繆炳榮， 張衛(wèi)華， 池茂儒， 周 寧， 宋冬利， 楊樹旺

(西南交通大學(xué) 牽引動力國家重點(diǎn)實(shí)驗室， 四川 成都 610031)

目前，歐洲和日本等幾個主要國際著名軌道車輛制造商均在積極開展未來高鐵技術(shù)的研制計劃，探索下一代高速列車關(guān)鍵技術(shù)的研制方向和具體內(nèi)容。他們期望通過融進(jìn)更多領(lǐng)域的先進(jìn)設(shè)計技術(shù)，尋求掌握未來高鐵的關(guān)鍵技術(shù)[1]。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，下一代高速列車的技術(shù)設(shè)計目標(biāo)可以簡單歸納為：在現(xiàn)有高速列車的設(shè)計基礎(chǔ)上提高車輛的最大運(yùn)營速度，如達(dá)到高于400 km/h的運(yùn)營速度目標(biāo)，且要滿足更嚴(yán)格和更高技術(shù)要求的車輛設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)；降低車輛能耗及全壽命周期成本；大幅降低車輛振動烈度和噪聲；列車綜合舒適度指標(biāo)進(jìn)一步增強(qiáng)。這不僅要滿足車輛生態(tài)設(shè)計(廢氣和噪聲等的排放)的巨大壓力，還要面對車廂內(nèi)空氣壓力變化、氣溫控制，環(huán)境、振動和聲學(xué)指標(biāo)等影響。此外，大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)、智能系統(tǒng)的集成設(shè)計和模塊化設(shè)計技術(shù)等也對下一代高速列車的設(shè)計目標(biāo)提出了更加嚴(yán)格的技術(shù)要求。這些技術(shù)指標(biāo)必然通過技術(shù)細(xì)化和分解具體落實(shí)到高速列車的各個設(shè)計環(huán)節(jié)中，以促進(jìn)人們加快下一代軌道交通關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)工作。顯然，在相關(guān)技術(shù)的研制過程中，人們無疑將面臨更多更新的技術(shù)難題[2-3]。

作者結(jié)合中國鐵路總公司下一代列車發(fā)展計劃研究項目，針對中車公司幾個主要制造廠商進(jìn)行了相關(guān)技術(shù)調(diào)研，并在青島四方和長春軌道客車股份有限公司研發(fā)中心的技術(shù)人員大力協(xié)助下進(jìn)行了資料收集、分析和整理工作。本文結(jié)合國內(nèi)外正在研制的下一代高速列車的文獻(xiàn)分析結(jié)果，對我國下一代高速列車的一些關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行全方位的分析與思考，從產(chǎn)品系統(tǒng)集成設(shè)計和多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計的角度，深入探討下一代高速列車車體結(jié)構(gòu)集成設(shè)計技術(shù)的具體應(yīng)用技術(shù)，提出相關(guān)內(nèi)容的技術(shù)展望，為國內(nèi)下一代高速列車的設(shè)計提供重要的技術(shù)參考和建議[4]。

1 下一代列車發(fā)展計劃項目

面對未來軌道車輛國際市場的劇烈競爭，國內(nèi)外著名的軌道車輛產(chǎn)品制造商，如西門子、阿爾斯通、龐巴迪等均已經(jīng)互相聯(lián)合，大力投入到下一代高速列車關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)，并積極開展研制計劃項目。國內(nèi)2017年投入運(yùn)營的標(biāo)準(zhǔn)動車組是中國第三代動車組，是目前世界上最先進(jìn)的高速列車技術(shù)的重要代表之一。這說明我國通過十多年來動車組研制技術(shù)經(jīng)驗的不斷積累，已經(jīng)可以利用正向技術(shù)研制具有中國標(biāo)準(zhǔn)的先進(jìn)動車組。標(biāo)準(zhǔn)動車組不僅實(shí)現(xiàn)了2種不同設(shè)計平臺體系的技術(shù)融合，也在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了不同標(biāo)準(zhǔn)動車組的互聯(lián)互通和零部件產(chǎn)品互換的關(guān)鍵技術(shù)。產(chǎn)品不僅體現(xiàn)了中國民族特色的造型設(shè)計，也在一定程度上實(shí)現(xiàn)了節(jié)能、降耗的設(shè)計目標(biāo)，統(tǒng)一了維修標(biāo)準(zhǔn)，降低了運(yùn)營維護(hù)成本，具有一定的先進(jìn)性。與歐盟正在投入的下一代高速列車的研制計劃(水平線計劃和Shift2Rail計劃)相比，我國下一代高速列車的主要發(fā)展趨勢還需要進(jìn)行綜合性研究。新投入運(yùn)營的中國標(biāo)準(zhǔn)動車組見圖1[5]。

近年來，面臨全球鐵路產(chǎn)品的競爭壓力，歐盟首次提出加大對鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)的投資力度，且決定立項一系列支持歐洲高速鐵路部門的基礎(chǔ)與應(yīng)用研究項目，其根本目的在于利用一些革命性的產(chǎn)品設(shè)計技術(shù)提高歐洲鐵路產(chǎn)品在全球的市場競爭力。Shift2Rail是歐盟第一個加速將最新技術(shù)與先進(jìn)技術(shù)整合到一起的鐵路發(fā)展計劃項目，也是為了實(shí)現(xiàn)歐盟2020戰(zhàn)略和歐盟運(yùn)輸政策的關(guān)鍵目標(biāo)，提供有重點(diǎn)的研發(fā)與創(chuàng)新以及市場驅(qū)動解決方案的歐洲鐵路發(fā)展計劃項目[2-3,6-7]。

Shift2Rail項目涵蓋包括鐵路基礎(chǔ)設(shè)施的許多研究子計劃。比如，Roll2Rail是側(cè)重車輛和軌道的基礎(chǔ)研究，目標(biāo)是研制“新型、可持續(xù)發(fā)展的智能和舒適的歐洲鐵路軌道車輛”，旨在提出革命性、關(guān)鍵性的軌道車輛設(shè)計新技術(shù)；該計劃于2015年5月被歐盟委員會選中后正式啟動，屬于“歐盟2020地平線發(fā)展計劃”項目的第一個增長動力的基礎(chǔ)項目，其中合作者包含不同領(lǐng)域和專業(yè)的全球著名的31個產(chǎn)品制造商。他們希望開展這項重要的歐洲高速鐵路的創(chuàng)新和發(fā)展項目，利用下一代高鐵的研制計劃不斷推動歐洲鐵路產(chǎn)品在全球的創(chuàng)造力和競爭力。該項目側(cè)重于車輛不同子系統(tǒng)和總體設(shè)計過程中的技術(shù)集成創(chuàng)新，也有助于實(shí)現(xiàn)項目計劃目標(biāo)中提出的對下一代高速列車整車和整個鐵路系統(tǒng)水平的提高，包括運(yùn)載能力，車輛的可靠、高效、舒適和全壽命周期成本的最優(yōu)化。項目在具體實(shí)施過程中，分解為8個不同領(lǐng)域的課題，又稱工作包(Work Package，WP)，包括牽引動力及相關(guān)電子技術(shù)，信號與通信技術(shù)，車體技術(shù)，走行部技術(shù)，制動技術(shù)，綜合舒適性與內(nèi)飾技術(shù)，橫向交叉技術(shù)(噪聲與能量傳遞等)，系統(tǒng)集成設(shè)計技術(shù)等。每個項目都設(shè)定了具體的技術(shù)挑戰(zhàn)目標(biāo)。其根本目的是提高列車運(yùn)能，降低全壽命周期成本，更加節(jié)能降耗，安全可靠，提高綜合舒適度等。

Roll2Rail計劃項目中的課題1，主要研究更加高效節(jié)能、性能更好、更輕和更安靜的較小體積牽引系統(tǒng)。根本目標(biāo)是基于新興的電子元器件和電機(jī)技術(shù)提出一種新型牽引技術(shù)。課題2主要研究新一代列車通信系統(tǒng)，開發(fā)新的無線電子技術(shù)應(yīng)用到列車的控制功能。課題3研究輕型復(fù)合材料的列車，以降低車輛重量。課題4研究走行部(轉(zhuǎn)向架)技術(shù)方面的創(chuàng)新，目標(biāo)是降低現(xiàn)有和新的走行部技術(shù)的全壽命周期成本。課題5旨在打破制動系統(tǒng)創(chuàng)新的障礙，研究列車制動系統(tǒng)未來更高技術(shù)的需求。課題6研究綜合舒適性和相關(guān)的內(nèi)飾及車廂內(nèi)環(huán)境問題，從乘客的角度研究評估列車吸引力和舒適性的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計方法。課題7和8研究新型和更高效的噪聲和能源方案，特別是研究噪聲能源的傳遞與分離技術(shù)方法，包括下一代高速列車的最新能源消耗的技術(shù)方法。其他課題還包括系統(tǒng)集成設(shè)計技術(shù)和項目的集中管理等。項目組成框架見圖2[8]。

