注：本文為期刊公眾號簡版，完整版已發(fā)群內(nèi)自取。

史俊玲，中國鐵道科學研究院集團有限公司科學技術(shù)信息研究所

沈通，中國鐵道科學研究院集團有限公司科學技術(shù)信息研究所

荊曉霞，中國鐵道科學研究院集團有限公司科學技術(shù)信息研究所

劉坦，中國鐵道科學研究院集團有限公司科學技術(shù)信息研究所

0 引言

高速列車是現(xiàn)代高新技術(shù)的集成，是一個國家鐵路技術(shù)水平的重要體現(xiàn)。近年來，日本、德國、法國等國家正在積極研制新一代高速列車，包括日本ALFA-X高速試驗車、德國Velaro Novo和法國TGVM等。目前我國正在積極開展復興號動車組系列化研制和產(chǎn)業(yè)化應用，加快推進“CR450科技創(chuàng)新工程”，研究國外典型新一代高速列車的研制目標、主要技術(shù)路線等，可為我國新型動車組研制提供參考。

1 研制目標

日本高速鐵路已經(jīng)開通運營半個多世紀，高速列車也已經(jīng)由最初的0系發(fā)展為以百位數(shù)字表示和E系表示的系列車型，主要包括100、200、300、400、500、700、800、N700系，以及E1、E2、E3、E4、E5、E6、E7系等多個車型，最高運營速度也由最初的200km/h提高到320km/h。為了將運營速度提升到360km/h，JR東日本鐵路公司基于“FASTECH 360”試驗車研制了ALFA-X高速試驗車（見圖1）。ALFA-X的研制目標為“追求更高的安全可靠性，提升舒適度，改善環(huán)保性能，實現(xiàn)運維創(chuàng)新”，列車為10輛編組，設計速度405km/h，目前正在測試中，最高試驗速度400km/h，計劃運營速度360km/h，旨在為2030年后新干線運營速度提升到360km/h提供試驗支撐。

德國從20世紀80年代開始研制ICE高速列車，已運營的車型包括動力集中型ICE-1和ICE-2，動力分散型ICE-3。其中，西門子公司基于新型ICE-3打造的Velaro平臺是其產(chǎn)品發(fā)展的重要里程碑，已為德國及其他國家提供1000多列。為了適應運營商進一步降低成本的需要，西門子公司從2013年開始歷經(jīng)5年研制了第四代高速列車——Velaro Novo（見圖2），其研制目標為：投資成本降低20%，維護成本降低30%；運營速度300km/h時能耗比Velaro節(jié)約30%；適應速度范圍250～360km/h；車內(nèi)可用空間增加10%。VelaroNovo為7輛編組，主要包括360、320、280km/h三個速度等級，目前1節(jié)車廂正編組在ICE-S試驗車中進行測試，首列車計劃2023年投入使用。

法國自1978年制造出第一列TGV高速列車后，發(fā)展了TGV-PSE、TGV-A、AVE、TGV-R、TGV-TMST（歐洲之星）、TGV-PBKA（大力士）、TGV-2N等型號高速列車，最高運營速度320km/h，期間曾創(chuàng)造多項世界紀錄。法國基于TGV-POS動車、TGV-Duplex客車改造的V-150試驗列車于2007年4月以574.8km/h的試驗速度創(chuàng)造了輪軌鐵路的世界紀錄并保持至今。為了更好地適應環(huán)境發(fā)展需要，阿爾斯通公司從2015年開始為法國國營鐵路公司（SNCF）研制新一代高速列車——Avelia Horizon，SNCF將其命名為“TGVM”。TGVM的研制目標為：采購和運營成本至少降低20%；優(yōu)化碳足跡，材料可回收率超過90%，能耗至少降低25%；改善乘客乘車體驗，車廂容量增加20%。TGVM為7～9輛模塊化編組，最高速度350km/h，首列TGVM型高速列車的動力車（頭車，見圖3）已下線，計劃于2024年6月巴黎夏季奧運會之前正式投入運營。

2 主要技術(shù)路線

國外典型高速列車研制目標重點在于大幅降低全生命周期成本、降低能耗，提升乘客體驗和可靠性等，大多都基于上一代高速列車進行了大量技術(shù)創(chuàng)新和優(yōu)化，并提出相應的技術(shù)路線。

