徐銀光 李 艷

(中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司， 成都 610031)

在推動成渝地區(qū)雙城經(jīng)濟圈建設(shè)實施的背景下，作為更高速度級軌道交通的示范線工程，成渝中線的建設(shè)正在加速推進。成渝中線不僅承載著成渝地區(qū)經(jīng)濟圈東出南下、多方向?qū)ν廨椛涞母咚倏瓦\通道的運輸功能，還承載著中國高速鐵路建設(shè)向更高水平發(fā)展的技術(shù)引領(lǐng)功能。結(jié)合成渝地區(qū)雙城經(jīng)濟圈多層次軌道交通體系構(gòu)建和都市區(qū)1 h通勤要求，成渝中線的時間目標值宜控制在50 min以內(nèi)。同時，考慮到目前我國350 km/h高速鐵路線網(wǎng)已成規(guī)模，為更好地與 350 km/h線網(wǎng)技術(shù)標準相適應(yīng)，甚至更大程度上充分利用350 km/h技術(shù)標準實現(xiàn)互聯(lián)互通，在充分考慮當(dāng)前軌道交通制式的技術(shù)成熟度、工程配套能力、線網(wǎng)適應(yīng)性、運輸能力、建設(shè)和運營成本等因素下，經(jīng)綜合研究比選，最終確定成渝中線工程將開行400 km/h高速輪軌動車組的設(shè)計方案。該方案技術(shù)較為成熟，可與既有路網(wǎng)互聯(lián)互通，建設(shè)成本低，運輸能力強。

400 km/h高速動車組工程技術(shù)標準的確定，對我國實現(xiàn)開行更高速度鐵路具有示范意義，更具有戰(zhàn)略引領(lǐng)作用。本文在詳細分析國內(nèi)外高速動車組現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出了成渝中線工程400 km/h高速輪軌動車組的技術(shù)指標和優(yōu)化方案措施。

1 國內(nèi)外高速動車組現(xiàn)狀

1.1 國內(nèi)外既有高速動車組試驗研究及設(shè)計制造現(xiàn)狀

全世界實車最高線路試驗速度為574.8 km/h，是2007年法國AGV V-150高速試驗列車在巴黎-斯特拉斯堡高速線上創(chuàng)造的紀錄；中國高速動車組CRH380AL和CRH380BL分別于2010年和2011年在京滬高速鐵路先導(dǎo)段綜合試驗過程中創(chuàng)造了 486.1 km/h和487.3 km/h的最高時速；2014年，中國超速試驗車CIT500在輪軌臺架試驗中成功實現(xiàn)了605 km/h的試驗速度。4種高速試驗速度列車的外形如圖1所示。由此可見，基于輪軌關(guān)系的高速動車組具備在350 km/h基礎(chǔ)上進一步提升運營速度的潛力和空間。

自2008年京津城際鐵路開通至今，我國 350 km/h速度等級高速鐵路系統(tǒng)已累計安全運營近10年。目前，越來越多的國家正在開展300～350 km/h速度等級高速鐵路系統(tǒng)的建設(shè)和運營，并在繼續(xù)探索更高速度等級高速鐵路列車的商業(yè)運營，如法國AGV的 360 km/h速度級車型、日本ALFA-X的360 km/h商業(yè)運營車型等。350 km/h以上速度級高速鐵路列車的商業(yè)運營已成為高速鐵路列車發(fā)展共識。

圖1 4種高速試驗速度列車外形圖

自2008年京津城際350 km/h速度等級高速列車和諧號CRH2C、CRH3C列車商業(yè)運用以來，我國一直持續(xù)不斷地推進著高速列車的技術(shù)創(chuàng)新，發(fā)展了持續(xù)運營速度達380 km/h的和諧號CRH380A列車和諧號CRH380B列車，并于2013年啟動了中國標準動車組統(tǒng)型的工作。目前已實現(xiàn)了標準動車組的統(tǒng)型(統(tǒng)型為復(fù)興號CR400系列高速列車)，統(tǒng)一了中國高速列車的檢修維護接口、列車車鉤和制動等救援接口、運用界面和乘客界面，實現(xiàn)了不同廠家制造動車組的重聯(lián)運行。當(dāng)前復(fù)興號CR400系列列車正以 350 km/h的最高運營速度，在我國高速鐵路網(wǎng)中全面推廣應(yīng)用。

1.2 我國400 km/h高速動車組初步研究成果

目前，我國高速列車相關(guān)科研院所和研制企業(yè)正基于復(fù)興號CR400系列等車型平臺開展400 km/h高速動車組的車型研究，初步形成兩種研究思路。一是對既有牽引系統(tǒng)性能進行提升，實現(xiàn)速度目標；二是在實現(xiàn)速度目標的同時，原則上保持相關(guān)工程性能指標與350 km/h動車組指標相近。

