中国高铁故事.doc

.
第一章 高速列车素描
1. 高速列车的定义 3
1.1 国际铁路联盟（UIC） 3
1.2欧盟 4
1.3 联合国欧洲经济委员会 4
1.4 各国对“高速铁路”和“高速铁道机车车辆”的定义 5
2. 基本概念和术语 7
3. 高速列车类型 10
3.1 按照速度等级分类 11
3.2 按照动力来源分类 12
3.3 按照动力配置模式分类 12
3.4 按照高速列车应用场合分类 15
3.5 其它分类方式 16
4. 主要系统构成 17
4.1 弓网系统 18
4.2 车体系统 18
4.3 走行系统（转向架系统） 19
4.4 牵引传动系统 19
4.5 制动系统 20
4.6 列车分布式网络控制系统 20
4.7 车内环境控制系统 20
4.8 给排水及卫生系统 21
4.9 动车组人机界面系统 21
第一章 高速列车素描
伴随中国高铁的快速发展和日益广泛的应用，在为人类日常生活提供极大便利的同时高铁也逐渐成为国民的热议话题，在诸多话题中，有一个话题逐渐为大家所熟悉：高铁和动车组有什么区别？今天我们带着同样的话题，共同揭开高铁和动车组的神秘面纱。
问题中的高铁其实是高速铁路的简称，它是一种比普通铁路速度更快（一般而言速度约为普通铁路的两至三倍，或最高运营时速200公里/小时以上），使用特别机车车辆与专用轨道的轮轨运输系统。广义的高速铁路是指使用固定轨道或管道的高速运输系统，所以诸如磁悬浮等也是高速铁路的一种。除非特别说明，一般所说的高铁专指高速轮轨运输系统。从上述定义中，我们可以明确地得出如下结论：高速铁路是一个综合概念，它不仅仅包括运行线路、接触网等基建设施还包括高速列车、通信信号、行车调度等车辆设备和一系列非目视化的软设施，其中高速列车指的就是我们上述问题中的动车组。

图1 建设中的广深港高铁线路（2011年）
为什么会出现上述关于高铁和动车组区别的疑问呢？丛书作者认为或许是因为在高铁这一高速轮轨运输系统中，高速列车（即动车组）作为主要的移动装备和直接旅客体验载体，使乘客在一定程度上忽略了线路、接触网、通信信号和行车调度等“幕后英雄”。
通过以上的描述，相信在读者的脑海中应该已经可以基本形成高铁这一高速轮轨系统的基本框架。下面的章节中我们也将从较为专业的角度从多个维度对高速列车及其相关组成进行细致论述。
1. 高速列车的定义
网络上流行这样一句话“高速铁路肇始于日本，发展于欧洲，格局大变于中国”。从这段话中我们可以感受到亚洲对于世界高铁发展所处的举足轻重的地位。然而，针对高铁的定义，目前世界范围内并没有统一的定义。但随着各国技术的快速发展和互联互通范围的不断扩大，近年各国对于高速铁路的定义趋于接近。正如开篇的经典问题一样，对于高速铁路定义的也间接定义了高速列车。下面分别列举了世界主流的高速铁路定义方式。
1.1 国际铁路联盟（UIC）
国际铁路联盟对“高速铁路”和“高速铁道机车车辆”两方面的标准提供了如下建议：
（1）高速铁路
Ø 新建高速铁路的设计速度达到250公里/小时以上；
Ø 经升级改造（直线化、轨距标准化）的高速铁路，其设计速度达到200公里/小时，甚至达到220公里/小时。
（2）高速铁道机车车辆
Ø 商业营运速度最少达到250公里/小时的高速动车组列车；
Ø 商业营运速度较低（200公里/小时），但服务品质较高的列车，例如摆式列车；
Ø 商业营运速度达到200公里/小时的传统机辆模式（铁路机车牵引铁路车辆）铁路列车。
1.2欧盟
为了组织建立泛欧高速铁路网（英文：Trans-European high-speed rail network，简称TEN-R）体系，欧盟在1996年宣布对“高速铁路”提出新的定义，并发布了“96／48／EC号指令”（DIRECTIVE 96/48/EC），给出“高速铁路”和“高速铁道机车车辆”两方面的标准。此标准现在普遍适用于欧盟成员国。
（1）高速铁路
Ø 新建高速铁路的容许速度达到250公里/小时或以上；
Ø 经升级改造的高速铁路，其容许速度达到200公里/小时。
（2）高速铁道机车车辆
Ø 在新建高速铁路上，运行速度最少达到250公里/小时，并在可能的情况下达到300公里/小时；
Ø 在既有铁路上，运行速度达到200公里/小时。
1.3 联合国欧洲经济委员会
和欧盟一样，作为主管运输统计工作的联合国欧洲经济委员会分别为“高速铁路”和“高速铁道机车车辆”两方面设立了标准。
（1）高速铁路
Ø 高速铁路专线在主要路段的容许速度达到250公里/小时或以上；
Ø 经升级改造的高速铁路，在主要路段的容许速度达到200公里/小时。
（2）高速铁道机车车辆
Ø 在高速铁路专线上的设计运营速度最少达到250公里/小时；
Ø 在经升级改造的高速铁路上，设计运营速度达到200公里/小时的高速摆式列车；
Ø 最高运营速度达到200公里/小时的传统高速铁道机车车辆。
1.4 各国对“高速铁路”和“高速铁道机车车辆”的定义
虽然国际铁路联盟为“高速铁路”和“高速铁道机车车辆”的定义提供了建议。但国际铁路联盟认为，各国可以根据自身情况确定本国“高速铁路”的概念，例如在既有线上提速改造而最高速度达到200公里/小时以上；或者在一些铁路运输比较落后的国家，即使列车最高营运速度仅达到160公里/小时，但同时提供了优质的服务，也可称为“高速铁路”，因为这被视为成为真正“高速铁路”的起点。除了国际铁路联盟（UIC）、欧盟和联合国欧洲经济委员会之外，各国对“高速铁道机车车辆”也给出了定义。
（1）日本
作为世界上最早开始发展高速铁路的国家，日本政府在1970年发布第71号法令，为制定全国新干线铁路发展的法律时，对高速铁路的定义是，凡一条铁路的主要区段，列车的最高运行速度达到200公里/小时或以上者，可以称为高速铁路。