除此之外，2014年英國啟動一項“未來列車在今日的設(shè)計”計劃，德國航空航天中心為此與其他研究機(jī)構(gòu)合作積極研制一種最高速度400 km/h的雙層高速列車AeroLiner3000，見圖3。其設(shè)計目標(biāo)是保證新型高速列車在既有線路的基礎(chǔ)設(shè)施不做任何改變的前提下，將線路運(yùn)輸能力至少提高30%。同時他們還針對性開展了另外一項下一代高速列車(NGT)研制計劃項目，通過采用多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計的方法解決未來的關(guān)鍵技術(shù)問題(快速、安全、舒適、環(huán)保)，其中主要技術(shù)設(shè)計目標(biāo)包括：車輛的運(yùn)營速度提高至400 km/h；比ICE3以300 km/h運(yùn)行時的能耗降低50%；降低輪軌和氣動噪聲；提高乘坐舒適度；改善車輛安全性；降低輪軌磨耗和全壽命周期費(fèi)用；采用模塊化設(shè)計方法和系統(tǒng)集成設(shè)計技術(shù)加快產(chǎn)品設(shè)計制造過程；提高新產(chǎn)品的開發(fā)效率；縮短產(chǎn)品開發(fā)周期等[9-10]。

德國下一代高速列車(Next Generation Train，NGT)的主要技術(shù)特征見圖4[11-12]。其主要設(shè)計目標(biāo)為：

(1) 制造較低成本且可靠的高速列車，包括提高載客量等。未來核心技術(shù)的一系列研究主要側(cè)重于如何提供更高效服務(wù)，提高歐洲鐵路車輛產(chǎn)品在全球的競爭力。

(2) 開發(fā)軌道車輛發(fā)展的創(chuàng)新性關(guān)鍵技術(shù)，旨在提供更可持續(xù)、智能、舒適、可靠的車輛，并最終形成革命化的軌道車輛長期發(fā)展戰(zhàn)略。

(3) 保證鐵路系統(tǒng)產(chǎn)能比ICE3列車增長15%，車輛運(yùn)行可靠性和準(zhǔn)時率增加50%，整個系統(tǒng)節(jié)能提高30%，全壽命周期成本減少40%，同時提高乘客的綜合舒適性。

(4) 實(shí)現(xiàn)高鐵溫室氣體排放量的減少，緩解城市擁堵，并提供更高靈活性的鐵路交通運(yùn)輸形式，滿足日益增長的高效和綠色需求，鐵路部門需要增強(qiáng)服務(wù)形式，降低能源和壽命周期成本，提高互操作性能，在降振、降噪的質(zhì)量方面取得進(jìn)步。

法國國鐵與阿爾斯通公司合作，也正在研發(fā)性能將大幅提升的下一代高速列車。預(yù)計到2022年中期，新型列車正式進(jìn)入商業(yè)運(yùn)營，成為阿爾斯通既有AVELIA系列高速列車大家庭的一員，見圖5[13]。同時，2015年底，法國三家部委聯(lián)合環(huán)境和能源控制署與阿爾斯通公司共同成立合資公司SpeedInnov，研發(fā)法國下一代高速列車，進(jìn)一步減少鐵路運(yùn)輸對環(huán)境的影響，提高法國在全球高速鐵路制造業(yè)的專業(yè)影響力。在研制下一代高速列車的項目中他們也提出需要大力降低產(chǎn)品的設(shè)計與制造成本，列車的各個關(guān)鍵制造環(huán)節(jié)比目前最新列車至少降低20%～35%；進(jìn)一步提高產(chǎn)品的集成設(shè)計水平，保證生態(tài)設(shè)計，材料與結(jié)構(gòu)的再循環(huán)利用率要高于90%，大幅減少列車整個生命周期的維護(hù)成本。改善乘客的乘坐綜合舒適度，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計與制造水平，比如加強(qiáng)新型材料的利用，車體結(jié)構(gòu)內(nèi)飾設(shè)計布局的優(yōu)化，使得可利用空間擴(kuò)大20%，保證更多的載客量。

日本川崎公司曾經(jīng)提出21世紀(jì)高鐵發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，主要集中在車輛、電子信息、通信信號系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、基礎(chǔ)設(shè)施等方面，見圖6[14]。日本正在研制東海道新干線上第六代高速列車，比如N700S型的試驗列車，預(yù)計2020年，N700S將在東海道新干線運(yùn)營，最高運(yùn)行速度提高到320 km/h左右。在主變流和主變壓器裝置，擺式列車控制系統(tǒng)，空氣壓縮機(jī)，空調(diào)裝置和轉(zhuǎn)向架等關(guān)鍵部件實(shí)現(xiàn)輕量化與小型化等[15-17]。

2 主要技術(shù)特征分析

最近幾年，為了提高產(chǎn)品在世界市場的競爭力，各國著名鐵路車輛制造商均在積極針對下一代高速列車的前沿技術(shù)開展系統(tǒng)研究。這里以歐盟Shift2rail發(fā)展計劃中提出的鐵路創(chuàng)新發(fā)展計劃項目為例，進(jìn)行主要技術(shù)特征分析，其中包括：降低制造成本，提高列車可靠性，保證更高的運(yùn)能和運(yùn)營速度；優(yōu)化與改善軌道交通通信管理(列車與列車，列車與地面)和控制系統(tǒng)；降低運(yùn)營維護(hù)成本和保證高運(yùn)能下可靠的基礎(chǔ)設(shè)施；發(fā)展智能軌道交通運(yùn)輸系統(tǒng)；研制可持續(xù)發(fā)展的高速貨運(yùn)系統(tǒng)。

2.1 下一代高速列車的設(shè)計思想

以德國下一代高速列車為例，其主要目標(biāo)是：保證列車設(shè)計技術(shù)在高速運(yùn)行時性能足夠強(qiáng)大，安全、高效，具有良好的綜合性能(諸如節(jié)能降耗、生態(tài)綠色、高效智能等)，保證車輛更加優(yōu)越的運(yùn)營、維護(hù)性能等。通過采用關(guān)鍵設(shè)計技術(shù)的研制，在保證高速安全運(yùn)營的前提下，進(jìn)一步降低整車結(jié)構(gòu)質(zhì)量，提高載客量和綜合舒適度等。下一代高速列車的車體頭型將會采用更加流線型的頭型設(shè)計，采用輕質(zhì)復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計以減輕車輛質(zhì)量。利用光學(xué)測控技術(shù)實(shí)現(xiàn)高速列車在運(yùn)行過程中精確的連掛或者解鉤。其設(shè)計內(nèi)容還包括：建設(shè)新型軌道車輛的柔性模塊化先進(jìn)技術(shù)設(shè)計平臺。提高列車的運(yùn)營速度，改善軌道車輛的綜合性能；增加車輛的載客能力。基于噪聲、振動、溫度等環(huán)境因素，進(jìn)一步提高和改善乘客的綜合舒適度。增強(qiáng)下一代高速列車的安全可靠性；優(yōu)化軌道車輛關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件(車體和構(gòu)架等)的安全設(shè)計，比如相關(guān)的高速列車的碰撞吸能設(shè)計。優(yōu)化機(jī)電耦合系統(tǒng)；降低輪軌接觸磨耗。與ICE3新型高速列車相比，降低能耗目標(biāo)需要達(dá)到50%；與ICE2車型相比，需要降低頭型的空氣阻力達(dá)到25%；采用新型的智能化能耗管理策略；針對關(guān)鍵部件進(jìn)行一系列的輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造等。為了能夠為下一代高速列車定義最佳的技術(shù)設(shè)計解決方案，需要針對先進(jìn)的高速列車的設(shè)計平臺思想(動力分散式和集中式，以及不同轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)類型的布局設(shè)計)，車體結(jié)構(gòu)(單層和雙層，以及最大寬度車體的選擇)和牽引動力(不同能源類型)系統(tǒng)地使用可互換的不同標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析和評估?？紤]更多車輛設(shè)計的新概念的技術(shù)實(shí)施的可能性，包括最大載客能力，減少能源消耗措施，改善空氣動力學(xué)特性和能源轉(zhuǎn)換方式，輕量化結(jié)構(gòu)分析，以及比較其他代表性高速列車的設(shè)計概念優(yōu)缺點(diǎn)導(dǎo)致的走行部技術(shù)(轉(zhuǎn)向架技術(shù))原理的選擇等[21]。

