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(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都610031）

新一代中國(guó)高速鐵路動(dòng)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(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都610031）

基于新一代中國(guó)高速列車（動(dòng)車組）關(guān)鍵技術(shù)的研究發(fā)展趨勢(shì)和策略問(wèn)題進(jìn)行詳細(xì)討論和技術(shù)展望。主要內(nèi)容包括：首先，介紹國(guó)際先進(jìn)軌道車輛制造商在其新一代車輛開發(fā)過(guò)程中采用的先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)和理念，分層次研究其各自的核心技術(shù)特點(diǎn)和未來(lái)其可能的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。其次，在國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合中國(guó)高速鐵路車輛發(fā)展的自身特點(diǎn)和實(shí)際情況，針對(duì)具體的牽引傳動(dòng)技術(shù)、轉(zhuǎn)向架技術(shù)、車體設(shè)計(jì)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(shì)及設(shè)計(jì)原則的基礎(chǔ)上，根據(jù)集成設(shè)計(jì)的理論與多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，針對(duì)新一代中國(guó)高速鐵路動(dòng)車組可能面臨的重大技術(shù)挑戰(zhàn)與策略和改進(jìn)措施的研究提出一些明確的建議?？傊ㄟ^(guò)本文的初步研究，希望可以對(duì)我國(guó)高速列車未來(lái)的發(fā)展方向和趨勢(shì)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(jì)；多學(xué)科優(yōu)化

1　前言

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

在過(guò)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(zhǎng)壽命、免（少）維修性、降低成本等，而近十年來(lái)，各個(gè)國(guó)家在看到高速鐵路帶動(dòng)國(guó)家和區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的強(qiáng)大動(dòng)力后，對(duì)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(jì)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)?lái)巨大的壓力和挑戰(zhàn)，也給很多高速鐵路的研發(fā)部門的技術(shù)人員對(duì)于未來(lái)高速鐵路車輛的發(fā)展趨勢(shì)帶來(lái)很多困惑。但是，經(jīng)濟(jì)市場(chǎng)中出現(xiàn)的任何新鮮事物或者說(shuō)新一代產(chǎn)品的研發(fā)，都必須遵循一個(gè)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(yùn)輸工具（汽車、航空和船舶等）同樣必須要面對(duì)社會(huì)多樣化的技術(shù)需求，比如為乘客提供安全、舒適和經(jīng)濟(jì)的乘坐環(huán)境服務(wù)；必須要考慮經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，還需要考慮社會(huì)效益，比如必須要重視LCA(壽命周期評(píng)價(jià))的生態(tài)設(shè)計(jì)，降低CO2的排放等[6～8]。

盡管中國(guó)高速鐵路的快速發(fā)展是近十年的事情，在吸納和融合國(guó)外先進(jìn)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(diǎn)進(jìn)行多元?jiǎng)?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(guó)家和未來(lái)技術(shù)發(fā)展的風(fēng)向標(biāo)。但是應(yīng)該客觀地看到，中國(guó)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(jìn)技術(shù)的發(fā)達(dá)國(guó)家，比如德國(guó)、法國(guó)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(gè)技術(shù)領(lǐng)域的問(wèn)題，而是和高速鐵路車輛相互關(guān)聯(lián)的多個(gè)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(gè)主要高速鐵路先進(jìn)技術(shù)國(guó)家的特點(diǎn)，在對(duì)國(guó)內(nèi)外高速鐵路車輛最新文獻(xiàn)研究的基礎(chǔ)上對(duì)研制新一代中國(guó)高速鐵路的最新技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)提出個(gè)人的一些淺薄建議。

這里的高速鐵路技術(shù)主要是指運(yùn)營(yíng)最高速度高于200 km/h、兩站間不停車運(yùn)行速度不低于150 km/h的現(xiàn)有商業(yè)運(yùn)營(yíng)的高速電氣化干線，以及最近可能將運(yùn)行的高速干線。目前符合這些線路的國(guó)家有中國(guó)、日本、法國(guó)、德國(guó)、西班牙、英國(guó)、意大利、瑞典、芬蘭、美國(guó)、韓國(guó)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(guó)、比利時(shí)、德國(guó)和荷蘭區(qū)域)和“歐洲之星”線(英國(guó)、法國(guó)和比利時(shí)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(yùn)行最高速度為250 km/h及以上的列車；b.改建線路Ⅰ，全長(zhǎng)或個(gè)別區(qū)段可運(yùn)行速度為200～220 km/h的列車；c.改建線路Ⅱ，全長(zhǎng)或個(gè)別區(qū)段可運(yùn)行速度為200～230 km/h的由擺式車輛組成的列車。

