孫詩凝

摘 要：我國軌道客車的發(fā)展近年來取得了長足進步，尤其以CRH動車為代表的“高鐵”以其高速的運行能力、平穩(wěn)舒適的乘坐體驗和高度安全系統(tǒng)控制贏得了廣泛好評，成為我國高端技術“走出去”的一張名片，本文從物理學和數(shù)學角度出發(fā)，探析了CRH動車設計中主要的技術創(chuàng)新點。

關鍵詞：動車組 輕量化設計 牽引 制動 離心力 空氣阻力

中圖分類號：U266.2 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）11（c）-0082-02

CRH（China Railway High-speed），即列車領域“中國鐵路高速”的品牌標志，由我國從國外等知名公司引進相應的先進技術，并加以吸收和改造之后，由之前的中國南車和北車（現(xiàn)已合并為中國中車）進行制造和生產(chǎn)，這一系列均稱作為“和諧號”高速列車。

與此同時，隨著各個學科的不斷發(fā)展與交融，以物理和數(shù)學為代表的學科逐步應用于多個現(xiàn)實領域，諸如動車領域?；谖覈鳦RH的不斷發(fā)展，技術領域也有著長足的發(fā)展。其中，物理學和數(shù)學上的創(chuàng)新設計也不斷突出，對于我國CRH動車設計有著重要的影響。

1 CRH動車設計中涉及的物理學與數(shù)學原理

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

（2）牽引力和制動力原理：該力由轉(zhuǎn)向架轉(zhuǎn)移過來，通過相應的緩沖設備，從而牽引列車運行。

（3）離心力和風阻力原理：該力是在運行過程中，車體受到來自橫向縱向的多個力作用的綜合結果。

2 CRH動車主要技術創(chuàng)新點

CRH動車以其高速的運行能力、平穩(wěn)舒適的乘坐體驗和高度安全系統(tǒng)控制贏得了廣泛好評，這主要源于一系列技術創(chuàng)新，筆者嘗試從物理學和數(shù)學角度出發(fā)，在輕量化設計、動力及制動系統(tǒng)、高速離心力和風阻力克服等方面加以闡述。

（1）克服傳統(tǒng)笨重的車身——輕量化設計。

高速列車隨著車速的不斷提高，車輪與軌道的摩擦沖擊變得劇烈，加之整車重量極高，提速難度驟升，為了應對這一問題，針對動車本身的車體輕量化設計成為關鍵的解決方案。但是輕量化設計并非易事，這一設計關系到整車結構的強度、剛度以及車輛運行的噪聲、震動因素。為了使輕量化設計后的動車組符合車身的強度要求，使得各個組成部件具備合理的重量和強度，數(shù)學仿真算法被引入設計過程，實現(xiàn)各個組成部件的載荷率均衡，從而實現(xiàn)輕量化車身的優(yōu)化設計。

與普通列車相比，CRH采用的是鋁合金（見圖1）。無論是彈性系數(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，相應的質(zhì)量就比較小。因此，鋁合金的最大的優(yōu)勢在于可以實現(xiàn)車體的輕量化，這樣即可以減少CRH的運行費用以及后續(xù)的維護成本。此外，動車在運行時，基于輕量化的設計風格，能夠?qū)崿F(xiàn)其高速化。

（2）全新的牽引和制動系統(tǒng)。

“火車跑得快，全靠車頭帶”，傳統(tǒng)的火車牽引系統(tǒng)采用動力集中技術，形成車頭牽引車廂，車廂本身沒有動力來源。然而CRH動車組與我國傳統(tǒng)的火車牽引系統(tǒng)不同，其動車組動力來源并非源于車頭，而是將牽引力系統(tǒng)分散安裝在動車組各節(jié)車廂中，運行時動車組車頭和車廂共同發(fā)力加速，這種動力分散的技術能夠使動車組提速更快，也能達到更高的時速。

動車組先進的牽引力系統(tǒng)帶來的高速運行，同樣離不開先進的制動系統(tǒng)作為保障。CRH動車組運行時速超過200km/h，這一級別的時速在遇到緊急情況制動時，從時速200km制動剎停，動車組需要有長達4000m的制動距離，不同于汽車人為緊急制動，高速列車的制動系統(tǒng)中預防事故設計更為關鍵。ATC系統(tǒng)是動車組的運行控制系統(tǒng)，其工作原理是通過車載信號系統(tǒng)向車輛控制人員發(fā)送指令，如加速、減速、停車，值得注意的是，若動車司機出現(xiàn)人為操控失誤，該系統(tǒng)可以直接介入動車組的制動系統(tǒng)，第一時間控制列車動態(tài)，將人為操控失誤造成的影響降至最低，這也是這個動車組高速運行的安全保障。

（3）克服高速過彎離心力的技術創(chuàng)新。

火車在高速運行過彎時會產(chǎn)生離心力，如果此時在彎道上運行速度過高，離心力增大容易使火車脫離軌道造成事故。曲線半徑越小的軌道，其形成的彎度越大，火車通過時的速度越低。反之，曲線半徑越大的軌道，其形成的彎度越小，火車通過時的速度越高。為了使得動車組實現(xiàn)高速運行，減少不必要的速減損，動車軌道設計要求曲線半徑必須大于7km，通常設定在9～10km，同時動車組為了確保旅客乘車舒適度，在進入曲線軌道之前，通常要先進入過渡段，也稱之為“緩和曲線”。

動車組為了應對過彎產(chǎn)生的離心力第二種方法是設置超高，在彎道線路中外側鋼軌會比內(nèi)側鋼軌高度高出一段，內(nèi)外高度差稱之為“超高值”（一般控制在120～180mm），用來抵消動車組高速運行過彎時產(chǎn)生的離心力，這有助于減少動車組車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創(chuàng)新。

高速動車組在運行過程中面臨的阻力主要包括車內(nèi)機械阻力和車外氣動阻力。隨著動車時速的大幅增加，氣動阻力呈指數(shù)級增長。研究資料表明，在動車運行時速為300km/h的狀態(tài)下，氣動阻力占據(jù)動車總阻力的85%，由此可見，克服空氣阻力是動車實現(xiàn)高速運行的關鍵（如圖2）。

我國自行研發(fā)的CRH動車在減少空氣阻力方面的技術創(chuàng)新，主要從優(yōu)化車頭造型、平順化車身兩點出發(fā)。

（1）優(yōu)化車頭造型。

CRH動車在車頭設計上十分引人注目，造型美觀。背后的原理是長細比大幅增加，縮減車體斷面截面積，減少摩擦阻力，優(yōu)化各向斷面，避免流動分離。

（2）平順化車身。

CRH動車在車廂之間連接，高壓設備，空調(diào)設備，車下設備等凸出部位采取平順化設計，保證整車光順不突兀，從而降低高速運行時的摩擦阻力和渦流損失。

參考文獻

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