關(guān)于下一代軌道車輛概念設(shè)計階段的優(yōu)化環(huán)節(jié)，為提高車輛的安全性和舒適性提供了極大的發(fā)展?jié)摿Γ枰紤]每個座椅的能耗需求，比如是否需要采用雙層車輛，是否采用新的機(jī)電一體化系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向架控制技術(shù)。除了增強(qiáng)運(yùn)行穩(wěn)定性，減少車輪磨損和降低輪軌噪聲之外，機(jī)電一體化的轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)將為雙層車輛的乘客提供安全、平穩(wěn)、舒適的乘坐環(huán)境。輪對是單獨(dú)控制的驅(qū)動輪，具有相關(guān)聯(lián)的車輪安裝機(jī)構(gòu)，可以跟隨線路曲率的變化自動轉(zhuǎn)向。單個輪對的牽引電機(jī)既可以作為驅(qū)動系統(tǒng)又可作為輪對的2個獨(dú)立車輪上施加不同轉(zhuǎn)矩的致動器，允許轉(zhuǎn)向架與軌道的路徑對齊并轉(zhuǎn)向曲線，使得車輪更安靜平穩(wěn)地運(yùn)行并減少磨損。其主要設(shè)計思想為

(1) 制造出成本有效且可靠的列車，包括高載客量的智能列車。Shift2Rail計劃中是針對未來高速列車的核心技術(shù)開展一系列研究，主要側(cè)重于如何高效服務(wù)于鐵路行業(yè)，提高車輛產(chǎn)品的核心競爭力。主要創(chuàng)新項目涉及牽引技術(shù)、轉(zhuǎn)向架(走行部)、車體技術(shù)、制動技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等。研制高速列車技術(shù)發(fā)展的創(chuàng)新性關(guān)鍵技術(shù)，保證更加可靠、可持續(xù)發(fā)展、智能、舒適的車輛，將革命化的下一代高速列車先進(jìn)的車輛設(shè)計技術(shù)設(shè)為長期戰(zhàn)略目標(biāo)。

(2) 輕量化的設(shè)計目標(biāo)包括在目前ICE3列車基礎(chǔ)上，保證產(chǎn)能增加15%；運(yùn)行可靠性和準(zhǔn)時率增加50%；系統(tǒng)節(jié)能提高30%；車輛和軌道壽命周期成本減少40%等。為了提高乘客的舒適性，還需要開發(fā)新型牽引技術(shù)，基于新型電子電氣元件和電動車輪技術(shù)研制高速列車關(guān)鍵裝備；開發(fā)滿足車輛間更加靈活可靠的新連接方式需要的新控制技術(shù)，比如無線傳感技術(shù)等。為了增加乘客使用空間和提高載客量，需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計，比如采用大量輕質(zhì)復(fù)合材料以降低車輛結(jié)構(gòu)部件的整體質(zhì)量。為了實(shí)現(xiàn)走行部(轉(zhuǎn)向架)技術(shù)的根本性創(chuàng)新，降低全壽命周期成本，還需要提出新的高鐵管理技術(shù)解決方案。通過征集歐洲鐵路市場的廣泛需求，在制動系統(tǒng)、舒適度、環(huán)境降噪、能耗技術(shù)方面，實(shí)現(xiàn)更多創(chuàng)新技術(shù)的突破和應(yīng)用。

2.2 未來技術(shù)方案可行性分析

根據(jù)更高速、更安全、更環(huán)保、更經(jīng)濟(jì)、更舒適的總體設(shè)計技術(shù)目標(biāo)要求，中國的下一代高速列車需要建立屬于中國標(biāo)準(zhǔn)和特色的高速列車設(shè)計平臺系統(tǒng)，真正實(shí)現(xiàn)多國標(biāo)準(zhǔn)的互換性、兼容性和設(shè)計平臺的足夠先進(jìn)性。下面針對一些研究分析結(jié)果，對我國下一代高速列車的主要技術(shù)方案進(jìn)行技術(shù)分析與展望。

2.2.1 下一代高速列車的先進(jìn)設(shè)計平臺的搭建

最近十年，國外著名的軌道車輛制造商一直在進(jìn)行下一代動車組設(shè)計平臺的建設(shè)。下一代高速列車設(shè)計平臺應(yīng)具有一定的技術(shù)特征。簡單可以歸納為：如何降低能耗和噪聲，實(shí)現(xiàn)生態(tài)綠色設(shè)計，提高產(chǎn)品的全壽命周期性能最優(yōu)。全壽命周期最重要的特點(diǎn)體現(xiàn)在高速列車產(chǎn)品的集成設(shè)計，并行優(yōu)化設(shè)計和多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計領(lǐng)域。下一代高速列車在總體設(shè)計上不僅需要滿足日益增長的乘客綜合舒適度需求，還需要體現(xiàn)更高的安全設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和突破性核心技術(shù)的創(chuàng)新要求。這些因素均要求建立先進(jìn)的下一代高速列車的設(shè)計平臺，并以此作為未來發(fā)展計劃，積極開展下一代高速列車相關(guān)創(chuàng)新性項目的基礎(chǔ)理論和工程應(yīng)用技術(shù)的創(chuàng)新性研究。這里簡單列出一個下一代高速列車設(shè)計平臺的建設(shè)框架示意圖，見圖7。

2.2.2 轉(zhuǎn)向架技術(shù)設(shè)計

轉(zhuǎn)向架(簡稱走行部)系統(tǒng)的設(shè)計是下一代高速列車的核心技術(shù)。更高的運(yùn)營速度必然會對轉(zhuǎn)向架設(shè)計提出更加嚴(yán)格的技術(shù)要求，未來的技術(shù)需求必然迫使結(jié)構(gòu)設(shè)計向輕量化，安全可靠，降低維護(hù)成本、輪軌間作用力等目標(biāo)發(fā)展。為此，下一代高速列車轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)的設(shè)計還需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化與輕量化設(shè)計，降低維修成本，利于提高運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和安全可靠性。要實(shí)現(xiàn)下一代高速列車更高速度與更高性能的追求，創(chuàng)新設(shè)計轉(zhuǎn)向架技術(shù)是一個重要的發(fā)展途徑。

從結(jié)構(gòu)與懸掛系統(tǒng)的功能看，國內(nèi)外專家一直在思考是否可以將一系懸掛和轉(zhuǎn)向架側(cè)梁的功能合二為一，做成彈性側(cè)梁。這種思路可以簡化轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)，減少部件數(shù)量，根本上實(shí)現(xiàn)輕量化的設(shè)計目標(biāo)，在某種程度上通過大幅度的彈性變形緩和輪軌作用力較大的問題，降低輪軌沖擊和振動。其根本思路在于兩個方面：一方面是材料的選擇，可以選擇具有良好機(jī)械性能和多功能復(fù)合材料，比如采用高性能的碳纖維材料。這種材料軸向強(qiáng)度和模量十分高，密度低，耐腐蝕耐疲勞，具有相當(dāng)優(yōu)異的機(jī)械性能，在同等強(qiáng)度下，結(jié)構(gòu)可以設(shè)計的比較簡潔；另一方面，懸掛形式的選擇，比如板簧層疊結(jié)構(gòu)，滿足轉(zhuǎn)向架構(gòu)架具有良好的彈性。日本川崎重工公司在世界上首次采用的碳纖維增強(qiáng)塑料(Carbon Fiber Reinforced Plastic，CFRP)的efWING新型轉(zhuǎn)向架就是考慮這種結(jié)構(gòu)形式的實(shí)例，相比傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架，每臺減重約450 kg，輪重減載約50%，舒適性也有很大提升。efWING彈性轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)形式見圖8[18]。

