丁叁叁 陳大偉 劉加利

(中車青島四方機車車輛股份有限公司,青島 266111)

引言

高速鐵路是世界鐵路運輸發(fā)展的共同趨勢,也是鐵路技術現代化的主要標志.高速鐵路已在世界各國得到廣泛的重視和蓬勃的發(fā)展,我國也開始對高速鐵路進行研究和建設,并取得了迅猛的發(fā)展及舉世矚目的成就.截至2019 年底,我國高速鐵路運營里程突破3.5 萬公里,在線高速動車組3665 標準組,高速鐵路運營里程及高速動車組保有量均占世界2/3 以上,穩(wěn)居世界第一.我國高速鐵路“四縱四橫”干線網已建設完成,并向“八縱八橫”大網發(fā)展,覆蓋除西藏外的全部省份,預計至2030 年,高速鐵路運營里程將達到4.5 萬千米,在線高速動車組將超過7000 標準組.

作為高速鐵路核心裝備的高速動車組,自2004年以來,在長期技術積累和自主研發(fā)的基礎上,經過引進消化吸收再創(chuàng)新、自主提升創(chuàng)新、全面創(chuàng)新和持續(xù)創(chuàng)新,搭建了高速動車組產品譜系化研發(fā)平臺,滿足用戶的差異化需求,形成40 余種型號的高速動車組產品,涵蓋160～400 km/h 速度等級,運用于既有線提速、城際鐵路和客運專線,覆蓋不同的運用環(huán)境、編組型式和用途.

我國高速動車組的運行速度、綜合舒適度、安全性、可靠性、節(jié)能環(huán)保等各項綜合性能指標優(yōu)良,部分指標達到國際領先水平,創(chuàng)造多個世界紀錄.在運行速度方面,2010 年12 月3 日,在京滬高鐵棗莊至蚌埠試驗段,CRH380A 創(chuàng)造了486.1 km/h 的世界輪軌鐵路運營最高速度紀錄;2016 年7 月15 日,在鄭徐客運專線,復興號動車組創(chuàng)造了420 km/h 的世界最高速度列車交會試驗.在綜合舒適度方面,350 km/h下,高速動車組客室噪聲為66～68 dB(A),隧道通過車內壓力波動為205 Pa/3 s.在安全性方面,截止到目前,高速動車組安全運營里程達90 億千米,安全運送人次達100 億;486.1 km/h 下,高速動車組輪重減載率為0.67;350 km/h 下,高速動車組緊急制動距離為4850 m.在可靠性方面,高速動車組百萬公里故障率小于0.5,服役壽命達20 年以上.在節(jié)能環(huán)保方面,350 km/h 下,高速動車組百公里人均能耗為3.8 度電,車外通過噪聲為93 dB(A).

在高速動車組研發(fā)過程中,開展了大量的基礎研究、設計探索、仿真優(yōu)化、臺架試驗及長期線路跟蹤試驗,積累了大量寶貴數據與經驗,自主攻克了大量核心技術難題,解決了一系列重大技術問題,形成了自主研發(fā)能力.本論文將重點回顧我國高速動車組的發(fā)展歷程,探討高速動車組設計研發(fā)中面臨的技術挑戰(zhàn),論述高速動車組系列關鍵技術的研究進展,并展望高速動車組核心關鍵技術的發(fā)展方向,以期為高速動車組的發(fā)展提供參考.

1 高速動車組產品

1.1 和諧號動車組

和諧號動車組是2004 年開始,通過引進消化吸收再創(chuàng)新形成的CRH1,CRH2,CRH3 及CRH5 等系列產品,于2007 年開始上線運營,實現國內首次速度為250 km/h 及以上的高速運營.

2008 年,原鐵道部、科技部簽署“中國高速列車自主創(chuàng)新聯(lián)合行動計劃”,研制持續(xù)運行速度350 km/h,最高運行速度380 km/h 的新一代高速動車組,如圖1 所示.在列車總成、車體、轉向架、牽引控制、變壓器、變流器、電機、網絡控制、制動系統(tǒng)九大關鍵技術方面取得重大突破,成功研制了速度380 km/h 系列高速動車組,建立了中國高速動車組自主研發(fā)平臺[1-2],并創(chuàng)造了486.1 km/h 的世界輪軌鐵路運營最高速度紀錄.

圖1 和諧號CRH380A 動車組Fig.1 Hexie CRH380A EMU

1.2 復興號動車組

2013 年,由中國鐵路總公司牽頭組織,依托發(fā)改委示范工程項目,深化自主創(chuàng)新力度,實現簡統(tǒng)化及互聯(lián)互通,完善中國高速動車組標準體系,研制速度為350 km/h 復興號動車組[3],如圖2 所示.

圖2 復興號CR400AF 動車組Fig.2 Fuxing CR400AF EMU

速度350 km/h 復興號動車組在自主化、互聯(lián)互通、安全性、舒適性、節(jié)能環(huán)保、智能化、經濟性等方面開展了深化創(chuàng)新工作,取得了重大突破.復興號動車組采用正向設計方法,進行了頂層設計指標的層層分解,進行了牽引、制動、網絡等系統(tǒng)的全新設計,實現了輪軸、制動盤等材料的國產化.復興號動車組實現了互聯(lián)互通、零部件統(tǒng)型,不同廠家的動車組能夠相互重聯(lián)、救援,操作界面、司乘界面、運用模式統(tǒng)一,零部件統(tǒng)型互換,減少配件備件種類.復興號動車組采用了先進的安全設計理論,采用涵蓋所有關鍵系統(tǒng)和設備的網絡監(jiān)控,設置實時采集項點2682 個,實現設備的狀態(tài)監(jiān)視、控車,同時開展被動安全設計,耐碰撞設計滿足EN 15227 標準.