2.1 ALFA-X

ALFA-X高速試驗車為10M全動車編組，其端車長26250mm、中間車長24500mm，平均軸重12.4t、最大軸重13.1t，車體采用蜂窩結(jié)構(gòu)鋁合金型材，可在司機駕駛和自由駕駛之間切換。其相關(guān)系統(tǒng)配置見表1。

ALFA-X圍繞更安全可靠、更舒適、更環(huán)保和運維創(chuàng)新等研制目標，在FASTECH360試驗車基礎(chǔ)上綜合采用大數(shù)據(jù)、人工智能、全SiC功率模塊等前瞻性技術(shù)，進行了多項技術(shù)創(chuàng)新。

【更安全可靠】

?ALFA-X高速試驗車主要采取地震對策、監(jiān)測、防雪等措施以提高安全可靠性，具體如下：

（1）日本鐵路技術(shù)標準規(guī)定新干線列車的制動距離不超過4000m，目前新干線列車僅靠黏著制動能夠?qū)?20km/h運行時的緊急制動距離控制在4000m以內(nèi)，ALFA-X要將360km/h運行時的緊急制動距離控制在4000m以內(nèi)，需在黏著制動基礎(chǔ)上增加非黏著制動方式，因而其在再生制動和帶空-重車調(diào)節(jié)的電空制動基礎(chǔ)上，增設基于德國ICE技術(shù)的線性渦流制動，并在車頂增加縱向安裝的空氣阻尼板（見圖4）制動，還設置了地震-制動控制模式曲線等，制動效果正在測試中。此外，ALFA-X裝載有地震對策用減振器和限位塊（見圖5），減振器可在地震發(fā)生時立即啟動以緩和車體搖晃、防止脫軌；限位塊可起到抵消地震附加荷載、緩和車體晃動荷載向轉(zhuǎn)向架傳遞，減緩輪軌間作用力，保持車輛重心穩(wěn)定的作用，降低脫軌風險。

（2）ALFA-X還在車體和轉(zhuǎn)向架、軸箱等關(guān)鍵部位安裝振動傳感器及溫度傳感器，實施部件狀態(tài)監(jiān)測，及早發(fā)現(xiàn)異常征兆，提升安全性和維修性。

（3）ALFA-X采用高耐寒、高耐雪的車體結(jié)構(gòu)，可適應-30℃的氣候條件，車頭采用低噪聲空壓式除雪犁，加裝車體裙板，并對車底電機、輪對及轉(zhuǎn)向架等設備加罩；吸氣口處設置旋風式分離器，避免電機和換氣系統(tǒng)因吸入的空氣中夾雜雪花而發(fā)生故障；改進轉(zhuǎn)向架周邊部件形狀，控制氣流方向以減少卷入轉(zhuǎn)向架的雪量，防止產(chǎn)生積雪；采用電熱片式暖風空調(diào)系統(tǒng)，并增加其功率。

【提高舒適度】

ALFA-X采用空氣彈簧式車體傾擺系統(tǒng)（通過曲線時最大傾角為2°）和有源振動控制裝置，以實施車體橫向、豎向振動控制。座椅帶有減振機構(gòu)，兼顧舒適性、免維護性和輕量化，擴大腳下空間，提升乘坐舒適度。采用高遮音、吸音性能車體結(jié)構(gòu)，減小車內(nèi)振動和噪聲。

【環(huán)保降噪】

ALFA-X分別在3號和7號車搭載具有良好降噪和受流性能的直臂式和曲臂式受電弓，適應交流25kV/50Hz供電制式。其中，直臂式受電弓關(guān)節(jié)部位采用符合空氣動力學形狀的包覆，并對受電弓隔聲板內(nèi)側(cè)進行吸聲處理；曲臂式受電弓采用全包式風擋結(jié)構(gòu)，黑色三元乙丙橡膠主材。為了開展多臺受電弓對比試驗，5號車加裝了第3臺受電弓。以上措施有效防止高速運行時產(chǎn)生的空氣動力噪聲。ALFA-X為了抑制高速駛?cè)胨淼罆r的微氣壓波，追求環(huán)保效應，優(yōu)化頭車外形設計，采用2種空氣動力學頭型以驗證不同頭型效果。其中，1號車（見圖6）流線長度約16m，頭型融入“楔形”“平順起伏”“舒展”等氣流要素，在抑制隧道微氣壓波的同時確保合適的車廂空間；10號車（見圖7）流線長度約22m，造型呈現(xiàn)出轉(zhuǎn)向架裙板突出、駕駛艙鑲嵌、向后方平順過渡等特點。

