第53卷第1期 力 学学报Vol. 53, No. 1 2021 年 1月Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics Jan.,2021高速列车设计和服役关键力学问题专题
中国高速列车研发与展望b
丁畚卷2>陈大伟刘加利
(中车青岛四方机车车辆股份有限公司，青岛266111)
摘要十几年来，以高速列车为代表的高速铁路装备在长期技术积累和自主研发的基础上，经过引进消化吸收再
创新、自主提升创新、全面创新和持续创新，成功研制了多代先进的高速列车产品.通过不断的技术创新，突破
了高速列车系列关键技术，形成了自主研发能力，不断提升高速列车的安全性、可靠性、经济性、环保性及智能
化.我国高速列车的运行速度、综合舒适度、安全性、可靠性、节能环保等各项综合性能指标优良，部分指标达
到国际领先水平.论文系统回顾了我国和谐号动车组、复兴号动车组、城际动车组、前沿动车组产品的发展成
就及主要技术突破，分析了高速列车研发过程中面临的复杂环境适应性、大系统复杂耦合作用、安全可靠设计、
智能化应用等关键技术挑战，系统概述了高速列车故障预测与健康管理技术、车体轻量化技术、被动安全防护
技术、碳纤维复合材料应用、气动外形设计技术、高速转向架技术、噪声控制技术、牵引制动技术等关键技术
的研究进展及主要技术突破，并展望了高速列车动力学技术、结构安全技术、被动安全防护技术、流固耦合技
术、牵引制动技术、智能控制安全技术、故障预测与健康管理技术、综合节能技术等关键技术的未来发展方向.
关键词高速列车，智能化，轻量化，被动安全，气动设计，噪声控制
中图分类号：U266 文献标识码：A doi: 10.6052/0459-1879-20-225
都市之游戏人间RESEARCH, DEVELOPMENT AND PROSPECT OF CHINA HIGH-SPEED TRAIN 1}
Ding Sansan*2*Chen Dawei Liu Jiali
(CRRC Qingdao Sifang Co., Ltd., Qingdao 266111, China)
Abstract For more than ten years,based on the long-term technology accumulation and independent research and development of the high-speed railway equipment represented by the high-speed train,multiple generations of the advanced high-speed train products had been successfully developed through the technology introduction,digestion and innovation, independent promotion and innovation,comprehensive innovation and continuous innovation.Through the continuous technological innovation,important technology breakthroughs had been made in the series key technologies of the highspeed train,and the independent research and development capabilities had been formed,which continuously improve the safety,reliability,economy,environmental protection and intelligence of the high-speed train.China high-speed trains have excellent comprehensive performance indicators,such as the operating speed,comprehensive comfort,safety, reliability,energy conservation,environmental protection,etc.Some performance indicators have reached the international advanced level.In the present paper,the development achievements and major technology breakthroughs of China
2020-06-28 收稿，2020-08-24 录用，2020-08-24 网络版发表.
1)国家重点研发计划（2016Y F B1200602)和中国工程院咨询研宄（2018-G D-3-3)资助项目.
2)I卷巻，教授级高级工程师，主要研究方向：车辆系统工程、列车空气动力学、列车撞击力学.E-m ail:**************************
引用格式：丁叁叁，陈大伟，刘加利.中国高速列车研发与展望.力学学报，2021，53(1): 35-50
Ding Sansan, Chen Dawei, Liu Jiali. Research, development and prospect of China high-speed train. Chinese Journal of Theoretical
__________and Applied Mechanics,2021, 53(1):35-50_____________________________________________________________________
36力 学学报2021年第53卷
魔兽历史high-speed trains,including Hexie EMU,Fuxing EMU,intercity EMU and advanced EMU products,were firstly systematically reviewed.Then the key technology challenges that faced during the research and development of the high-speed train were analyzed,including the complex environ
ment adaptability,complex coupled effect of the large system,safe and reliable design,intelligent application,etc.The research progresses and major technology breakthroughs of the key technologies of the high-speed train,such as the prognostic and health management(PHM)technology,lightweight vehicle body technology,passive safety protection technology,carbon fibre reinforced plastics(CFRP)applications,aerodynamic shape design technology,high-speed bogie technology,noise control technology,traction and brake technology,etc.were systematically outlined.Finally,the future developments of the key technologies of the high-speed train,such as the dynamic technology,structural safety technology,passive safety protection technology,fluid-structure coupled technology,traction and brake technology,intelligent control safety technology,prognostic and health management technology, comprehensive energy saving technology,etc.were further prospected.