速度350 km/h 復興號動車組舒適性全面提升,旅客服務設施更加完善,采用先進的噪聲控制策略,客室噪聲降低3～4 dB(A),全列列車實現無線WIFI覆蓋.復興號動車組更節(jié)能、更環(huán)保、更經濟,整車阻力降低12%,牽引效率提升1.8%,人均100 km 能耗降低17%,實現廢水、廢物零排放,對外噪聲、電磁輻射大幅降低,壽命延長至30 年、修程延長、零部件統(tǒng)型使得運用成本大幅降低.復興號動車組采用TCN 和高速傳輸以太網雙重冗余設計的網絡控制系統(tǒng),實現任意子系統(tǒng)的健康管理和全方位、多維度的監(jiān)控和故障診斷,智能化水平全面提升.

1.3 城際動車組

為適應城市群快速發(fā)展,構建四網融合體系,實現“門到門”運輸服務理念,研制了速度120～200 km/h 系列城際動車組,如圖3 所示.城際動車組突破了輕量化、高速持續(xù)快起快停、大負荷空調及壓力保護、大容量快速制動、大載重高速轉向架及混合動力驅動等關鍵技術[4-5].

圖3 城際動車組Fig.3 Intercity EMU

此外,為適應運輸模式改革,實現跨線、跨區(qū)運行,充分利用既有機、客車運用維護資源,研制了速度160 km/h 動力集中動車組.

1.4 前沿動車組產品

為完善產品譜系,研發(fā)了系列前沿動車組產品,引領高速動車組關鍵技術和裝備升級換代潮流,包括永磁電機動車組、更高速度試驗列車、高寒防風沙動車組、智能列車樣車、速度250 km/h 臥鋪動車組等.永磁電機動車組旨在引領牽引系統(tǒng)的發(fā)展,實現高效節(jié)能,永磁電機功率密度為1.02 kW/kg,效率達到97.7%,實現節(jié)能10%.更高速度試驗列車主要探索更高速度動態(tài)性能及安全性,臺架試驗速度達到605 km/h,牽引總功率達到21 120 kW,并發(fā)展了風阻制動、碳纖維等新技術、新材料.高寒防風沙動車組提升了列車惡劣環(huán)境適應性,可以適應?40～40?C,風沙環(huán)境及3000 m 高海拔環(huán)境.智能列車樣車提高了高速動車組智能化和服務品質,在系統(tǒng)感知、遠程監(jiān)控、在途預警、遠程應急指揮等方面實現突破.

2 關鍵技術挑戰(zhàn)

高速動車組是多節(jié)車輛編組而成的大長物體,且貼近地面高速運行,軌道及沿線設施的激擾劇烈,地面效應顯著,振動、沖擊及氣動效應復雜,高速動車組作用關系復雜.我國幅員遼闊,地形環(huán)境復雜,高速動車組運行于平原、丘陵、山區(qū)、高原等不同的地理氣候環(huán)境,高速鐵路沿線不同地點的溫度、濕度、海拔高度、風沙雨雪等差異顯著,高速動車組需要適應高寒高溫高濕環(huán)境,并能夠承受風沙雨雪作用[6].我國鐵路線路狀況復雜,客運專線、快速鐵路、普快鐵路并存,有砟軌道與無砟軌道并存,且線路上存在高路堤、高架橋、隧道等路況,高速動車組運用工況復雜.我國高速動車組經受復雜的作用關系、地理氣候、運用工況的考驗,高速強流固耦合狀態(tài)下,形成車?線?網之間的復雜作用關系,如圖4 所示.復雜環(huán)境下高速動車組的振動沖擊、疲勞、腐蝕、大風、風沙、積雪結冰、電磁干擾、雷電侵襲等適應性問題,是世界難題.

隨著高速動車組設計速度的逐步提高,高速動車組氣動載荷、壓力波及微氣壓波、輪軌作用力、振動加速度等指標迅速惡化,車?線?網?氣流大系統(tǒng)耦合作用更加劇烈,使得列車的運動行為急劇復雜,解耦難度增大,進一步增加了問題分析的復雜性和預防處置的難度,需要關注流固耦合與氣動安全、系統(tǒng)強耦合作用與輪軌安全、耦合振動與疲勞斷裂、強耦合作用與結構可靠性、牽引制動與速度匹配等方面的問題[7].

圖4 高速動車組耦合作用關系Fig.4 Coupled interaction of high-speed EMU

高速動車組安全可靠面臨巨大挑戰(zhàn),安全可靠設計也是高速動車組技術發(fā)展的首要任務,需將“裂、脫、燃、斷、爆、火、離、飏”八防要求解構到高速動車組本構總體、各系統(tǒng)及部件,如圖5 所示.為解決高速動車組安全可靠問題,需從技術方案、仿真優(yōu)化、試驗驗證、智能監(jiān)控、標準規(guī)范等各環(huán)節(jié)開展系統(tǒng)研究,高強度、輕量化、耐沖擊、耐疲勞、耐風沙、PHM 等技術都是高速動車組安全可靠綜合解決方案的重要環(huán)節(jié)[8].

隨著高速鐵路系統(tǒng)提質增效需求日益突出,提升高速動車組裝備使用率及維護效率,降低運營成本,是當前高速動車組技術發(fā)展的第二大重要任務,需要輕量化、減沖擊、提載重、高耐候、高可靠、高可用、高壽命、少維護的綜合解決方案,同時需要完善立體交通網絡,解決門到門出行效率,高速動車組產品譜系缺口加大.

