国外新型高速动车组技术现状与发展趋势.docx

国外新型高速动车组技术现状与发展趋势引言高速铁路作为铁路运输现代化的龙头，是铁路行业技术发展水平的综合体现。近年来，得益于技术创新和需求提升的双重驱动，全球高速铁路行业面临巨大的发展机遇。德国、法国、日本等传统高铁强国纷纷推出新代高速列车产品，其产品各具特点且采用r许多世界领先的优势技术。面对激烈的国际竞争，我国明确提出“交通强国建设”要求，将轨道交通提到战略性高度，并做出“推动时速400公里级高速铁路关键技术研发”的部署。因此，亟需对国外技术发展趋势进行总结，并结合当前我国铁路发展实际需求，对高速动车组技术发展方向提出建议，加快轨道交通行业创新突破，为推动我国铁路行业高质量发展提供支撑。1、-国德国最具代表性的高速动车组是城际特快列车(InterCityExpress,ICE)。1988年，ICE-V试验列车研发成功；此后，德国逐渐形成以ICEKICE2,1CE3.ICE4为代表的系列高速动车组。ICE系列高速动车组均由西门子公司制造，其中ICE1、ICE2采用动力集中方式设计，ICE3首次采用动力分散方式设计以适应高速运行。目前，运营中的最新一代ICE主力车型为ICE4,其在减自质量、降成木、环保、舒适性等方面提出了较高要求；Ve1.aroWVO则是西门子公司正在研发中的新一代动车组技术平台，以降低全生命周期成本、轻量化、增加定员为目标。ICE4与Ve1.aroNovo的设计理念不仅反映镌国铁路股份公司(DeutscheBahnAG,DB)作为运营商对动车组性能的需求，也反映西门子公司作为一个主机制造企业对未来车型的思考，具有一定代表性。1.1 ICE4ICE4是西门子公司为DB开发，用于逐步替换ICEKICE2的新一代动车组(见图1)。其中，12节编组的动车组于2017年12月投入使用；7节编组的动车组于2020年】2月交付。ICE4在DB内部的定型编号为412型，其主要特点如下。图1ICE4【灵活可变编组】ICE4实现了在一个技术平台下的灵活可变编组，以适应不同加速度、速度、定员要求的乘客运输任务。ICE4可实现514节的任意组合，最高运行速度达280kmh.其中，7节和12节编组为基本型,最高运行速度分别为230kmh和250kmh,2列7节编组动车组可实现重联运行。ICE4主要技术参数见表I-表I1.CE4主要技术参数【创新驱力方案】ICE4的牵引系统采用“动力包”的创新驱力方案开展模块化和集成化设计（见图2）,1个牵引单元的主要部件包括变压器、冷却设备、变流器、牵引电机等，均集成于1辆动力车并安装于车厢下方。该系统由西门子公司和庞巴迪公司联合开发，通过改变列车编组中动力车的数量和动拖车比例，即可改变整车的牵引功率，实现不同速度等级运行，保证列车编组的高度灵活性。图2ICE4的创新驱力方案（SIBASPNJSIBSPN是西门子公司继SIBAS16、SIBAS32之后研发的第3代产品。其中,S1.BAS为西门子铁路自动化系统，PN为用于通信控制技术的Profinet协议。SIBASPN的通信网络由列车网络ETB列车总线和车厢网络总线Profinet构成，2种网络均基于快速以太网（100MbitS/交换以太网），效率高、冗余足。各个车辆具有单独的控制单元，保证了车辆独立性。借助SIBSPN,ICE4的头车可对编组内任意1节车厢进行单独控制。该架构可允许替换编组内的任意车辆，是实现动车组灵活编组的基础。SIBASPN结构见图3三图3SIBASPN结构【长车体设计】ICE4动车组采用28m长的车体，比传统ICEVe-Iaro增加了3m。