其他結(jié)構(gòu)類型的創(chuàng)新式轉(zhuǎn)向架技術(shù)還包括如下幾條，這里僅僅做簡單介紹。

(1) 軸箱內(nèi)置轉(zhuǎn)向架

軸箱內(nèi)置轉(zhuǎn)向架將軸箱置于車輪內(nèi)側(cè)，使得轉(zhuǎn)向架體積變小，質(zhì)量比傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架減重30%左右，滿足軌道車輛及轉(zhuǎn)向架輕量化設(shè)計的要求，一定程度上優(yōu)化了車輛動力學(xué)性能，降低了運(yùn)營維護(hù)成本。西門子SF7000內(nèi)置轉(zhuǎn)向架見見圖9[19-20]。

(2) 架懸齒輪箱

由于轉(zhuǎn)向架的簧下質(zhì)量對輪軌作用力影響顯著，減小簧下質(zhì)量可明顯減輕輪軌作用力，有利于改善車輛和軌道運(yùn)行條件，延長車輛和線路壽命。對下一代高速列車，由于其速度更快，簧下質(zhì)量對輪軌關(guān)系的不利影響會明顯放大，以減輕轉(zhuǎn)向架的簧下質(zhì)量來改善輪軌關(guān)系十分必要和關(guān)鍵。我國高速動車組轉(zhuǎn)向架傳動機(jī)構(gòu)盡管在驅(qū)動裝置上已經(jīng)采用了架懸或者體懸的方式，但由于齒輪箱和牽引大齒輪一端還是懸掛在車軸上，牽引齒輪的質(zhì)量和齒輪箱質(zhì)量的一半仍然屬于簧下質(zhì)量，要達(dá)到減輕簧下質(zhì)量，采用架懸或者體懸的方式，將齒輪箱質(zhì)量轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)向架構(gòu)件或車體底架上，是一個可以考慮的有效措施[21]。

2.2.3 牽引制動技術(shù)

牽引制動技術(shù)是高速列車核心技術(shù)之一。其主要作用是為高速列車提供可靠有效的牽引和制動動力。牽引系統(tǒng)功能是將電能轉(zhuǎn)化成動能，轉(zhuǎn)換過程的效率高低影響到系統(tǒng)能量使用效率。從受電弓、電機(jī)與電力電子傳動技術(shù)、變壓器、變流器等到齒輪傳動系統(tǒng)，往往體積大且結(jié)構(gòu)笨重。下一代高速列車的牽引系統(tǒng)，不僅要提高能量傳遞效率，同時要通過功率質(zhì)量比進(jìn)行量化考核，提高牽引效率。具體有如下幾個方面需要考慮[22]。

2.2.3.1 受電弓技術(shù)

隨著高速列車最高運(yùn)行速度的不斷提升，受電弓-接觸網(wǎng)系統(tǒng)服役環(huán)境發(fā)生顯著變化。高速氣流的作用加劇了受電弓的氣動噪聲和復(fù)雜的受流環(huán)境，也容易引起弓網(wǎng)動態(tài)接觸行為的不良變化，進(jìn)而影響弓網(wǎng)受流性能。另外，運(yùn)營速度的提高易導(dǎo)致載荷頻變特性惡化，影響弓網(wǎng)匹配關(guān)系，縮短弓網(wǎng)關(guān)鍵零部件的運(yùn)用壽命。為了使受電弓產(chǎn)品滿足下一代高速列車安全高效運(yùn)營要求，需要研發(fā)具有自主化的低噪聲、低阻力、高可靠、高平穩(wěn)、智能化受電弓，改善下一代高速列車弓網(wǎng)關(guān)系，提升受電弓運(yùn)用可靠性，為我國高速鐵路的健康發(fā)展和高鐵走出去戰(zhàn)略提供重要保障。具體而言，下一代高速列車受電弓技術(shù)體現(xiàn)在以下幾個方面：

(1) 結(jié)構(gòu)設(shè)計方面。盡可能采用流線型設(shè)計，滿足低噪聲和低阻力的高速運(yùn)行需求，同時利用組合臂設(shè)計方案，進(jìn)行包裹處理也是可以嘗試的技術(shù)方案。高速受電弓設(shè)計方案見圖10，測試結(jié)果也證實(shí)對降低阻力和噪聲是可行的。

(2) 智能化方面。考慮關(guān)鍵部件的智能化，如滑板、懸掛系統(tǒng)、拉桿、升弓機(jī)構(gòu)等。在設(shè)計和制造階段考慮傳感器的預(yù)埋，使得整體結(jié)構(gòu)在出廠時，自帶智能化的結(jié)構(gòu)部件。狀態(tài)感知的智能化，結(jié)合智能結(jié)構(gòu)部件，通過接觸或非接觸式的傳感元件，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時感知，如接觸狀態(tài)，受力狀態(tài)，升弓狀態(tài)，服役環(huán)境狀態(tài)(溫度、濕度、氣流等)。故障診斷的智能化，通過實(shí)時監(jiān)控受電弓運(yùn)行狀態(tài)關(guān)鍵參數(shù)，借助專家診斷系統(tǒng)或模型，對出現(xiàn)的受電弓故障狀態(tài)進(jìn)行診斷，自動給出相應(yīng)的報警信息。健康狀態(tài)的智能化管理，通過受電弓運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)的大數(shù)據(jù)累積，進(jìn)行同時空環(huán)比以及相應(yīng)的大數(shù)據(jù)智能化分析，掌握受電弓的健康狀態(tài)，動態(tài)給出相應(yīng)的維修維保策略，同時對其剩余壽命作出合理的估計。

(3) 控制系統(tǒng)方面?；谥悄芑茈姽夹g(shù)，以受電弓健康狀態(tài)征兆向量為控制參數(shù)，提出半閉環(huán)控制算法，通過自動切換控制目標(biāo)、控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)不同受電弓服役環(huán)境下的自適應(yīng)控制策略。突破傳統(tǒng)開環(huán)控制無法自動優(yōu)化，自動調(diào)整控制目標(biāo)或控制參數(shù)的缺點(diǎn)。

2.2.3.2 電機(jī)與傳動技術(shù)

電機(jī)與傳動技術(shù)中包含永磁電機(jī)、多相電機(jī)、新型結(jié)構(gòu)電機(jī)和聯(lián)軸器、齒輪傳動系統(tǒng)與軸承等關(guān)鍵技術(shù)，具體介紹如下：

(1) 永磁電機(jī)。永磁同步電機(jī)與普通交流變頻電機(jī)相比具有高效率、高力矩慣量比、高能量密度，屬于環(huán)保低碳電機(jī)。但需要解決諸多關(guān)鍵技術(shù)，如基于多目標(biāo)協(xié)同優(yōu)化的永磁同步直驅(qū)系統(tǒng)集成技術(shù)，低噪高效、低速高轉(zhuǎn)矩永磁直驅(qū)電機(jī)的電磁特性和新結(jié)構(gòu)，非線性耦合多階模型和參數(shù)實(shí)時辨識方法，高穩(wěn)定性、低脈動的轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，以及相應(yīng)的牽引變流器技術(shù)。目前永磁電機(jī)在國外得到良好應(yīng)用，我國研制的永磁電機(jī)系統(tǒng)已經(jīng)初步運(yùn)用，且在科技部項目的支持下，已經(jīng)生產(chǎn)出永磁電機(jī)高速列車，相關(guān)技術(shù)還在繼續(xù)研制過程中。

下一代高速列車也有可能會采用交直交技術(shù)，即應(yīng)用多相永磁電機(jī)技術(shù)。由于多相永磁無刷直流電動機(jī)是功率密度最高的一種電機(jī)，是多臺三相電動機(jī)的集成，不僅提高了系統(tǒng)的可靠性，改善了電動機(jī)性能，削弱了換相轉(zhuǎn)矩波動，還提供多個三相系統(tǒng)間相互對稱，或不對稱的條件，以及多個三相系統(tǒng)的相電流不疊加的條件來減小蓄電池大電流放電。目前，多相電機(jī)隨著永磁電機(jī)的應(yīng)用，也在不斷發(fā)展，5相甚至15相電機(jī)已經(jīng)出現(xiàn)，在下一代高速列車中也可能應(yīng)用此類電機(jī)技術(shù)。