【運維創(chuàng)新】

ALFA-X安裝了車輛綜合控制及關(guān)鍵部件監(jiān)視系統(tǒng)（S-INTEROS），系統(tǒng)包括信息采集、狀態(tài)監(jiān)視、網(wǎng)絡控制3個層級。其中，信息采集層負責收集地面設備及車載設備運轉(zhuǎn)狀態(tài)相關(guān)數(shù)據(jù)；狀態(tài)監(jiān)視層負責對線路、弓網(wǎng)、監(jiān)視界面、信號、VVVF逆變器、輔助電源、制動、廣播、空調(diào)、車門裝置的狀態(tài)實施遠程監(jiān)測，進行故障預兆的早期預測；網(wǎng)絡控制層根據(jù)設備狀態(tài)和預測結(jié)果，對監(jiān)視界面、信號、VVVF逆變器、輔助電源、制動、廣播、空調(diào)、車門共8個裝置實施基于通用以太網(wǎng)的控制。S-INTEROS系統(tǒng)能夠提高列車的可維修性，為實現(xiàn)由定期修向狀態(tài)修的轉(zhuǎn)變提供大數(shù)據(jù)支持。

2.2 Velaro Novo

VelaroNovo為了實現(xiàn)靈活可變、降低成本、節(jié)能環(huán)保的目標，在設計上有多項創(chuàng)新。

【靈活可變】

為了滿足運營商和乘客的不同需求，Velaro Novo通過不同配置的動力和制動系統(tǒng)實現(xiàn)不同的速度等級；車身按照“空管概念”設計，即車廂內(nèi)沒有不可更換的內(nèi)飾，所有座椅、桌板及布局等都可根據(jù)用戶需求定制，乘客可用空間增加10%。Velaro Novo采用更高效、模塊化的牽引和制動裝備，每列車可配備4、5或6個牽引單元（動力轉(zhuǎn)向架），實現(xiàn)不同速度等級，其動力轉(zhuǎn)向架采用永磁同步電機，牽引功率增加10%、制動功率增加70%、能源效率提高5%。其中：6個牽引單元（12個永磁同步電機）的列車能夠在交流25kV供電條件下實現(xiàn)牽引功率8000kW，最高運營速度360km/h，同樣功率的Velaro列車需16個異步電機；5個牽引單元的列車牽引功率6600kW，交流25kV供電和直流15kV供電時可分別支持320、300km/h運營；4個牽引單元的列車牽引功率4700kW，可支持280km/h運營。另外，永磁同步電機將電制動功率提高到接近12MW，在不使用機械（空氣）制動情況下僅使用純電制動就可滿足正常制動需求，有助于減少機械制動磨損、降低維護成本，也可使電力再生最大化。Velaro Novo還配有制動電阻，當接觸網(wǎng)無法回收制動電能時，可采用電阻制動；在拖車轉(zhuǎn)向架上安裝盤型制動器，在動力轉(zhuǎn)向架和拖車轉(zhuǎn)向架上安裝踏面制動器，用于緊急制動。Velaro Novo不同速度等級列車相關(guān)參數(shù)見表2。

Velaro Novo采用“空管概念”設計，將大多數(shù)技術(shù)設備設置在車底或車頂容器中，僅有少量設備設置在車廂前壁。列車編組由Velaro的8輛改為7輛，車廂長度大于Velaro，其中動力車長29.285m，中間車長28.750m，列車總長度202.320m（其中乘客可用空間188.000m），高度3940mm。車體寬度由2942mm減小為2880mm，但車內(nèi)過道寬度從524mm增加到535mm，車內(nèi)空間增加10%。VelaroNovo可根據(jù)客戶要求布置座椅，列車整個內(nèi)部空間僅供乘客和相關(guān)設備使用，包括入口、洗手間、座椅、行李架、餐廳等。