未來(lái)中國(guó)高速鐵路車輛新技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)在哪里？如何在研究世界高速鐵路發(fā)展強(qiáng)國(guó)的技術(shù)基礎(chǔ)上，進(jìn)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(jì)價(jià)值的同時(shí)努力適應(yīng)未來(lái)技術(shù)多樣化、高度功能化的社會(huì)效益需求。本文將從技術(shù)層面的角度，多層次研究國(guó)外發(fā)展新一代高速鐵路動(dòng)車組的設(shè)計(jì)和開發(fā)理念技術(shù)基礎(chǔ)，針對(duì)未來(lái)中國(guó)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(jì)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(shí)施新一代產(chǎn)品設(shè)計(jì)理念的構(gòu)筑或關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)研討的同時(shí)，也希望中國(guó)高速鐵路技術(shù)在未來(lái)經(jīng)過(guò)新一代車輛的研制或可靠性試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，建立一套完整的新一代中國(guó)高速鐵路車輛架構(gòu)系統(tǒng)和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，且為中國(guó)高速鐵路的未來(lái)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(guó)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(shì)，逐步分解和介紹其主要的設(shè)計(jì)理念與技術(shù)構(gòu)成，在其基礎(chǔ)上逐步歸納出中國(guó)高速鐵路車輛未來(lái)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(guó)西門子公司（SIEMENS，簡(jiǎn)稱西門子）和法國(guó)阿爾斯通軌道制造公司（ALSTOM，簡(jiǎn)稱阿爾斯通）、日本川崎公司（KAWASAKI）、加拿大龐巴迪公司（BOMBARDIER，簡(jiǎn)稱龐巴迪）的鐵路公司技術(shù)世界領(lǐng)先，這些國(guó)家在高速鐵路車輛產(chǎn)品的技術(shù)上各有優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)，也各有自己的核心設(shè)計(jì)理念和獨(dú)特的技術(shù)特點(diǎn)。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(jì)理念在于結(jié)構(gòu)輕量化、服役長(zhǎng)壽命、免（少）維修性、降低成本等[8]。而近十年來(lái)，車輛結(jié)構(gòu)已經(jīng)逐步實(shí)現(xiàn)輕量化、模塊化的設(shè)計(jì)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(huì)環(huán)境急劇變化或技術(shù)革新中，也對(duì)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(shì)。為了應(yīng)對(duì)這種生態(tài)設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)，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(jìn)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(jì)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(cè)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(chéng)信的最高水平，同時(shí)為公司本身營(yíng)造一個(gè)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(gè)國(guó)家在開發(fā)新一代高速鐵路車輛產(chǎn)品的時(shí)候，必須要有一個(gè)創(chuàng)新的設(shè)計(jì)理念，對(duì)未來(lái)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(gè)實(shí)現(xiàn)高速鐵路運(yùn)營(yíng)的國(guó)家，1964年開始東海道(東京—大阪)高速鐵路運(yùn)輸。它的成功運(yùn)營(yíng)促進(jìn)了世界其他高速鐵路干線的建設(shè)?？梢哉f(shuō)日本是第一個(gè)研發(fā)高速列車的國(guó)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(yùn)，在近三十年來(lái)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(jìn)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(gè)世界鐵路技術(shù)巨頭，ZEFIRO系列動(dòng)車組是龐巴迪運(yùn)輸（Bombardier transportation）2005年公布的超高速鐵路旅行最新概念的高速電動(dòng)車組設(shè)計(jì)平臺(tái)，由龐巴迪公司工業(yè)設(shè)計(jì)組與意大利工業(yè)設(shè)計(jì)公司Zagato共同設(shè)計(jì)，但一直沒(méi)有得到實(shí)用，最近幾年重新啟動(dòng)研發(fā)計(jì)劃。龐巴迪開發(fā)了三種不同型號(hào)：ZEFIRO 380（主要瞄準(zhǔn)中國(guó)市場(chǎng)，設(shè)計(jì)最高時(shí)速380 km/h）；ZEFIROV300（主要瞄準(zhǔn)歐洲市場(chǎng)，設(shè)計(jì)最高時(shí)速300 km/h）；ZEFIRO-250（主要瞄準(zhǔn)普通市場(chǎng)，設(shè)計(jì)最高時(shí)速250 km/h）。采用ECO4的理念進(jìn)行高速鐵路車輛設(shè)計(jì)，也稱為ECO4計(jì)劃項(xiàng)目。

中國(guó)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(shí)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(chǎng)。其他的國(guó)家和地區(qū)，包括中國(guó)、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(chǎng)需求和殘酷的技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)，實(shí)際上德國(guó)的VELARO-D、AGV-11均是其第4代高速列車。由于中國(guó)高速鐵路技術(shù)的迅猛發(fā)展，其性價(jià)比的優(yōu)勢(shì)逐漸成為世界和亞洲許多國(guó)家渴望的產(chǎn)品，而鄰國(guó)日本、韓國(guó)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(chǎng)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(chǎng)出現(xiàn)異乎尋常的高速增長(zhǎng)的同時(shí)，歐洲高速鐵路網(wǎng)規(guī)劃2020年也開始加大投入，預(yù)計(jì)其新增高速鐵路線路約10 000 km。

3　國(guó)外動(dòng)車先進(jìn)設(shè)計(jì)理念和關(guān)鍵技術(shù)構(gòu)成

3.1日本車輛設(shè)計(jì)理念的差異性

近年來(lái)，日本鐵道部門為了面對(duì)世界高速鐵路市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈的形勢(shì)，針對(duì)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(yùn)輸能力，保證車輛運(yùn)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(guó)、越南、印度等世界各地，正在計(jì)劃開展高速客運(yùn)專線的建設(shè)和中國(guó)高速鐵路展開激烈的競(jìng)爭(zhēng)。特別是為了滿足國(guó)外高速鐵路不同的運(yùn)營(yíng)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(guó)外的高速車輛川崎重工公司考慮為適應(yīng)國(guó)外的運(yùn)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(jì)理念。下面結(jié)合一些代表性的文獻(xiàn)，簡(jiǎn)單地說(shuō)明一下日本新一代高速列車的設(shè)計(jì)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(duì)不同的技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行解決。

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

簡(jiǎn)單地來(lái)說(shuō)，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(yáng)線）主力車型（1992），主要運(yùn)營(yíng)于山區(qū)道路，首款使用交流牽引電動(dòng)機(jī)的列車，有著很好的靜音技術(shù)；400系是實(shí)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(hù)（1997）；E3系車輛則采用新機(jī)軸應(yīng)用于秋田干線（1997）；500系車輛真正實(shí)現(xiàn)300 km/h等（1997）。E5系車輛（2011年投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)）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(guò)隧道時(shí)的微壓力波，車輛的高度和試驗(yàn)車E954型車輛（FASTECH360 S）的3 650 mm相同，車輛寬度同為3 350 mm?？紤]到車體傾斜，車側(cè)結(jié)構(gòu)主體內(nèi)側(cè)設(shè)計(jì)為傾斜式樣，E6系車輛(2013年投入運(yùn)營(yíng))主要運(yùn)營(yíng)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(yùn)營(yíng)，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(guó)加州地區(qū)推銷的主導(dǎo)高速鐵路車輛產(chǎn)品，藉此面對(duì)美國(guó)加州高速鐵路線路的競(jìng)爭(zhēng)。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(yùn)營(yíng)于日本東京—長(zhǎng)野）。預(yù)計(jì)2015年運(yùn)營(yíng)于日本沿海地區(qū)，2025年運(yùn)營(yíng)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(jì)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(guó)倫敦奧運(yùn)會(huì)制造的高速列車[10]。