与常规8节编组200m长的列车相比,与E4可减少1节车厢,从而减少通过台、车下设备和转向架的数量，增加了座位和可用空间，且有利于牵引系统集成。同时，动车组的整个乘客区采用模块化布局，可随意改变配置。车厢内减少了电气柜，进一步增大可使用空间。所有内饰均采用模块化设计，座位安装于地板滑轨，运营商可针对需求快速作出调整。【舒适性优化】ICE4在服务车厢内为带小孩乘客辟出家庭区域，为自行车爱好者预留存放区域；新研发座椅经人体工程学设计，提高了乘坐舒适度：车厢采用大型全景车窗(1924mmX780mm),确保良好采光；内部照明系统的颜色和亮度可根据季节、昼夜变化F1.动调节，匹配H然光变化；为方便行动受限人士出行，多功能车厢提供轮椅区域，该区域位置紧邻轮椅升降机和通用宽敞洗手间，地板配备触敏引导系统，以帮助盲人或视障乘客。【动力转向架】ICE4的动力转向架是西门子公司在SF500基础上设计的(见图4),优化了质量，可满足对轴承负载和牵引力的较高要求。拖车转向架基于庞巴迪F1.EXXECo转向架技术，针对高速运输进行了优化。拖车转向架的特点在于轴承内置化，即轴承和框架部件位于轮对的轮盘内。该结构大大降低了车体质量、减小了相关部件尺寸，与ICE3相比，7节编组的ICE4动车组质量降低约20to受益于轻量化设计和改善的车体空气动力学性能，ICE4动车组能耗明显降低，与ICE1、ICE3相比，能耗分别降低22%、15%。图4ICE4的动力转向架1.2 Ve1.aroNovoVe1.aroNOVo是西门子公司Ve1.aro技术平台最新一代的高速动车组（见图5。2012年开始研发，预计2023年商用。目前，西门子公司已制造了1辆样车，编组在德铁的ICE综合检测列车中进行相关测试。图5Ve1.aroNovo外观效果Ve1.aroNovo继承了ICE4的设计理念，通过同一个平台内的不同配置，以适应280'360kmh不同速度等级的要求，并且提出了更高的顶层指标（见表2）。表2Ve1.aroNovo顶层指标目标项点能耗降低30采购成本降低20维护成本降低30质降低15定员增加10Ve1.aroNov。特点之一是进行了大量的空气动力学优化工作，通过车顶平顺化、受电弓下沉、高压器件部分进入高压箱等措施，实现整车能耗降低10讹动车转向架和拖车转向架均采用轴箱内置式方案,并通过全包转向架，实现整车能耗降低15%oVeIarOwVo牵引、辅助变流器采用碳化硅器件，牵引电机采用永磁电机，在降低质量的同时，提高牵引系统效率，实现整车能耗降低5机制动系统采用全新优化方案：（1）未配置轮盘制动，为实现高速下紧急制动性能要求，增加了踏面制动；（2）充分发挥永磁电机优势,结合再生制动、电阻制动,电制动功率可达牵引功率的1.5倍,在正常运营情况下实现全速度范围内电制动，大幅减少闸片磨耗。其中，电阻制动布置于车顶，仅用于常用制动的补充。为提高定员，VeIarONoVO-方面将车长增至29m,另一方面在车体上实现了“空管”概念，电气柜小型化，布置于车顶和端堵，释放出更多车内空间（见图6）。另外，通过内装型材和布局优化，使列车在车体变窄的条件下，车内可用空间反而增加（见图7）。图6Ve1.aroNovo电气柜小型化设计与其他车型对比单位：mm图7Ve1.aroNOVO车内可用空间增加示意图2、法国法国自1978年制造出第1列TGV高速列车以来，至今已发展到了第4代。法国最新1代列车于2015年12月开始研发，该车型最早被阿尔斯通公司命名为“Ave1.iaHorizon”，后被法国国营铁路公司（简称法铁）正式命名为TGVT（见图8）,“V”代表“现代”或“模块化”。