另外，永磁電機(jī)最大的技術(shù)障礙是電機(jī)發(fā)熱，而過熱有可能會導(dǎo)致電機(jī)的永磁材料失磁。電力傳動技術(shù)中的永磁電機(jī)有時也會采用液態(tài)主動冷卻的方式。電機(jī)結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新，可以實(shí)現(xiàn)要求不高的自冷卻，當(dāng)然，這必須基于直驅(qū)式永磁同步電機(jī)的機(jī)-電-熱-磁耦合作用機(jī)理及優(yōu)化設(shè)計方法的突破。另外，永磁電機(jī)的永磁性能，必須要控制電機(jī)的振動問題，強(qiáng)烈的電機(jī)振動同樣導(dǎo)致失磁現(xiàn)象的發(fā)生。如何從電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計的角度進(jìn)行隔振設(shè)計避免振動，也需要選擇新型的結(jié)構(gòu)裝配形式。但是對于未來的直驅(qū)技術(shù)，必須研究直驅(qū)式永磁同步電機(jī)復(fù)合式轉(zhuǎn)軸受輪軌振動的建模與理論分析方法，在結(jié)構(gòu)上避免強(qiáng)烈振動的影響。

(2) 聯(lián)軸器。目前的高速列車從電機(jī)到齒輪箱，一般采用鼓形齒聯(lián)軸器，但是聯(lián)軸器的漏油、發(fā)熱、連接螺栓斷裂是經(jīng)常發(fā)生的故障現(xiàn)象。為了解決這一技術(shù)難題，需要發(fā)展其他高速列車采用的柔性聯(lián)軸器，如無磨損的碟片式聯(lián)軸器。另外，為了根本上解決這個技術(shù)問題，考慮是否取消聯(lián)軸器，比如采用降低簧下質(zhì)量的空心軸齒輪箱結(jié)構(gòu)，可以滿足電機(jī)直接連接齒輪箱，省掉聯(lián)軸器，聯(lián)軸器的設(shè)計技術(shù)在下一代高速列車中也是一項關(guān)鍵技術(shù)。

(3) 齒輪傳動系統(tǒng)與軸承。齒輪傳動系統(tǒng)是高速列車關(guān)鍵部件之一。由于速度高、運(yùn)營里程長等特點(diǎn)，對齒輪傳動系統(tǒng)安全性、可靠性的技術(shù)要求也越來越高。如何保障高速列車齒輪傳動系統(tǒng)高質(zhì)量、高性能的安全運(yùn)營尤為重要。齒輪傳動系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測、狀態(tài)評估及壽命評估的智能化研究作為重大關(guān)鍵技術(shù)尤為迫切。齒輪傳動系統(tǒng)的監(jiān)測系統(tǒng)主要是軸承的溫度監(jiān)測，存在很大的局限性，很難全面準(zhǔn)確反應(yīng)系統(tǒng)的整體特性。由于智能化傳感器和測試技術(shù)的發(fā)展，使得集油溫、金屬含量及振動監(jiān)測于一體的智能化傳感器成為可能。另外，齒輪箱的故障大部分是源于大小齒輪的軸承，軸承的選型和設(shè)計至關(guān)重要。由于齒輪箱服役載荷和振動情況復(fù)雜，下一代高速列車的軸承設(shè)計新技術(shù)的發(fā)展迫在眉睫。軸承設(shè)計需要從穩(wěn)態(tài)設(shè)計向動態(tài)設(shè)計轉(zhuǎn)變，通過復(fù)雜轉(zhuǎn)子動力學(xué)建模掌握齒輪箱實(shí)際服役狀態(tài)下的狀態(tài)。另外，結(jié)合高速列車大系統(tǒng)耦合的動力學(xué)計算方法，通過理論仿真和實(shí)驗驗證，下一代高鐵的安全服役也迫切需要人們積極開展齒輪傳動系統(tǒng)與軸承的核心技術(shù)研究。

2.2.3.3 變壓器技術(shù)

為了提高電機(jī)輸出功率和電機(jī)質(zhì)量的比值，需要著重解決傳統(tǒng)車載工頻牽引變壓器體積龐大、笨重等缺點(diǎn)。在下一代高速列車中，可以嘗試采用高速列車的車載新型變壓器技術(shù)。比如電力電子變壓器是有應(yīng)用價值的新型變壓器技術(shù)?；谔蓟韫β誓K的發(fā)展，電力電子變壓器從小功率向大功率發(fā)展的進(jìn)程會大大加快。從變壓器的工作原理看，提高工作頻率，可以減少變壓器的體積和質(zhì)量，從而提高單位體積(或質(zhì)量)下的傳輸功率。日本三菱公司已經(jīng)做出大功率的碳化硅功率模塊，我國在電機(jī)小功率模塊方面雖然在近些年來也取得較大進(jìn)展，但是要在下一代高速列車將電力電子變壓器應(yīng)用到車上，成為下一代高速列車牽引傳動最大的標(biāo)志性特征，還有一段艱巨的任務(wù)去做。為了解決傳統(tǒng)車載工頻牽引變壓器體積龐大、笨重等缺點(diǎn)問題，還需要研究適用于下一代高速列車的車載新型電力電子變壓器技術(shù)。

2.2.3.4 變流器技術(shù)

變流器技術(shù)的發(fā)展方向還是輕量化和大功率。主要目標(biāo)是研究軌道交通用寬禁帶半導(dǎo)體晶體生長、微管缺陷、微米級高精度光刻等關(guān)鍵芯片設(shè)計、工藝技術(shù)；解決多種電壓等級器件的焊接、芯片低溫鍵合以及歐姆接觸等關(guān)鍵封裝及測試技術(shù)；研究苛刻應(yīng)用環(huán)境下的驅(qū)動保護(hù)技術(shù)以及器件的串并聯(lián)技術(shù)；研究高開關(guān)頻率、高結(jié)溫應(yīng)用技術(shù)，實(shí)現(xiàn)裝置小型化和高效率；建立系統(tǒng)及關(guān)鍵部件的可靠性評估模型，提高系統(tǒng)的可用性和可靠性；加載智能化的狀態(tài)監(jiān)測與狀態(tài)評估也是下一代高速列車的發(fā)展方向。另外一個技術(shù)是直掛式牽引變流器技術(shù)，該技術(shù)可直接從接觸網(wǎng)取電驅(qū)動列車，這樣可將牽引變壓器的功能合二為一。這個技術(shù)更加先進(jìn)，但還是要依賴碳化硅的工程化程度。

鬼子都打到龍游了，那蘭溪是不是早已失手？老三還能不能把報喪信送到志浩手上？甚至，志浩是不是早已為國捐軀都是件難說的事。雖說蘭溪離衢州不過六七十里地，趕船也就半天的腳程，但這兵荒馬亂的，即便志浩回來奔喪，沒個一天半截估計是到不了的。

2.2.3.5 列車運(yùn)行管理與控制技術(shù)

隨著動力分散式高速列車的發(fā)展，輪軌黏著控制的壓力大大減少，研究的重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到節(jié)能運(yùn)控牽引技術(shù)，根據(jù)不同列車狀態(tài)(載客量)、線路特征、環(huán)境與氣候特征和列車運(yùn)行圖要求的節(jié)能操縱技術(shù)?；谶@樣的節(jié)能操縱技術(shù)，下一步的可能設(shè)計目標(biāo)，是實(shí)現(xiàn)高速列車的無人駕駛技術(shù)的研制。

2.2.3.6 制動控制技術(shù)

我國高速列車的空-電聯(lián)合制動模式，不僅因為制動副的摩擦磨損，引起維修成本的增加，而且因為機(jī)械制動無法對能量再利用，容易造成能源的浪費(fèi)。因此，下一代高速列車一定會向全電制動與再生制動的方向發(fā)展。這需要解決低速時車輛運(yùn)營速度的精確檢測，低速時牽引電機(jī)再生制動與反接制動優(yōu)化匹配等基礎(chǔ)性技術(shù)。在牽引制動控制中，多數(shù)情況下強(qiáng)調(diào)全電制動。但是作為緊急制動，基礎(chǔ)制動必不可少?；A(chǔ)制動技術(shù)的發(fā)展，主要集中在制動材料的革命，比如新型的高速列車的制動盤材料采用碳-碳復(fù)合材，碳-陶復(fù)合材料等。這些新型材料因耐磨性好、摩擦系數(shù)高、摩擦穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)而被逐步采用在新型高速列車的設(shè)計中。隨著這些材料的制備工藝突破、成本降低，下一代高速列車完全有機(jī)會廣泛應(yīng)用。

