孫詩(shī)凝

摘 要：我國(guó)軌道客車(chē)的發(fā)展近年來(lái)取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，尤其以CRH動(dòng)車(chē)為代表的“高鐵”以其高速的運(yùn)行能力、平穩(wěn)舒適的乘坐體驗(yàn)和高度安全系統(tǒng)控制贏得了廣泛好評(píng)，成為我國(guó)高端技術(shù)“走出去”的一張名片，本文從物理學(xué)和數(shù)學(xué)角度出發(fā)，探析了CRH動(dòng)車(chē)設(shè)計(jì)中主要的技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：動(dòng)車(chē)組 輕量化設(shè)計(jì) 牽引 制動(dòng) 離心力 空氣阻力

中圖分類(lèi)號(hào)：U266.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）11（c）-0082-02

CRH（China Railway High-speed），即列車(chē)領(lǐng)域“中國(guó)鐵路高速”的品牌標(biāo)志，由我國(guó)從國(guó)外等知名公司引進(jìn)相應(yīng)的先進(jìn)技術(shù)，并加以吸收和改造之后，由之前的中國(guó)南車(chē)和北車(chē)（現(xiàn)已合并為中國(guó)中車(chē)）進(jìn)行制造和生產(chǎn)，這一系列均稱(chēng)作為“和諧號(hào)”高速列車(chē)。

與此同時(shí)，隨著各個(gè)學(xué)科的不斷發(fā)展與交融，以物理和數(shù)學(xué)為代表的學(xué)科逐步應(yīng)用于多個(gè)現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域，諸如動(dòng)車(chē)領(lǐng)域?；谖覈?guó)CRH的不斷發(fā)展，技術(shù)領(lǐng)域也有著長(zhǎng)足的發(fā)展。其中，物理學(xué)和數(shù)學(xué)上的創(chuàng)新設(shè)計(jì)也不斷突出，對(duì)于我國(guó)CRH動(dòng)車(chē)設(shè)計(jì)有著重要的影響。

1 CRH動(dòng)車(chē)設(shè)計(jì)中涉及的物理學(xué)與數(shù)學(xué)原理

（1）物體的重力原理：車(chē)體里所有設(shè)備、人員的重量，并利用支撐裝置將力轉(zhuǎn)移至鋼軌。

（2）牽引力和制動(dòng)力原理：該力由轉(zhuǎn)向架轉(zhuǎn)移過(guò)來(lái)，通過(guò)相應(yīng)的緩沖設(shè)備，從而牽引列車(chē)運(yùn)行。

（3）離心力和風(fēng)阻力原理：該力是在運(yùn)行過(guò)程中，車(chē)體受到來(lái)自橫向縱向的多個(gè)力作用的綜合結(jié)果。

2 CRH動(dòng)車(chē)主要技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

CRH動(dòng)車(chē)以其高速的運(yùn)行能力、平穩(wěn)舒適的乘坐體驗(yàn)和高度安全系統(tǒng)控制贏得了廣泛好評(píng)，這主要源于一系列技術(shù)創(chuàng)新，筆者嘗試從物理學(xué)和數(shù)學(xué)角度出發(fā)，在輕量化設(shè)計(jì)、動(dòng)力及制動(dòng)系統(tǒng)、高速離心力和風(fēng)阻力克服等方面加以闡述。

（1）克服傳統(tǒng)笨重的車(chē)身——輕量化設(shè)計(jì)。

高速列車(chē)隨著車(chē)速的不斷提高，車(chē)輪與軌道的摩擦沖擊變得劇烈，加之整車(chē)重量極高，提速難度驟升，為了應(yīng)對(duì)這一問(wèn)題，針對(duì)動(dòng)車(chē)本身的車(chē)體輕量化設(shè)計(jì)成為關(guān)鍵的解決方案。但是輕量化設(shè)計(jì)并非易事，這一設(shè)計(jì)關(guān)系到整車(chē)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度以及車(chē)輛運(yùn)行的噪聲、震動(dòng)因素。為了使輕量化設(shè)計(jì)后的動(dòng)車(chē)組符合車(chē)身的強(qiáng)度要求，使得各個(gè)組成部件具備合理的重量和強(qiáng)度，數(shù)學(xué)仿真算法被引入設(shè)計(jì)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)各個(gè)組成部件的載荷率均衡，從而實(shí)現(xiàn)輕量化車(chē)身的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

與普通列車(chē)相比，CRH采用的是鋁合金（見(jiàn)圖1）。無(wú)論是彈性系數(shù)還是密度等，鋁合金都比較小，大概是鋼材的1/3。因其密度小，相應(yīng)的質(zhì)量就比較小。因此，鋁合金的最大的優(yōu)勢(shì)在于可以實(shí)現(xiàn)車(chē)體的輕量化，這樣即可以減少CRH的運(yùn)行費(fèi)用以及后續(xù)的維護(hù)成本。此外，動(dòng)車(chē)在運(yùn)行時(shí)，基于輕量化的設(shè)計(jì)風(fēng)格，能夠?qū)崿F(xiàn)其高速化。