圖3　日本新干線N700系和為英國(guó)研制的高速列車(A-train設(shè)計(jì)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(guó)高速鐵路發(fā)展的循序漸進(jìn)性

德國(guó)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(tái)是由德國(guó)鐵路運(yùn)營(yíng)的ICE-3列車發(fā)展而來(lái)的第4代產(chǎn)品。實(shí)際上，ICE列車的各款型號(hào)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(jìn)行開發(fā)。VELARO系列是一款純粹的西門子產(chǎn)品，主要面向國(guó)際鐵路市場(chǎng)。為此針對(duì)不同的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)西門子公司對(duì)動(dòng)車組進(jìn)行了很多一般適用性的修改。特別是針對(duì)歐盟出臺(tái)的互操作性技術(shù)規(guī)范和進(jìn)一步的標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)中對(duì)包括新的消防標(biāo)準(zhǔn)及各項(xiàng)復(fù)雜的要求進(jìn)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(jì)為新一代高速列車設(shè)計(jì)平臺(tái)概念，它可以針對(duì)不同國(guó)家客戶的具體需求進(jìn)行技術(shù)修改?？筛鶕?jù)當(dāng)?shù)匾筮M(jìn)行調(diào)整的范圍包括傳動(dòng)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(dòng)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(jī)、電動(dòng)機(jī)風(fēng)機(jī)以及制動(dòng)器風(fēng)機(jī)均可以獨(dú)立于接觸網(wǎng)供電運(yùn)行。它解決了ICE-3列車在法國(guó)高速鐵路東線上通過(guò)分相區(qū)時(shí)反復(fù)出現(xiàn)的冷卻中斷問(wèn)題[14]。

德國(guó)高速列車的發(fā)展歷程可以參見圖4所示[15]。

圖4　德國(guó)高速鐵路的主要研制路線的發(fā)展簡(jiǎn)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(méi)有配備渦流制動(dòng)，僅VELARO-D列車具有這樣的制動(dòng)系統(tǒng)。VELARO列車采用動(dòng)力分散式技術(shù)。除了牽引電動(dòng)機(jī)及制動(dòng)器始終安裝在底板下方外，一些原本設(shè)于動(dòng)力車頭內(nèi)的電氣設(shè)備及機(jī)械設(shè)備，例如，變壓器、牽引逆變器、輔助變流器、空壓機(jī)、風(fēng)缸、制動(dòng)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(dòng)車組有50%的轉(zhuǎn)向架為動(dòng)力轉(zhuǎn)向架（十節(jié)編組的Velaro RUS則為40%），德國(guó)高速鐵路VELARO設(shè)計(jì)平臺(tái)如圖5所示[16]。

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

在相同長(zhǎng)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(jì)草圖可在200 m長(zhǎng)的列車中提供536個(gè)座位（UIC標(biāo)準(zhǔn)的2+2布局）。這個(gè)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(guò)火車司機(jī)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(guó)高速鐵路最新、最全面的先進(jìn)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(tái)。它已經(jīng)完成了400 000 km測(cè)試?yán)锍?，是得到德?guó)聯(lián)邦鐵路和交通運(yùn)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(jìn)行修改。圖6是VELARO-Eurostar列車，主要是在比利時(shí)進(jìn)行線路測(cè)試，號(hào)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(yùn)營(yíng)于法國(guó)、英國(guó)和比利時(shí)，2015年投入運(yùn)營(yíng)），也屬于VELARO系列，其產(chǎn)品中引入了智能移動(dòng)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(guó)阿爾斯通（ALSTOM）的TGV/AGV系列的獨(dú)特性

法國(guó)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(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。AGV即“高速動(dòng)車組”，由阿爾斯通獨(dú)立研發(fā)，是法國(guó)最新研制的高速鐵路車輛，AGV車輛主要包括三項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)：鉸鏈結(jié)構(gòu)、發(fā)動(dòng)機(jī)分置和能量反饋技術(shù)。AGV計(jì)劃代替TGV作為法國(guó)高速鐵路的下一代車型。采用動(dòng)力分散驅(qū)動(dòng)是AGV與動(dòng)力集中式的TGV最大的不同處，此設(shè)計(jì)上的優(yōu)勢(shì)讓AGV得以在相同的路線上達(dá)到較TGV更高的運(yùn)營(yíng)速度，其目標(biāo)運(yùn)營(yíng)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(gè)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(gè)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(gè)3節(jié)單元，1節(jié)拖車居中分隔，提供約245個(gè)座位；11節(jié)編組則有以2節(jié)拖車分隔的3個(gè)3節(jié)單元，座位數(shù)約為446個(gè)[17]。

AGV的優(yōu)點(diǎn)在于：與相同長(zhǎng)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(hù)費(fèi)用；高的功率重量比與高效永磁同步電動(dòng)機(jī)的使用，以及其他設(shè)計(jì)改進(jìn)，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(jì)和模塊化設(shè)計(jì)，在保證車體結(jié)構(gòu)滿足EN 12633-1500 kN標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)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(shí)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(yùn)營(yíng)成本上也進(jìn)行了重點(diǎn)設(shè)計(jì)，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(dá)到8 MW能量反饋技術(shù)。采用了優(yōu)化的氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)，可以保證225 mph和187 mph時(shí)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(jìn)行了抗碰撞和吸能設(shè)計(jì)[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(jì)的特點(diǎn)，圖9表示其采用的氣動(dòng)性能設(shè)計(jì)。

圖7　法國(guó)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(jì)的特點(diǎn)[18]Fig.8　AGV trains on the design characteristics of collision resistance performance[18]