智能化是高速鐵路技術發(fā)展的趨勢,需將現代網絡、通信、信息、傳感技術與列車控制系統(tǒng)深度融合,全面提升高速動車組自感知、自識別、自決策及自學習能力,實現高速動車組自動駕駛、智能運維與智慧服務,從而更高效安全運行.

3 關鍵技術進展

3.1 PHM 技術

圖5 高速動車組安全可靠要求Fig.5 Safety and reliability of high-speed EMU

PHM (prognostic and health management) 技術即為故障預測與健康管理技術,是通過先進的傳感技術拾取系統(tǒng)狀態(tài)信息,利用智能算法進行系統(tǒng)狀態(tài)分析、故障診斷及預測,并提出維修維護建議,支持使用者進行決策[9-10].PHM 技術主要關注系統(tǒng)的狀態(tài)感知、數據分析、健康狀況監(jiān)控、故障頻發(fā)位置與時間、故障發(fā)生與演進預測.PHM 系統(tǒng)可以大幅提升系統(tǒng)的運維效率,參考ISO 13774 標準,PHM 體系至少應該實現數據采集、數據處理、狀態(tài)監(jiān)測、健康評估、故障預測、決策支持六個方面的功能.

高速動車組PHM 系統(tǒng)主要由車載系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、地面系統(tǒng),以及應用推廣平臺等構成,對集群、列車、系統(tǒng)、部件進行健康管理,如圖6 所示.車載PHM系統(tǒng)對列車狀態(tài)進行預處理,包括故障診斷、健康評估和智能決策,并將狀態(tài)特征和預處理結果通過車地數據傳輸系統(tǒng)反饋到地面PHM 系統(tǒng).地面PHM 系統(tǒng)接收來自列車集群的運行數據,對列車集群進行差異性評估與分析,對運行數據中的相關性和因果性等關系進行挖掘,進而訓練和優(yōu)化車載PHM 系統(tǒng)中的分析模型[11-12].

高速動車組PHM 系統(tǒng)功能結構大致分為感知、處理與應用三個層次.感知層主要感知車載既有及新增信息、地面參數及產品設計、試驗、運維、售后等信息,完成數據采集及清洗.處理層主要接收感知層數據,進行數據轉換、存儲、特征提取、關聯(lián)分析和機器學習,進行關系挖掘和建模,完成數據到信息的實時處理分析.應用層主要根據處理層結果,將處理信息轉化為有價值的決策,通過可視化傳遞決策依據和建議,并通過信息反饋完成消息閉環(huán).

以走行部監(jiān)測系統(tǒng)中的軸箱軸承為例,采用具有徑向、橫向振動及溫度監(jiān)測的復合傳感器、車載采集分析系統(tǒng)硬件及軟件,部署地面開發(fā)驗證平臺,分析溫度、振動信號,診斷軸承故障、車輪多邊形等,判讀轉向架的健康狀態(tài).軸承前期損傷出現與發(fā)展較為緩慢,當宏觀缺陷出現后,缺陷擴展可能呈現指數級發(fā)展.故障發(fā)展的不同階段采用不同的監(jiān)測手段,如圖7 所示.在故障早期,采用聲發(fā)射技術,對軸承損傷探測的敏度最高,適用于早期故障發(fā)現.在故障中期,采用振動加速度包絡分析方法,低頻段的聲發(fā)射信號分析處理,適用檢測中、晚期故障.在故障晚期,采用油液鐵磁材料成分分析、振動位移與溫度監(jiān)測,對故障缺陷靈敏度最低,適用于晚期故障發(fā)現,此時軸承功能已經失效,需要立即更換.

3.2 車體輕量化技術

圖6 高速動車組PHM 系統(tǒng)Fig.6 PHM system of high-speed EMU

圖7 軸承故障診斷方法Fig.7 Fault diagnosis method of bearing

高速動車組車體輕量化設計不僅可以降低材料用量,降低車輛制造成本,還可以減小輪軌作用力,進而降低列車和軌道的維護成本.高速動車組車體輕量化與提高車體強度、剛度、自振頻率的要求存在沖突,車體結構設計需要在滿足現代車輛設計標準規(guī)定的條件下,對車體強度、剛度、自振頻率和輕量化予以綜合協(xié)調[13].車體輕量化設計主要從輕質高強度材料應用和車體結構優(yōu)化設計兩個方面開展.在輕質高強度材料應用方面,目前已實現從碳鋼車體向不銹鋼車體、鋁合金車體的轉變,攻克了車體材料國產化關鍵技術,解決了車體輕量化與強度、剛度及減振降噪等性能的矛盾,以及耐候性、耐腐蝕問題,目前正在開展碳纖維車體研制探索.

在車體結構優(yōu)化設計方面,掌握了速度200～250 km/h 高速動車組車體設計制造技術.高速動車組車體斷面由大型超薄中空鋁合金型材擠壓焊接而成,具有輕量化和等強度的特點.通過自主創(chuàng)新和深化創(chuàng)新,攻克了速度300～350 km/h 高速動車組車體設計制造技術[2].列車速度的提升、軸重的增加、氣密強度設計標準的提高,對高速動車組車體的強度、剛度等提出了更高的要求.通過大量的數值仿真與線路試驗,研究制定了高速條件下輕量化車體的主要設計目標:車體強度滿足EN12663,氣密強度滿足±6000 Pa,車體一階彎曲振動頻率大于10 Hz.為實現車體輕量化設計目標,采用分層次分模塊的等強度柔性化設計理念,將車體分為整體結構優(yōu)化、斷面結構優(yōu)化、車體部件結構優(yōu)化三個部分.車體主體結構仍采用大斷面、超薄中空、通長鋁合金中空型材焊接的整體承載結構.從斷面結構優(yōu)化而言,為了提高車體剛度和氣密強度,采用了一系列減少應力集中、提高承載能力的措施:側頂圓弧半徑增大,側頂型材斷面加大并進行變截面設計,并根據應力分布情況,將型材接縫重新分割優(yōu)化,車體斷面結構改進前后對比如圖8 所示.車體部件的結構優(yōu)化包括:外端墻、氣密隔墻、側墻門區(qū)結構采用中空型材結構;地板與邊梁采用高強度設計;司機室骨架及蒙皮結構優(yōu)化[13].