图2 整装待发的日本新干线高速列车
（2）美国
美国联邦铁路管理局对“高速铁路”的官方定义为最高营运速度高于145公里/小时（90 mph）的铁路。但从社会大众的角度，“高速铁路”一词在美国通常会被用来指营运速度高于160公里/小时的铁路服务，这是因为在当地除了阿西乐快线（最高速度240公里/小时）以外并没有其他营运速度高于128公里/小时（80mph）的铁路客运服务。

图3 美国Acela快线列车（阿尔斯通制造）
（3）中国
根据《铁路安全管理条例》，第一百零七条：本条例所称高速铁路，是指设计开行时速250公里以上（含预留），并且初期运营时速200公里以上的列车客运专线铁路。目前除秦沈客专、胶济客专、石太客专和高速铁路走廊还在使用客运专线这一名称外，其余建设线路只以XX线，XX城际，XX高铁命名。

图4 中国2020年高速铁路网示意图
综合，我们可以将高速列车定义为运营时速在200公里及以上的高速铁道机车车辆。
下面将对高速列车的基本概念和一些专业术语进行专题阐述。
2. 基本概念和术语
上一节中，较为系统的阐述了世界范围内对“高速铁路”和“高速铁道机车车辆”的定义。这其中“高速铁道机车车辆”主要是指本书的主角---“高速列车”。为了便于读者理解，单独拿出本节来介绍一下高速列车相关的基本概念。
（1）动车组（Multiple Units）：以若干动车（带动力的车厢）和若干拖车（不带动力的车厢）固定编组而成的车组。
（2）动车（Motor Car，M）：带动力的车厢被称为动车，这种车厢的转向架上带有牵引电机。
（3）拖车（Trailer Car，T）：没有动力的车厢被称为拖车。
（4）编组形式：指一列车所包含车厢的数量，以及整列车所包含的动车和拖车的数量。
（5）固定编组：指仅能在列车生产厂内进行重组的列车编组。比如一列编组形式为T+M+T+M+M+T+M+T的8编组列车，每节车在编组中的位置是固定的。
（6）预设编组：指由几个单元联挂在一起，在设计阶段被定义且能在运营期间重组的列车编组。比如两列同型号的8编组动车组可以联挂运行。
（7）动力集中：是指动力装置集中安装在列车两端车厢。
（8）动力分散：是指动力装置分散安装在几个车厢。
上述概念的理解，我们以和谐号CRH380A动车组为例，该列车采用动力分散动力布置模式，其编组形式为8辆固定编组（即一列车由8节车厢组成），在这8辆车中，有6辆为动车，2辆为拖车。配图如图6所示。
关于速度的概念主要有以下几个：
（1）速度等级：速度等级概念并没有很明确的定义，现在国内动车组速度等级一般可以分为以下几个速度等级：时速100-200公里等级、时速200-300公里等级、时速300-400公里等级。
（2）最高运营速度：是指列车实际商业运行的最高速度。
（3）构造速度：又称结构速度，是指在正常情况下，考虑铁路车辆车体和转向架结构强度和机车动力性能所允许的理论最大行车速度。
构造速度是一个相对抽象的定义，现在多以最大试验速度和最大运行速度来代替。一般情况下构造速度要高于最大试验速度，但少数情况下，试验速度也可以超过构造速度，但此时就相对有安全风险了。
（4）平均速度：平均速度＝运行距离÷（运行时间-中途车站停车时间）。
（5）旅行速度＝运行距离÷运行时间(包括中途车站停车时间）。
以上几种速度中，真正与乘客的时间利益切身相关的其实是旅行速度，因为旅行速度的高低直接反映了乘客从出发车站到目的地站所需时间的长短。要想提高旅行速度，缩短旅行时间，实际上得从提高列车最高运营速度、曲线通过速度、加减速度、道岔通过速度，减少车站停车时间，列车运行图合理制定等多方面下功夫才行。
其它概念：
（1）轴重：也称为轴荷，是指每根车轴允许分摊的最大整车重量。间接反映了轨道所承受的静载荷强度。
（2）定员：列车额定的载客量。
（3）建筑限界：为了保证列车运行安全，要求靠近铁路线路修建的建筑物及设备，不得侵入规定的与线路中心线垂直断面的轮廓尺寸线，称为建筑限界。