（2）全新的牽引和制動(dòng)系統(tǒng)。

“火車(chē)跑得快，全靠車(chē)頭帶”，傳統(tǒng)的火車(chē)牽引系統(tǒng)采用動(dòng)力集中技術(shù)，形成車(chē)頭牽引車(chē)廂，車(chē)廂本身沒(méi)有動(dòng)力來(lái)源。然而CRH動(dòng)車(chē)組與我國(guó)傳統(tǒng)的火車(chē)牽引系統(tǒng)不同，其動(dòng)車(chē)組動(dòng)力來(lái)源并非源于車(chē)頭，而是將牽引力系統(tǒng)分散安裝在動(dòng)車(chē)組各節(jié)車(chē)廂中，運(yùn)行時(shí)動(dòng)車(chē)組車(chē)頭和車(chē)廂共同發(fā)力加速，這種動(dòng)力分散的技術(shù)能夠使動(dòng)車(chē)組提速更快，也能達(dá)到更高的時(shí)速。

動(dòng)車(chē)組先進(jìn)的牽引力系統(tǒng)帶來(lái)的高速運(yùn)行，同樣離不開(kāi)先進(jìn)的制動(dòng)系統(tǒng)作為保障。CRH動(dòng)車(chē)組運(yùn)行時(shí)速超過(guò)200km/h，這一級(jí)別的時(shí)速在遇到緊急情況制動(dòng)時(shí)，從時(shí)速200km制動(dòng)剎停，動(dòng)車(chē)組需要有長(zhǎng)達(dá)4000m的制動(dòng)距離，不同于汽車(chē)人為緊急制動(dòng)，高速列車(chē)的制動(dòng)系統(tǒng)中預(yù)防事故設(shè)計(jì)更為關(guān)鍵。ATC系統(tǒng)是動(dòng)車(chē)組的運(yùn)行控制系統(tǒng)，其工作原理是通過(guò)車(chē)載信號(hào)系統(tǒng)向車(chē)輛控制人員發(fā)送指令，如加速、減速、停車(chē)，值得注意的是，若動(dòng)車(chē)司機(jī)出現(xiàn)人為操控失誤，該系統(tǒng)可以直接介入動(dòng)車(chē)組的制動(dòng)系統(tǒng)，第一時(shí)間控制列車(chē)動(dòng)態(tài)，將人為操控失誤造成的影響降至最低，這也是這個(gè)動(dòng)車(chē)組高速運(yùn)行的安全保障。

（3）克服高速過(guò)彎離心力的技術(shù)創(chuàng)新。

火車(chē)在高速運(yùn)行過(guò)彎時(shí)會(huì)產(chǎn)生離心力，如果此時(shí)在彎道上運(yùn)行速度過(guò)高，離心力增大容易使火車(chē)脫離軌道造成事故。曲線(xiàn)半徑越小的軌道，其形成的彎度越大，火車(chē)通過(guò)時(shí)的速度越低。反之，曲線(xiàn)半徑越大的軌道，其形成的彎度越小，火車(chē)通過(guò)時(shí)的速度越高。為了使得動(dòng)車(chē)組實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)行，減少不必要的速減損，動(dòng)車(chē)軌道設(shè)計(jì)要求曲線(xiàn)半徑必須大于7km，通常設(shè)定在9～10km，同時(shí)動(dòng)車(chē)組為了確保旅客乘車(chē)舒適度，在進(jìn)入曲線(xiàn)軌道之前，通常要先進(jìn)入過(guò)渡段，也稱(chēng)之為“緩和曲線(xiàn)”。

動(dòng)車(chē)組為了應(yīng)對(duì)過(guò)彎產(chǎn)生的離心力第二種方法是設(shè)置超高，在彎道線(xiàn)路中外側(cè)鋼軌會(huì)比內(nèi)側(cè)鋼軌高度高出一段，內(nèi)外高度差稱(chēng)之為“超高值”（一般控制在120～180mm），用來(lái)抵消動(dòng)車(chē)組高速運(yùn)行過(guò)彎時(shí)產(chǎn)生的離心力，這有助于減少動(dòng)車(chē)組車(chē)輪與軌道的摩擦損耗，提升乘坐舒適度。

（4）減少空氣阻力的技術(shù)創(chuàng)新。

高速動(dòng)車(chē)組在運(yùn)行過(guò)程中面臨的阻力主要包括車(chē)內(nèi)機(jī)械阻力和車(chē)外氣動(dòng)阻力。隨著動(dòng)車(chē)時(shí)速的大幅增加，氣動(dòng)阻力呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。研究資料表明，在動(dòng)車(chē)運(yùn)行時(shí)速為300km/h的狀態(tài)下，氣動(dòng)阻力占據(jù)動(dòng)車(chē)總阻力的85%，由此可見(jiàn)，克服空氣阻力是動(dòng)車(chē)實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)行的關(guān)鍵（如圖2）。

我國(guó)自行研發(fā)的CRH動(dòng)車(chē)在減少空氣阻力方面的技術(shù)創(chuàng)新，主要從優(yōu)化車(chē)頭造型、平順化車(chē)身兩點(diǎn)出發(fā)。

（1）優(yōu)化車(chē)頭造型。

CRH動(dòng)車(chē)在車(chē)頭設(shè)計(jì)上十分引人注目，造型美觀。背后的原理是長(zhǎng)細(xì)比大幅增加，縮減車(chē)體斷面截面積，減少摩擦阻力，優(yōu)化各向斷面，避免流動(dòng)分離。

（2）平順化車(chē)身。

CRH動(dòng)車(chē)在車(chē)廂之間連接，高壓設(shè)備，空調(diào)設(shè)備，車(chē)下設(shè)備等凸出部位采取平順化設(shè)計(jì)，保證整車(chē)光順不突兀，從而降低高速運(yùn)行時(shí)的摩擦阻力和渦流損失。

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