2.2.4 材料與結(jié)構(gòu)部分

目前，如何降低高速列車車輛結(jié)構(gòu)的質(zhì)量已經(jīng)成為車輛技術(shù)研究的一項重要研究內(nèi)容，尤其車體結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計不僅可以提高載客量，而且可以降低軸重，減少車輛整體結(jié)構(gòu)對軌道的振動沖擊破壞和車輛能耗。輕量化的車輛結(jié)構(gòu)可以通過幾個主要方式實(shí)現(xiàn)：其一是選擇輕量化的功能性結(jié)構(gòu)部件和材料；其二通過多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計技術(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)幾何特征的修改設(shè)計，滿足強(qiáng)度、剛度和振動頻率的綜合技術(shù)要求。這里以車體為例，作為旅客和設(shè)備主要承載的部件，車體技術(shù)的創(chuàng)新要在輕量化和安全等基本要素上不斷追求進(jìn)步，要體現(xiàn)旅客對乘坐舒適度的要求。創(chuàng)新的建議是：多采用功能性的新材料和結(jié)構(gòu)部件的多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計技術(shù)；基于輕量化設(shè)計的多目標(biāo)安全設(shè)計技術(shù)(含碰撞性能、疲勞性能等)；增加載客能力新型結(jié)構(gòu)與室內(nèi)布置的設(shè)計技術(shù)等[22-23]。

(1) 輕量化材料的選擇

就材料選擇而言，在車輛結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程中，鋁合金夾層材料、碳纖維增強(qiáng)塑料(CFRP)以及其他復(fù)合材料等已經(jīng)或正在逐步取代傳統(tǒng)的碳鋼材料。采用鋁鎂合金或者復(fù)合材料的車體結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)整體性能上應(yīng)該高于或等于現(xiàn)行的鋁合金材料的車體結(jié)構(gòu)。近幾年來，德國學(xué)者在研制下一代高速列車的過程中也提出了利用集成化設(shè)計技術(shù)，在車輛結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計階段采用拓?fù)浠慕Y(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計技術(shù)。在其他的設(shè)計案例中，正采用多功能材料逐步取代部分車輛結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)材料。比如通過采用泡沫鋁或其他多孔材料作為車體結(jié)構(gòu)的減振吸能和防碰撞材料。鎂合金的材料由于其低密度(2/3的鋁合金密度)和高強(qiáng)度性能也開始逐步在高鐵車輛中得到應(yīng)用。鎂合金具有密度小，比強(qiáng)度、比剛度高，減振性能好，可加工，可循環(huán)再利用等突出優(yōu)點(diǎn)，特別是其比強(qiáng)度和比剛度高，優(yōu)于鋁合金和鋼，其作為重要的工程材料應(yīng)用于高速列車不僅己是指日可待，而且也是高速軌道交通裝備制造技術(shù)未來發(fā)展的必然趨勢。碳纖維(Carbon Fiber)是指有機(jī)纖維經(jīng)碳化和石墨化處理后得到的一種微晶石墨材料，其組成為高分子碳纖維，含碳量高達(dá)90%以上，是一種力學(xué)性能非常優(yōu)異的新型材料。隨著軌道交通運(yùn)輸行業(yè)對軌道客車的安全性、舒適性、綠色節(jié)能性提出了新的要求，碳纖維復(fù)合材料作為一種新型替代材料逐漸引起了世界各國的重視。碳纖維復(fù)合材料既可以應(yīng)用于列車內(nèi)飾、受電弓和設(shè)備艙等非承載、次承載部件，又可以應(yīng)用于車體、轉(zhuǎn)向架這類主承載部件。碳纖維作為一種性能優(yōu)異的替代材料，在高速列車上已經(jīng)得到一些應(yīng)用。

車體是高速列車結(jié)構(gòu)部件的重要組成部分，為了進(jìn)一步減輕車體的質(zhì)量，采用新復(fù)合材料替代原有的鋁合金材料是必然發(fā)展趨勢。比如法國采用復(fù)合材料生產(chǎn)了雙層TGV掛車樣車并進(jìn)行試驗，對耐火性、抗沖擊強(qiáng)度等因數(shù)進(jìn)行測試[3]。測試結(jié)果表明，復(fù)合材料車體在振動性能和絕熱防火性能等方面具有突出的優(yōu)點(diǎn)，提高了乘客乘車的舒適性。辛德勒客車公司用碳纖維纏繞的方法制成輕型列車車體，生產(chǎn)的樣車在鐵路線上進(jìn)行運(yùn)行試驗，速度可達(dá)140 km/h，且滿足強(qiáng)度和剛度的要求，達(dá)到了預(yù)期效果。韓國在2010年投入運(yùn)營的TTX列車，車體外殼也是采用碳纖維復(fù)合材料蒙皮和鋁夾芯結(jié)構(gòu)，這樣的設(shè)計使車體質(zhì)量降低了40%，運(yùn)行試驗過程中沒有出現(xiàn)明顯的安全問題，各項性能指標(biāo)滿足設(shè)計要求。

高速列車的車體結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中普遍采用三明治結(jié)構(gòu)的中空鋁合金型材，由于不是等強(qiáng)度和等剛度結(jié)構(gòu)，車體底架中間位置的強(qiáng)度和剛度相對較低。能否采用等強(qiáng)度和等剛度概念的設(shè)計方式，保證車體結(jié)構(gòu)的受力均衡，也可能是下一代高速列車選擇的一項設(shè)計目標(biāo)。以德國在下一代高速列車集成設(shè)計為例，研究人員提出一種新的雙層高速列車設(shè)計理念。在車體結(jié)構(gòu)設(shè)計上研究人員既考慮了動車的邊界條件，也考慮了車體內(nèi)的動力配置。在這一結(jié)構(gòu)條件下，充分利用理論上最優(yōu)的可用設(shè)計空間。與傳統(tǒng)車體結(jié)構(gòu)相比，跨距縮小，并在二系懸掛處產(chǎn)生與撓度成反比的力矩。這種設(shè)計理念根本上降低了列車質(zhì)量，提高了車體結(jié)構(gòu)的設(shè)計剛度，由于允許的最大軸重限制在其對走行部設(shè)計技術(shù)也提出了非常嚴(yán)格的技術(shù)要求。此外，加速、平穩(wěn)運(yùn)行和制動必需的節(jié)能等問題，以及安全減排環(huán)保和輕量化設(shè)計等因素，需要考慮采用多功能材料的設(shè)計原則，將各種材料使用在能夠發(fā)揮它最大潛力的地方。為了實(shí)現(xiàn)較低的結(jié)構(gòu)質(zhì)量，總體采用玻璃纖維增強(qiáng)板材(GFK)和三明治填充結(jié)構(gòu)及其他輕金屬結(jié)構(gòu)，同時大量采用碳纖維復(fù)合材料(CFK)筋板。此模塊化設(shè)計可以由復(fù)合纖維輕結(jié)構(gòu)與帶有填充層的桁架結(jié)構(gòu)組成，將車體分為不同功能的設(shè)計段。這種多功能材料的設(shè)計概念和新型筋板結(jié)構(gòu)可以比目前結(jié)構(gòu)質(zhì)量降低30%。與此同時，車體結(jié)構(gòu)盡可能地進(jìn)行功能集成，以便最大限度地利用凈空限定的內(nèi)部空間。在下一代動車設(shè)計過程中大量采取了集成化和模塊化設(shè)計技術(shù)的新型結(jié)構(gòu)模式，見圖11[24]。

3 我國下一代高速列車設(shè)計技術(shù)的展望

根據(jù)下一代高速列車結(jié)構(gòu)集成設(shè)計技術(shù)的調(diào)研和關(guān)鍵技術(shù)研究，說明研究我國未來高速列車的關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)十分迫切而且必要，比如新型輕量化減振降噪材料的制備與應(yīng)用技術(shù)的研制可以滿足車內(nèi)低噪聲與低振動要求。利用面向廣域服役環(huán)境，復(fù)雜載荷工況，大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的綠色、智能、高效的先進(jìn)材料制備技術(shù)，可以為下一代高速列車提供更加可靠的安全保障[4,25-31]。