圖8 車體斷面優(yōu)化Fig.8 Optimization of car-body section

3.3 被動安全防護技術

高速動車組被動安全防護研究是一項系統(tǒng)工程,需從列車和車體兩個方面分別展開研究,以列車撞擊理論及耐撞性設計技術為指導,在理論分析、數值仿真、實物試驗三個方面取得突破,發(fā)展高速動車組車輛間碰撞理論,建立系統(tǒng)的高速動車組耐撞性設計方法,主要涉及整車能量分配、車體主結構與吸能區(qū)剛度匹配、吸能裝置材料選型和吸能裝置設計、頭罩自主破損設計及排障器剪切設計等內容[14-17].

根據剛柔耦合建模思想,構建高速列車剛柔耦合碰撞動力學模型,僅對車體前端可變形結構進行局部有限元建模,車體彈變區(qū)及轉向架等結構簡化為剛體,采用多體系統(tǒng)進行模擬,開展高速列車耐撞性設計.高速列車剛柔耦合碰撞動力學模型的主要接觸為車體主吸能結構間的接觸.碰撞開始后,列車端部鉤緩裝置首先開始接觸,鉤緩吸能裝置壓縮完畢,車鉤失效,車體可變形區(qū)域開始接觸,繼續(xù)變形吸能,端部主吸能結構形式如圖9 所示.單節(jié)車體剛柔耦合碰撞動力學模型如圖10 所示,模型中各結構的力學行為參數通過部件沖擊試驗得到.

圖9 主吸能結構接觸示意圖Fig.9 Contact of the main energy absorbing structure

圖10 剛柔耦合碰撞動力學模型Fig.10 Coupled collision dynamics model

圖11 給出八車編組高速列車的吸能結構布置形式,頭部采用三級吸能結構,分別為車鉤緩沖器,圖中OA段;可變形吸能元件,圖中AB段;主吸能結構,圖中CD段;圖中EF段為車體載人區(qū).高速動車組中間車端使用二級吸能結構,分別為車鉤緩沖器,圖中OA段;壓潰管,圖中AB段;圖中CD段為車體載人區(qū).

圖11 吸能結構布置形式Fig.11 Energy absorption structure decorate

通過一體化設計結構、梯級剛度匹配設計、分級強迫導向機構、高效吸能元件,實現高速動車組車體系統(tǒng)級耐碰撞性設計.高速動車組長細頭型導致主吸能結構與車鉤、開閉機構、排障器及其他設備的安裝空間異常緊張,主吸能結構與車體承載結構需一體化設計.進行鉤緩、主吸能、排障器和司機室的剛度梯級匹配,各級塑變協(xié)調,姿態(tài)正確,生存空間完整.采用導筒、導軌及防爬器進行宏觀導向和微觀調節(jié),取代防爬器,保證實車狀態(tài)有效嚙合及全程防爬糾偏.圖12 為頭車碰撞吸能設計.

通過開展被動安全防護技術,以實車工況碰撞防護為目標,打破發(fā)達國家高鐵市場的技術壁壘,完成速度52/76 km/h 車輛級實車碰撞試驗,吸收能量達4.0/8.0 MJ,完成速度36 km/h 列車級實車撞擊試驗,并據此優(yōu)化、定型復興號高速動車組被動安全防護設計方案.

圖12 頭車吸能設計Fig.12 Energy absorption design of head car

3.4 CFRP 應用

未來以高速動車組為代表的軌道車輛,需要綜合性能優(yōu)良的新型材料與結構,并突破傳統(tǒng)金屬等材料的局限,提供高效可靠,節(jié)能環(huán)保的解決方案.碳纖維等復合材料結構,以其輕量化、高強度、高模量、高耐候的優(yōu)異綜合性能,及在航空、航天、船舶、汽車及體育醫(yī)療等領域的成熟應用,成為解決此類問題的絕佳選擇.

國外纖維復合材料在材料設計結構、制造工藝、服役性能及維護等多方面積累的豐富經驗,為碳纖維復合材料(carbon fibre reinforced plastics,CFRP)在高速動車組領域的應用提供借鑒.國外軌道交通類企業(yè)和研究機構在前期基礎上,針對列車用碳纖維復合材料開展了系統(tǒng)研究,目前已實現眾多技術突破,積累了豐富的工程化應用經驗,應用范圍從內飾、車內設備、司機室外罩等非承載部件和次承載部件,擴大到車體、轉向架等主承載結構[18-20].

國內纖維增強復合材料在軌道交通領域的應用研究起步較晚,但發(fā)展迅速,目前已完成了次承載件和零部件的研制與應用,諸如高速列車司機室頭罩、裙板、受電弓導流罩、內飾板,低地板車的側墻和頂板,城軌車輛司機室頭罩、司機臺,城際動車組裙板等[21-23].2011 年,中車青島四方股份有限公司更高速度試驗列車CRH380AM 上采用碳纖維復合材料頭罩.2013 年,中車青島四方股份有限公司研制的城際動車組碳纖維設備艙裙板裝車試運行,相比鋁合金減重30%以上.2015 年,中車青島四方股份有限公司研制的中國標準動車組碳纖維設備艙裝車考核,較鋁合金結構減重35%以上.2018 年,中車青島四方股份有限公司研制下一代地鐵列車“車體+司機室+轉向架”等承載結構,進行列車大型CFRP 復雜結構設計和制造工藝探索,并進行低速運用考核,實現CFRP 應用技術突破,為主結構向CFRP 遷移做技術準備.圖13 為下一代地鐵列車碳纖維結構應用.