基于思路一，當(dāng)前已完成了樣車的試制研究，并已于2019年底下線。該400 km/h高速動車組樣車在CR400基礎(chǔ)上，動車組輪周功率提升了23%，充分保障了400 km/h運營的加速度裕量；其在400 km/h速度下的緊急制動距離設(shè)計值，較CR400系列動車組在350 km/h速度下的緊急制動距離增加了61.5%。通過初步仿真計算，此樣車性能尚不能滿足成渝中線的目標時間要求，牽引性能、制動性能都亟待提升。

綜上，我國復(fù)興號CR400系列高速動車組已實現(xiàn)了350 km/h的商業(yè)運營，動車組技術(shù)較為成熟。國內(nèi)外正在發(fā)展350 km/h以上速度等級動車組的商業(yè)運營，但截止目前尚無400 km/h成熟運營的高速輪軌列車面世。我國400 km/h試制樣車雖已下線調(diào)試，但其牽引、制動性能尚不能滿足成渝中線的工程需求，亟待優(yōu)化。因此，合理確定適用于成渝中線功能定位和運輸組織要求的400 km/h高速列車車型和技術(shù)指標，實現(xiàn)方案的工程可用性和可實施性，并使其可在全國高速鐵路網(wǎng)中推廣應(yīng)用，是當(dāng)前階段車輛研究的關(guān)鍵。

2 更高速度等級高速動車組技術(shù)指標的研究

結(jié)合當(dāng)前我國400 km/h高速動車組發(fā)展的總體思路，本文從成渝中線工程研究需求出發(fā)，并充分考慮既有350 km/h線網(wǎng)技術(shù)標準，開展“優(yōu)化400”高速動車組主要技術(shù)指標的研究。

2.4 新生兒窒息后發(fā)生AKI的COX回歸性分析 將尿液減少、Kim-1、Netrin-1、窒息程度納入COX回歸性分析發(fā)現(xiàn)，上述因素均與新生兒窒息后AKI發(fā)生呈正相關(guān)(P<0.05)，見表2。

2.1 最高速度和剩余加速度

高速動車組最高速度分為最高設(shè)計速度和最高運營速度。從設(shè)計安全角度考慮，最高設(shè)計速度通常為最高運營速度的1.1倍及以上[1]，且此速度需在試驗臺或線路試驗上實車驗證，以預(yù)留出一定的安全速度域。因此，為實現(xiàn)運營速度400 km/h的目標，最高設(shè)計速度需達到 440 km/h及以上。同時，為實現(xiàn) 400 km/h的持續(xù)運行，高速列車剩余加速度不宜小于0.05 m/s2。

2.2 軸重

動車組軸重是影響線下基礎(chǔ)工程的重要指標，也是輪軌振動及噪音控制的關(guān)鍵。考慮成渝中線高速列車對既有高速線網(wǎng)線下基礎(chǔ)工程的適應(yīng)性，高速動車組的軸重不應(yīng)突破17 t。

國內(nèi)外高速列車的軸重指標如表1所示。

表1 高速列車軸重表

從表1可以看出，歐系車型軸重指標相對偏大，但隨著車型的發(fā)展，軸重指標在不斷降低，通常在 15～17 t之間；日系車型軸重指標通常較小，動力分散型動車組基本在11～15 t之間[2-3]，300 km/h速度級車型軸重亦不超過12 t[4]，未來車型軸重也將考慮既有新干線16 t軸重指標[5]的限制。由此可見，動車組牽引和制動性能的提升，將帶來列車重量的增加，但可通過列車重量的合理設(shè)計分配和輕量化技術(shù)的應(yīng)用，400 km/h高速動車組最大軸重指標可控制在16 t及以下。

為適應(yīng)成渝中線的近期建設(shè)要求，可采用碳纖維、鎂合金、玻璃纖維等輕量化復(fù)合材料[6-8]進行優(yōu)化，以控制動車組重量。

2.3 輪周功率

列車輪周功率是列車牽引性能的直接表征，與最高速度、軸重等都密切相關(guān)，同時也是列車能耗的間接表征指標。隨著列車動力配置的不斷增強，不突破粘著極限的速度目標原則上都是可以實現(xiàn)的，但過高能耗是不經(jīng)濟、也不合理的選擇。考慮與我國既有高速鐵路線路的互通互用，特別是對供電系統(tǒng)能力的要求，列車功率不宜增加過多。因此，基于當(dāng)前電機技術(shù)、列車重量和列車阻力控制技術(shù)的發(fā)展情況，400 km/h的8輛編組列車輪周功率宜控制在 11 000～12 000 kW之間。

為滿足成渝中線的近期建設(shè)要求，可首選永磁同步電機[9]提升功率，提高功率因素、起動扭矩、電機效率等，降低損耗，控制重量和噪聲。再在CR400系列的4M4T基礎(chǔ)上增加動拖比，進一步提升起動牽引力，提高起動加速度，提升加速性能。