另外，降低能耗是研制下一代高速列車的重要技術(shù)指標(biāo)之一，如何降低能耗是下一代高速列車設(shè)計需要重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容。實(shí)際上，降低能耗的需求體現(xiàn)在高速列車的生態(tài)設(shè)計和綠色設(shè)計的各個方面，比如列車氣動外形的優(yōu)化設(shè)計可以降低空氣阻力、降低能耗；牽引制動系統(tǒng)的優(yōu)化控制可以高效節(jié)省能源消耗；智能化的結(jié)構(gòu)與材料設(shè)計技術(shù)等。也就是說，下一代高速列車能耗的降低不僅是牽引制動控制最優(yōu)控制策略模式的選擇，也包括關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件的外形優(yōu)化設(shè)計和結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計，新型智能化材料的選擇，智能運(yùn)營與維護(hù)管理等，這就需要重點(diǎn)研究高速列車的最佳牽引制動的管理方式。包括研制未來列車的混合動力系統(tǒng)模型以滿足高速列車的新特性，如高速和節(jié)能的要求。列車能量效率的控制策略和再生制動方式的選擇，最佳牽引控制方式更是一種非線性系統(tǒng)的優(yōu)化問題。列車在加速或上坡時會消耗能量，空氣阻力，輪軌阻力和舒適性需求，同樣需要消耗能量。如何通過再生制動方式的研究，再生和回收列車消耗的能量輸入以加速列車，可以極大地降低能耗[32]。下一代高速列車的關(guān)鍵技術(shù)，包含內(nèi)容豐富，這里僅僅討論主要技術(shù)的具體特點(diǎn)。

3.1 互聯(lián)互通性的下一代高速列車設(shè)計技術(shù)平臺的建設(shè)

基于多目標(biāo)、多學(xué)科的高速列車優(yōu)化設(shè)計環(huán)境，探索研究下一代高速列車車體結(jié)構(gòu)的研發(fā)與設(shè)計技術(shù)。這種技術(shù)主要基于已有的中國標(biāo)準(zhǔn)動車組相關(guān)技術(shù)，參考和學(xué)習(xí)歐洲與日本等國家的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的最新技術(shù)要求，最終豐富和完善中國動車組設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，完成互聯(lián)互通性的下一代高速列車設(shè)計技術(shù)平臺的建設(shè)。

3.2 關(guān)鍵設(shè)計技術(shù)的創(chuàng)新和突破

3.2.1 關(guān)鍵技術(shù)研究

牽引技術(shù)包括受電弓技術(shù)，電機(jī)技術(shù)，變流變壓技術(shù)，電力電子和電傳動技術(shù)，列車控制與管理系統(tǒng)等；轉(zhuǎn)向架技術(shù)與動力學(xué)控制技術(shù)；車體技術(shù)-新材料新工藝設(shè)計技術(shù)；制動技術(shù)；通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)；智能監(jiān)控技術(shù)等。這里以主動安全控制技術(shù)的應(yīng)用為例簡單說明，這也是列車控制與管理系統(tǒng)中必須要重點(diǎn)考慮的技術(shù)難題，其核心內(nèi)容是指列車和車輛在高速行駛狀態(tài)下操縱穩(wěn)定性、制動穩(wěn)定性、適應(yīng)環(huán)境狀況和天氣變化等動態(tài)未知變化的能力。在下一代高速列車的研制過程中，僅僅依靠提高高速鐵路的被動安全性，不能高效地提高高速鐵路的可靠性。研究與被動安全相結(jié)合的主動安全方法顯得尤為重要。對高速鐵路中的主動安全控制系統(tǒng)建模分析，是列車安全運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)和方法，進(jìn)一步通過經(jīng)驗預(yù)測性分析、主動防御等，最終達(dá)到高速列車的主動安全控制。

3.2.2 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件的設(shè)計技術(shù)

前面介紹了轉(zhuǎn)向架部分關(guān)鍵設(shè)計技術(shù)，這里以車體設(shè)計為例簡單說明。就車體而言，提高列車綜合舒適度，建立高速列車車體結(jié)構(gòu)設(shè)計的多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計技術(shù)。突破下一代高強(qiáng)、高韌、輕量化、變截面、變曲率、大斷面中空型材輕合金車體結(jié)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)車內(nèi)環(huán)境綜合舒適度提升。采用全景式高速列車車體結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)，最大限度利用最優(yōu)設(shè)計空間，以安全、輕量化和節(jié)能降噪降耗，通過最優(yōu)空間設(shè)計和能量傳輸理論、多功能材料設(shè)計概念，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)的提升，具體細(xì)節(jié)體現(xiàn)在等強(qiáng)度、等剛度結(jié)構(gòu)；(型材)變截面；多功能材料設(shè)計(鋁鎂合金、碳纖維)；綜合舒適度；流線型(車體和轉(zhuǎn)向架)；3D打印技術(shù)。研究變截面、變剛度、等強(qiáng)度等新材料、新工藝，開展碳纖維、復(fù)合材料及輕合金應(yīng)用于構(gòu)架部件的技術(shù)研究，從根本上提高結(jié)構(gòu)輕量化的水平。解決新型車體結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計、抗疲勞設(shè)計、先進(jìn)設(shè)計與制造技術(shù)、耐碰撞技術(shù)、減振降噪、防寒防火阻燃技術(shù)等方面的一系列研究。另外，車體結(jié)構(gòu)的設(shè)計還需要解決在服役環(huán)境下的聲振耦合、剛?cè)狁詈?、流固耦合、熱固耦合、傳聲和聲輻射、碰撞安全性等關(guān)鍵科學(xué)問題。

空氣動力學(xué)性能的優(yōu)化設(shè)計也是高速列車結(jié)構(gòu)部件外形設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)之一，其中包括了車體、轉(zhuǎn)向架以及受電弓等關(guān)鍵部件的氣動性能優(yōu)化設(shè)計技術(shù)。比如通過優(yōu)化車頭的形狀，減少運(yùn)行空氣阻力和氣動噪聲；考慮列車進(jìn)出隧道、會車以及橫風(fēng)作用下的列車安全性與穩(wěn)定性；優(yōu)化列車壓差變化的不利影響(微氣壓以及列車前端與尾端的壓力的分布變化)；降低氣動噪聲，改善車體與周圍環(huán)境的空氣動力學(xué)影響等。為了抑制列車在進(jìn)出隧道中的舒適度下降和振動加劇的問題，需要重點(diǎn)考慮列車頭部和列車截面外形的優(yōu)化設(shè)計，以減少空氣作用力的作用。

3.2.3 列車智能化技術(shù)

智能化技術(shù)的特征體現(xiàn)，應(yīng)該從以下幾點(diǎn)考慮：

(1) 全息化感知。充分利用車對地、地對車和車對車檢測手段，構(gòu)建新型的檢測體系，以實(shí)現(xiàn)高速列車全息化的狀態(tài)感知功能。當(dāng)然，這并不需要太多的車輛狀態(tài)感知傳感器，而是利用大數(shù)據(jù)、智能化、優(yōu)化的傳感器布置技術(shù)，獲得列車安全運(yùn)行所需要的車輛狀態(tài)測試數(shù)據(jù)。

(2) 定量化評估。基于車輛結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)評估，必須做到定量化，否則就無法針對狀態(tài)進(jìn)行有效的運(yùn)行、維護(hù)決策。定量化評估需要針對結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)進(jìn)行正確評估，比如針對結(jié)構(gòu)主要故障的準(zhǔn)確定位，最重要的還是安全性的評判?？紤]到線路、環(huán)境狀態(tài)的高速列車運(yùn)行安全性的影響，需應(yīng)用高速列車耦合大系統(tǒng)動力學(xué)理論進(jìn)行健康與安全評估。

(3) 健康化管理。智能化技術(shù)的另外一個重要功能就是支撐有效的車輛運(yùn)營和維護(hù)，尤其基于狀態(tài)感知系統(tǒng)和狀態(tài)辨識與評估系統(tǒng)，更加需要對車輛的結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)，特別是剩余壽命實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確判斷。結(jié)合高速列車的運(yùn)行歷程，需要建立非狀態(tài)檢測的車輛結(jié)構(gòu)的剩余壽命模型，實(shí)現(xiàn)高速列車的狀態(tài)修，也就是基于狀態(tài)評估和剩余壽命預(yù)測的動態(tài)計劃修，實(shí)現(xiàn)能力保持下的經(jīng)濟(jì)性維修。