圖13 下一代地鐵列車碳纖維應用Fig.13 CFRP application of next generation metro train

目前,中車青島四方股份有限公司正在加速推進速度350 km/h 高速動車組、速度600 km/h 高速磁浮列車碳纖維承載結構研制.我國軌道交通產業(yè)正處于快速發(fā)展時期,應捉住這一機遇,建立產、學、研、用一體化研究平臺,推動CFRP 在軌道車輛領域的大規(guī)模應用,特別是在大型、復雜、通用承載結構件上的應用,促進我國高速軌道交通事業(yè)的發(fā)展.

3.5 氣動外形設計技術

隨著高速動車組運行速度的不斷提高,列車與空氣之間的相互作用變得越來越顯著,需要開展人、車、隧、環(huán)境耦合的空氣動力理論、評估、設計和制造一體化設計技術研究,突破氣動效應、隧道效應、交會效應、大風效應、地面效應和尺度效應的制約,攻克結構空間、線路條件、制造工藝約束的氣動外形多目標循環(huán)優(yōu)化設計難題,實現高速動車組綜合氣動性能的逐步提升[24-27].

高速列車氣動性能涉及多個方面,需要解決不同氣動性能與設計參數之間的匹配問題,同時需要考慮到空間結構對外形設計的限制,并需要兼顧民族文化傳統(tǒng)的要求.高速列車的氣動設計是在一定的限制條件下,系統(tǒng)分析氣動性能指標與設計變量的相關性,遵循設計目標最優(yōu)化的原則,采用仿真和試驗相結合的方法開展設計[28-30].圖14 給出高速列車氣動設計的頂層設計原則、性能指標及設計變量之間的關系.高速動車組氣動性能指標與氣動外形設計變量之間的關系錯綜復雜,且不同氣動性能指標之間可能會存在相互矛盾,為高速動車組氣動外形設計帶來巨大的困難.

高速動車組氣動外形設計主要從流線型頭型設計和表面平順化設計兩個方面展開,綜合提升列車氣動性能;通過氣動設計技術分析,總結前期氣動設計經驗,同時借鑒其他車型的成功經驗,根據頂層指標的新要求,提出高速動車組氣動外形設計思路和建議.高速動車組氣動外形設計策略主要為:反饋迭代,優(yōu)化邊界,結果一致,完善平臺.

針對流線型頭型設計,建立了涵蓋“概念設計+方案設計+技術設計+施工設計+樣車試驗”的高速動車組譜系化外形多目標循環(huán)優(yōu)化設計技術體系,通過系統(tǒng)優(yōu)化,得到幾十種備選方案,綜合氣動性能優(yōu)良,滿足設計要求.外形特征分明,文化內涵豐富,可作為系列高速動車組備選方案.大量的初步方案各具特色,都有進一步優(yōu)化提升空間,可作為頭型設計的備用庫.圖15 給出了典型高速動車組頭型設計方案.

在表面平順化設計方面,主要從集電系統(tǒng)、轉向架區(qū)域、車端連接、車頂天線、車門車窗等部位進行流線化、平順化處理,降低氣動阻力、減小氣動噪聲.針對不同部位的特點,結合前期研究成果,提出多種氣動外形設計方案,通過仿真優(yōu)化、風洞試驗及動模型試驗方法,綜合分析評估,確定表面平順化氣動設計方案.圖16 給出復興號CR400AF 表面平順化設計方案.

通過長期的氣動外形設計技術探索,解決了中國高速動車組面臨的大量氣動設計關鍵技術問題,滿足不同速度、不同運用環(huán)境的安全可靠、節(jié)能環(huán)保、舒適性等方面的需求.

圖14 設計原則、性能指標及設計變量的相關性Fig.14 Correlation among design principle,performance indexes and design variables

圖15 流線型頭型設計方案Fig.15 Design schemes of the streamlined head

圖16 表面平順化設計方案Fig.16 Design schemes of the surface smooth

3.6 高速轉向架技術

轉向架是決定高速動車組運行安全特性及乘坐舒適度的關鍵子系統(tǒng).以新材料、新結構、機電一體化為支撐的高強、輕質、智能高速轉向架是轉向架技術的發(fā)展趨勢.

轉向架質量為7～10 t,2 臺轉向架約占車輛質量的1/3,轉向架輕量化是實現高速動車組輕量化的關鍵.然而,轉向架作為走行關鍵承載部件,其結構安全性、系統(tǒng)剛度匹配性又與輕量化相制約.根據高速動車組耦合大系統(tǒng)動力學研究成果,隨著車速的增大,較大的簧下質量將使軌道下沉量加劇而增大線路維護保養(yǎng)成本,同時使車輛的輪重減載率增大而降低車輛運行安全性,以降低簧下質量為原則對轉向架簧下及簧間質量進行輕量化設計.

高速列車簧下部件主要包括輪對、軸箱及齒輪箱,輕量化設計要在動力學、強度及工藝可行性間進行平衡.以空心車軸、小直徑車輪等優(yōu)化措施為例,其在設計過程中以重量和強度安全系數為目標進行多軸疲勞評估下的優(yōu)化設計.轉向架簧間部分質量對動力學的影響不如簧下部分明顯,其輕量化目的主要在于減輕軸重.對于構架的輕量化設計要兼顧結構強度和剛度匹配.此外,集成式基礎制動裝置、永磁電機技術的應用也為高速列車簧間質量的輕量化提供了更廣闊的空間[13].