圖9　AGV列車的氣動(dòng)性能設(shè)計(jì)[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(guó)國(guó)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(dá)400 km/h的新型高速列車，并同時(shí)有單層和雙層版本。新設(shè)計(jì)采用動(dòng)力集中于機(jī)車的設(shè)計(jì)，此設(shè)計(jì)稱為“AGVII”。在AGV的產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程中，阿爾斯通投入了大量的精力進(jìn)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?jī)蓚€(gè)電機(jī)有一個(gè)獨(dú)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(shí)采用同步永磁電機(jī)技術(shù)、動(dòng)力分置技術(shù)。采用的永磁電機(jī)比傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)體積和質(zhì)量更?。s小40%～50%），并配有樣機(jī)和試驗(yàn)平臺(tái)等。圖10為AGV采用的永磁電機(jī)技術(shù)示意圖[18]。

圖10　法國(guó)AGV采用的永磁電機(jī)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(jì)理念

加拿大龐巴迪也是一家世界領(lǐng)先的創(chuàng)新交通運(yùn)輸解決方案供應(yīng)商，公司的結(jié)構(gòu)以飛機(jī)和列車這兩個(gè)規(guī)模幾乎相當(dāng)?shù)臉I(yè)務(wù)領(lǐng)域?yàn)楹诵摹Ｄ壳?，龐巴迪是中?guó)地鐵車廂及支線與公務(wù)飛機(jī)的主要供應(yīng)商。ZEFIRO系列動(dòng)車組是龐巴迪運(yùn)輸（Bombardier transportation）2005年公布的超高速鐵路旅行最新概念的高速電動(dòng)車組設(shè)計(jì)平臺(tái)，由龐巴迪公司工業(yè)設(shè)計(jì)組與意大利工業(yè)設(shè)計(jì)公司Zagato共同設(shè)計(jì)，但一直沒(méi)有得到實(shí)用，最近幾年迫于世界高速鐵路市場(chǎng)的激烈競(jìng)爭(zhēng)，重新啟動(dòng)研發(fā)計(jì)劃。其中龐巴迪開發(fā)了三種不同的型號(hào)：ZEFIRO-380（主要瞄準(zhǔn)中國(guó)市場(chǎng)，設(shè)計(jì)最高時(shí)速380 km/h）；ZEFIROV300（主要瞄準(zhǔn)歐洲市場(chǎng)，設(shè)計(jì)最高時(shí)速300 km/h）；ZEFIRO-250（主要瞄準(zhǔn)普通市場(chǎng)，設(shè)計(jì)最高時(shí)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(jì)（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(jì)到產(chǎn)品運(yùn)營(yíng)的整個(gè)生命周期。龐巴迪在中國(guó)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(jì)理念。龐巴迪的產(chǎn)品生產(chǎn)流程采用更嚴(yán)格的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，在實(shí)現(xiàn)優(yōu)化能效、降低噪音、使用無(wú)害可回收材料的同時(shí)，許多車輛都具備超過(guò)95%的可回收性。CRH380D電力動(dòng)車組是由青島四方龐巴迪鐵路運(yùn)輸設(shè)備有限公司基于龐巴迪ZEFIRO平臺(tái)研發(fā)的CRH系列高速動(dòng)車組。設(shè)計(jì)標(biāo)稱運(yùn)行時(shí)速為380 km。在2010年9月龐巴迪首度公開展示了最新ZEFIRO 380動(dòng)車組頭車的1∶1全尺寸實(shí)體模型，并用互動(dòng)式三維顯示技術(shù)展示了車廂內(nèi)部的設(shè)計(jì)。2013年4月，在寧杭甬高速鐵路的試驗(yàn)中，跑出最高時(shí)速420 km[19，20]。

列車外形設(shè)計(jì)以“獨(dú)特性、空氣動(dòng)力學(xué)和優(yōu)化的運(yùn)營(yíng)成本”為主，在速度方面，良好的空氣動(dòng)力性能提高了最大速度，同時(shí)降低了能源的消耗，因而減少了運(yùn)作成本；而在安全方面，優(yōu)良的空氣動(dòng)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(jí)別的空氣動(dòng)力性能在環(huán)保設(shè)計(jì)中是關(guān)鍵的因素，因?yàn)樗蟠蟮亟档土嗽胍粑廴?，同時(shí)提高了旅客舒適度；而列車在整體性能上都達(dá)到了更好的空氣動(dòng)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(huì)與民航客機(jī)的經(jīng)濟(jì)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(jī)的商務(wù)艙或公務(wù)艙。而每個(gè)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(wú)靠背椅使用。而車廂照明可讓乘務(wù)員控制燈光，通過(guò)增加或降低照明強(qiáng)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(diǎn)，堅(jiān)固耐用，提高旅客的安全性[18]。圖11表示BOMBARDIER的ZEFIRO系列（ECO4計(jì)劃）。

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

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

其他的國(guó)家，比如西班牙、瑞典和韓國(guó)等也結(jié)合各自國(guó)家的高速鐵路技術(shù)特點(diǎn)，分別進(jìn)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(xiàn)，在這里不再分別贅敘。

4　未來(lái)高速列車的設(shè)計(jì)思想

德國(guó)西門子、日本聯(lián)合財(cái)團(tuán)（川崎、三菱為代表）、法國(guó)阿爾斯通、加拿大龐巴迪，這些國(guó)際軌道交通的制造業(yè)的跨國(guó)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(jì)理念領(lǐng)先[1～8，21，22]。這些國(guó)家在高速鐵路的技術(shù)上各有優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)，也各有自己鮮明的技術(shù)特點(diǎn)。簡(jiǎn)單地總結(jié)這些國(guó)家的設(shè)計(jì)理念基本上都異曲同工，圍繞的還是能源、效益、經(jīng)濟(jì)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(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。實(shí)際上，中國(guó)2005年最早簽訂合同引進(jìn)的CRH2-200屬于E2系（日本新干線1997年技術(shù)產(chǎn)品）；2007年引進(jìn)的CRH3-300技術(shù)屬于德國(guó)VELARO-CN技術(shù)（德國(guó)西門子2007年制造的第三代技術(shù)產(chǎn)品），后者引進(jìn)的技術(shù)明顯要較前者先進(jìn)。據(jù)此構(gòu)想，未來(lái)中國(guó)的高速列車的新一代產(chǎn)品應(yīng)該立足于國(guó)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(guó)自身的技術(shù)特點(diǎn)和原始創(chuàng)新技術(shù)，產(chǎn)品的核心思想預(yù)測(cè)簡(jiǎn)單地用下圖12所示表述。

