2015年中文第4期

Transcription

1 新 一 代 中 国 高 速 铁 路 动 车 组 面 临 的 技 术 挑 战 与 策 略 研 究 缪 炳 荣, 张 卫 华, 邓 永 权, 李 旭 娟, 梅 桂 明 ( 西 南 交 通 大 学 牵 引 动 力 国 家 重 点 实 验 室, 成 都 ) [ 摘 要 ] 基 于 新 一 代 中 国 高 速 列 车 ( 动 车 组 ) 关 键 技 术 的 研 究 发 展 趋 势 和 策 略 问 题 进 行 详 细 讨 论 和 技 术 展 望 主 要 内 容 包 括 : 首 先, 介 绍 国 际 先 进 轨 道 车 辆 制 造 商 在 其 新 一 代 车 辆 开 发 过 程 中 采 用 的 先 进 设 计 技 术 和 理 念, 分 层 次 研 究 其 各 自 的 核 心 技 术 特 点 和 未 来 其 可 能 的 技 术 发 展 趋 势 其 次, 在 国 内 外 文 献 研 究 的 基 础 上, 结 合 中 国 高 速 铁 路 车 辆 发 展 的 自 身 特 点 和 实 际 情 况, 针 对 具 体 的 牵 引 传 动 技 术 转 向 架 技 术 车 体 设 计 技 术 等 可 能 面 临 的 核 心 技 术 难 题, 提 出 一 些 分 析 建 议 最 后, 在 综 合 考 虑 轨 道 车 辆 造 型 发 展 趋 势 及 设 计 原 则 的 基 础 上, 根 据 集 成 设 计 的 理 论 与 多 学 科 优 化 设 计 方 法, 针 对 新 一 代 中 国 高 速 铁 路 动 车 组 可 能 面 临 的 重 大 技 术 挑 战 与 策 略 和 改 进 措 施 的 研 究 提 出 一 些 明 确 的 建 议 总 之, 通 过 本 文 的 初 步 研 究, 希 望 可 以 对 我 国 高 速 列 车 未 来 的 发 展 方 向 和 趋 势 提 出 一 些 有 益 的 建 议 [ 关 键 词 ] 高 速 铁 路 ; 高 速 列 车 ; 新 一 代 ; 关 键 技 术 ; 集 成 设 计 ; 多 学 科 优 化 [ 中 图 分 类 号 ] U270 [ 文 献 标 识 码 ] A [ 文 章 编 号 ] (2015) 前 言 高 速 铁 路 运 输 不 仅 已 经 成 为 世 界 经 济 发 展 的 重 要 引 擎, 而 且 高 速 铁 路 技 术 发 展 也 带 动 了 不 同 的 相 关 技 术 研 究 领 域 的 发 展 也 就 是 说 如 何 拥 有 更 多 更 先 进 的 集 成 设 计 技 术 的 高 速 铁 路 已 经 成 为 目 前 各 个 国 家 铁 路 的 核 心 竞 争 技 术 的 要 求 所 在 世 界 铁 路 旅 客 运 输 的 形 式 和 范 围 在 不 断 扩 大, 传 统 的 轨 道 车 辆 运 输 形 式 也 正 在 不 断 地 改 变 除 了 那 些 高 速 铁 路 发 达 国 家 之 外, 一 些 发 展 中 国 家, 其 中 包 括 东 南 亚 国 家 和 其 他 亚 非 拉 地 区, 对 新 一 代 的 高 速 铁 路 技 术 都 呈 现 了 异 样 的 热 情 这 是 因 为 先 进 的 高 速 铁 路 技 术 不 仅 能 够 加 快 世 界 经 济 运 输 服 务 领 域 的 沟 通, 解 决 许 多 世 界 经 济 面 临 的 实 际 课 题, 而 且 为 了 促 进 世 界 经 济 的 发 展 和 融 合 也 提 供 了 极 大 的 助 力 考 虑 到 未 来 20 年 内 世 界 高 速 线 路 网 长 度 的 明 显 增 加 各 国 对 新 高 速 铁 路 线 路 的 建 设 计 划 和 热 情, 高 速 列 车 车 辆 产 品 换 代 和 性 能 提 高 将 会 更 加 [1~5] 频 繁 且 得 到 不 断 改 善 在 过 去, 轨 道 车 辆 结 构 主 要 追 求 的 是 车 辆 结 构 轻 量 化 服 役 长 寿 命 免 ( 少 ) 维 修 性 降 低 成 本 等, 而 近 十 年 来, 各 个 国 家 在 看 到 高 速 铁 路 带 动 国 家 和 区 域 经 济 发 展 的 强 大 动 力 后, 对 高 速 铁 路 的 重 视 和 热 情 空 前 高 涨, 也 使 得 高 速 铁 路 技 术 的 功 能 性 或 经 济 性 呈 现 多 样 化 和 高 度 化 的 发 展 这 必 然 导 致 高 速 铁 路 车 辆 的 新 产 品 的 更 新 换 代 日 益 频 繁, 而 且 将 给 世 界 主 要 高 速 铁 路 制 造 厂 家 带 来 巨 大 的 压 力 和 挑 战, 也 给 很 多 高 速 铁 路 的 研 发 部 门 的 技 术 人 员 对 于 未 来 高 速 铁 路 车 辆 的 发 展 趋 势 带 来 很 多 困 惑 但 是, 经 济 市 场 中 出 现 的 任 何 新 鲜 事 物 或 者 说 新 一 [ 收 稿 日 期 ] [ 基 金 项 目 ] 国 家 自 然 基 金 面 上 项 目 ( ) [ 作 者 简 介 ] 缪 炳 荣,1970 年 出 生, 男, 江 苏 泰 县 人, 副 研 究 员, 硕 士 生 导 师, 主 要 从 事 轨 道 车 辆 动 力 学 结 构 疲 劳 强 度 和 载 荷 谱 等 工 作 ; brmiao@163.com 98 中 国 工 程 科 学

2 代 产 品 的 研 发, 都 必 须 遵 循 一 个 基 本 的 原 则, 即 必 须 要 遵 循 其 可 持 续 性 的 科 学 发 展 规 律 作 为 主 要 的 公 共 交 通 工 具, 高 速 铁 路 车 辆 和 其 他 主 要 交 通 运 输 工 具 ( 汽 车 航 空 和 船 舶 等 ) 同 样 必 须 要 面 对 社 会 多 样 化 的 技 术 需 求, 比 如 为 乘 客 提 供 安 全 舒 适 和 经 济 的 乘 坐 环 境 服 务 ; 必 须 要 考 虑 经 济 效 益 的 同 时, 还 需 要 考 虑 社 会 效 益, 比 如 必 须 要 重 视 LCA( 寿 命 周 期 评 价 ) 的 生 态 设 计, 降 低 CO 2 的 排 [6~8] 放 等 尽 管 中 国 高 速 铁 路 的 快 速 发 展 是 近 十 年 的 事 情, 在 吸 纳 和 融 合 国 外 先 进 高 速 铁 路 技 术 的 基 础 上, 结 合 自 身 铁 路 系 统 的 特 点 进 行 多 元 创 新, 也 已 经 迅 速 发 展 成 为 世 界 高 速 铁 路 车 辆 的 主 要 制 造 国 家 和 未 来 技 术 发 展 的 风 向 标 但 是 应 该 客 观 地 看 到, 中 国 高 速 铁 路 和 那 些 已 经 发 展 和 积 累 了 几 十 年 的 高 速 铁 路 先 进 技 术 的 发 达 国 家, 比 如 德 国 法 国 和 日 本 依 然 存 在 着 很 多 技 术 上 的 差 距, 各 种 关 键 技 术 的 积 累 和 技 术 难 题 依 然 客 观 存 在 这 不 仅 是 某 一 个 技 术 领 域 的 问 题, 而 是 和 高 速 铁 路 车 辆 相 互 关 联 的 多 个 基 础 学 科 ( 力 学 材 料 和 制 造 与 装 配 工 程 等 ) 均 面 临 着 各 种 严 峻 的 技 术 课 题 的 挑 战 本 文 将 结 合 世 界 几 个 主 要 高 速 铁 路 先 进 技 术 国 家 的 特 点, 在 对 国 内 外 高 速 铁 路 车 辆 最 新 文 献 研 究 的 基 础 上 对 研 制 新 一 代 中 国 高 速 铁 路 的 最 新 技 术 发 展 趋 势 提 出 个 人 的 一 些 浅 薄 建 议 这 里 的 高 速 铁 路 技 术 主 要 是 指 运 营 最 高 速 度 高 于 200 km/h 两 站 间 不 停 车 运 行 速 度 不 低 于 150 km/h 的 现 有 商 业 运 营 的 高 速 电 气 化 干 线, 以 及 最 近 可 能 将 运 行 的 高 速 干 线 目 前 符 合 这 些 线 路 的 国 家 有 中 国 日 本 法 国 德 国 西 班 牙 英 国 意 大 利 瑞 典 芬 兰 美 国 韩 国 和 俄 罗 斯 等, 以 及 巴 黎 布 鲁 塞 尔 科 隆 / 阿 姆 斯 特 丹 高 速 线 ( 法 国 比 利 时 德 国 和 荷 兰 区 域 ) 和 欧 洲 之 星 线 ( 英 国 法 国 和 比 利 时 区 域 ) 高 速 干 线 铁 路 可 区 分 为 以 下 几 种 类 型 [3] :a. 新 建 专 线, 仅 用 于 运 行 最 高 速 度 为 250 km/h 及 以 上 的 列 车 ;b. 改 建 线 路 Ⅰ, 全 长 或 个 别 区 段 可 运 行 速 度 为 200~220 km/h 的 列 车 ;c. 改 建 线 路 Ⅱ, 全 长 或 个 别 区 段 可 运 行 速 度 为 200~230 km/h 的 由 摆 式 车 辆 组 成 的 列 车 未 来 中 国 高 速 铁 路 车 辆 新 技 术 的 发 展 趋 势 在 哪 里? 如 何 在 研 究 世 界 高 速 铁 路 发 展 强 国 的 技 术 基 础 上, 进 行 技 术 的 不 断 创 新, 继 续 站 在 世 界 高 速 铁 路 发 展 的 前 列? 如 何 在 追 求 经 济 价 值 的 同 时 努 力 适 应 未 来 技 术 多 样 化 高 度 功 能 化 的 社 会 效 益 需 求 本 文 将 从 技 术 层 面 的 角 度, 多 层 次 研 究 国 外 发 展 新 一 代 高 速 铁 路 动 车 组 的 设 计 和 开 发 理 念 技 术 基 础, 针 对 未 来 中 国 高 速 铁 路 车 辆 发 展 可 能 面 临 的 一 些 技 术 难 题, 比 如 绿 色 ( 生 态 ) 设 计 的 概 念, 降 低 寿 命 周 期 成 本 安 全 降 噪 环 保 的 概 念 等 主 要 课 题 逐 层 次 地 分 析 和 讨 论 在 实 施 新 一 代 产 品 设 计 理 念 的 构 筑 或 关 键 技 术 基 础 研 讨 的 同 时, 也 希 望 中 国 高 速 铁 路 技 术 在 未 来 经 过 新 一 代 车 辆 的 研 制 或 可 靠 性 试 验 的 基 础 上, 建 立 一 套 完 整 的 新 一 代 中 国 高 速 铁 路 车 辆 架 构 系 统 和 技 术 标 准, 且 为 中 国 高 速 铁 路 的 未 来 技 术 发 展 提 出 一 些 浅 薄 的 技 术 性 建 议 下 面, 将 回 顾 国 外 著 名 轨 道 车 辆 制 造 商 最 近 研 制 的 一 些 代 表 性 车 辆 最 新 发 展 趋 势, 逐 步 分 解 和 介 绍 其 主 要 的 设 计 理 念 与 技 术 构 成, 在 其 基 础 上 逐 步 归 纳 出 中 国 高 速 铁 路 车 辆 未 来 可 能 面 临 的 一 些 技 术 挑 战 和 难 题 2 概 述 在 高 速 轮 轨 技 术 上, 德 国 西 门 子 公 司 (SIE- MENS, 简 称 西 门 子 ) 和 法 国 阿 尔 斯 通 轨 道 制 造 公 司 (ALSTOM, 简 称 阿 尔 斯 通 ) 日 本 川 崎 公 司 (KAWA- SAKI) 加 拿 大 庞 巴 迪 公 司 (BOMBARDIER, 简 称 庞 巴 迪 ) 的 铁 路 公 司 技 术 世 界 领 先, 这 些 国 家 在 高 速 铁 路 车 辆 产 品 的 技 术 上 各 有 优 势 和 劣 势, 也 各 有 自 己 的 核 心 设 计 理 念 和 独 特 的 技 术 特 点 在 世 界 轨 道 车 辆 的 发 展 历 史 上, 轨 道 车 辆 结 构 主 要 的 设 计 理 念 在 于 结 构 轻 量 化 服 役 长 寿 命 免 ( 少 ) 维 修 性 [8] 降 低 成 本 等 而 近 十 年 来, 车 辆 结 构 已 经 逐 步 实 现 轻 量 化 模 块 化 的 设 计 原 则, 在 很 多 车 辆 上 也 采 用 合 适 的 最 佳 材 料 ( 不 锈 钢 铝 合 金 复 合 材 料 玻 璃 钢 碳 纤 维 等 ) 但 是 在 最 近 的 社 会 环 境 急 剧 变 化 或 技 术 革 新 中, 也 对 新 一 代 高 速 铁 路 车 辆 结 构 提 出 了 很 多 的 技 术 要 求, 比 如 车 辆 功 能 或 特 性 的 多 样 化, 环 境 的 生 态 化 和 绿 色 化 发 展 趋 势 为 了 应 对 这 种 生 态 设 计 的 发 展 趋 势, 一 些 传 统 的 车 辆 制 造 技 术 和 方 法 难 以 延 续 下 去, 必 须 要 进 行 大 量 的 技 术 革 新 和 改 革 比 如 一 些 著 名 铁 路 公 司 已 经 将 设 计 理 念 定 义 为 : 为 客 户 提 供 高 效 快 捷 完 善 的 高 速 铁 路 新 技 术 ( 新 研 究 ) 提 供 技 术 咨 询 技 术 测 试 系 统 工 程 的 检 查 和 技 术 培 训, 并 以 高 度 安 全 的 方 式 和 标 准 提 供 相 关 技 术 支 持, 确 保 诚 信 的 最 高 水 平, 同 时 为 公 司 本 身 营 造 一 个 具 有 挑 战 性 的 和 可 持 续 发 展 的 工 2015 年 第 17 卷 第 4 期 99