（4）车辆限界：为了确保行车安全，要求机车、车辆本身及其装载的货物，不得超过规定的轮廓尺寸线，称为机车车辆限界。
3. 高速列车类型
目前，针对高速列车的定义，“狭义”上，高速列车是指运营时速达到200公里及以上的传统轮轨式列车，“广义”上，高速列车除了传统的轮轨式列车外还包括高速磁悬浮车辆。
由于高速磁悬浮车辆并未广泛应用，本书仅对其做简要介绍。磁悬浮列车的原理并不深奥，它运用‘同极相斥，异极相吸’的原理，利用电磁系统产生的排斥力将车辆托起，使整个列车悬浮在导轨上方，利用电磁力进行导向，利用直线电机将电能直接转换成列车运行的牵引力，推动列车高速运行。简单的说，磁悬浮列车就是凭借电磁力来进行悬浮、导向和驱动的列车。由于车、轨不接触，所以没有轮轨摩擦阻力，适用于超高速运行，理论上讲速度可达600km/h以上。磁悬浮列车具有能源消耗小，安全性高，无污染，利于环保，运行平稳，旅客舒适性好等优点，因此具有非常好的发展前景。但是，磁悬浮交通系统与既有的铁路系统不兼容，投资费用较高。

图7 创下603公里/小时速度记录的日本超导磁悬浮车辆
世界范围内的高速列车以动车组居多，对于动车组的分类常常按照以下几个方面进行划分。
3.1 按照速度等级分类
按照速度等级可以分为准高速、高速和超高速列车。
（1）准高速列车：最高运营速度160 -200km/h
（2）高速列车：最高运营速度200 -400km/h
（3）超高速列车：最高运营速度400km/h以上
3.2 按照动力来源分类
按照动车组动力来源分类，可以将高速列车为电力牵引高速列车、内燃牵引高速列车和内燃电力双动力高速列车。
（1）电力牵引高速列车（即电动车组（EMU：Electric Multiple Unit））：电力牵引是绝大多数国家高速列车采用的牵引方式。电力牵引的优点主要有牵引功率大，轴重轻，经济性好，可再生制动反馈能量，以及环保，碳排放低等。
（2）内燃牵引高速列车（即内燃动车组（DMU：Diesel Multiple Unit））：内燃牵引高速列车由于其投资少，见效快，经济性好等优点，常常用于尚未电气化的高速铁路区段，或者说作为一种发展高速铁路建设的过度牵引模式。比如在英国，由于铁路电气化进程缓慢，内燃动车组DMU（Diesel Multiple Unit）目前仍然是其铁路客运的主力车型。但是DMU的运行最高运营速度低于电动车组。
（3）内燃电力双动力高速列车（即内燃电力双动力动车组（DEMU：Diesel Electric Multiple Unit））：该种高速列车由于可以同时在电气化铁路和非电气化铁路区段运营，在一些电气化升级改造尚未完全的线路具有很高实用性。
3.3 按照动力配置模式分类
所谓动力配置模式，可以理解为牵引力分配方式。按照动力动力配置模式分类，可以将高速列车分为：
（1）动力集中型高速列车
通俗的讲，“火车跑得快，全靠车头带”这一谚语说的就是动力集中式列车。动力集中式列车是将动力装置集中安装与列车的一端或两端的动力车上，中间车不带动力（称为拖车）。只有动力车的轮对是受电机驱动的，动力车一般不载客，拖车仅载客不具备牵引能力。
图8 动力集中高速列车示意图
（2）动力分散型高速列车
动力分散式高速列车把动力分散在编组内不同车辆上。比如CRH2A采用三相异步电动机牵引，8辆编组的列车共有16台牵引电机，这16台电动机分散安置在4辆动车的地板下，也就是说，每辆动车负责接纳4台牵引电机。列车运行时，每台电机负责驱动一根车轴，这16台牵引电机通力合作让列车高速奔跑起来。像这种不用机车牵引，把动力分散在编组内全部或部分车辆的动力配置方式就称为动力分散方式。说一列8编组的高速列车，编组形式为T+M+T+M+M+T+M+T。动车一般简写为M，表示Motor Car；拖车一般简写为T，表示Trail Car。很直观，该列车由4辆动车和4辆拖车构成，动力是分散在编组内不同车辆上的。