Key words high-speed train,intelligent,lightweight,passive safety,aerodynamic design,noise control
引言
高速铁路是世界铁路运输发展的共同趋势，也 是铁路技术现代化的主要标志.高速铁路已在世界 各国得到广泛的重视和蓬勃的发展，我国也开始对 高速铁路进行研宄和建设，并取得了迅猛的发展及 举
世瞩目的成就.截至2019年底，我国高速铁路运 营里程突破3.5万公里，在线高速动车组3665标准 组，高速铁路运营里程及高速动车组保有量均占世 界2/3以上，稳居世界第一.我国高速铁路“四纵四 横”干线网已建设完成，并向“八纵八横”大网发展，覆盖除西藏外的全部省份，预计至2030年，高速铁路 运营里程将达到4.5万千米，在线高速动车组将超过 7000标准组.
作为高速铁路核心装备的高速动车组，自2004 年以来，在长期技术积累和自主研发的基础上，经过 引进消化吸收再创新、自主提升创新、全面创新和 持续创新，搭建了高速动车组产品谱系化研发平台，满足用户的差异化需求，形成40余种型号的高速动 车组产品，涵盖160~400 km/h速度等级，运用于既 有线提速、城际铁路和客运专线，覆盖不同的运用环 境、编组型式和用途.
我国高速动车组的运行速度、综合舒适度、安全 性、可靠性、节能环保等各项综合性能指标优良，部 分指标达到国际领先水平，创造多个世界纪录.在运 行速度方面，2010年12月3日，在京沪高铁枣庄至蚌 埠试验段，CRH380A创造了 486.1 km/h的世界轮轨 铁路运营最高速度纪录;2016年7月15日，在郑徐 客运专线，复兴号动车组创造了 420 km/h的世界最高速度列车交会试验.在综合舒适度方面,350 km/h 下，高速动车组客室噪声为66〜68 dB(A)，隧道通过 车内压力波动为205 Pa/3 s.在安全性方面，截止到目 前，高速动车组安全运营里程达90亿千米，安全运 送人次达100亿；486.1 km/h下，高速动车组轮重减 载率为0.67; 350 km/h下，高速动车组紧急制动距离 为4850 m.在可靠性方面，高速动车组百万公里故障 率小于0.5，服役寿命达20年以上.在节能环保方面，350 km/h下，高速动车组百
公里人均能耗为3.8度电, 车外通过噪声为93 dB(A).
在高速动车组研发过程中，开展了大量的基础 研宄、设计探索、仿真优化、台架试验及长期线路跟 踪试验，积累了大量宝贵数据与经验，自主攻克了大 量核心技术难题，解决了一系列重大技术问题，形成 了自主研发能力.本论文将重点回顾我国高速动车 组的发展历程，探讨高速动车组设计研发中面临的 技术挑战，论述高速动车组系列关键技术的研宄进 展，并展望高速动车组核心关键技术的发展方向，以期为高速动车组的发展提供参考.
1高速动车组产品
1.1和谐号动车组
和谐号动车组是2004年开始，通过引进消化吸 收再创新形成的CRH1，CRH2,CRH3及CRH5等系 列产品，于2007年开始上线运营，实现国内首次速度 为250 km/h及以上的高速运营.
2008年，原铁道部、科技部签署“中国高速 列车自主创新联合行动计划”，研制持续运行速度
第1期丁叁叁等：中国高速列车研发与展望37
350 km/h，最局运行速度380 km/h的新一代高速动 车组，如图1所示.在列车总成、车体、转向架、牵
引控制、变压器、变流器、电机、网络控制、制动系 统九大关键技术方面取得重大突破，成功研制了速 度380 km/h系列高速动车组，建立了中国高速动车 组自主研发平台并创造了 486.1 km/h的世界轮 轨铁路运营最高速度纪录.
牛骨头汤的做法图1和谐号C R H380A动车组
Fig. 1Hexie CRH380A EMU
鸭汤的做法1.2复兴号动车组
2013年，由中国铁路总公司牵头组织，依托发改 委示范工程项目，深化自主创新力度，实现简统化及 互联互通，完善中国高速动车组标准体系，研制速度 为350 km/h复兴号动车组％如图2所示.
图2复兴号C R400A F动车组
Fig. 2 Fuxing CR400AF EMU
速度350 km/h复兴号动车组在自主化、互联互 通、安全性、舒适性、节能环保、智能化、经济性等 方面开展了深化创新工作，取得了重大突破.复兴号 动车组采用正向设计方法，进行了顶层设计指标的 层层分解，进行了牵引、制动、网络等系统的全新设 计，实现了轮轴、制动盘等材料的国产化.复
武则天国号兴号动 车组实现了互联互通、零部件统型，不同厂家的动车组能够相互重联、救援，操作界面、司乘界面、运用 模式统一，零部件统型互换，减少配件备件种类.复 兴号动车组采用了先进的安全设计理论，采用涵盖 所有关键系统和设备的网络监控，设置实时采集项 点2682个，实现设备的状态监视、控车，同时开展被 动安全设计，耐碰撞设计满足EN 15227标准.