3 作环境 这就要求各个国家在开发新一代高速铁 国 欧洲等主要厂家都将面临着可以预见的世界高 路车辆产品的时候 必须要有一个创新的设计理 速列车巨大的市场需求和残酷的技术竞争 实际上 念 对未来高速铁路车辆的发展有一些前瞻性的研 德国的 VELARO-D AGV-11 均是其第 4 代高速列 究 并提出具体的基础技术构成 车 由于中国高速铁路技术的迅猛发展 其性价比 日本是世界上第一个实现高速铁路运营的国 的优势逐渐成为世界和亚洲许多国家渴望的产品 家 1964 年开始东海道(东京 大阪)高速铁路运 而邻国日本 韩国高速铁路车辆的保有量也在不断 输 它的成功运营促进了世界其他高速铁路干线 增加 亚洲的高速铁路市场和线路综合总量已经处 的建设 可以说日本是第一个研发高速列车的国 于世界领先水平 在亚洲高速铁路市场出现异乎 家 并不断吸纳新技术发展自己的高速铁路交通网 寻常的高速增长的同时 欧洲高速铁路网规划 2020 和不同系列的高速列车 新一代日本高速铁路主要 年 也 开 始 加 大 投 入 预 计 其 新 增 高 速 铁 路 线 路 代表是新干线 E7 系 N700 系 efset 系 欧洲凭借 约 km 着浓厚的技术底蕴 在近三十年来已经迅速建立了 3 全欧洲范围的高速铁路网 也在根据不同的需求进 行产品的更新换代 主要代表为阿尔斯通的 TGV/ 3.1 国外动车先进设计理念和关键技术构成 日本车辆设计理念的差异性 AGV 西门子的 ICE 系列 VELARO-X 系列 加拿 近年来 日本铁道部门为了面对世界高速铁路 大庞巴迪是轨道交通领域的一个世界铁路技术巨 市场竞争激烈的形势 针对新产品的研发重新投入 头 ZEFIRO 系列动车组是庞巴迪运输 Bombardier 了极大的热情 比如提高高速铁路运输能力 保证 transportation 2005 年公布的超高速铁路旅行最新 车辆运输效率提高 提高产品的环境友好性 并 概念的高速电动车组设计平台 由庞巴迪公司工业 且 其在巴西 美国 越南 印度等世界各地 正在计 设计组与意大利工业设计公司 Zagato 共同设计 但 划开展高速客运专线的建设和中国高速铁路展开 一直没有得到实用 最近几年重新启动研发计划 激烈的竞争 特别是为了满足国外高速铁路不同 庞巴迪开发了三种不同型号 ZEFIRO 380 主要瞄 的运营情况 比如不同的线路条件 应用规格 标准 准 中 国 市 场 设 计 最 高 时 速 380 km/h ZEFIRO- 等 作为准备出口国外的高速车辆川崎重工公司考 V300 主要瞄准欧洲市场 设计最高时速 300 km/h 虑为适应国外的运行条件及标准 着手开发新型高 ZEFIRO-250 主要瞄准普通市场 设计最高时速 速车辆 提出一些新的设计理念 下面结合一些代 250 km/h 采用 ECO4 的理念进行高速铁路车辆 表性的文献 简单地说明一下日本新一代高速列车 设计 也称为 ECO4 计划项目 的设计理念和基础技术构成[6~11] 中 国 新 一 代 的 高 速 列 车 代 表 CRH-380A CRH380B 等 也已经成为高速铁路车辆新技术的典 型代表 实际上 除日本在积极准备新一代新干线 图 1 为日本新干线高速铁路的主要发展构成模 式 每一代新干线高速列车产品都是针对不同的技 术问题进行解决 列车 拓展海外市场 其他的国家和地区 包括中 图1 日本高速列车的主要研制路线的发展简图[9] Fig. 1 The diagram of Japan Shinkansen high-speed train development process [9] 100 中国工程科学

4 简单地来说 0 系车辆是最早研制的主力车型 辆 FASTECH360 S 的 mm 相同 车辆宽度同 系车辆耐寒 抗风雪 系车辆 为 mm 考虑到车体倾斜 车侧结构主体内侧 是 0 系车辆的后继车型 追求高舒适度 设计为倾斜式样 E6 系车辆(2013 年投入运营)主要 系 车 辆 是 新 干 线 东 海 道 山 阳 线 主 力 车 型 运营于北日本海[6~8] 1992 主要运营于山区道路 首款使用交流牵引 日本川崎最新研制的 E7 系新干线列车(2014 年 电动机的列车 有着很好的静音技术 400 系是实现 投入运营 见图 2) 是融入日本传统樱花风格的豪 新干线和既有线直通的车辆 1992 E1 系车辆为 华列车 也是面向美国加州地区推销的主导高速铁 双 层 编 组 1994 E2 系 车 辆 为 双 频 环 境 保 护 路车辆产品 藉此面对美国加州高速铁路线路的竞 1997 E3 系车辆则采用新机轴应用于秋田干线 争 该型车辆于 2013 年亮相于日本车辆展 并作为 系车辆真正实现 300 km/h 等 1997 日本新干线高速列车 50 周年庆贺的纪念品 运营于 E5 系车辆 2011 年投入商业运营 的车身采用了铝 日本东京 长野 预计 2015 年运营于日本沿海地 合金空心桁架断面和双皮层构造 为了减少通过 区 2025 年运营于大阪地区 最高速度 160 mph(约 隧道时的微压力波 车辆的高度和试验车 E954 型车 256 km/h 1 mph = km/h) 图2 新干线 E7 系[10] Fig. 2 The diagram of Japan Shinkansen high-speed train E7 series[10] 图 3 表示日本采用了 A-train 的高速列车设计 是为英国伦敦奥运会制造的高速列车[10] 概念 是日本首次获得的欧洲订单的高铁产品 也 图 3 日本新干线 N700 系和为英国研制的高速列车(A-train 设计概念)[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 德国高速铁路发展的循序渐进性 ICE-3 列车发展而来的第 4 代产品 实际上 ICE 列 德国高速铁路是从 20 世纪 80 年代初期开始发 车的各款型号主要是在 20 世纪 90 年代出现 由西 展 其中 VELARO 系列平台是由德国铁路运营的 门子为首的多家公司组成的制造商联盟进行开 2015 年第 17 卷第 4 期 101