图9 动力分散高速列车示意图
两种类型的高速列车都具有自身的特点和发展过程。从其产生和发展历史来看，某个国家或某条高速铁路采用什么类型的高速列车，可能与它们的运用条件、运用经验和传统技术有关。因此在选择和比较它们的优劣时不能一概而论。只有详细分析它们的技术特性，结合具体的运用要求和使用条件才能得出比较明确的结论和选型方案。这里就动力集中型动力配置与动力分散型动力配置的高速列车的优缺点进行分析，见表2-1和表2-2。
表2-1 两种类型的动车组优缺点比较
动车组集中型优点
动力分散型缺点
它与传统的列车相似，便于我们按习惯进行运行管理和维修管理
与传统运营、维修管理体制和习惯不适应，必须建立一套新的维修保养体系
故障相对较高的电器、机械设备集中在头车，运用中便于监测和进行技术保养，这些设备的工作环境也较清洁
动力设备安装在车下，要求体积小，工作环境差。分散的动力设备故障率相对较高
机械、电气设备与载客车厢相隔离、车厢内噪声、振动较小
车辆下部吊装动力设备，其产生的振动和噪声会影响车厢内的舒适度，增加了隔振降噪的技术难度
动力头车可以摘挂使列车进入既有线，甚至可更换内燃机车使列车直接进入非电气化铁路运行
列车只能分单元编组，不能驶入非电气化铁路运行
表2-2 两种类型的动车组优缺点比较
动力分散型优点
动车组集中型缺点
动力车不但能够提供列车牵引力，同时可以容纳旅客，增加了动车组的载客量
动力头车不能载客，相对减少了载客量
将牵引动力设备和牵引电机的功率和重量分散到各个车辆负担，较易实现高速列车减轻轴重的要求
动力头车集中了全部动力设备，减轻设备重量比较困难，而高速列车要求列车的轴重尽量轻
牵引力分散在各个动力车轮上，可解决动车组大牵引力与轴重限制之间的矛盾
高速动车组需要动力头车产生足够大的粘着牵引力，这与减轻轴重的要求形成矛盾
可以充分利用动力制动功率，列车具有较好的制动性能
动力头车的制动能力受到粘着的限制，需要拖车分担部分制动功率，因此列车的制动性能欠佳
3.4 按照高速列车应用场合分类
按照高速列车应用场合分类，高速类车可分为以下几类：
（1）干线高速列车
干线高速列车一般运营时速在200公里及以上，主要运营在国铁线路。在我国主要的干线高速列车包含CRH1型、CRH2型、CRH3型、CRH5型、CRH380系列及全新推出的CR400系列动车组。

图10 整装待发的CRH系列动车组
（2）城际高速列车
城际高速列车是为了城际间的快速运输需求应运而生的一种高速列车。在国外有许多该类高速列车，例如德国Siemens（西门子）公司在2016年全新研制的ICE4列车、法国Alstom（阿尔斯通）公司研制的Coradia系列高速列车。伴随国内经济的快速发展，国内城市群发展迅速，为提高城际间的运输效率，促进国内主要城市圈建设，在充分调研市场需求的前提下，2012年，原南车青岛四方机车车辆股份有限公司（现为中车青岛四方机车车辆股份有限公司）以高速动车组技术为基础，成功研制我国首列时速200公里CRH6A城际高速列车，填补了国内城际高速列车技术空白。