速度350 km/h复兴号动车组舒适性全面提升，旅客服务设施更加完善，采用先进的噪声控制策略，客室噪声降低3〜4 dB(A)，全列列车实现无线WIFI 覆盖.复兴号动车组更节能、更环保、更经济，整车 阻力降低12%，牵引效率提升1.8%，人均100 km能 耗降低17%，实现废水、废物零排放，对外噪声、电磁辐射大幅降低，寿命延长至30年、修程延长、零部 件统型使得运用成本大幅降低.复兴号动车组采用 TCN和高速传输以太网双重冗余设计的网络控制系 统，实现任意子系统的健康管理和全方位、多维度的 监控和故障诊断，智能化水平全面提升.
1.3城际动车组
为适应城市快速发展，构建四网融合体系，实现“门到门”运输服务理念，研制了速度120〜200 km/h系列城际动车组，如图3所示.城际动车组突破了轻量化、高速持续快起快停、大负荷空调 及压力保护、大容量快速制动、大载重高速转向架 及混合动力驱动等关键技术I4#.
图3城际动车组
Fig. 3 Intercity EMU
此外，为适应运输模式改革，实现跨线、跨区运 行，充分利用既有机、客车运用维护资源，研制了速 度160 km/h动力集中动车组.
1.4前沿动车组产品
为完善产品谱系，研发了系列前沿动车组产品，引领高速动车组关键技术和装备升级换代潮流，
包
38力2021年第53卷
学括永磁电机动车组、更高速度试验列车、高寒防风 沙动车组、智能列车样车、速度250 km/h 卧铺动车 组等.永磁电机动车组旨在引领牵引系统的发展，实 现高效节能，永磁电机功率密度为1.02 kW /kg ，效率 达到97.7%，实现节能10%.更高速度试验列车主要 探索更高速度动态性能及安全性，台架试验速度达 到605 km /h ，牵引总功率达到21 120 kW ，并发展了风 阻制动、碳纤维等新技术、新材料.高寒防风沙动车 组提升了列车恶劣环境适应性，可以适应-40〜40。(：， 风沙环境及3000 m 高海拔环境.智能列车样车提高 了高速动车组智能化和服务品质，在系统感知、远程 监控、在途预警、远程应急指挥等方面实现突破.
2关键技术挑战
高速动车组是多节车辆编组而成的大长物体，且
贴近地面高速运行，轨道及沿线设施的激扰剧烈，地 面效应显著，振动、冲击及气动效应复杂，高速动车 组作用关系复杂.我国幅员辽阔，地形环境复杂，高 速动午组运行于平原、丘陵、山区、高原等不同的地 理气候环境，高速铁路沿线不同地点的温度、湿度、 海拔高度、风沙雨雪等差异显著，高速动车组需要适 应高寒高温高湿环境，并能够承受风沙雨雪作用161. 我国铁路线路状况复杂，客运专线、快速铁路、普快 铁路并存，有砟轨道与无砟轨道并存，且线路上存在 高路堤、高架桥、隧道等路况，高速动车组运用工况 复杂.我国高速动车组经受复杂的作用关系、地理气 候、运用工况的考验，
高速强流固耦合状态下，形成 车-线-网之间的复杂作用关系，如图4所示.复杂 环境下高速动车组的振动冲击、疲劳、腐蚀、大风、 风沙、积雪结冰、电磁干扰、雷电侵袭等适应性问 题，是世界难题.
随着高速动车组设计速度的逐步提高，高速动 车组气动载荷、压力波及微气压波、轮轨作用力、振 动加速度等指标迅速恶化，车-线-网-气流大系统 耦合作用更加剧烈，使得列车的运动行为急剧复杂， 解耦难度增大，进一步增加了问题分析的复杂性和 预防处置的难度，需要关注流固耦合与气动安全、系 统强耦合作用与轮轨安全、耦合振动与疲劳断裂、强 耦合作用与结构可靠性、牵引制动与速度匹配等方 面的问题|71.