5 发 VELARO 系列是一款纯粹的西门子产品 主要 率 配电系统 空调 座位数量 车身宽度及轨距 面向国际铁路市场 为此针对不同的设计标准西 车厢连接处与 ICE-3 列车相比也有明显的改变 乘 门子公司对动车组进行了很多一般适用性的修 降门为电动塞拉门 其净宽及净高分别为 900 mm 改 特别是针对欧盟出台的互操作性技术规范和 及 mm 不同于 ICE-3 列车 VELARO 的辅助 进一步的标准 当中对包括新的消防标准及各项复 牵引设备 例如 整流器冷却水泵 逆变器冷却风 杂的要求进行了技术修改 机 电动机风机以及制动器风机均可以独立于接触 [12,13] 整体结构采用铝质构造的 VELARO-D 列车目 网供电运行 它解决了 ICE-3 列车在法国高速铁路 前已经被设计为新一代高速列车设计平台概念 它 东线上通过分相区时反复出现的冷却中断问题[14] 可以针对不同国家客户的具体需求进行技术修 改 可根据当地要求进行调整的范围包括传动功 德国高速列车的发展历程可以参见图 4 所 示 [15] 图 4 德国高速铁路的主要研制路线的发展简图[15] Fig. 4 The diagram of German high-speed train development process[15] 与 ICE-3 列车相比 大多数的 Velar 列车的变体 机 风缸 制动架 电池箱和蓄电池充电器等都被分 都没有配备涡流制动 仅 VELARO-D 列车具有这样 布在每节车厢的底板下方 一列八节编组的动车 的 制 动 系 统 VELARO 列 车 采 用 动 力 分 散 式 技 组有 50 %的转向架为动力转向架 十节编组的 Ve- 术 除了牵引电动机及制动器始终安装在底板下 laro RUS 则为 40 % 德 国 高 速 铁 路 VELARO 设 方外 一些原本设于动力车头内的电气设备及机械 计 平台如 图 5 所示 [16] 设备 例如 变压器 牵引逆变器 辅助变流器 空压 图5 德国高速列车 VELARO 设计平台[16] Fig. 5 German high-speed train VELARO design platform [16] 在相同长度的列车中 VELARO 列车提供的座 璃幕墙相隔 坐在休息室内的乘客可以越过火车司 位数提高了 15 % 被称为 VELARO-HD 的设计 机眺望列车的前方或后方景观 VELARO-D 系列 草图可在 200 m 长的列车中提供 536 个座位 UIC 标 的列车是集成了德国高速铁路最新 最全面的先进 准的 2+2 布局 这个概念还允许乘客在列车两端 技术的高速铁路车辆新一代研制和开发的技术平 获得清晰的线路视野 驾驶室与客舱仅以一扇玻 台 它已经完成了 km 测试里程 是得到德 102 中国工程科学

6 国联邦铁路和交通运输部授权的标志性新一代高 AGV 得以在相同的路线上达到较 TGV 更高的运营 速列车产品 很多出口的高速铁路车辆均是在此 速度 其目标运营速度为 360 km/h 阿尔斯通为 基础上进行修改 图 6 是 VELARO-Eurostar 列车 AGV 提供 7 节到 14 节的不同编组 列车由 3 节小 主要是在比利时进行线路测试 号称具有完整高速 单元组成 每个单元都具有位于车底的 1 组变压器 铁路装配技术的第 6 代高速铁路产品 主要运营于 和 2 组牵引电气组件 两个上述单元加上 1 节拖车 法国 英国和比利时 2015 年投入运营 也属于 VE- 构成整列 7 节编组 7 节编组有 2 个 3 节单元 1 节 LARO 系列 其产品中引入了智能移动通信技术 拖车居中分隔 提供约 245 个座位 11 节编组则有以 2 节拖车分隔的 3 个 3 节单元 座位数约为 446 个[17] AGV 的优点在于 与相同长度单层 TGV 列车 相比提供更多座位 铰接式转向架的采用可以降低 列车转向架数目 从而降低维护费用 高的功率重 量比与高效永磁同步电动机的使用 以及其他设计 改进 令列车拥有更高的能源效率 更低的噪音水 平和车厢两端贯通部位的更多空间 采用结构轻 量 化 设 计 和 模 块 化 设 计 在 保 证 车 体 结 构 满 足 EN kn 标准的同时也极大地降低了重 量 铰接支撑部位的枕梁采用钢材和复合材料 同 图 6 VELARO-Eurostar 列车[16] Fig German high-speed train VELARO-Eurostar [16] 法国阿尔斯通 ALSTOM 的 TGV/AGV 系列 的独特性 法国阿尔斯通是世界著名的高速列车轨道车 辆制造商 也是西门子公司在欧洲最大的竞争对 手 AGV 即 高速动车组 由阿尔斯通独立研发 是法国最新研制的高速铁路车辆 AGV 车辆主要 包括三项关键技术 铰链结构 发动机分置和能量 反馈技术 AGV 计划代替 TGV 作为法国高速铁路 的下一代车型 采用动力分散驱动是 AGV 与动力 时其在舒适度 平稳度 可靠性和可用性方面都做 了极大地改观 在能源消耗 环境影响 运营成本上 也进行了重点设计 比如 采用了 98 %的易回收的 材料 铝合金 钢 铜和玻璃 复合材料等 采用了 再生电力 最高可以达到 8 MW 能量反馈技术 采 用了优化的气动外形设计 可以保证 225 mph 和 187 mph 时的噪声水平相当 和同类型车相比 降 低了 15 %的能源消耗 较早进行了抗碰撞和吸能 设计[18] 图 7 表示 AGV-Ⅱ系列列车和车体结构三 维模型 图 8 表示其抗碰撞性能设计的特点 图 9 表 示其采用的气动性能设计 集中式的 TGV 最大的不同处 此设计上的优势让 图 7 法国 AGV-Ⅱ系列和车体结构三维模型[18] Fig. 7 The French AGV-Ⅱ series train and the structure of 3D model of car body [18] 2015 年第 17 卷第 4 期 103

7 图 8 AGV 列车在抗碰撞性能设计的特点[18] Fig. 8 AGV trains on the design characteristics of collision resistance performance [18] 图 9 AGV 列车的气动性能设计[18] Fig. 9 Aerodynamic performance design of AGV train [18] 2008 年 阿尔斯通开发 AGV Duplex 作为在 的变压器技术 每两个电机有一个独立的变流器 TGV 2N2 之后提供给法国国家铁路的后续车型 采用新一代的 IGBT6.5 kv-600a 技术 辅助变流器 2011 年 6 月阿尔斯通开始开发最高速度达 400 km/h 集成在牵引装置中 同时采用同步永磁电机技术 的新型高速列车 并同时有单层和双层版本 新设 动力分置技术 采用的永磁电机比传统发动机体 计采用动力集中于机车的设计 此设计称为 AGV- 积和质量更小 约小 40 %~50 % 并配有样机和试 II 在 AGV 的产品研发过程中 阿尔斯通投入了 验 平 台 等 图 10 为 AGV 采 用 的 永 磁 电 机 技 术 大量的精力进行相关的技术创新 比如采用最新 示 意图[18] 图 10 法国 AGV 采用的永磁电机技术 (功率-质量比>1 kw/kg) [18] Fig. 10 Permanent magnet motor technology used in the French AGV (power-weight ratio>1 kw/kg) [18] 104 中国工程科学