【降低成本】

Velaro Novo主要通過輕量化、狀態(tài)修等方式，實現(xiàn)購置成本降低20%、維護成本降低30%的目標。輕量化方面，一是通過減小轉(zhuǎn)向架、車體等部件的質(zhì)量實現(xiàn)列車減輕質(zhì)量70t以上，比Velaro減輕15%，其中：列車編組由8輛減為7輛可減少2臺轉(zhuǎn)向架質(zhì)量；轉(zhuǎn)向架構(gòu)架采用開放式設計和熱軋鋼材質(zhì)，減輕質(zhì)量約40%；采用軸箱布置在輪對內(nèi)側(cè)的內(nèi)置軸箱式轉(zhuǎn)向架（見圖8），結(jié)構(gòu)更加緊湊、尺寸更小、車軸長度也可縮短，經(jīng)在Desiro City型動車組上驗證可減輕質(zhì)量約1t；與Velaro相比大幅減輕牽引電機和拖車轉(zhuǎn)向架質(zhì)量，簧下質(zhì)量更輕、運行更平穩(wěn)、磨損更少。二是車體采用新型鋁型材，車體蒙皮厚度從Velaro的4mm減小到2mm，不僅增加了內(nèi)部寬度，也有助于減輕質(zhì)量；車頂采用復合板，車廂內(nèi)采用新材料，車身采用攪拌摩擦焊接技術(shù)制造，焊縫質(zhì)量更高。三是采用SiC牽引輔助變流器、永磁同步牽引電機等也有助于減輕質(zhì)量。

Velaro Novo采用高性能電制動系統(tǒng)等減少機械磨損和損壞，并采用監(jiān)測和傳感器技術(shù)，連續(xù)收集運行數(shù)據(jù)和列車性能的精確信息，實現(xiàn)故障預測和狀態(tài)修，可大幅降低維護成本。

【節(jié)能環(huán)保】

Velaro Novo通過優(yōu)化列車外形、轉(zhuǎn)向架、受電弓設計等實現(xiàn)300km/h運營時能耗比Velaro節(jié)約30%。列車外形方面，降低車頂高壓設備高度，將列車高度降低至3940mm；平滑列車下部輪廓曲線，以控制列車下部氣流；車輛間通過臺外表面與車體外表面平齊，使空氣阻力、能耗降低約10%。采用的內(nèi)置軸箱全封閉式轉(zhuǎn)向架使轉(zhuǎn)向架車底區(qū)域處于封閉狀態(tài)，可減少15%的能耗并降低噪聲。新型受電弓（見圖9）不采用獨立絕緣子以隔離下支撐臂與車架間的電壓；車頂高壓設備完全隔離，可用罩殼覆蓋，形成全封閉車頂外形，改善列車的空氣動力學性能；采用的流線型車頂可降低能耗10%。

西門子公司以科隆—法蘭克福線為例進行模擬試驗，結(jié)果顯示，Velaro Novo以300km/h運行時比上一代列車節(jié)能約30%，每列車每年約減少碳排放量1375t。

2.3 TGV M

法國新一代高速列車TGVM是一款動力集中型鉸接式雙層列車，其研發(fā)理念主要是通過模塊化設計以滿足不同客戶的需求，更具靈活性，并降低成本，更加節(jié)能環(huán)保。TGVM高速列車主要技術(shù)參數(shù)見表3。

【更靈活】

TGVM高速列車采用模塊化設計，可根據(jù)需求采取7、8或9輛編組，其中9輛編組的最大容量為740個座席，載客量相較于正在運營的8輛編組雙層TGV列車增加20%。TGVM可實現(xiàn)座椅的靈活布置，其頭等車廂和二等車廂間可重新配置（頭等座位區(qū)可轉(zhuǎn)換為二等座位區(qū)）；可添加或移除座位、自行車及行李存放區(qū)，也可配備高密度座椅（用于低價高速客運服務）。另外，TGVM為了滿足乘客的信息服務需求，通過車載Wi-Fi及覆蓋列車的信息提示系統(tǒng)提供全面實時的行程信息；實現(xiàn)輪椅等在車內(nèi)無障礙通行，方便乘客上下車。