高速动车组安全可靠面临巨大挑战，安全可靠设 计也是高速动车组技术发展的首要任务，需将“裂、
学 报图4高速动车组耦合作用关系
梦见下雨是什么征兆Fig. 4 Coupled interaction of high-speed EMU
脱、燃、断、爆、火、离、飏”八防要求解构到高速 动车组本构总体、各系统及部件，如图5所示.为解 决高速动车组安全可靠问题，需从技术方案、仿真优 化、试验验证、智能监控、标准规范等各环节开展 系统研究，高强度、轻量化、耐冲击、耐疲劳、耐风 沙、PHM 等技术都是高速动车组安全可靠综合解决 方案的重要环节[8].
随着高速铁路系统提质增效需求日益突出，提 升高速动车组装备使用率及维护效率，降低运营成 本，是当前高速动车组技术发展的第二大重要任务， 需要轻量化、减冲击、提载重、高耐候、高可靠、高 可用、高寿命、少维护的综合解决方案，同时需要完 善立体交通网络，解决门到门出行效率，高速动车组 产品谱系缺口加大.
智能化是高速铁路技术发展的趋势，需将现代 网络、通信、信息、传感技术与列车控制系统深度融 合，全面提升高速动车组自感知、自识别、自决策及 自学习能力，实现高速动车组自动驾驶、智能运维与 智慧服务，从而更高效安全运行.
3关键技术进展
3.1 PHM 技术
PHM (prognostic and health management )
技术即
第1期丁叁叁等：中国高速列车研发与展望39
collision
dynamics
overspecd protection
aerodynamic safety
mode matching
structural design
earthquake warning electromagnetic interference electromagnetic sensitivity
circuit design
♦impact injury
♦crush injury
♦scrape injury
♦electrical spark
♦equipment burning
♦material performance
♦fire protection design
♦equipment burst
♦splash injury
♦terrorist explosion
图5高速动车组安全可靠要求
Fig. 5 Safety and reliability o f high-speed EMU
为故障预测与健康管理技术，是通过先进的传感技 术拾取系统状态信息，利用智能算法进行系统状态 分析、故障诊断及预测，并提出维修维护建议，支持 使用者进行决策PHM技术主要关注系统的状 态感知、数据分析、健康状况监控、故障频发位置与 时间、故障发生与演进预测.PHM系统可以大幅提 升系统的运维效率，参考ISO 13774标准,PHM体系 至少应该实现数据采集、数据处理、状态监测、健康 评估、故障预测、决策支持六个方面的功能.
高速动车组PHM系统主要由车载系统、通讯系 统、地面系统，以及应用推广平台等构成，对集、列车、系统、部件进行健康管理，如图6所示.车载PHM 系统对列车状态进行预处理，包括故障诊断、健康评 估和智能决策，并将状态特征和预处理结果通过车地 数据传输系统反馈到地面PHM系统.地面PHM系统接收来自列车集的运行数据，对列车集进行 差异性评估与分析，对运行数据中的相关性和因果 性等关系进行挖掘，进而训练和优化车载PHM系统 中的分析模型
高速动车组PHM系统功能结构大致分为感知、处理与应用三个层次.感知层主要感知车载既有及 新增信息、地面参数及产品设计、试验、运维、售后 等信息，完成数据采集及清洗.处理层主要接收感知 层数据，进行数据转换、存储、特征提取、关联分析 和机器学习，进行关系挖掘和建模，完成数据到信息的实时处理分析.应用层主要根据处理层结果，将处 理信息转化为有价值的决策，通过可视化传递决策 依据和建议，并通过信息反馈完成消息闭环.
以走行部监测系统中的轴箱轴承为例，采用具 有径向、横向振动及温度监测的复合传感器、车载 采集分析系统硬件及软件，部署地面开发验证平台，分析温度、振动信号，诊断轴承故障、车轮多边形等，判读转向架的健康状态.轴承前期损伤出现与发展 较为缓慢，当宏观缺陷出现后，缺陷扩展可能呈现指 数级发展.故障发展的不同阶段采用不同的监测手 段，如图7所示.在故障早期，采用声发射技术，对轴 承损伤探测的敏度最高，适用于早期故障发现.在故 障中期，采用振动加速度包络分析方法，低频段的声 发射信号分析处理，适用检测中、晚期故障.在故障 晚期，采用油液铁磁材料成分分
析、振动位移与温度 监测，对故障缺陷灵敏度最低，适用于晚期故障发现, 此时轴承功能己经失效，需要立即更换.
3.2车体轻量化技术
高速动车组车体轻量化设计不仅可以降低材料 用量，降低车辆制造成本，还可以减小轮轨作用力，进而降低列车和轨道的维护成本.高速动车组车体 轻量化与提高车体强度、刚度、自振频率的要求存 在冲突，车体结构设计需要在满足现代车辆设计标 准规定的条件下，对车体强度、
刚度、自振频率和轻
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