(4) 安全評估技術(shù)。在下一代高速列車設(shè)計時，需要重點(diǎn)考慮高速列車主動安全防護(hù)能力，包括先進(jìn)的高速列車的感知技術(shù)與安全評估技術(shù)的研究。在全面感知高速列車狀態(tài)的基礎(chǔ)上，明確列車系統(tǒng)所有構(gòu)成與安全相關(guān)的要素之間的互動關(guān)系，探明系統(tǒng)在行為異常、失效、故障、事故和安全事故等情況下狀態(tài)演化規(guī)律，進(jìn)而構(gòu)建車輛系統(tǒng)的全局安全作用關(guān)系網(wǎng)絡(luò)模型。在此基礎(chǔ)上，安全評估技術(shù)還需要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)安全狀態(tài)空間劃分，并形成系統(tǒng)安全綜合評價指標(biāo)體系，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)全局安全狀態(tài)的量化表達(dá)，滿足對車輛系統(tǒng)安全評估的廣度、精度、效率、可靠性和綜合性的要求，見圖12。

3.2.4 大數(shù)據(jù)架構(gòu)下的智能化評估技術(shù)

下一代高速列車還需要構(gòu)建基于云計算分布式架構(gòu)的智能決策的框架體系，具體包括：深度學(xué)習(xí)的系統(tǒng)安全狀態(tài)跨模態(tài)融合模型；離線、在線聯(lián)合的車輛系統(tǒng)安全隱患數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)；基于知識、數(shù)據(jù)深度結(jié)合的系統(tǒng)風(fēng)險預(yù)測與事故致因推理方法等。這樣可以逐步形成下一代高速鐵路大數(shù)據(jù)平臺下的安全智能評估決策系統(tǒng)，滿足下一代高速列車更豐富的感知、故障診斷、評估預(yù)警和維修決策的先進(jìn)技術(shù)要求。大數(shù)據(jù)無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)見圖13。

3.2.5 關(guān)鍵設(shè)備狀態(tài)運(yùn)營維護(hù)優(yōu)化

大數(shù)據(jù)架構(gòu)下的智能化維修決策技術(shù)：將車輛系統(tǒng)全局安全感知信息、歷史檢測數(shù)據(jù)、歷史維修數(shù)據(jù)等海量信息數(shù)據(jù)與維修決策支持系統(tǒng)聯(lián)合起來，形成一個智能化的維修決策支持系統(tǒng)，使維修決策軟件化。這種基于大數(shù)據(jù)的狀態(tài)信息對下一代高速列車的運(yùn)營維護(hù)進(jìn)行優(yōu)化的方案有著十分重要的意義。維修決策方案見圖14。

4 結(jié)論

研制具有中國標(biāo)準(zhǔn)的下一代高速列車技術(shù)，需要站在國際高鐵技術(shù)的最前沿，學(xué)習(xí)和借鑒國內(nèi)外不同領(lǐng)域的最新設(shè)計成果，在實(shí)現(xiàn)下一代高速列車設(shè)計平臺建設(shè)的總目標(biāo)下，不斷建立與完善具體的下一代高速列車核心技術(shù)的實(shí)施細(xì)節(jié)。下一代高速列車的設(shè)計技術(shù)，不僅需要體現(xiàn)總體設(shè)計理念的革命性創(chuàng)新，突破傳統(tǒng)設(shè)計概念上的材料、形狀與結(jié)構(gòu)的變革與創(chuàng)新，更要體現(xiàn)在智能化和運(yùn)營維護(hù)及結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控技術(shù)。關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)該包括走行部懸掛控制技術(shù)；列車系統(tǒng)的主動安全控制技術(shù)；大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)和人工智能技術(shù)的綜合應(yīng)用。下一代高速列車應(yīng)該能夠有效地提高列車的預(yù)測、健康、管理(PHM)、狀態(tài)維修與智能維修等綜合水平，充分利用復(fù)雜系統(tǒng)集成設(shè)計和多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計技術(shù)，實(shí)現(xiàn)下一代高速列車的總體設(shè)計指標(biāo)的足夠先進(jìn)性。簡而言之，下一代的高速列車關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)該體現(xiàn)在如下這幾個方面。

(1) 結(jié)構(gòu)創(chuàng)新

下一代高速列車應(yīng)該在總體設(shè)計的理念，在總體結(jié)構(gòu)設(shè)計上一定要有創(chuàng)新，建立與完善新一代的高速列車設(shè)計平臺。就車輛而言，必須要保證下一代高速列車在結(jié)構(gòu)可靠性、系統(tǒng)安全性、維修經(jīng)濟(jì)性和性能指標(biāo)等方面得到明顯提升，量化改善目標(biāo)應(yīng)該達(dá)到30%以上。結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新更多反映在牽引傳動與制動技術(shù)、轉(zhuǎn)向架(走行部)、車體結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件上，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計上的創(chuàng)新，有效降低輪軌作用力，提高載客量的同時改善綜合性能指標(biāo)等。

(2) 材料創(chuàng)新

材料創(chuàng)新性是下一代高速列車的車輛結(jié)構(gòu)設(shè)計的一個重要環(huán)節(jié)，比如下一代車體具有的高耐寒、高耐雪特性。材料的應(yīng)用上，不僅包括關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件采用的常規(guī)材料(各種板梁結(jié)構(gòu)，夾層材料等)、隔振材料(蜂窩板，泡沫鋁等)、隔熱保溫阻燃材料、碳纖維材料、高分子材料和其他類型的復(fù)合材料等。在車輛結(jié)構(gòu)上將更多采用多功能材料和智能材料等。這就需要研制更多的新材料、新結(jié)構(gòu)和新工藝在軌道車輛的應(yīng)用，包括一些材料的可回收再利用。隨著鎂合金、碳纖維等材料的逐漸成熟，為走行部及車體的輕量化提供了良好的基礎(chǔ)條件；碳化硅材料的成功應(yīng)用，可以給牽引系統(tǒng)的大功率和小型化、輕量化帶來可能；碳-碳、碳-陶復(fù)合材料的應(yīng)用，也為制動系統(tǒng)輕量化及高可靠性帶來希望；無磨耗、長壽命與魯棒性的高分子材料發(fā)展，也使得車輛結(jié)構(gòu)的懸掛元件(比如橡膠彈簧，轉(zhuǎn)向架的轉(zhuǎn)臂的橡膠節(jié)點(diǎn))有了多樣化的選擇。

(3) 控制技術(shù)創(chuàng)新

下一代高速列車的一個核心思想就是要使車輛對線路有更好適應(yīng)性，特別是對線路不平順有更好的適應(yīng)性。這就需要提高列車與線路友好性，降低線路的建造與維護(hù)等級，提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。懸掛系統(tǒng)的主動控制技術(shù)(包括半自動與自適應(yīng))有望在下一代高速列車中得到應(yīng)用，通過先進(jìn)的控制技術(shù)的應(yīng)用，來極大提升車輛性能和車輛對線路的適應(yīng)性。

(4) 互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、智能運(yùn)營維護(hù)與結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控的技術(shù)創(chuàng)新

下一代高速列車的一個重要特點(diǎn)主要體現(xiàn)在：智能化、網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化和信息化技術(shù)的集成創(chuàng)新。通過智能化可以實(shí)現(xiàn)對車輛狀態(tài)的感知與安全評估。通過物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù)，優(yōu)化列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)和信息管理系統(tǒng)?；诮Y(jié)構(gòu)健康監(jiān)控可以滿足列車的服役狀態(tài)管理及智能運(yùn)營維護(hù)；通過先進(jìn)的車輛狀態(tài)修的科學(xué)管理體系，實(shí)現(xiàn)車輛狀態(tài)與運(yùn)營能力的保持，有效減少維修作業(yè)，降低維修成本。另外，還需要研制其他相關(guān)的車輛結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控的前沿技術(shù)，比如車輛結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部件的載荷識別與裂紋跟蹤系統(tǒng)的研制；提高抗地震安全性的“地震制動”功能，配備車載地震預(yù)警系統(tǒng)、緊急停車系統(tǒng)和防脫軌系統(tǒng)，以保證列車在地震時能夠有更短的列車制動距離； “轉(zhuǎn)向架振動檢測系統(tǒng)”和“車輛數(shù)據(jù)分析中心”的研制等。通過車輛主動與半主動控制技術(shù)降低車輛振動與噪聲，利用新技術(shù)抑制主要結(jié)構(gòu)部件的噪聲影響等。

總之，為了保證下一代高速列車的先進(jìn)性，需要采取各個研究領(lǐng)域的最新技術(shù)，綜合改善車輛的集成設(shè)計技術(shù)和總體設(shè)計技術(shù)，以保證車輛結(jié)構(gòu)的綜合最優(yōu)性能。