8 3.4 庞 巴 迪 (BOMBARDIER) 的 ECO4 设 计 理 念 加 拿 大 庞 巴 迪 也 是 一 家 世 界 领 先 的 创 新 交 通 运 输 解 决 方 案 供 应 商, 公 司 的 结 构 以 飞 机 和 列 车 这 两 个 规 模 几 乎 相 当 的 业 务 领 域 为 核 心 目 前, 庞 巴 迪 是 中 国 地 铁 车 厢 及 支 线 与 公 务 飞 机 的 主 要 供 应 商 ZEFIRO 系 列 动 车 组 是 庞 巴 迪 运 输 (Bombardier transportation)2005 年 公 布 的 超 高 速 铁 路 旅 行 最 新 概 念 的 高 速 电 动 车 组 设 计 平 台, 由 庞 巴 迪 公 司 工 业 设 计 组 与 意 大 利 工 业 设 计 公 司 Zagato 共 同 设 计, 但 一 直 没 有 得 到 实 用, 最 近 几 年 迫 于 世 界 高 速 铁 路 市 场 的 激 烈 竞 争, 重 新 启 动 研 发 计 划 其 中 庞 巴 迪 开 发 了 三 种 不 同 的 型 号 :ZEFIRO-380( 主 要 瞄 准 中 国 市 场, 设 计 最 高 时 速 380 km/h);zefiro- V300( 主 要 瞄 准 欧 洲 市 场, 设 计 最 高 时 速 300 km/h); ZEFIRO-250( 主 要 瞄 准 普 通 市 场, 设 计 最 高 时 速 250 km/h) 庞 巴 迪 几 年 前 就 提 出 建 立 包 括 能 源 (energy) 效 益 (efficiency) 经 济 (economy) 和 生 态 (ecology) 的 研 发 理 念, 并 将 其 全 面 覆 盖 至 自 产 品 设 计 到 产 品 运 营 的 整 个 生 命 周 期 庞 巴 迪 在 中 国 的 庞 巴 迪 合 资 公 司 BST 正 在 制 造 的 CRH380D 高 速 列 车 正 是 融 入 了 ECO4 的 研 发 设 计 理 念 庞 巴 迪 的 产 品 生 产 流 程 采 用 更 严 格 的 国 际 标 准, 在 实 现 优 化 能 效 降 低 噪 音 使 用 无 害 可 回 收 材 料 的 同 时, 许 多 车 辆 都 具 备 超 过 95 % 的 可 回 收 性 CRH380D 电 力 动 车 组 是 由 青 岛 四 方 庞 巴 迪 铁 路 运 输 设 备 有 限 公 司 基 于 庞 巴 迪 ZEFIRO 平 台 研 发 的 CRH 系 列 高 速 动 车 组 设 计 标 称 运 行 时 速 为 380 km 在 2010 年 9 月 庞 巴 迪 首 度 公 开 展 示 了 最 新 ZEFIRO 380 动 车 组 头 车 的 1 1 全 尺 寸 实 体 模 型, 并 用 互 动 式 三 维 显 示 技 术 展 示 了 车 厢 内 部 的 设 计 2013 年 4 月, 在 宁 杭 甬 高 速 铁 路 的 试 验 中, 跑 出 最 高 时 速 420 km [19,20] 列 车 外 形 设 计 以 独 特 性 空 气 动 力 学 和 优 化 的 运 营 成 本 为 主, 在 速 度 方 面, 良 好 的 空 气 动 力 性 能 提 高 了 最 大 速 度, 同 时 降 低 了 能 源 的 消 耗, 因 而 减 少 了 运 作 成 本 ; 而 在 安 全 方 面, 优 良 的 空 气 动 力 性 能 减 少 了 侧 风 影 响, 从 而 大 大 地 改 善 了 稳 定 性 ; 而 在 降 低 噪 音 方 面, 高 级 别 的 空 气 动 力 性 能 在 环 保 设 计 中 是 关 键 的 因 素, 因 为 它 大 大 地 降 低 了 噪 音 污 染, 同 时 提 高 了 旅 客 舒 适 度 ; 而 列 车 在 整 体 性 能 上 都 达 到 了 更 好 的 空 气 动 力 的 功 效 列 车 内 部 以 布 置 灵 活 照 明 充 足 和 座 位 舒 适 为 主, 座 位 方 面 安 排 灵 活, 即 使 是 二 等 车 厢 需 要 更 多 的 座 位 都 会 与 民 航 客 机 的 经 济 舱 相 若, 并 可 根 据 需 求 增 加 或 减 少 行 李 容 量 和 座 位 数 目 至 于 一 等 车 厢 的 座 位 将 如 客 机 的 商 务 舱 或 公 务 舱 而 每 个 座 位 底 部 垫 子 翻 转 后 可 作 为 靠 墙 桌 衣 架 附 加 存 物 位 推 拉 桌 或 无 靠 背 椅 使 用 而 车 厢 照 明 可 让 乘 务 员 控 制 灯 光, 通 过 增 加 或 降 低 照 明 强 度 或 改 变 灯 光 颜 色 为 旅 客 创 造 完 美 的 气 氛 列 车 内 部 所 用 的 物 料 有 良 好 的 耐 火 性 有 毒 烟 雾 释 放 量 低 的 特 点, 坚 固 耐 用, 提 高 旅 客 的 [18] 安 全 性 图 11 表 示 BOMBARDIER 的 ZEFIRO 系 列 (ECO4 计 划 ) 图 11 BOMBARDIER 的 ZEFIRO 系 列 (ECO4 计 划 ) [20] Fig. 11 BOMBARDIER ZEFIRO series (ECO4 program) [20] 主 要 具 备 如 下 特 点 : 具 有 独 特 的 气 动 外 形 设 计 ; 最 低 能 量 消 耗 ; 符 合 欧 盟 标 准 的 宽 车 体 设 计 ; 最 多 可 以 提 供 4 种 不 同 的 电 压 功 率 模 式 ; 可 满 足 跨 国 界 的 设 计 模 式 ; 可 以 设 计 到 664 个 座 位 /(8 车 编 组 ); 个 座 位 /(16 车 编 组 ); 具 有 高 速 卧 铺 车 等 其 他 的 国 家, 比 如 西 班 牙 瑞 典 和 韩 国 等 也 结 合 各 自 国 家 的 高 速 铁 路 技 术 特 点, 分 别 进 行 了 高 速 列 车 的 研 制 限 于 论 文 研 究 的 篇 幅 具 体 情 况 可 以 参 见 相 关 研 究 文 献, 在 这 里 不 再 分 别 赘 叙 4 未 来 高 速 列 车 的 设 计 思 想 德 国 西 门 子 日 本 联 合 财 团 ( 川 崎 三 菱 为 代 表 ) 法 国 阿 尔 斯 通 加 拿 大 庞 巴 迪, 这 些 国 际 轨 道 交 通 的 制 造 业 的 跨 国 巨 头 高 速 铁 路 车 辆 技 术 世 界 领 先, 目 前 已 经 处 于 第 4 代 高 速 列 车 技 术, 关 键 在 于 [1~8,21,22] 其 产 品 的 设 计 理 念 领 先 这 些 国 家 在 高 速 铁 路 的 技 术 上 各 有 优 势 和 劣 势, 也 各 有 自 己 鲜 明 的 技 术 特 点 简 单 地 总 结 这 些 国 家 的 设 计 理 念 基 本 上 都 异 曲 同 工, 围 绕 的 还 是 能 源 效 益 经 济 和 生 态 的 环 境 友 好 性 研 发 理 念, 这 些 理 念 贯 穿 于 各 个 产 品 的 设 计 环 节 实 际 上, 中 国 2005 年 最 早 签 订 合 同 引 进 的 CRH2-200 属 于 E2 系 ( 日 本 新 干 线 1997 年 技 术 产 品 );2007 年 引 进 的 CRH3-300 技 术 属 于 德 国 VE- LARO-CN 技 术 ( 德 国 西 门 子 2007 年 制 造 的 第 三 代 技 术 产 品 ), 后 者 引 进 的 技 术 明 显 要 较 前 者 先 进 据 此 构 想, 未 来 中 国 的 高 速 列 车 的 新 一 代 产 品 应 该 2015 年 第 17 卷 第 4 期 105

9 立足于国外第 4 代高速列车的产品技术基础之上 进行了很多层面的技术博弈 尤其在动车组研究技 结合中国自身的技术特点和原始创新技术 产品的核 术方面也在寻求很多重要的技术突破 拥有原创 心思想预测简单地用下图 12 所示表述 性技术和自主知识产权的中国高速铁路车辆产品 近 10 年来 由于中国高速铁路技术的迅猛发 展 国内外铁路专家面对庞大的中国高速铁路市场 图 12 逐渐增加 固有的设计思维和传统经验的束缚被逐 渐打破 新一代中国高速列车设计的核心思想 Fig. 12 The core design thought of Chinese new generation high-speed train 尤其 针对高速铁路车辆产品的重要技术发展 积极吸收和运用当代先进科技成果 进行技术创 方向和需要解决的关键技术难题 各个国家都设立 新 其深度和广度可以称得上一次跨时代的高速铁 了不同层面的大型国家计划项目予以支撑 比如 路技术革命 比如中国提出的绿色生态设计列车 中国第一个轨道交通领域的国家级计划项目 973 德国逐渐完善的 VELARO-D 高速列车设计平台 日 计划项目 项目号 2007CB 高速列车安全 本面向国际高速铁路市场的环境友好性概念列车 服役关键基础问题研究 西南交通大学张卫华教 efset E7 系列车 法国融入最新技术的 AGV 列 授为首席科学家 年 正好覆盖整个中 车 铰接式 发动机分置和能源反馈技术 庞巴迪 国高速铁路发展的飞跃时期 进行了大量的科学试 的 ECO4 概念列车 ZEFIRO 韩国 KTX-400 计划项 验和关键基础的技术问题研究 涵盖 6 个主要课题 目中采用的碳纤维车体技术等等 在这些最新研 几十个关键技术课题研究方向 从不同的技术层 制的列车中 牵引供电方式经历交流 直流 交直流 面上 指导了中国高速铁路的技术的正确发展方 混合以及未来燃料电池为动力方式的不断转变 向 国家后续还资助了针对不同高速列车关键技 采用宽体的车体技术和独立轮对的技术实现低地 术问题的国家级 973 计划项目 863 计划项目 两部 板和无台阶的动车设计 能量反馈和再生制动的技 行动计划等 比如结合具体的高速检测列车产品 术等等 未来的高速列车已经面临既要保证车辆 也称为 CIT400 计划项目 28 个子课题 863 计划项 应有的安全性 平稳性和舒适度 又必须要保证高 目 2012 年结题 比如中国中科院力学所主持的 效节能和环境友好性 低能耗 低排放和低噪声 500 km/h高速列车关键技术的973计划项目等等 材料的多样性和可回收性 要求采用低污染的水性 面对未来的国际 国内高速铁路激烈的竞争市 场 各个国家在近 5 年来 从不同的角度和技术层面 106 中国工程科学 涂料 等复杂技术的要求