在新材料應用方面,依托下一代地鐵列車項目,研制了碳纖維構架,掌握了碳纖維構架設計、制造及試驗技術,與鋁合金構架相比,實現減重40%以上.同時,研制了碳陶制動盤,與鋼制制動盤相比,實現減重30%以上.在新結構應用方面,開展軸箱內置設計研究,包絡輪廓降低10%,簧下重量減重20%.目前正持續(xù)推進碳纖維構架、大功率基礎制動、主動控制、智能監(jiān)測及高速箱內置技術等研究,進一步提高列車運行安全性、穩(wěn)定性、舒適性及運用經濟性.

3.7 噪聲控制技術

噪聲傳播的三要素為噪聲源、傳遞途徑和接受者.高速動車組噪聲控制技術主要是對噪聲源和傳遞途徑兩個方面進行控制,使得車內外的噪聲水平控制在一定的范圍之內,從而滿足旅客乘坐舒適度要求.

高速列車噪聲控制主要是對車外噪聲和車內噪聲進行控制.根據國內外鐵路噪聲理論研究和試驗測試結果,高速列車車外噪聲主要由牽引噪聲、輪軌噪聲和氣動噪聲組成[31],它們與列車速度的變化關系如圖17 所示.牽引噪聲與列車速度近似成線性關系,輪軌噪聲與列車速度近似成3 次方關系,氣動噪聲與列車速度近似成6 次方關系,3 類噪聲對總噪聲的貢獻量與列車速度有關.在低速時,牽引噪聲對總噪聲的貢獻量最大,占主導地位.隨著列車速度的提高,輪軌噪聲對總噪聲的貢獻量將超過牽引噪聲,占主導地位.隨著列車速度的進一步提高,氣動噪聲對總噪聲的貢獻量將超過輪軌噪聲,占主導地位.由此將產生兩個臨界速度VC1和VC2,稱為聲學轉變速度.當輪軌噪聲得到很好的控制后,VC1將變大,而VC2將變小,也就是說在低速區(qū)域內,牽引噪聲將在更高的車速下占主導地位,而在高速區(qū)域內,氣動噪聲將在更低的車速下占主導地位.研究表明,當列車速度達到300 km/h 時,氣動噪聲將成為高速列車車外噪聲的主要來源[32].高速列車氣動噪聲源主要包括受電弓、轉向架、車端風擋、頭尾車流線型等區(qū)域,氣動外形優(yōu)化設計是降低高速列車氣動噪聲的主要手段[33-36].

圖17 車外噪聲與速度的關系Fig.17 Exterior noise and its relationship with speed

高速動車組車內噪聲主要來自于車外噪聲源,車外噪聲通過車體表面時一部分被反射,一部分被轉化為其他形式的能量或波被吸收,一部分以結構輻射噪聲的形式進入車內,最后一部分透過車體斷面進入車內.因此,傳遞途徑控制主要是對空氣聲和結構聲的控制.

在對動車組大量部件的試驗室測試和實車線路運行測試結果、數據分析及對理論系統(tǒng)研究的基礎上,通過對噪聲源和噪聲傳遞路徑的系統(tǒng)研究,在技術方案工程化設計中綜合考慮列車開發(fā)所追求的節(jié)能、環(huán)保設計理念,總結形成了分頻段控制、等聲壓級設計和輕量化設計三大原則.噪聲控制技術的關鍵問題是按照這三大控制策略,采用模態(tài)控制、減振設計、隔聲設計、吸聲設計和降低噪聲源等技術手段,實現對噪聲源和傳播途徑的控制[37].圖18 給出多層復合降噪設計方案.

圖18 多層復合降噪結構Fig.18 Multi-layer composite noise reduction structure

復興號車內外噪聲已達到優(yōu)級,優(yōu)于國內外噪聲標準.然而,在結構輕量化、聲品質提升、設備單頻噪聲控制、噪聲主動控制等方面尚有提升空間.圍繞現車噪聲問題診斷、新車型噪聲管理、典型車型聲品質提升等問題,從噪聲源識別與控制、整車降噪結構設計、聲品質與噪聲主動控制技術應用三方面持續(xù)展開研究,提升乘坐舒適性.

3.8 牽引制動技術

在牽引系統(tǒng)方面,研制基于SiC 的變流系統(tǒng),攻克了冷卻、故障保護及診斷等多項關鍵技術,變流器重量降低30%,損耗降低20%以上,并已在城軌領域進行裝車考核.開展功率芯片、智能化控制器、高效散熱器、超薄低感母排和傳感器等變流模塊PCU集成技術,滿足未來定制化、輕量化和小型化需求,并已完成PCU 樣機研制,通過了功率測試及可靠性試驗.研究級聯(lián)分壓整流技術,研制電力電子變壓器,大幅提高功率密度,減重節(jié)能效果優(yōu)良,并已完成1.6MVA 工程牽引變流樣機,效率提高2%,體積減小20%,重量減小15%.