【降低成本】

TGVM的采購價格將由TGV Duplex的3000萬歐元/列降低至2500萬歐元/列，列車購置成本降低20%。其牽引系統(tǒng)采用阿爾斯通公司的機車牽引系統(tǒng)，更加高效、體積更小、更安靜，可顯著降低動力車成本。維護成本方面，阿爾斯通公司基于維護英國Pendolino列車及意大利AGV高速列車的經(jīng)驗，聯(lián)合SNCF利用遠程故障診斷系統(tǒng)支持預測性維護，對故障預測、磨損率、維護計劃等開展研究，提出維護成本降低30%以上的解決方案。

【節(jié)能環(huán)?！?/span>

TGV系列高速列車傳統(tǒng)上采用鉸接式轉(zhuǎn)向架，對改善空氣動力學和降低能耗起到很好的作用。TGVM要實現(xiàn)能耗比TGV Duplex減少20%，需采用更高效的牽引系統(tǒng)、再生制動、更好的空氣動力學性能及“綠色駕駛”等。此外，TGVM可回收利用部件占比高達97%，碳排放量減少32%，碳足跡為市場最低。

3 對我國的啟示

截至2021年底，我國高速鐵路營業(yè)里程已超過4萬km，高速列車保有量3919組，其中復興號動車組1191組。根據(jù)《新時代交通強國鐵路先行規(guī)劃綱要》，到2025和2035年我國高速鐵路營業(yè)里程將分別比2021年底增加1萬km和3萬km。而我國和諧號動車組將于2028年進入換裝周期。因此，我國對于速度等級更高、綜合性能更優(yōu)的新一代高速列車研制需求迫切，建議借鑒國外典型新一代高速列車的研制經(jīng)驗，加快推進新一代高速列車研制。主要啟示如下：

（1）高速列車設計考慮綜合性能優(yōu)化提升。國外典型新一代高速列車追求的目標不只是速度的提升，更關(guān)鍵的是綜合性能的提升，總體呈現(xiàn)出更高速、更節(jié)能、更環(huán)保、更靈活、更經(jīng)濟、更舒適、更安全等特點，是不同性能綜合優(yōu)化的集成，可為我國新一代高速列車的設計理念、主要技術(shù)路線等提供參考。

（2）以運營需求為牽引開展研制工作。國外高速列車研制中制造企業(yè)和鐵路運營企業(yè)的作用主要有2種模式。其中，歐洲國家的高速列車研發(fā)成本主要由制造商承擔，通過模塊化定制滿足鐵路運輸企業(yè)的需要，鐵路運輸企業(yè)起到的作用正在逐步下降，且歐洲鐵路運輸市場的開放加劇了這一趨勢；日本則由鐵路運輸企業(yè)占主導地位，因其秉承運營方最理解高速列車需求的理念，因而由其主導并與裝備制造商共同承擔研發(fā)費用。歐洲模式相對適應運營商和制造商數(shù)量較多、具備菜單式定制能力的環(huán)境，日本模式則與我國有較高的契合度。

（3）大力開展技術(shù)攻關(guān)和創(chuàng)新。為了達到預期目標，國外典型新一代高速列車進行了多項技術(shù)改進或創(chuàng)新，如Velaro Novo為了達到減輕質(zhì)量、降低能耗、降低成本的效果，采用內(nèi)置軸箱全封閉式轉(zhuǎn)向架等多項創(chuàng)新設計。我國新一代高速列車研制需加強相關(guān)基礎(chǔ)性前瞻性技術(shù)研究，開展重大、原始技術(shù)創(chuàng)新和攻關(guān)，并實現(xiàn)整車系統(tǒng)集成和關(guān)鍵子系統(tǒng)的自主化，通過技術(shù)創(chuàng)新為高速列車性能整體優(yōu)化提供有力支撐。

總體而言，我國未來高速鐵路市場需求巨大，研制具有世界領(lǐng)先水平的高速列車，對于落實國家相關(guān)政策要求，以及我國高鐵持續(xù)領(lǐng)跑世界、推動鐵路高質(zhì)量發(fā)展有著重要意義，國外典型新一代高速列車的設計理念和技術(shù)路線可為我國提供一定的參考和借鑒。

來源：《中國鐵路》編輯部