10 5 高 速 铁 路 车 辆 关 键 的 基 础 技 术 国 际 铁 路 车 辆 设 计 和 制 造 理 念 已 经 由 传 统 的 企 业 生 产 为 导 向, 向 系 统 集 成 设 计 方 向 转 变 ; 由 组 装 式 设 计 向 模 块 化 设 计 转 变 等 这 就 需 要 建 立 完 善 的 总 体 系 统 集 成 设 计 体 系 从 各 个 系 统 的 概 念 设 计 项 目 管 理 到 售 后 服 务 要 进 行 全 程 的 跟 踪 和 管 理 以 产 品 功 能 设 计 为 中 心, 拓 展 到 RAMS( 可 靠 性 reliability 可 用 性 availability, 可 维 修 性 maintainability 安 全 性 safety) 及 LCC( 全 寿 命 周 期 成 本 life cycle cost) 工 程 设 计 满 足 高 速 列 车 检 测 任 务 需 求, 致 力 整 体 设 计 功 能 最 优 高 速 列 车 的 关 键 基 础 技 术 可 以 简 单 地 概 述 为 如 下 几 点 [1~8,23,24] 5.1 牵 引 供 电 技 术 对 于 日 益 提 高 的 高 速 铁 路 车 辆 运 营 速 度 而 言, 要 满 足 高 效 和 低 能 源 低 排 放 低 噪 声 和 低 污 染 等 众 多 复 杂 技 术 的 要 求, 交 流 - 直 流 的 电 力 传 动 技 术, 以 及 未 来 的 燃 料 电 池 技 术 的 发 展 成 为 了 必 然 的 选 择 牵 引 供 电 设 备 是 电 力 传 动 技 术 的 关 键 组 成, 其 中 还 包 括 各 种 电 力 电 子 和 电 器 设 备 及 其 辅 助 系 统, 体 积 要 降 低, 结 构 要 求 轻 量 化, 而 且 还 需 要 保 证 提 供 高 功 率 ( 功 率 质 量 比 是 重 要 设 计 参 数 ), 可 以 说, 牵 引 供 电 技 术 的 研 究 成 为 首 当 其 冲 的 一 项 关 键 技 术 课 题 以 牵 引 逆 变 器 为 例, 已 经 由 传 统 的 晶 闸 管 (SCR) 门 级 可 关 断 晶 闸 管 (GTO) 逐 步 向 绝 缘 栅 双 极 晶 体 管 (IGBT) 集 成 门 级 换 向 晶 闸 管 (IGCT) 和 智 能 功 率 模 块 (IPM) 发 展 日 本 新 干 线 采 用 的 三 菱 电 机, 采 用 交 - 直 - 交 的 单 项 交 流 电 力 传 动 技 术, 主 要 应 用 于 目 前 的 日 本 300 系 500 系 700 系 以 及 E1/E2/E3/E4 系 等 逆 变 器 的 功 率 可 以 达 到 kw 西 班 牙 TALGO350 型 高 速 列 车 中 采 用 轴 功 率 大 于 kw 的 智 能 功 率 模 块 IPM 技 术, 降 低 了 功 率 损 失 韩 国 在 引 进 法 国 TGV 的 技 术 基 础 上, 研 制 了 韩 国 高 速 列 车 KHST, 大 量 采 用 集 成 门 级 换 向 晶 闸 管 (IGCT) 技 术 ; 法 国 在 新 一 代 高 速 列 车 技 术 中, 大 量 采 用 ONIX 交 流 牵 引 驱 动 系 统, 极 大 提 高 了 电 机 的 牵 引 功 率 的 同 时 也 使 得 电 机 质 量 轻 量 化 和 体 积 减 小 这 些 牵 引 动 力 新 技 术 的 采 用, 不 仅 减 少 元 器 件 的 数 量, 也 提 高 了 电 器 设 备 的 质 量 和 可 靠 性 与 可 用 性, 降 低 了 维 护 费 用 [25~30] 5.2 转 向 架 技 术 转 向 架 技 术, 这 是 整 个 高 速 列 车 设 计 过 程 中 最 核 心 的 关 键 技 术 之 一 随 着 动 车 组 功 率 的 增 加, 在 高 速 运 营 的 条 件 下, 由 于 各 种 振 动 导 致 的 问 题 已 经 成 为 工 程 界 最 受 关 注 的 技 术 难 题 比 如 速 度 的 提 高, 轮 轨 作 用 力 急 剧 增 大, 轮 轨 磨 耗 和 噪 声 加 重 ; 轮 轨 的 粘 着 性 能 则 快 速 下 降, 牵 引 效 率 下 降 ; 制 动 功 率 和 距 离 要 求 增 加, 这 些 变 化 要 求 转 向 架 必 须 要 具 备 足 够 的 牵 引 功 率, 要 求 提 高 运 行 安 全 性 ( 防 止 脱 轨 ) 平 稳 性 和 舒 适 度 ; 要 求 提 高 制 动 能 力, 降 低 制 动 距 离, 实 现 结 构 的 疲 劳 可 靠 性 可 用 性 和 低 维 护 [20~22] 性 等 转 向 架 的 技 术 具 体 可 以 包 括 以 下 几 点 1) 结 构 轻 量 化 与 抗 疲 劳 性 能 的 选 择 结 构 的 轻 量 化 必 然 导 致 结 构 强 度 和 刚 度 的 下 降, 也 导 致 转 向 架 动 力 学 性 能 和 抗 疲 劳 性 能 的 恶 化 这 是 因 为 转 向 架 的 结 构 参 数 ( 质 量 转 动 惯 量 和 质 心 位 置 ) 的 选 择 极 大 地 影 响 着 转 向 架 的 动 力 学 性 能 转 向 架 的 质 量 主 要 分 为 簧 下 质 量 和 簧 上 质 量 为 了 降 低 车 辆, 尤 其 是 车 轮 对 轨 道 的 冲 击 作 用 力, 需 要 尽 可 能 降 低 簧 下 质 量, 目 前 世 界 高 速 列 车 的 簧 下 质 量 有 着 明 显 降 低 的 趋 势 ( 轴 重 小 于 17 t) 降 低 簧 下 质 量, 就 需 要 考 虑 采 用 一 些 关 键 的 轻 量 化 技 术 措 施, 比 如 采 用 整 体 碾 压 的 钢 制 小 半 径 车 轮 ; 采 用 空 心 车 轴 ; 采 用 整 体 铸 造 的 轻 型 轴 箱 ; 电 机 采 用 架 悬 和 体 悬 等 悬 挂 方 式 另 外, 研 制 轻 量 化 的 焊 接 构 架 和 铝 合 金 的 齿 轮 箱 技 术 也 是 关 键 技 术 甚 至 研 制 其 他 的 复 合 材 料 ( 比 如 采 用 碳 纤 维 材 料 钛 合 金 等 ) 的 构 架 也 成 为 未 来 转 向 架 轻 量 化 设 计 技 术 的 一 个 重 要 方 面 但 是 也 应 该 看 到, 过 分 追 求 轻 量 的 同 时, 必 然 会 导 致 结 构 的 强 度 和 刚 度 下 降, 也 导 致 焊 接 制 造 加 工 工 艺 的 复 杂 性, 结 构 的 抗 疲 劳 性 能 降 低 和 局 部 颤 振 问 题 也 会 剧 烈 增 加, 导 致 结 构 疲 劳 失 效 问 题 的 频 繁 产 生, 这 些 需 要 进 行 多 学 科 问 题 的 技 术 优 化 2) 动 力 学 悬 挂 参 数 的 优 化 高 速 列 车 的 稳 定 性 平 稳 性 和 曲 线 通 过 性 能 是 衡 量 其 动 力 学 性 能 的 几 个 主 要 方 面 结 构 参 数 的 选 择 和 动 力 学 悬 挂 参 数 的 选 择 需 要 进 行 精 心 的 优 化 与 控 制 如 何 平 衡 动 力 学 悬 挂 参 数 和 结 构 优 化 设 计 参 数 之 间 的 矛 盾 问 题 是 关 键 比 如 车 辆 直 线 运 行 稳 定 性 与 曲 线 通 过 性 能 之 间 的 在 轴 箱 一 系 悬 挂 参 数 定 位 刚 度 的 选 取 上 的 矛 盾 问 题 ; 二 系 悬 挂 参 数 ( 空 气 弹 簧 刚 度 和 垂 向 减 振 器 阻 尼 系 数 ) 的 选 择 需 要 考 虑 转 向 架 平 稳 性 和 相 对 位 移 选 择 的 矛 盾 问 题 而 悬 挂 参 数 选 择 的 确 定, 在 面 对 不 同 轨 道 不 平 顺 线 路 的 激 励 下, 如 何 继 续 保 持 良 好 的 动 力 学 特 性 也 面 临 着 技 术 挑 战, 这 就 要 求 进 行 主 动 和 半 主 动 悬 挂 控 制 技 术 的 选 择 2015 年 第 17 卷 第 4 期 107