在制動系統(tǒng)方面,開展更高速度制動技術、綠色化制動技術、智能化制動技術、及新型摩擦材料研究.在更高速度制動方面,克服黏著極限,開展非黏著制動及減速度閉環(huán)研究,滿足更高速度下的制動需求.開展風阻制動、線性渦流制動、磁軌制動等非黏著制動技術研究,風阻制動已在更高速度試驗列車上完成裝車考核,如圖19 所示.在綠色化制動技術方面,開展電機械制動和無油空壓機研究,電機械制動技術采用電機直接驅動基礎制動器實施制動,取消風源與管路,已在城軌車輛上進行應用.無油空壓機具有免潤滑與維護的優(yōu)勢,提高空氣質量,已開發(fā)無油活塞式和渦旋式兩種.在智能化制動技術方面,開展制動系統(tǒng)關鍵部件本地/遠程診斷、預警及預測研究,已完成車載智能單元研制,實現閥類、風源等關鍵部件的故障診斷與預警.在新型摩擦材料方面,摩擦材料的選擇向輕量化、更高熱容、更耐磨方向發(fā)展,重點開展鋁基復合摩擦材料和碳陶摩擦材料研究,包括材料制備、成型、結構設計及關鍵共性技術及服役邊界條件.

圖19 風阻制動技術Fig.19 Wind brake technology

4 技術發(fā)展方向

隨著技術不斷成熟進步,高速動車組產品譜系與性能不斷發(fā)展,推動一體化交通體系建設,大幅度提高門到門旅行效率和舒適性、便利性.為支撐高速動車組產品研發(fā),亟需重點突破一系列關鍵技術.

4.1 動力學技術深化研究

深入研究高速輪軌關系及系統(tǒng)動力學理論:進行高速和復雜服役環(huán)境下輪軌接觸、脫軌及蠕變機理研究,從微觀辨識其行為特征和變化規(guī)律;持續(xù)優(yōu)化懸掛系統(tǒng)性能,提高故障運行能力和冰雪運行安全性;研究主動懸掛技術,實時調節(jié)懸掛性能參數;研究多種徑向技術,提高曲線通過能力;持續(xù)進行脫軌防護技術研究,優(yōu)化防護策略.

進一步完善動力學研究平臺:健全動力學、強度等標準及仿真?試驗?評估?優(yōu)化流程;建立更精確的剛柔耦合大系統(tǒng)模型,基于線路條件(曲線、坡度、不平順等) 和線路載荷譜,修正模型與邊界,提升分析精度,研究主動控制與動力學仿真結合的分析技術;建設耦合滾振+車體激勵+氣動激勵,和線路條件及牽引制動工況的高速車輛級動力學試驗臺,提升研究能力.

4.2 結構安全技術精細化研究

研究線路運行載荷,獲取各種線路條件、運行里程及速度工況下,振動、氣動、電磁沖擊的載荷譜,建立數據庫.優(yōu)化系統(tǒng)仿真模型,基于線路載荷譜,修正流固與電磁耦合大系統(tǒng)及各子系統(tǒng)模型,精細分析車體等各部件安全性.深入揭示微動機理,實現精確仿真與試驗驗證,完善疲勞評價技術,對輪軸等部件進行更準確的損傷評估.研發(fā)新型試驗平臺,運用車輛級的模態(tài)振動試驗平臺,開展車體、轉向架整體、局部及耦合模態(tài)試驗;建設氣密與振動載荷耦合的強度試驗平臺,模擬線路運行工況.

4.3 被動安全防護技術深化研究

發(fā)展列車追蹤接近預警系統(tǒng)應用技術,提高主動安全性能;持續(xù)深化被動安全技術,盡快納入高速動車組設計流程.

深化材料動態(tài)性能研究,全面開展金屬材料、復合材料動態(tài)性能研究,建立材料動態(tài)性能數據庫.繼續(xù)優(yōu)化吸能結構,全包覆工況下,車體結構、吸能部件、包覆部件剛度梯度匹配、協(xié)調動作及輕量化優(yōu)化研究,設計輕量化高性能耐撞擊結構,防護速度達到100 km/h.開展高速列車級的撞擊試驗,獲取核心數據,支撐結構設計,促進吸能技術工程化應用.完善列車高速撞擊平臺,持續(xù)開展撞擊試驗,完善仿真模型,評估設計結構,建立設計標準.

4.4 流固耦合技術深化研究

深入研究流動精細化技術:深化車體邊界層機理研究,準確揭示其流場機理和脈動規(guī)律;深化復雜流場分析,精準描述設備艙、轉向架、車端及集電系統(tǒng)等復雜湍流流場特征;發(fā)展煙、火、風、沙、雪等多相流仿真及試驗技術,提高災害及惡劣環(huán)境安全性;建立完善的地面效應理論與試驗方法,探明其持續(xù)與非周期性變化特征,及隨速度變化規(guī)律;深入研究相似準則,提高風洞及動模型試驗準確度;優(yōu)化測試技術,提高模型及線路試驗精度.

深入研究氣動噪聲仿真及試驗技術:氣動噪聲計算復雜,列車氣動噪聲評估通常只能針對三車編組1:8 縮比模型,計算精度和效率也亟需提升,縮比模型與全尺寸模型氣動噪聲近似轉換理論也亟待建立.在線路試驗方面,車外噪聲解耦技術也是世界難題.

完善氣動優(yōu)化及試驗平臺:建立高速動車組專用試驗平臺,具有移動地面等抵消附面層影響、模擬相對運動、適應長細模型的高速力學及環(huán)境、風沙風洞;具備橫風功能,試驗速度500 km/h 的輪軌和試驗速度600 km/h 的磁浮動模型試驗臺及更高速度低真空試驗臺;完成標準模型及氣動性能測試研究,以標定風洞試驗,提高試驗精準度;完善高速動車組的參數化氣動優(yōu)化平臺,形成譜系化產品研發(fā)能力.

4.5 牽引及制動系統(tǒng)深化研究

大功率高效牽引輔助:圍繞小型化、輕量化、高效率、低能耗需求,持續(xù)研究推動大功率IGBT、碳化硅器件和高性能永磁材料應用,盡快研發(fā)大功率高效牽引系統(tǒng)及高頻輔變系統(tǒng),實現高速動車組牽引系統(tǒng)輔助升級換代.