根据计划，该车型于2023年起分期交付，取代自1996年起使用的TGVT）UP1.EX双层列车。Avc1.ia是阿尔斯通公司最新一代的高速列车技术平台,维承并发展了TGV和AGV系列高速列车的技术优势。图8TGV-M外观效果TGv-M动乍组研发方向关注重点包括大载客量、低运营维护成本、环境友好、现代化乘客版务系统等，未采用AGV列车的中间动力转向架技术，而是采用双层皎接式动力集中设计。动力车采用紧凑型设计,可配备79节拖车，在2V9T编组条件下车长202m,使其在同样长度条件卜增加了1节拖乍。动车组全列采用轻量化设计，动力车和拖车轴重均不大于173其主要参数见表3。表3TGV-M主要技术参数项目技术参数动力型式动力集中动车组最高速度/（kmM'）320输出功率ZkW78最大载客量/人740（9节编组）列车全长/m202编组数目79节模块化编组牵引系统阿尔斯通IGBT逆变器和三相异步交流牵引电机电流传动形式交流-直流-交流供电系统AC25kV/50Hz；DC1.5kV集电方式受电弓受流,每节动车1个制动方式再生制动（动车）；盘式制动和踏面制动（拖车）适用轨距mm1435TGVM最初计划用于法国国内线路,但其同时满足国际运营条件.通过适当改装，该列车可在荷兰、卢森堡、德国、瑞士、意大利、西班牙等国运营，其关键特点包括：（1）节能、全生命周期成本低。TGV-M被法铁描述为历史上最环保的TGV,动车组能耗降低20%,碳排放量降低37%,可回收利用部件高达97乐列车采购成本降低20%、维修成本降低30以<2）采用模块化设计，可灵活编组数量和座椅布置。列车可根据需求，最大化调整车厢数量，头等车厢与：等车厢之间可实现重新配置等。（3）改善乘车体验、优化客运服务。载客量增加约20%,可提供全面实时的行程信息，实现车内区域无障碍通行，方便乘客上下车等。3、日本日本是第一个开通高速铁路的国家，其高铁技术以新干线为代表,地高运营速度320kmh0口本拥有多达十几种高速列车型号，是列车种类最多的国家，全部采用动力分散形式。经过多年发展形成两大系列：（1）以百位数字表示的高速列车，从0系开始，发展出100系、200系、300系、400系、500系、700系、800系、N700系,最新车型为N700S：（2）E系高速列车，包括E1.、E2、E3、E4、E5等型号。日本铁路在发展中始终贯穿轻量化、节能环保、模块化设计、低维护成本等理念。为满足国内运营需求，新干线动车组对于质量、阻力、噪声、舒适性、安全性（特别是地震时）等指标有较高要求：同时，为保持新干线在与航空运输业的竞争中始终处于优势地位，口本铁路公司积极推动新型动车组研发，通过产品迭代，不断引入新技术，进一步提高舒适性和经济性。因此，口本动车组更新换代速度非常快，部分车型在退役时使用年限尚未达到25年。3.1N700SN700S由日本JR东海铁路公司主导研制，2018年3月试运行，2020年7月投入运营。“N700S”取Supreme首字母“S”,意为N700系的顶级车辆。该车型是继2013年推出N700A后，JR东海铁路公司研制的第6代新干线车辆，其主要参数见表4。表4N700S主要技术参数项目技术参数列车长度/m404供电制式25kV/60Hz运营速度/(kmh-)东海道新干线:285山阳新干线:3最高速度/(kmh-)365起动加速度/(ms-2)0.72列车编组14M2T牵引功率ZkW17080制动方式空气制动；再生制动车体长度/m头车:27.35中间车:25.00车体宽度mm3360车体高度mm头车:3500中间车:3600轨距Zmm1435定员/人1323N700S设计沿用了N700系的外型风格，改进了空气动力学流线设“，采用长流线背鳍头型，车体更平滑，降低了隧道微气压波和车外噪声，减少了列车运行阻力和尾车摇晃。