11 与 优 化, 解 决 实 际 线 路 运 营 过 程 中 的 高 速 运 行 和 平 稳 度 舒 适 度 及 曲 线 通 过 性 能 ( 防 止 脱 轨 ) 在 未 来 主 动 控 制 悬 挂 技 术 和 半 主 动 控 制 悬 挂 技 术 依 然 是 提 高 车 辆 运 动 性 能 和 改 善 转 向 架 振 动 特 性 的 关 键 技 术 之 一 3) 适 应 多 标 准 的 兼 容 性 设 计 问 题 目 前, 为 了 争 夺 国 际 高 速 铁 路 市 场, 西 门 子 阿 尔 斯 通 庞 巴 迪, 日 本 川 崎 等 公 司 均 要 求 高 速 铁 路 产 品 满 足 不 同 的 国 际 和 区 域 的 设 计 标 准 比 如 日 本 最 新 研 制 的 高 速 列 车 E7 系 就 需 要 同 时 满 足 JIS 标 准 EN 标 准 和 美 国 设 计 标 准 进 行 设 计, 并 重 点 进 行 350 km/h 速 度 下 稳 定 运 行 的 技 术 参 数 研 究 ; 构 架 焊 接 要 求 满 足 AWS 标 准 ( 美 国 焊 接 协 会 标 准 ); 为 了 提 高 舒 适 度 和 抑 制 车 辆 曲 线 通 过 时 车 体 横 向 摇 晃 的 严 重 问 题, 装 备 上 可 以 防 止 车 体 摇 晃 的 横 向 稳 定 主 动 控 制 装 置 ; 另 外 为 了 安 全 运 行, 每 台 转 向 架 安 装 4 个 抗 蛇 形 减 振 器 的 冗 余 设 计 模 式 基 础 制 动 装 置 采 用 中 心 部 紧 固 式 的 制 动 盘, 以 及 列 车 启 动 时 的 卡 钳 制 动 装 置, 实 现 轻 量 化 设 计 的 同 时, 提 高 零 部 件 的 耐 久 性 采 用 全 主 动 悬 挂 控 制 装 置, 主 要 目 标 是 降 低 高 速 运 行 产 生 的 空 气 激 振 力 的 影 响, 同 时 安 装 有 更 好 减 振 性 能 的 全 主 动 控 制 系 统 该 系 统 通 过 装 备 作 动 器 (Actuator) 直 接 控 制 作 用 载 荷 抑 制 车 体 的 横 向 振 动 日 本 川 崎 公 司 在 新 一 代 高 速 列 车 中 采 用 了 独 特 设 计 和 开 发 的 小 型 电 磁 式 作 动 器 在 高 速 运 行 区 域, 有 时 由 于 抗 蛇 形 减 振 器 的 故 障 及 零 件 性 能 的 下 降, 可 能 会 导 致 转 向 架 的 运 动 不 稳 定, 产 生 蛇 行 运 行 的 危 险 状 态, 就 必 须 要 安 装 异 常 的 检 测 装 置 ( 失 稳 检 测 装 置 ), 主 要 检 测 转 向 架 车 体 振 动 轴 箱 轴 承 齿 轮 箱 润 滑 系 的 温 度 监 控 等 由 于 转 向 架 技 术 涉 及 的 层 面 比 较 宽, 相 关 的 关 键 技 术 可 以 参 见 一 些 技 术 文 献 [32~45] 5.3 车 体 设 计 技 术 1) 气 动 外 形 和 气 动 性 能 的 设 计 与 优 化 由 于 空 气 阻 力 与 车 辆 运 行 速 度 的 2 次 方 成 正 比 且 逐 步 增 大, 在 高 速 运 行 时, 能 耗 巨 大, 且 空 气 阻 力 远 大 于 轮 轨 滚 动 阻 力, 必 须 要 进 行 气 动 性 能 的 设 计 和 优 化 降 低 空 气 阻 力 和 噪 声 影 响, 不 仅 可 以 实 现 节 能 和 高 效, 而 且 以 降 低 阻 力 的 设 计 为 目 标, 还 可 以 影 响 到 其 他 结 构 设 计 方 面 的 要 求, 比 如 车 体 转 向 架 等 主 要 部 件 的 结 构 轻 量 化 设 计 以 便 于 降 低 机 械 运 行 阻 力 ; 降 低 主 电 路 容 量 以 节 约 能 耗 等 隧 道 微 气 压 ( 隧 道 出 口 处 的 气 爆 声, 引 起 周 围 环 境 振 动 和 噪 声 现 象, 微 气 压 强 度 与 列 车 进 入 隧 道 速 度 的 三 次 方 成 正 比 关 系 ), 隧 道 内 气 压 扰 动 ( 对 车 辆 运 行 稳 定 性 影 响 较 大, 且 隧 道 内 气 动 激 振 力 加 大 车 体 的 晃 动 ), 隧 道 内 压 力 变 化 ( 内 外 压 差 的 动 影 响 ) 等 问 题 也 需 要 展 开 专 题 研 究 ( 车 体 项 目 中 的 核 心 研 究 内 容 之 一 ) 头 车 外 形 的 设 计 一 直 是 各 个 国 家 关 注 的 热 点, 也 是 代 表 一 个 国 家 的 文 化 精 髓 所 在 在 前 面 已 经 对 各 个 高 速 列 车 代 表 性 国 家 的 高 速 列 车 进 行 了 介 绍 ( 可 以 看 出 日 本 的 头 车 外 型 处 于 多 变, 但 是 整 体 上 可 以 看 出 其 主 要 还 是 仿 真 于 海 洋 生 物 的 外 形 ; 法 国 的 AGV 和 德 国 的 VELARO-D 系 列 车 辆 的 外 形 变 化 不 大, 头 型 基 本 上 都 是 经 过 大 量 风 洞 试 验 和 气 动 性 能 优 化 设 计 技 术 分 析 的 结 果, 限 于 篇 幅 本 文 不 在 此 赘 述 ) 2) 高 速 列 车 的 气 密 性 技 术 高 速 列 车 的 车 体 密 封 技 术 是 车 体 的 关 键 技 术, 整 车 的 密 封 性 尤 其 是 气 密 性 问 题 是 车 体 的 关 键 性 技 术 之 一 高 速 列 车 的 密 封 性, 实 际 上 指 的 是 车 辆 的 空 气 压 力 密 封 性, 一 般 称 之 为 气 密 性 整 车 气 密 性 是 指 在 列 车 完 成 整 备 状 态, 即 在 安 装 厕 所 供 水 系 统 车 窗 和 车 门 等 之 后 和 关 闭 列 车 与 外 界 相 通 的 所 有 开 孔 ( 包 括 通 过 门 和 空 调 设 备 的 开 孔 ), 车 内 压 力 相 对 车 外 压 力 变 化 的 密 封 性 能 高 速 列 车 运 行 速 度 的 提 高, 使 得 对 高 速 列 车 的 车 体 要 求 也 越 来 越 高, 高 速 列 车 运 行 中 的 密 封 性 问 题 越 来 越 引 起 人 们 的 重 视 影 响 气 密 性 的 因 素 很 多, 除 了 端 门 侧 门 车 窗 等 与 外 界 相 通 的 结 构 外, 在 车 体 的 四 周 还 有 许 多 与 外 界 相 联 系 的 各 种 接 口 高 速 列 车 的 密 封 技 术 主 要 包 括 4 个 部 分 : 固 定 部 分, 主 要 指 车 体 车 窗 和 通 线 口 等, 包 括 采 用 挤 压 型 材 料 的 焊 接 问 题 ; 玻 璃 安 装 部 位 的 密 封 性 问 题, 通 线 口 的 密 封 问 题 等 ; 活 动 部 分, 主 要 指 车 门, 如 何 采 用 密 封 胶 条 保 证 气 密 性, 以 及 采 用 塞 拉 门 和 密 封 锁 紧 机 构 ; 排 水 部 分, 设 置 空 调 排 水 孔, 厕 所 排 污 孔 的 密 封 ; 排 气 部 分, 主 要 指 空 调 换 气 装 置 简 单 地 说 车 体 密 封 问 题 包 括 : 通 线 口 ( 各 种 电 缆 信 号 线 等 ) 通 水 口 ( 空 调 排 水 孔 厕 所 排 污 口 等 ) 通 气 口 ( 空 调 换 气 装 置 等 ) 以 及 其 他 各 种 需 要 与 外 界 联 系 的 封 口 类 型 因 此, 每 个 列 车 车 厢 的 不 同 部 位 存 在 着 许 多 不 同 尺 寸 和 不 同 类 型 的 封 口 研 究 不 同 类 型 封 口 的 气 密 性 是 评 估 整 车 气 密 性 的 基 础, 进 而 建 立 一 种 统 一 的 气 密 性 评 价 标 准, 形 成 一 个 对 高 速 列 车 评 价 的 技 术 体 系 也 是 车 体 设 计 的 一 项 重 要 技 术 内 容 和 课 题 108 中 国 工 程 科 学

12 3) 车 体 结 构 的 设 计 与 开 发 对 于 车 体 结 构 等 主 要 部 件, 首 先 要 求 满 足 适 应 不 同 的 结 构 设 计 标 准, 比 如 国 际 标 准 和 欧 美 等 区 域 性 标 准 的 强 度 要 求 其 次 从 节 能 的 观 点 出 发, 要 求 实 现 车 体 结 构 轻 量 化 设 计, 并 且 提 高 材 料 的 可 再 生 利 用 和 应 用 水 性 涂 料 等 具 体 的 一 些 技 术 要 求 可 以 简 单 地 阐 述 如 下 a. 提 高 车 体 振 动 性 能, 保 证 其 良 好 的 动 态 特 性 采 用 宽 车 体 和 轻 量 化 的 动 车 组 设 计 技 术 是 目 前 国 际 高 速 列 车 新 一 代 产 品 的 主 流 方 向 也 可 以 说, 提 高 车 辆 的 安 全 性 舒 适 度 和 平 稳 度, 一 直 是 车 辆 动 力 学 的 研 究 核 心 所 在, 而 如 何 保 证 轻 量 化 的 车 体 具 有 良 好 的 振 动 特 性 也 是 其 关 键 的 技 术 课 题 如 何 在 车 体 轻 量 化 设 计 与 提 高 强 度 刚 度 设 计 标 准 之 间 的 矛 盾 问 题 的 平 衡 和 优 化, 保 证 设 定 适 当 的 目 标 刚 度, 在 满 足 强 度 ( 动 强 度 和 疲 劳 强 度 ) 的 基 础 上, 设 计 出 满 足 轻 量 化 且 具 有 最 佳 刚 度 的 车 体 也 是 核 心 可 以 研 究 的 内 容 ( 在 结 构 设 计 载 荷 时 间 历 程 和 新 型 材 料 之 间 的 选 择 与 优 化 ) 避 免 车 体 与 转 向 架 系 统 车 体 与 车 下 悬 挂 设 备 的 共 振 破 坏 问 题 是 关 键 技 术 课 题, 车 体 座 椅 的 优 化 设 计 ( 侧 重 动 力 学 性 能 ) 与 人 体 舒 适 度 之 间 的 平 衡 问 题 等 也 需 解 决 另 外, 内 外 压 差 的 波 动 对 车 体 疲 劳 性 能 的 影 响 也 是 重 点 内 外 压 差 的 波 动 不 仅 会 使 得 车 体 产 生 明 显 鼓 胀 变 形, 而 且 频 繁 进 出 隧 道 可 能 会 导 致 车 体 疲 劳 破 坏, 日 本 专 家 认 为 车 体 内 外 压 差 频 繁 波 动 是 导 致 车 体 结 构 发 生 疲 劳 破 坏 问 题 的 主 要 原 因 之 一 ( 可 能 源 于 日 本 隧 道 的 小 截 面 设 计 和 隧 道 多 发 线 路 比 较 多 ) 如 何 开 发 出 适 应 小 截 面 隧 道 的 严 格 技 术 要 求, 既 要 满 足 轻 量 化 设 计 又 要 保 证 一 定 的 疲 劳 强 度 的 车 体 也 是 核 心 研 究 内 容 b. 进 行 抗 碰 撞 车 体 结 构 的 设 计 高 速 列 车 车 体 结 构 的 抗 碰 撞 性 能 设 计 的 要 求, 不 仅 包 括 同 类 编 组 车 辆, 车 辆 与 站 台 和 护 栏, 还 包 括 与 其 他 类 型 的 小 型 车 辆 以 及 小 变 形 体 小 型 障 碍 物, 如 鸟 石 子 等 一 系 列 抗 碰 撞 性 能 的 设 计 c. 防 火 阻 燃 性 能 及 温 差 适 应 性 能 车 辆 在 不 同 地 区 的 极 端 气 温 和 气 候 条 件 下 的 车 体 技 术 要 求, 比 如 严 寒 地 区 的 冰 雪 对 结 构 性 能 的 影 响 ; 沿 海 地 区 潮 湿 空 气 对 车 体 结 构 材 料 的 腐 蚀 问 题 研 究 等 等 d. 提 高 车 体 材 料 可 再 生 和 利 用 性 比 如 日 本 新 干 线 7000 系 列 车 选 择 的 主 要 材 料 屈 服 强 度 高, 可 以 应 用 在 强 度 要 求 高 的 车 体 部 位, 但 是 由 于 其 含 有 锌, 不 利 于 再 生 利 用, 有 待 解 决 其 6000 系 和 5000 系 车 辆 研 制 过 程 中, 水 性 涂 料 的 应 用 也 是 有 待 解 决 的 研 究 课 题 传 统 的 车 辆 涂 装 材 料 中, 一 般 使 用 有 机 溶 剂 系 的 涂 料, 但 是 由 于 采 用 了 挥 发 性 的 有 机 化 合 物 容 易 导 致 周 围 环 境 破 坏 问 题, 新 一 代 产 品 中 已 经 计 划 采 用 水 性 涂 料, 利 于 环 境 e. 降 低 噪 声 研 究 高 速 列 车 的 噪 声 问 题 主 要 包 括 气 动 噪 声 和 轮 轨 滚 动 噪 声, 以 及 其 他 机 械 振 动 导 致 的 噪 声 弓 网 系 统 导 致 的 气 动 噪 声 需 要 加 强 其 气 动 外 形 优 化 设 计 和 耐 磨 材 料 的 选 择 ; 空 调 进 出 风 口 导 致 的 噪 声 ; 动 力 设 备 制 造 的 噪 声 等 由 于 目 前 动 力 分 散 式 是 高 速 列 车 设 计 的 主 流 方 向, 而 动 力 设 备 分 散, 导 致 的 噪 声 源 增 多, 如 何 进 行 有 效 的 噪 声 控 制 研 究, 也 是 环 境 友 好 性 的 研 究 内 容 有 时 需 要 高 速 铁 路 大 系 统 进 行 配 套 设 计 ( 比 如 声 屏 障 等 ) 另 外 车 体 室 内 噪 声 ( 含 设 备 噪 声 电 磁 噪 声 等 ) 也 需 要 加 强 车 体 内 部 的 密 封 性 研 究 及 成 本 质 量 适 合 的 降 噪 静 音 设 计 策 略, 达 到 国 际 和 区 域 设 计 标 准 的 隔 声 要 求 [46~50] 4) 其 他 关 键 技 术 高 速 列 车 是 一 个 非 常 繁 杂 的 技 术 系 统, 比 如 国 家 863 计 划 CIT400 项 目 中 就 涵 盖 了 28 个 关 键 技 术 研 究 方 向, 这 里 限 于 篇 幅 只 是 简 单 列 出 了 部 分 关 键 技 术, 其 他 技 术 一 样 重 要, 比 如 列 车 牵 引 制 动 技 术 与 电 气 设 备 控 制 技 术 智 能 通 信 与 故 障 实 时 诊 断 技 术 海 量 数 据 传 输 技 术 等 等 各 个 国 家 在 高 速 列 车 的 制 动 技 术 上 采 用 了 不 同 的 制 动 方 式, 比 如 新 型 制 动 装 置 的 研 发, 主 要 设 定 为 再 生 制 动, 并 采 用 指 令 方 式 的 空 气 制 动 方 式, 装 备 常 规 制 动 非 常 规 制 动 紧 急 制 动 和 停 车 制 动 针 对 极 端 气 候 环 境 下 ( 刮 风 下 雨 下 雪 等 ) 车 轮 与 钢 轨 之 间 的 粘 着 力 不 稳 定 性 问 题 的 解 决 如 何 调 整 编 组 车 优 化 运 行 方 式, 达 到 整 体 调 节 制 动 的 编 组 控 制 方 式 运 行 等 运 输 规 划 技 术 350 km/h 的 受 电 弓 的 设 计 和 优 化 技 术, 需 要 设 计 开 发 出 耐 磨 性 跟 随 性 好 低 噪 声 的 最 佳 气 动 外 形 结 构 的 受 电 弓 采 用 减 轻 接 触 导 线 磨 损 量 的 碳 系 换 班 和 自 降 弓 装 置 的 设 计 应 用 ( 一 旦 滑 板 破 损 时 使 用 ) 车 辆 信 息 控 制 的 设 计 和 实 时 健 康 监 控 技 术 ( 如 加 速 制 动 指 令 的 准 确 传 输 空 调 服 务 设 备 的 控 制 各 设 备 状 态 的 监 控, 车 上 试 验 等 检 修 支 持 等, 信 息 传 输 网 络 的 研 制 ) 研 究 电 动 空 气 压 缩 机 采 用 无 油 往 复 式 压 缩 机 或 者 螺 旋 式 压 缩 机 等 等, 限 于 篇 幅 无 法 一 一 介 绍 2015 年 第 17 卷 第 4 期 109