高速高效的電磁與超導系統(tǒng):研究高導磁、低鐵損電磁材料及高性能永磁材料,提高電機力矩及牽引效率;研究高可靠性超導材料,提高超導電機、儲能系統(tǒng)及磁浮系統(tǒng)的牽引、儲能及懸浮導向效率,支撐高速磁浮及未來各型高速動車組系列研發(fā).

開展制動黏著特性、摩擦材料、新型制動裝置等制動基礎技術以及大數據技術應用研究,進一步提升制動能力及可靠性.繪制中國線路輪軌黏著曲線,填補空白,為制動力與防滑設計提供依據;試驗出準確的制動摩擦特性曲線,提升控制精度;研制碳陶等高性能摩擦材料,滿足更高速度更大容量需求.推動風阻、磁軌、渦流、相變等非黏著制動技術及直接制動等新型制動技術的工程化應用.

4.6 智能控制安全技術研究

基于控制安全,開展全自動控制技術、智能化診斷、智能傳感器網絡及一體化網絡系統(tǒng)的研究,進一步提升控制智能化與安全性.深化基于工業(yè)以太網的網絡及融合控制技術,實現與人工智能技術有機結合,實現智能運維、無人駕駛和現代智能服務.研究碳納米芯片及柔性化、集成化、智能化的多種傳感?采集?處理系統(tǒng).

智能設備、智能分析、智能決策三大要素與網絡、計算、運維有機整合,可挖掘工業(yè)互聯(lián)網及人工智能潛能,實現節(jié)能降本增效,帶動產業(yè)鏈發(fā)展.人工智能在列車裝備的應用方向包括:數據驅動的預測性建模分析,以預測為基礎的資源有效性運營決策優(yōu)化,對實體鏡像對稱建模的信息-物理系統(tǒng).

4.7 PHM 技術持續(xù)研究

將結構健康監(jiān)測 (structural health monitoring,SHM) 等既有及新增單元納入PHM 系統(tǒng),感知信息協(xié)同、同步,構建關聯(lián)性系統(tǒng)分析模型,并融入列車智能運維系統(tǒng)平臺,提高故障監(jiān)測、分析、報警、決策的系統(tǒng)性和時效性.

建立各關鍵部位的系列材料、結構、性能的正常及損傷樣本,完善列車及集群級PHM 數據庫,基于大數據技術,研究損傷特征及衍變規(guī)律,提高健康監(jiān)測和剩余壽命分析的準確性、實用性.

構建基礎設施、移動裝備、運營指揮、檢修、旅客服務五位一體的統(tǒng)一數據中心,研究海量數據高效處理、多源異構數據融合技術、制定數據標準及接入規(guī)范,融合各種檢測系統(tǒng),納入PHM 體系平臺,實現各子系統(tǒng)數據共享、同步及協(xié)同驅動,統(tǒng)籌數據分析管理,高效監(jiān)測管理與服務.

目前,PHM 基礎理論與軌道車輛應用技術發(fā)展迅速,經初步裝車考核,效果良好.為進一步推廣應用,需加快研究發(fā)布相關標準及規(guī)范.為推進軌道車輛的標準化工作,后續(xù)需深入開展以下技術研究課題.

(1)故障判據:研究不同材料在不同系統(tǒng)及結構中的最小故障識別標準.

(2)損傷容限:進行安全評估與壽命預測,建立容限?策略模型,及剩余壽命評估標準.

(3)決策機制:研究失效準則,故障發(fā)展規(guī)律,建立數據庫,確定決策機制與流程.

(4)應用準則:確定各方法技術條件,檢查驗收及認證規(guī)范.

(5)裝車工藝:深入研究不同監(jiān)測技術裝車方案,建立各種PHM 系統(tǒng)裝車規(guī)范.

(6) 系統(tǒng)試驗:研究各種監(jiān)測系統(tǒng)調試試驗,建立監(jiān)測系統(tǒng)試驗標準.

(7)數傳處理:研究車地間數據傳輸處理機制,特別是海量數據的無線傳輸和異構數據處理.

4.8 綜合節(jié)能技術研究

圖20 綜合節(jié)能技術Fig.20 Comprehensive energy-saving technology

節(jié)能主要從列車減阻、系統(tǒng)效率及能量管理三方面入手,綜合解決,如圖20 所示.有序推進研究碳纖維、鎂合金、高強度鋼、納米合金、碳化硅等先進材料工程化應用.進行精細化氣動設計優(yōu)化和動量管理,推動基于流動控制的氣動減阻技術應用.研究高能效牽引傳動及輔助技術、提高全系統(tǒng)效率,提升車體隔熱性能與空調等系統(tǒng)的節(jié)能水平.開展精確的列車能量管理,統(tǒng)籌設備工作序列與狀態(tài).

5 結論

十幾年來,以高速動車組為代表的高速鐵路裝備在長期技術積累和自主研發(fā)基礎上,經過引進消化吸收再創(chuàng)新、自主提升創(chuàng)新、全面創(chuàng)新和持續(xù)創(chuàng)新,成功研制了多代先進產品,并通過持續(xù)創(chuàng)新,積極應對產品安全性、可靠性、能效及智能化出現的新挑戰(zhàn).

未來高速動車組發(fā)展應以國家戰(zhàn)略為指引,以用戶需求為導向,以技術創(chuàng)新為支撐,堅持合作發(fā)展、協(xié)作共贏的全球化市場理念,通過戰(zhàn)略實施、統(tǒng)籌管理、協(xié)同布局,提升高速動車組產品技術水平,推動高鐵裝備走世界引領之路.