N700S在轻量化和降低能耗方面比较突出，最大轴重1.it,质量为7003与N700A相比，整车质量降低133其轻量化设计顶点见表5；能耗降低约6%（见图9）.表5N700S轻量化设计顶点部件质采用SiC器件的牵引变流器降低1506极异步电机降低70新型受电弓降低50转向架构架降低75图9N700S能耗与其他车型对比N700S主变流器采用半导体器件碳化硅（Sie）,具有发热小、高速关断、高频率、低损耗等优点。结合臼主研发的走行风冷却技术,主变流器大幅小型化和轻量化，能够与主变压器一起安装于同一型号车辆,可实现动车组车底设备的优化配置。牵引电机由4极增至6极，进一步小型化、轻量化。N700S在设计中还提出“标准车辆”理念，通过设备的小型化、轻量化设计，合理配置地板下设备，按照是否安装主变压器来简化标准车辆结构，易于形成多种编组（见图10）,车辆种类从8种减至4种，便于实现8节、12节、16节等多种编组形式，适应不同线路需求。Sftjm<sa(Cii:工A<1<三B(3I3WI2【】<r11mranr"11,大_J_J,J产<八(1 <111.11>ABCOunfn<M»12格6IinKiHKiinm:mmv»iK»miis.DiIMI-可无叟更才攻计.N应&3"蛆9警图10N700S编组结构3.2A1.FA-XA1.FA-X是JR东口本公司主导，川崎公司和口立公司参与研制的用于测试前沿技术的高速试验列车，造价约合6亿人民币。该车型于2019年5月13日起开始为期3年的整车型式试验，计划以400kmh进行测试，后期运营速度为360kmh°A1.FA-X为10节编组全动力车,平均轴重12.4t,最大轴重13.It01.E-X对整车空气动力学性能进行优化，采用超长前鼻，两端头车采用不同气动外形（见图U）：1号车设计考虑抑制高速驶入隧道时的微气压波，长度约16m；10号车采用流线长度约22m的超长设计。另外，对翼型受电弓整流罩进行优化，同时为提高列车抵抗积雪和适应低温环境的能力，在转向架上设置导流以减少积雪（见图12）：舒适性方面，采用主动式悬挂与气动摆式机构：轻量化方面，采用SiC牵引变流器，并通过自然风冷方式减少冷却风机数量：可鸵性方面，通过车载布置大量状态检测测点，实现列车健康管理和精准预防修，并搭载高效能电池用以实现应急牵引自走行。图12A1.EzX-X车体防积雪结构A1.FAY采用“地震-制动控制模式曲线”，可缩短地震时的制动距离。同时，在车顶设置''空气阻尼制动翼”作为风阻制动（见图13）,在车底搭载线性涡流制动装置，仅在发生地震的紧急情况卜使用。在初速360kmh时，紧急制动距离可大幅降至430Om（纯空气）和400Om（纯空气+风阻）。图13A1.FAY动车组空气阻尼制动翼4、高速动车组技术发展趋势<1）对更高速度的追求。速度是高速铁路区别于传统铁路的生要特征，更是高速铁路研究的核心内容。近年来，随着技术的创新与应用，世界各国铁路运营速度均有不同程度的提升，将新型高速动车组运营目标速度定为350kmh或360kmh,试验速度定为4OOkmh或更高，研究重点放在解决由速度提升造成的阻力、能耗、噪声加剧等问题。未来速度提升仍将是世界高速铁路发展的主要趋势。（2）发展更注重经济性。经济性是铁路行业持续健康发展的基础。