13 6 结 语 高 速 列 车 关 键 技 术 较 多, 本 文 只 能 以 点 带 面, 根 据 相 关 最 新 文 献 的 研 究 基 础, 针 对 代 表 性 高 速 铁 路 发 达 国 家 在 高 速 列 车 设 计 上 采 用 的 部 分 先 进 技 术, 对 我 国 未 来 高 速 列 车 的 发 展 方 向 提 出 一 些 浅 薄 的 建 议 和 展 望 客 观 地 说, 高 速 列 车 关 键 技 术 只 是 高 速 铁 路 技 术 中 的 核 心 部 分 之 一 而 国 外 先 进 高 速 列 车 技 术, 也 可 以 说 动 车 组 设 计 技 术 涵 盖 的 范 围 要 远 远 多 于 本 文 阐 述 的 内 容, 比 如 列 车 网 络 通 信 技 术 制 动 设 计 技 术 电 磁 兼 容 技 术 故 障 实 时 诊 断 技 术 空 调 设 计 技 术, 外 形 内 饰 设 计 及 人 机 工 程 技 术 列 车 供 电 技 术 等 等 根 据 前 面 章 节 的 概 述, 中 国 高 速 列 车 技 术 的 发 展 方 向, 就 是 建 立 新 一 代 中 国 高 速 列 车 的 先 进 集 成 技 术 设 计 平 台 该 平 台 水 平 应 该 类 似 于 欧 洲 高 铁 的 第 4 代 高 速 列 车 先 进 设 计 平 台, 比 如 德 国 的 VELARO-D 设 计 平 台 在 此 集 成 设 计 平 台 基 础 上, 面 向 国 际 高 速 铁 路 市 场 研 制 出 具 有 环 境 友 好 性 特 点 的 高 速 列 车 等 且 在 产 品 设 计 过 程 中, 逐 渐 融 入 自 身 民 族 的 传 统 文 化 和 特 色, 真 正 实 现 高 速 列 车 产 品 的 环 境 友 好 性 环 境 友 好 性 设 计 不 仅 仅 是 在 低 能 耗 低 噪 音 低 污 染 以 及 可 持 续 发 展 方 面 它 也 意 味 着 与 城 市 背 景 下 充 分 的 视 觉 和 谐, 针 对 不 同 国 家 的 文 化 设 计 出 一 些 独 特 的 解 决 方 案 对 于 未 来 中 国 高 速 铁 路 技 术 发 展 要 形 成 具 有 中 国 风 格 和 标 准 的 中 国 高 速 列 车, 特 别 保 持 足 够 先 进 和 安 全 可 靠 的 动 车 组 的 设 计 技 术, 科 研 人 员 还 有 一 条 极 为 艰 巨 的 道 路 需 要 走 这 不 仅 要 求 国 家 继 续 加 大 技 术 投 入, 针 对 高 速 列 车 相 关 的 基 础 科 学 和 应 用 科 学 问 题 提 出 良 好 的 解 决 方 案, 而 且 要 求 新 产 品 研 制 人 员, 不 断 进 行 技 术 原 始 创 新, 融 入 新 的 科 学 成 果, 在 多 学 科 优 化 的 基 础 上, 研 制 出 具 有 完 全 自 主 知 识 产 权 的 高 速 列 车 技 术 只 有 这 样 才 可 以 保 证 中 国 高 速 列 车 核 心 技 术 的 创 新 性 和 前 瞻 性, 才 可 能 面 对 未 来 国 际 市 场 的 激 烈 竞 争, 满 足 未 来 国 际 市 场 对 高 速 列 车 的 更 加 严 格 要 求 和 巨 大 竞 争 压 力 未 来 高 速 列 车 的 技 术 可 以 简 单 地 归 结 为 如 下 几 点 1) 设 计 理 念 具 有 足 够 的 先 进 性 和 前 瞻 性 即 要 求 整 车 的 总 体 设 计 水 平 具 备 足 够 的 先 进 性 和 前 瞻 性 不 仅 需 要 保 证 高 速 列 车 设 计 技 术 的 环 境 友 好 性 ( 也 可 以 说 生 态 设 计 绿 色 设 计 ), 而 且 要 求 高 效 率 低 能 耗 低 排 放 低 污 染 ; 保 证 车 辆 在 高 速 运 行 时 实 现 能 源 再 生 和 能 源 反 馈 技 术 对 车 内 车 外 环 境 的 电 磁 干 扰 和 振 动 噪 声 气 动 噪 声 的 影 响 降 低 到 合 理 水 平 高 速 列 车 必 须 要 从 多 学 科 优 化 设 计 的 角 度 真 正 实 现 高 速 列 车 总 体 技 术 条 件 及 集 成 技 术 总 体 设 计 的 优 化 和 先 进 性, 在 此 基 础 上 确 定 新 一 代 高 速 列 车 各 项 关 键 的 技 术 设 计 参 数 2) 中 国 新 一 代 高 速 列 车 必 须 要 拥 有 自 己 具 有 标 志 性 的 新 一 代 的 产 品 设 计 平 台 平 台 设 计 理 念 主 要 基 于 模 块 化 标 准 化 和 定 制 化 设 计 模 块 化 可 以 满 足 客 户 不 断 变 化 的 需 要 ( 例 如, 通 过 增 加 列 车 长 度, 采 用 宽 车 体 技 术 等 ); 标 准 化 允 许 降 低 采 购 成 本 与 减 少 交 货 时 间, 并 提 高 产 品 品 质 ; 定 制 化 提 供 给 客 户 定 制 产 品, 提 供 选 项 设 计 系 统, 允 许 不 同 的 设 计 方 案, 可 以 为 客 户 定 制 不 同 的 产 品 特 征, 例 如 头 型 设 计, 车 体 外 饰 和 内 饰 ( 适 应 对 方 特 定 的 民 族 文 化 ), 座 椅 布 置, 旅 客 设 施 和 司 机 室 以 及 控 制 台 等 设 计 3) 保 证 高 速 列 车 运 行 足 够 的 安 全 性 稳 定 性 舒 适 性 和 可 靠 性 采 用 先 进 的 材 料 ( 比 如 铝 合 金 镁 钛 合 金 复 合 材 料 和 碳 纤 维 等 ) 和 先 进 的 焊 接 制 造 加 工 工 艺 ; 满 足 高 速 列 车 安 全 服 役 前 提 下 的 关 键 技 术 问 题 的 解 决 必 须 要 考 虑 高 速 列 车 在 复 杂 载 荷 环 境 下 的 振 动 破 坏 问 题 ( 车 - 线 - 桥 - 风 的 耦 合 振 动 问 题, 如 地 震 条 件 下 的 列 车 安 全 运 行 问 题, 危 险 线 路 段 的 防 脱 轨 装 置 的 设 计 ); 比 如 关 键 结 构 部 件 的 疲 劳 失 效 问 题, 振 动 噪 声 问 题, 曲 线 通 过 的 稳 定 性 ( 防 止 脱 轨 ); 高 速 列 车 的 碰 撞 安 全 和 吸 能 装 置 的 设 计 问 题, 比 如 高 速 列 车 运 行 时 与 小 型 物 体 的 碰 撞 安 全 问 题 ( 飞 鸟, 小 石 块, 小 型 异 物 等 ); 保 证 高 速 列 车 在 极 端 气 候 条 件 下 ( 严 寒 暴 雪 大 风 沙 等 ) 安 全 运 行 机 制 4) 高 速 列 车 应 该 具 备 的 良 好 空 气 动 力 学 特 性 和 气 动 性 能 保 持 高 速 列 车 具 有 良 好 的 气 动 性 能 的 同 时 ( 良 好 的 横 风 稳 定 性 ), 降 低 气 动 噪 声, 保 证 进 出 隧 道 内 外 压 差 波 动 对 车 体 结 构 安 全 问 题 的 影 响, 列 车 高 速 会 车 的 安 全 问 题 等 5) 保 证 牵 引 供 电 等 电 器 和 通 信 信 号 等 高 速 铁 路 配 套 设 备 的 安 全 可 靠 性 ; 要 求 高 速 列 车 具 备 良 好 的 制 动 性 能 ; 具 有 足 够 的 故 障 实 时 诊 断 能 力, 实 现 结 构 损 伤 和 裂 纹 的 动 态 监 测 等 110 中 国 工 程 科 学