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

近10年來(lái)，由于中國(guó)高速鐵路技術(shù)的迅猛發(fā)展，國(guó)內(nèi)外鐵路專家面對(duì)龐大的中國(guó)高速鐵路市場(chǎng)進(jìn)行了很多層面的技術(shù)博弈，尤其在動(dòng)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(shí)產(chǎn)權(quán)的中國(guó)高速鐵路車輛產(chǎn)品逐漸增加，固有的設(shè)計(jì)思維和傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)的束縛被逐漸打破。

尤其，針對(duì)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(gè)國(guó)家都設(shè)立了不同層面的大型國(guó)家計(jì)劃項(xiàng)目予以支撐。比如中國(guó)第一個(gè)軌道交通領(lǐng)域的國(guó)家級(jí)計(jì)劃項(xiàng)目（973計(jì)劃項(xiàng)目，項(xiàng)目號(hào)2007CB714700）“高速列車安全服役關(guān)鍵基礎(chǔ)問(wèn)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(gè)中國(guó)高速鐵路發(fā)展的飛躍時(shí)期，進(jìn)行了大量的科學(xué)試驗(yàn)和關(guān)鍵基礎(chǔ)的技術(shù)問(wèn)題研究（涵蓋6個(gè)主要課題，幾十個(gè)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(guó)高速鐵路的技術(shù)的正確發(fā)展方向。國(guó)家后續(xù)還資助了針對(duì)不同高速列車關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題的國(guó)家級(jí)973計(jì)劃項(xiàng)目、863計(jì)劃項(xiàng)目、兩部行動(dòng)計(jì)劃等。比如結(jié)合具體的高速檢測(cè)列車產(chǎn)品（也稱為CIT400計(jì)劃項(xiàng)目，28個(gè)子課題）863計(jì)劃項(xiàng)目（2012年結(jié)題）；比如中國(guó)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(jì)劃項(xiàng)目等等。

面對(duì)未來(lái)的國(guó)際、國(guó)內(nèi)高速鐵路激烈的競(jìng)爭(zhēng)市場(chǎng)，各個(gè)國(guó)家在近5年來(lái)，從不同的角度和技術(shù)層面積極吸收和運(yùn)用當(dāng)代先進(jìn)科技成果，進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，其深度和廣度可以稱得上一次跨時(shí)代的高速鐵路技術(shù)革命。比如中國(guó)提出的綠色生態(tài)設(shè)計(jì)列車；德國(guó)逐漸完善的VELARO-D高速列車設(shè)計(jì)平臺(tái)；日本面向國(guó)際高速鐵路市場(chǎng)的環(huán)境友好性概念列車（efSET、E7系列車）；法國(guó)融入最新技術(shù)的AGV列車（鉸接式、發(fā)動(dòng)機(jī)分置和能源反饋技術(shù)），龐巴迪的ECO4概念列車ZEFIRO，韓國(guó)KTX-400計(jì)劃項(xiàng)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(lái)燃料電池為動(dòng)力方式的不斷轉(zhuǎn)變。采用寬體的車體技術(shù)和獨(dú)立輪對(duì)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)低地板和無(wú)臺(tái)階的動(dòng)車設(shè)計(jì)，能量反饋和再生制動(dòng)的技術(shù)等等。未來(lái)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(guó)際鐵路車輛設(shè)計(jì)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(jì)方向轉(zhuǎn)變；由組裝式設(shè)計(jì)向模塊化設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變等。這就需要建立完善的總體系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)體系。從各個(gè)系統(tǒng)的概念設(shè)計(jì)、項(xiàng)目管理到售后服務(wù)要進(jìn)行全程的跟蹤和管理。以產(chǎn)品功能設(shè)計(jì)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(jì)。滿足高速列車檢測(cè)任務(wù)需求，致力整體設(shè)計(jì)功能最優(yōu)。高速列車的關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)可以簡(jiǎn)單地概述為如下幾點(diǎn)。

5.1牽引供電技術(shù)[1～8，23，24]

對(duì)于日益提高的高速鐵路車輛運(yùn)營(yíng)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(dòng)技術(shù)，以及未來(lái)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(dòng)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(jì)參數(shù)），可以說(shuō)，牽引供電技術(shù)的研究成為首當(dāng)其沖的一項(xiàng)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(jí)可關(guān)斷晶閘管（GTO）逐步向絕緣柵雙極晶體管（IGBT）、集成門級(jí)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(jī)，采用交-直-交的單項(xiàng)交流電力傳動(dòng)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(dá)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(guó)在引進(jìn)法國(guó)TGV的技術(shù)基礎(chǔ)上，研制了韓國(guó)高速列車KHST，大量采用集成門級(jí)換向晶閘管（IGCT）技術(shù)；法國(guó)在新一代高速列車技術(shù)中，大量采用ONIX交流牽引驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，極大提高了電機(jī)的牽引功率的同時(shí)也使得電機(jī)質(zhì)量輕量化和體積減小。這些牽引動(dòng)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(hù)費(fèi)用。

5.2轉(zhuǎn)向架技術(shù)[25～30]

