developing process were introduced.And their respective characteristics of the core technology and its possible future technology development trend were hierarchically studied.Secondly，based on the study of domestic and foreign literatures，combined with the Chinese high-speed rail vehicle development of its own characteristics and the actual situation，some suggestions and specific analysis，which included the traction drive technology，bogie，carbody design technology and other key technical problems were put forward here.Finally，based on the development of a comprehensive consideration of rail vehicle styling trends and design principles，according to the design method of integrated design theory and multidisciplinary optimization，some specific suggestions and strategy of development for major technical challenges in the new generation of Chinese high-speed rail EMU were put forward.In conclusion，through the studyofthepaper，some useful suggestions were put forward for the future development of highspeed train in China.

high-speed railway；high-speed train；new generation；key technology；integrated design；multi-disciplinary design optimization

U270

A

1009-1742(2015)04-0098-15

2015-02-11

國家自然基金面上項目（51375405）

繆炳榮，1970年出生，男，江蘇泰縣人，副研究員，碩士生導(dǎo)師，主要從事軌道車輛動力學(xué)、結(jié)構(gòu)疲勞強度和載荷譜等工作；E-mail：brmiao@163.com