14 参 考 文 献 [1] 乔 英 忍. 世 界 铁 路 动 车 组 的 技 术 进 步 水 平 和 展 望 ( 待 续 )[J]. 国 外 铁 道 车 辆,2007,44 (2):1-7. [2] 乔 英 忍. 世 界 铁 路 动 车 组 的 技 术 进 步 水 平 和 展 望 ( 续 完 )[J]. 国 外 铁 道 车 辆,2007,44(3):7-12. [3] БЕЛОВ Л Ф. 世 界 高 速 铁 路 干 线 的 现 状 与 发 展 [J]. 国 外 铁 道 车 辆,2010,47(2):1-5. [4] 李 春 阳. 高 速 电 动 车 组 的 发 展 动 态 及 我 国 应 用 探 讨 [C]// 推 进 铁 路 新 跨 越 加 快 经 济 大 发 展 中 国 科 协 2004 年 学 术 年 会 铁 道 分 会 场 论 文 集 [5] 仲 川 滋. 欧 洲 与 日 本 高 速 铁 路 的 发 展 动 向 [J]. 变 流 技 术 与 电 力 牵 引,2000(3):1-6. [6] 石 津 一 正. 欧 洲 高 速 车 辆 发 展 动 向 [J]. 国 外 铁 道 车 辆,2000,(3): 1-6. [7] 董 锡 明. 近 代 高 速 列 车 技 术 进 展 [J]. 铁 道 机 车 车 辆,2006,26(5): [8] 佐 藤 芳 彦. 欧 洲 高 速 列 车 最 新 技 术 发 展 动 向 [J]. 国 外 机 车 车 辆 工 艺,2010(2):1-6. [9] Masashi Ishizuka Kawasaki s. Approach to US high speed rail [C]// Japan :Rail Conference Kobe,2013. [10] Takeshi Kawasaki,Takashi Yamaguchi,Toshihiko Mochida. Railway- vehicle technologies for european railways[j].hitachi Review,2008,57 (1): [11] Yasushi Yokosuka,Takenori Wajima,Sumiyuki Okazaki. Versatile,environmentally-friendly,and comfortable railway systems [J]. Hitachi Review,2008,57(1):9-17. [12] Katsutoshi Horihata,Hirofumi Sakamoto,Hideo Kitabayashi,et al.environmentally friendly railway- car technology[j]. Hitachi Review,2008,57 (1): [13] 栗 山 敬. 日 本 为 国 外 开 发 的 新 型 高 速 铁 道 车 辆 efset [J]. 国 外 铁 道 车 辆,2011,4. [14] 李 瑞 淳, 王 騃. 德 国 高 速 列 车 综 述 [J]. 国 外 铁 道 车 辆,2005,42 (6):1-6. [15] Dipl.-Ing. Martin Steuger. Velaro-customer oriented further development of a high- speed train[j].erlangen ZEVrail,2009, 133(10):1-16. [16] Jochen Eickholt.On track to target achievement[d]. London : Capital Market Day,2013. [17] 戴 维 布 里 金 肖. 法 国 新 一 代 高 速 列 车 AGV[J]. 国 外 铁 道 车 辆 2001(4): [18] Alstom Transport. The AGV,a cutting-edge technology integrator[j]. Inno-trans Berlin.September,2008. [19] Salwa Fouda.ECO 4 - bombardier s new formula for total train performance[c]//canada :Bombardier Calgary,2009. [20] Bombardier Inc. Annual information form for the year ended December 31,2013 [D] [21] 海 因 茨 库 尔 兹. 德 国 新 一 代 ICE 高 速 列 车 ICE3[J]. 国 外 铁 道 车 辆,1998(3): [22] 海 因 茨 库 尔 兹. ICE3 的 新 设 计 思 想 [J]. 国 外 铁 道 车 辆,2004 (1): [23] Moshe Givoni. Development and impact of the modern highspeed train:a review [J]. Transport Reviews,2006,26(5): [24] Masyuki Miyamoto. Recent research and development on advanced technologies of high speed trains in Japan[J].Vehicle System Dynamics,2003(3): [25] Maksym Spiryagin,Colin Cole,Sun Yanquan,et al. Design and Simulation of Rail Vehicles[M].USA:CRC Press,2014. [26] Paolo Belforte. Numerical simulation for improving the design of running gear:improvement of vehicle dynamic behavior[c]// Bogie 07 conference,sept 3rd-6th,Budapest,Hungary,2007. [27] Morimura T,Seki M. The course of achieving 270 km/h operation for tokaido shinkansen - part 1:Technology and operations overview[j].proceedings of the Institution of Mechanical Engineers,Part F:Journal of Rail and Rapid Transit,2005,219: [28] 李 强, 金 新 灿. 动 车 组 设 计 [M]. 北 京 : 中 国 铁 道 出 版 社,2008. [29] 任 尊 松. 车 辆 系 统 动 力 学 [M]. 北 京 : 中 国 铁 道 出 版 社,2007. [30] 陈 泽 深, 王 成 国. 完 整 的 车 辆 - 轨 道 系 统 动 力 学 研 究 是 铁 路 发 展 的 迫 切 需 要 (1)[J]. 铁 道 机 车 车 辆,2004,24(2):1-8. [31] Michael Pepple.Simulation of agriculated trains with consideration of elastic carbodies[d].france:alstom corporation,2003. [32] David Wennberg. Multi- functional composite design concepts for rail vehicle car bodies[d]. Sweden :KTH Royal Institute of Technology,2013. [33] Martin Kozek,Christian Benatzky Alexander.Vibration damping of a flexible car body structure using piezo- stack actuators [C]//17th IFAC World Congress (IFAC.08).Korea,2008,(6-11): [34] Dories Mohr.Efficient modelling and post processing of spot welded railway vehicle car bodies[d].canada:bombardier Corporation,2008. [35] 公 江 茂 树. 新 干 线 车 辆 车 体 的 强 度 和 安 全 性 评 价 [J]. 国 外 铁 道 车 辆,2003,40(6): [36] 伊 藤 顺 一. 改 善 空 气 动 力 学 性 能 实 现 新 干 线 的 高 速 [J]. 国 外 铁 道 车 辆,2002,39(3):9-12. [37] Tado Takiggami,Takanhiro Tomioka,Joel Hansson.Vibration suppression of railway vehilce carbody with pizeoelectric elements[j].journal of Advanced Mechanical Design System and Manufacture,2007 (5): [38] Takahiro Tomioka,Tadao Takigami,Ken- Ichiro Aida. Modal analysis of railway vehicle carbodies using a linear prediction model [J]. Journal of System Design and Dynamics,2009,3(6): [39] Stribersky,Moser F,Rulka W. Structural dynamics and ride comfort of a rail vehicle system[j].advanced Engineering Software,2002(33): [40] Jung- Seok Kim,Sang- Jin Lee,Kwang- Bok Shin. Manufacturing and structural safety evaluation of a composite train carbody [J]. Composite Structures,2007,78: [41] Tsuyoshi YAGI, 何 晓 蕾. 用 于 铝 合 金 车 体 外 壳 焊 缝 的 疲 劳 设 计 图 [J]. 国 外 铁 道 车 辆,2008,45(3): [42] David Wennberg. A light weight car body for high-speed trains [D]. KTH University,2009. [43] 田 红 旗. 列 车 空 气 动 力 学 [M]. 北 京 : 中 国 铁 道 出 版 社,2007. [44] 王 玮, 王 喆. 韩 国 高 速 铁 路 列 车 外 观 设 计 分 析 [J]. 包 装 工 程,2014,35(14): [45] 徐 伯 初, 李 洋, 管 聪 颖. 高 速 列 车 造 型 的 美 学 特 征 分 析 [J]. 包 装 工 程,2012,33(2): [46] 具 嶋, 和 也. 静 电 测 定 法 传 感 器 在 铁 道 车 辆 上 的 应 用 [J]. 国 外 铁 道 车 辆,2013,50(1): [47] 徐 伯 初, 李 洋, 管 聪 颖. 高 速 列 车 造 型 的 美 学 特 征 分 析 [J]. 包 装 工 程,2012,33(2): [48] 具 嶋, 和 也. 静 电 测 定 法 传 感 器 在 铁 道 车 辆 上 的 应 用 [J]. 国 外 铁 道 车 辆,2013,50(1): [49] Michael Steenbergen.Extending the lifetime of rail infrastructure by proper energy management[j].european Railway Review,2010,1, [50] Michael Renner,Gary Gardner. Global competitiveness in the rail and transit industry[d].us:northeastern University,2010: 年 第 17 卷 第 4 期 111

15 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 ,China) [Abstract] Based on the study on key technical problems and prospect of a new generation of China high-speed trains (electric multiple unit,emu),the development trend and strategies are discussed 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 study of the paper,some useful suggestions were put forward for the future development of highspeed train in China. [Key words] high- speed railway;high- speed train;new generation;key technology;integrated design;multi-disciplinary design optimization 112 中 国 工 程 科 学