在保证安全可靠的基础上，综合考虑高速动车组的经济效益，实现研发、制造、运维各环节的全生命周期成本最优，有利于高速铁路高质量、高效益发展。同时，作为高铁运输系统中的主要耗能设备,动车组能耗对高铁运营成本也有重要影响。各国动车组将成本降低作为设计的主要目标之一，如VCIaroNoV。采用优化牵引传动系统、空气动力学优化等技术，使能耗降低30%：采用模块化设计、设备布置优化等措施，使整车采购成本降低20%、维护成本降低30%o(3)灵活适应用户需求。为了达到吸引客流的效果，高速动车组乘坐舒适性也是技术发展考虑的重要因素之一。各国采取各种措施优化列车运行舒适度，如从人机工学角度，优化动车组内部结构，包括增大车窗、增加自动调节车内光线、温湖度和压力等装置；安装减振控制装理；为弱势群体提供更多便利，包括增设轮椅存放区域、专用卫生间、盲文识别等；车内设备小型化，进一步扩大乘客的可用空间，如Ve1.aroN。V。的“空管”结构设计等。(4)智能化发展。智能化是未来铁道机车车辆的重要发展方向。近年来，德国、法国、口本等相继提出智能高铁发展战略，在列车控制、安全监测、乘客服务等方面开展系列创新实践。高速智能动车组以信息全方位感知、数据融合处理、科学决策为手段，采用物联网、云计算、大数据、人工智能、5G通信等先进技术，实现动车组自主感知、自动运行、自监控、自诊断、导向安全自决策、健康管理自保护等功能，可大幅提高动车组的安全性、经济性和舒适性。5、我国高速动车组关键技术突破建议(1)车体轻量化技术。相对于传统轨道车辆车体设计方法，轻量化设计能够降低能耗，提高动车组的运用经济性，代表了动车组工业设计的技术水平。（2）降低气动阻力。动车组在高速运行时气动阻力随运行速度提升呈平方关系激增，因此，降低高速列车气动阻力是进一步提高动车组速度、降低能耗和噪声需要解决的关键问题。（3）高效牵引传动技术。目前，牵引传动技术正在向大功率、高效率、轻量化、小体积、高可靠性和低成本方向发展。（4）修程修制优化。目前，各国正逐步推动动车组从定期修向状态修转变，并研究智能化技术在动车组运维中的应用，希望通过故障预测与健康管理（PHM）技术，对动车组的状态进行预测，实现由预防修向预测修或状态修转变，减少过度维修，降低养护维修成本,不断提高状态修、经济修技术水平，从而降低成本。我国新型动车组的开发应更加注重修程修制正向设计，在产品设计阶段就统筹考虑制造成本和运维成本，合理确定可竟性指标，实现全生命周期成本（1.eC）最优化。（5）模块化设计与试活配置。近年来，各国新研制的车型均引入“标准车辆”概念，在设计中采用模块化和高度灵活的设计理念。6、结束语综上所述，未来高速动车组将在综合考虑节能环保、安全舒适、经济性的前提下，追求运营速度的进一步提升。目前，世界高铁技术处于先进行列的国家均在持续开展技术的不断迭代，研制下一代高速动车组，国际高速铁路市场竞争口益激烈。这些新型装备在绿色环保、效率提升和智能运维方面均达到较高的技术水平，在创新理念和新技术等方面具有一定的参考借鉴意义。近年来，我国铁路行业K速发展，实现从追赶到引领的转变。持续推进高速铁路装备技术水平的发展，有利于提升我国科技创新能力和国际影响力，保持我国高铁技术领先优势，带动我国铁路行业产学研用创新体系完善和产业链持续健康发展，对于促进铁路高质量发展和率先实现铁路现代化具有重要战略意义。目前，面对竞争剧烈的国际市场，我国已启动时速400公里等级高速动车组研制工作，铁路行业应把握高速铁路的发展机遇，围绕着速度提升开展系列关键技术的研究与验证，为引领世界高速铁路发展奠定坚实的技术支撑。