轉(zhuǎn)向架技術(shù)，這是整個(gè)高速列車設(shè)計(jì)過(guò)程中最核心的關(guān)鍵技術(shù)之一。隨著動(dòng)車組功率的增加，在高速運(yùn)營(yíng)的條件下，由于各種振動(dòng)導(dǎo)致的問(wèn)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(dòng)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(yùn)行安全性（防止脫軌）、平穩(wěn)性和舒適度；要求提高制動(dòng)能力，降低制動(dòng)距離，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的疲勞可靠性、可用性和低維護(hù)性等。轉(zhuǎn)向架的技術(shù)具體可以包括以下幾點(diǎn)[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(qiáng)度和剛度的下降，也導(dǎo)致轉(zhuǎn)向架動(dòng)力學(xué)性能和抗疲勞性能的惡化。這是因?yàn)檗D(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)參數(shù)（質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和質(zhì)心位置）的選擇極大地影響著轉(zhuǎn)向架的動(dòng)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(duì)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(shì)（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(jī)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(lái)轉(zhuǎn)向架輕量化設(shè)計(jì)技術(shù)的一個(gè)重要方面。但是也應(yīng)該看到，過(guò)分追求輕量的同時(shí)，必然會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的強(qiáng)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(wèn)題也會(huì)劇烈增加，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)疲勞失效問(wèn)題的頻繁產(chǎn)生，這些需要進(jìn)行多學(xué)科問(wèn)題的技術(shù)優(yōu)化。

2）動(dòng)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(guò)性能是衡量其動(dòng)力學(xué)性能的幾個(gè)主要方面。結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇和動(dòng)力學(xué)懸掛參數(shù)的選擇需要進(jìn)行精心的優(yōu)化與控制。如何平衡動(dòng)力學(xué)懸掛參數(shù)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)之間的矛盾問(wèn)題是關(guān)鍵。比如車輛直線運(yùn)行穩(wěn)定性與曲線通過(guò)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(wèn)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(duì)位移選擇的矛盾問(wèn)題。而懸掛參數(shù)選擇的確定，在面對(duì)不同軌道不平順線路的激勵(lì)下，如何繼續(xù)保持良好的動(dòng)力學(xué)特性也面臨著技術(shù)挑戰(zhàn)，這就要求進(jìn)行主動(dòng)和半主動(dòng)懸掛控制技術(shù)的選擇與優(yōu)化，解決實(shí)際線路運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的高速運(yùn)行和平穩(wěn)度、舒適度及曲線通過(guò)性能（防止脫軌）。在未來(lái)主動(dòng)控制懸掛技術(shù)和半主動(dòng)控制懸掛技術(shù)依然是提高車輛運(yùn)動(dòng)性能和改善轉(zhuǎn)向架振動(dòng)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(jì)問(wèn)題。目前，為了爭(zhēng)奪國(guó)際高速鐵路市場(chǎng)，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(guó)際和區(qū)域的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。比如日本最新研制的高速列車E7系就需要同時(shí)滿足JIS標(biāo)準(zhǔn)、EN標(biāo)準(zhǔn)和美國(guó)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并重點(diǎn)進(jìn)行350 km/h速度下穩(wěn)定運(yùn)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(guó)焊接協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)）；為了提高舒適度和抑制車輛曲線通過(guò)時(shí)車體橫向搖晃的嚴(yán)重問(wèn)題，裝備上可以防止車體搖晃的橫向穩(wěn)定主動(dòng)控制裝置；另外為了安全運(yùn)行，每臺(tái)轉(zhuǎn)向架安裝4個(gè)抗蛇形減振器的冗余設(shè)計(jì)模式?；A(chǔ)制動(dòng)裝置采用中心部緊固式的制動(dòng)盤，以及列車啟動(dòng)時(shí)的卡鉗制動(dòng)裝置，實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)的同時(shí)，提高零部件的耐久性。采用全主動(dòng)懸掛控制裝置，主要目標(biāo)是降低高速運(yùn)行產(chǎn)生的空氣激振力的影響，同時(shí)安裝有更好減振性能的全主動(dòng)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)裝備作動(dòng)器（Actuator）直接控制作用載荷抑制車體的橫向振動(dòng)。日本川崎公司在新一代高速列車中采用了獨(dú)特設(shè)計(jì)和開發(fā)的小型電磁式作動(dòng)器。在高速運(yùn)行區(qū)域，有時(shí)由于抗蛇形減振器的故障及零件性能的下降，可能會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)向架的運(yùn)動(dòng)不穩(wěn)定，產(chǎn)生蛇行運(yùn)行的危險(xiǎn)狀態(tài)，就必須要安裝異常的檢測(cè)裝置（失穩(wěn)檢測(cè)裝置），主要檢測(cè)轉(zhuǎn)向架、車體振動(dòng)、軸箱軸承、齒輪箱潤(rùn)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(xiàn)。

5.3車體設(shè)計(jì)技術(shù)[32～45]

1）氣動(dòng)外形和氣動(dòng)性能的設(shè)計(jì)與優(yōu)化。由于空氣阻力與車輛運(yùn)行速度的2次方成正比且逐步增大，在高速運(yùn)行時(shí)，能耗巨大，且空氣阻力遠(yuǎn)大于輪軌滾動(dòng)阻力，必須要進(jìn)行氣動(dòng)性能的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。降低空氣阻力和噪聲影響，不僅可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能和高效，而且以降低阻力的設(shè)計(jì)為目標(biāo)，還可以影響到其他結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)以便于降低機(jī)械運(yùn)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(dòng)和噪聲現(xiàn)象，微氣壓強(qiáng)度與列車進(jìn)入隧道速度的三次方成正比關(guān)系），隧道內(nèi)氣壓擾動(dòng)（對(duì)車輛運(yùn)行穩(wěn)定性影響較大，且隧道內(nèi)氣動(dòng)激振力加大車體的晃動(dòng)），隧道內(nèi)壓力變化（內(nèi)外壓差的動(dòng)影響）等問(wèn)題也需要展開專題研究（車體項(xiàng)目中的核心研究?jī)?nèi)容之一）。頭車外形的設(shè)計(jì)一直是各個(gè)國(guó)家關(guān)注的熱點(diǎn)，也是代表一個(gè)國(guó)家的文化精髓所在。在前面已經(jīng)對(duì)各個(gè)高速列車代表性國(guó)家的高速列車進(jìn)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(guó)的AGV和德國(guó)的VELARO-D系列車輛的外形變化不大，頭型基本上都是經(jīng)過(guò)大量風(fēng)洞試驗(yàn)和氣動(dòng)性能優(yōu)化設(shè)計(jì)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(wèn)題是車體的關(guān)鍵性技術(shù)之一。高速列車的密封性，實(shí)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(guò)門和空調(diào)設(shè)備的開孔），車內(nèi)壓力相對(duì)車外壓力變化的密封性能。高速列車運(yùn)行速度的提高，使得對(duì)高速列車的車體要求也越來(lái)越高，高速列車運(yùn)行中的密封性問(wèn)題越來(lái)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(gè)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(wèn)題；玻璃安裝部位的密封性問(wèn)題，通線口的密封問(wèn)題等；活動(dòng)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(jī)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(jiǎn)單地說(shuō)車體密封問(wèn)題包括：通線口（各種電纜、信號(hào)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(gè)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(píng)估整車氣密性的基礎(chǔ)，進(jìn)而建立一種統(tǒng)一的氣密性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，形成一個(gè)對(duì)高速列車評(píng)價(jià)的技術(shù)體系也是車體設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要技術(shù)內(nèi)容和課題。