2.4 制動距離

制動距離是全線旅行時間、行車追蹤間隔和高速鐵路信號系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵。既有高速鐵路以 350 km/h速度下6.5 km的緊急制動距離來設(shè)計，若速度提升至400 km/h，對應(yīng)的制動距離將延長至10 km以上?？紤]列車對既有高速鐵路線網(wǎng)提速的適應(yīng)性，動車組制動距離應(yīng)盡量向既有高速鐵路6.5 km的指標靠攏。

為滿足成渝中線的近期建設(shè)要求，先增加動拖比，提升再生制動力，減小制動距離和基礎(chǔ)制動損耗，再應(yīng)用渦流、風(fēng)阻等非粘著制動提升減速度，控制制動距離。

2.5 動車組減阻能力

高速列車基本運行阻力包括列車自身及其與鋼軌之間的機械阻力和空氣阻力。空氣阻力與列車速度的平方成正比，當(dāng)列車運行速度在300 km/h及以上時，空氣阻力占列車基本運行阻力的95%以上[12]。空氣阻力與列車橫截面積、頭部形狀以及流線型長度等密切相關(guān)，為滿足與當(dāng)前國內(nèi)既有高速鐵路線路的互通互用，線間距、隧道斷面(100 m2)、隧道內(nèi)空氣動力學(xué)效應(yīng)、進出口微氣壓波等都需要400 km/h列車通過設(shè)計改型來適應(yīng)，特別是在線下基礎(chǔ)預(yù)留有更高速度條件的區(qū)段。

國內(nèi)高速列車尺寸如表2所示。從表中可以看出，相較于CRH380系列車型，復(fù)興號CR400系列車高較高，車寬尺寸相差不大。通過列車車下和車頂設(shè)備的合理布局，車高和橫截面積約有3%～5%的調(diào)整空間。

表2 國內(nèi)高速列車尺寸表

據(jù)相關(guān)文獻報道，列車流線型頭部長度與列車氣動阻力密切相關(guān)，在列車運行速度為350 km/h的條件下，列車頭部長度每增加1 m，列車氣動阻力可減小約4%～8%[13-14]。因此，結(jié)合當(dāng)前車輛減阻技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，400 km/h高速動車組宜在CR400系列的基礎(chǔ)上降阻5%及以上。

為滿足成渝中線的近期建設(shè)要求，可首選降低車高，優(yōu)化截面，再通過對頭車形狀、流線型長度，以及氣動外形進行優(yōu)化，實現(xiàn)動車組減阻。

3 “優(yōu)化400”高速動車組概念方案的性能

基于對列車最高速度、剩余加速度、輪周功率、軸重、制動距離、減阻能力等指標的分析，本文提出了“優(yōu)化400”高速動車組概念方案，其基本參數(shù)與CR400系列車型的對比結(jié)果如表3所示。

表3 “優(yōu)化400”與CR400系列車型的基本參數(shù)對照表

從表3可以看出，相較于CR400系列車型，“優(yōu)化400”高速動車組輪周功率最大提升約18%，動車增加1節(jié)，動拖比提升，軸重降低約5%，車體斷面減小約3%，最高運營速度下的制動距離相當(dāng)。通過線路運行仿真初步計算，“優(yōu)化400”高速動車組可實現(xiàn)成渝中線50 min以內(nèi)的開行需求。

“優(yōu)化400”高速動車組的牽引性能也較CR400系列有所提升，其牽引特性的對比如圖2所示。

圖2 “優(yōu)化400”和CR400系列車型牽引性能對比圖

從圖2可以看出，““優(yōu)化400”高速動車組因動拖比的增加，低速區(qū)段的牽引性能有所提升，啟動加速度提升至0.6 m/s2左右，為實現(xiàn)400 km/h持續(xù)運行，輪周功率提升并不大，較CR400B車型僅提升約13%?！皟?yōu)化400” 高速動車組的坡道特性如圖3所示。

圖3 “優(yōu)化400”動車組坡道特性圖

由圖3可知，“優(yōu)化400”動車組在20‰坡道上的平衡速度提升到了300 km/h(CR400系列車型在20‰坡道上的平衡速度為260 km/h)，可更好適應(yīng)20‰及以上大坡道高速鐵路網(wǎng)的高速開行。

綜上所述，“優(yōu)化400”高速動車組概念方案的性能良好，符合成渝中線功能定位，滿足開行需求。

4 結(jié)束語

“優(yōu)化400”高速動車組概念設(shè)計方案，是基于成渝中線工程以及既有中國高速鐵路網(wǎng)提速和增效的需求而提出的，且充分考慮了國內(nèi)外高速動車組先進技術(shù)研究發(fā)展和設(shè)計制造的現(xiàn)狀，技術(shù)可行，工程可用性和可實施性高，能有效支撐成渝中線工程設(shè)計的開展，助推了成渝地區(qū)雙城經(jīng)濟圈建設(shè)。同時，為400 km/h高速動車組產(chǎn)品的優(yōu)化提供了方向，為實現(xiàn)更高水平高速鐵路技術(shù)的引領(lǐng)奠定了基礎(chǔ)。