3）車體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與開發(fā)。對(duì)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(jì)標(biāo)準(zhǔn)，比如國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和歐美等區(qū)域性標(biāo)準(zhǔn)的強(qiáng)度要求。其次從節(jié)能的觀點(diǎn)出發(fā)，要求實(shí)現(xiàn)車體結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)，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(jiǎn)單地闡述如下。

a.提高車體振動(dòng)性能，保證其良好的動(dòng)態(tài)特性。采用寬車體和輕量化的動(dòng)車組設(shè)計(jì)技術(shù)是目前國(guó)際高速列車新一代產(chǎn)品的主流方向。也可以說(shuō)，提高車輛的安全性、舒適度和平穩(wěn)度，一直是車輛動(dòng)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(dòng)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(jì)與提高強(qiáng)度、剛度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)之間的矛盾問(wèn)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(qiáng)度（動(dòng)強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度）的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)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(jì)、載荷時(shí)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(wèn)題是關(guān)鍵技術(shù)課題，車體座椅的優(yōu)化設(shè)計(jì)（側(cè)重動(dòng)力學(xué)性能）與人體舒適度之間的平衡問(wèn)題等也需解決。另外，內(nèi)外壓差的波動(dòng)對(duì)車體疲勞性能的影響也是重點(diǎn)。內(nèi)外壓差的波動(dòng)不僅會(huì)使得車體產(chǎn)生明顯鼓脹變形，而且頻繁進(jìn)出隧道可能會(huì)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(dòng)是導(dǎo)致車體結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞破壞問(wèn)題的主要原因之一（可能源于日本隧道的小截面設(shè)計(jì)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(jì)又要保證一定的疲勞強(qiáng)度的車體也是核心研究?jī)?nèi)容。

b.進(jìn)行抗碰撞車體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。高速列車車體結(jié)構(gòu)的抗碰撞性能設(shè)計(jì)的要求，不僅包括同類編組車輛，車輛與站臺(tái)和護(hù)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(jì)。

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(duì)結(jié)構(gòu)性能的影響；沿海地區(qū)潮濕空氣對(duì)車體結(jié)構(gòu)材料的腐蝕問(wèn)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(qiáng)度高，可以應(yīng)用在強(qiáng)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(guò)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(jī)溶劑系的涂料，但是由于采用了揮發(fā)性的有機(jī)化合物容易導(dǎo)致周圍環(huán)境破壞問(wèn)題，新一代產(chǎn)品中已經(jīng)計(jì)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(wèn)題主要包括氣動(dòng)噪聲和輪軌滾動(dòng)噪聲，以及其他機(jī)械振動(dòng)導(dǎo)致的噪聲。弓網(wǎng)系統(tǒng)導(dǎo)致的氣動(dòng)噪聲需要加強(qiáng)其氣動(dòng)外形優(yōu)化設(shè)計(jì)和耐磨材料的選擇；空調(diào)進(jìn)出風(fēng)口導(dǎo)致的噪聲；動(dòng)力設(shè)備制造的噪聲等。由于目前動(dòng)力分散式是高速列車設(shè)計(jì)的主流方向，而動(dòng)力設(shè)備分散，導(dǎo)致的噪聲源增多，如何進(jìn)行有效的噪聲控制研究，也是環(huán)境友好性的研究?jī)?nèi)容。有時(shí)需要高速鐵路大系統(tǒng)進(jìn)行配套設(shè)計(jì)（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(qiáng)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(jì)策略，達(dá)到國(guó)際和區(qū)域設(shè)計(jì)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(gè)非常繁雜的技術(shù)系統(tǒng)，比如國(guó)家863計(jì)劃CIT400項(xiàng)目中就涵蓋了28個(gè)關(guān)鍵技術(shù)研究方向，這里限于篇幅只是簡(jiǎn)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(dòng)技術(shù)與電氣設(shè)備控制技術(shù)、智能通信與故障實(shí)時(shí)診斷技術(shù)、海量數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)等等。各個(gè)國(guó)家在高速列車的制動(dòng)技術(shù)上采用了不同的制動(dòng)方式，比如新型制動(dòng)裝置的研發(fā)，主要設(shè)定為再生制動(dòng)，并采用指令方式的空氣制動(dòng)方式，裝備常規(guī)制動(dòng)、非常規(guī)制動(dòng)、緊急制動(dòng)和停車制動(dòng)。針對(duì)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(wèn)題的解決。如何調(diào)整編組車優(yōu)化運(yùn)行方式，達(dá)到整體調(diào)節(jié)制動(dòng)的編組控制方式運(yùn)行等運(yùn)輸規(guī)劃技術(shù)。350 km/h的受電弓的設(shè)計(jì)和優(yōu)化技術(shù)，需要設(shè)計(jì)開發(fā)出耐磨性、跟隨性好、低噪聲的最佳氣動(dòng)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(jì)應(yīng)用（一旦滑板破損時(shí)使用）。車輛信息控制的設(shè)計(jì)和實(shí)時(shí)健康監(jiān)控技術(shù)（如加速、制動(dòng)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(yàn)等檢修支持等，信息傳輸網(wǎng)絡(luò)的研制）。研究電動(dòng)空氣壓縮機(jī)采用無(wú)油往復(fù)式壓縮機(jī)或者螺旋式壓縮機(jī)等等，限于篇幅無(wú)法一一介紹。

6　結(jié)語(yǔ)

高速列車關(guān)鍵技術(shù)較多，本文只能以點(diǎn)帶面，根據(jù)相關(guān)最新文獻(xiàn)的研究基礎(chǔ)，針對(duì)代表性高速鐵路發(fā)達(dá)國(guó)家在高速列車設(shè)計(jì)上采用的部分先進(jìn)技術(shù)，對(duì)我國(guó)未來(lái)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(shuō)，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(guó)外先進(jìn)高速列車技術(shù)，也可以說(shuō)動(dòng)車組設(shè)計(jì)技術(shù)涵蓋的范圍要遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)、電磁兼容技術(shù)、故障實(shí)時(shí)診斷技術(shù)、空調(diào)設(shè)計(jì)技術(shù)，外形、內(nèi)飾設(shè)計(jì)及人機(jī)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(guó)高速列車技術(shù)的發(fā)展方向，就是建立新一代中國(guó)高速列車的先進(jìn)集成技術(shù)設(shè)計(jì)平臺(tái)。該平臺(tái)水平應(yīng)該類似于歐洲高鐵的第4代高速列車先進(jìn)設(shè)計(jì)平臺(tái)，比如德國(guó)的VELARO-D設(shè)計(jì)平臺(tái)。在此集成設(shè)計(jì)平臺(tái)基礎(chǔ)上，面向國(guó)際高速鐵路市場(chǎng)研制出具有環(huán)境友好性特點(diǎn)的高速列車等。且在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中，逐漸融入自身民族的傳統(tǒng)文化和特色，真正實(shí)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(jì)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(jué)和諧，針對(duì)不同國(guó)家的文化設(shè)計(jì)出一些獨(dú)特的解決方案。

對(duì)于未來(lái)中國(guó)高速鐵路技術(shù)發(fā)展要形成具有中國(guó)風(fēng)格和標(biāo)準(zhǔn)的中國(guó)高速列車，特別保持足夠先進(jìn)和安全可靠的動(dòng)車組的設(shè)計(jì)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(guó)家繼續(xù)加大技術(shù)投入，針對(duì)高速列車相關(guān)的基礎(chǔ)科學(xué)和應(yīng)用科學(xué)問(wèn)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(jìn)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(shí)產(chǎn)權(quán)的高速列車技術(shù)。只有這樣才可以保證中國(guó)高速列車核心技術(shù)的創(chuàng)新性和前瞻性，才可能面對(duì)未來(lái)國(guó)際市場(chǎng)的激烈競(jìng)爭(zhēng)，滿足未來(lái)國(guó)際市場(chǎng)對(duì)高速列車的更加嚴(yán)格要求和巨大競(jìng)爭(zhēng)壓力。未來(lái)高速列車的技術(shù)可以簡(jiǎn)單地歸結(jié)為如下幾點(diǎn)。

1）設(shè)計(jì)理念具有足夠的先進(jìn)性和前瞻性。即要求整車的總體設(shè)計(jì)水平具備足夠的先進(jìn)性和前瞻性。不僅需要保證高速列車設(shè)計(jì)技術(shù)的環(huán)境友好性（也可以說(shuō)生態(tài)設(shè)計(jì)、綠色設(shè)計(jì)），而且要求高效率、低能耗、低排放、低污染；保證車輛在高速運(yùn)行時(shí)實(shí)現(xiàn)能源再生和能源反饋技術(shù)。對(duì)車內(nèi)車外環(huán)境的電磁干擾和振動(dòng)噪聲、氣動(dòng)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(jì)的角度真正實(shí)現(xiàn)高速列車總體技術(shù)條件及集成技術(shù)總體設(shè)計(jì)的優(yōu)化和先進(jìn)性，在此基礎(chǔ)上確定新一代高速列車各項(xiàng)關(guān)鍵的技術(shù)設(shè)計(jì)參數(shù)。

2）中國(guó)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(jì)平臺(tái)。平臺(tái)設(shè)計(jì)理念主要基于模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化和定制化設(shè)計(jì)。模塊化可以滿足客戶不斷變化的需要（例如，通過(guò)增加列車長(zhǎng)度，采用寬車體技術(shù)等）；標(biāo)準(zhǔn)化允許降低采購(gòu)成本與減少交貨時(shí)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(xiàng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)，允許不同的設(shè)計(jì)方案，可以為客戶定制不同的產(chǎn)品特征，例如頭型設(shè)計(jì)，車體外飾和內(nèi)飾（適應(yīng)對(duì)方特定的民族文化），座椅布置，旅客設(shè)施和司機(jī)室以及控制臺(tái)等設(shè)計(jì)。

3）保證高速列車運(yùn)行足夠的安全性、穩(wěn)定性、舒適性和可靠性。采用先進(jìn)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(jìn)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(wèn)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(dòng)破壞問(wèn)題（車-線-橋-風(fēng)的耦合振動(dòng)問(wèn)題，如地震條件下的列車安全運(yùn)行問(wèn)題，危險(xiǎn)線路段的防脫軌裝置的設(shè)計(jì)）；比如關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件的疲勞失效問(wèn)題，振動(dòng)噪聲問(wèn)題，曲線通過(guò)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(jì)問(wèn)題，比如高速列車運(yùn)行時(shí)與小型物體的碰撞安全問(wèn)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(yùn)行機(jī)制。

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

5）保證牽引供電等電器和通信信號(hào)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(dòng)性能；具有足夠的故障實(shí)時(shí)診斷能力，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷和裂紋的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)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(guó)家自然基金面上項(xiàng)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(dòng)力學(xué)、結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度和載荷譜等工作；E-mail：brmiao@163.com