图11 CRH6A城际动车组
3.5 其它分类方式
按照车辆间的连接方式可以将高速列车分为：
（1）铰接式高速列车
是将高速列车车体与车体之间用弹性铰相连接，在两个车体连接处共用一台转向架，因此每节车辆不能从动车组中解编下来独立行走。目前，铰接式高速列车主要在欧洲等地区运营，因为采取了不同的技术发展路线，国内并未对铰接式高速列车做深入研究。铰接式列车示意图如图12所示，图13为法国Alstom公司生产的铰接式动力集中动车组模型。

图12 铰接式列车示意图

图13 铰接式列车
（2）独立式高速列车
是指每节车的车体都由两台转向架支撑，车辆与车辆之间通过车端联接装置相连接，列车解编后车辆可借助外力独立行走。独立式高速列车在国内广泛应用。
4. 主要系统构成
高速列车主要有以下九大系统构成：车体系统、走行系统（转向架系统）、车内环境控制系统、制动系统、牵引传动系统、给排水卫生系统、列车网络控制系统、弓网系统及动车组人机界面系统。图14为CRH系列动车组主要系统示意图。

图14 列车主要系统示意图
4.1 弓网系统
弓网系统（Pantograph-OCS system），高速列车的动力主要来源于轨旁的高压电，而电力传输靠列车上的受电弓与架空电网接触，由受电弓和接触网组成的系统被称为弓网系统，主要作用是为高速列车运行提供电力来源。列车受电弓如图示。

图15 与接触网接触的受电弓 图16 受电弓样机
4.2 车体系统
作为高速列车承载、运输及安装和连接其它几个组成部分的基础。车体外形对列车运行时的空气动力学性能影响重大，CRH系列动车组采用流线型外形，具有优良的空气动力学性能；车体采用大型中空铝合金型材或不锈钢薄壁筒形轻量化结构，具有重量轻、强度高、密封性好的特点。
高速列车车体主要由底架、侧墙、车顶、端墙、车体附件（设备舱、开闭机构和排障装置）等组成，头车还包括司机室头部结构，各型车体根据其功能、附属设备等不同而在结构上不尽相同，但其主要结构形式类似。图17为头车车体结构组成。

图17 CRH2A型动车组头车车体结构
4.3 走行系统（转向架系统）
转向架构成机车车辆的走行部，起支承车体、驱动、转向和制动的作用，动车组的转向架分为动力转向架和非动力转向架。CRH动车组的转向架采用无摇枕空气弹簧、多自由度刚度和阻尼控制的悬挂结构和空心车轴等，减少了轮轨作用力，提高了运行品质，具有高速运行的稳定性和舒适性。
4.4 牵引传动系统
牵引系统的作用是实现列车运行时系统所需的能量传递和转换，CRH动车组的牵引系统采用了大功率交-直-交牵引传动方式，变流模块采用了世界先进的小体积、大功率IGBT/IPM元器件，具有启动平稳、有效抑制空转和滑行、驱动简单、保护容易、开关频率高等特点。牵引传动系统组成如图18所示，主要包含网侧高压电气设备、牵引变压器、牵引变流器、牵引电机等组成，其中牵引变流器又包括四象限变流器、中间直流环节和牵引逆变器3个部分。

图18 牵引传动系统组成
4.5 制动系统
制动系统是高速列车的关键子系统之一，该系统提供列车减速及停车所需的制动力，并在意外故障发生时或其它紧急情况下，保证列车在规定的紧急制动距离内安全停车。CRH系列动车组采用了微机控制电空复合制动方式，能够按照制动模式控制曲线实现平稳、准确调速和停车，充分发挥了再生制动的节能作用。
4.6 列车分布式网络控制系统
列车分布式微机网络控制系统是一套建立在现场总线通讯网络上的分布式计算机系统，称为TCMS，通过贯穿整个列车的总线来传递控制、检测及故障诊断等信息，可控制并监视车辆及动车组的所有功能。CRH动车组的网络控制系统为智能化的列车控制、监测与诊断系统，具有控制准确、数据传输量大、设备状态监测与系统自诊断相结合等特点。
4.7 车内环境控制系统
车内环境控制系统是使动车组车内环境达到预期要求的所有设备的集合体，它的基本功能是满足车内的照明和噪声要求，并维持车厢内规定的空气温度、相对湿度、洁净度和压力。CRH动车组采用了先进的密封压力控制技术、空调系统技术与车内外噪声控制技术，为乘客提供优良的车内环境。
4.8 给排水及卫生系统
给排水及卫生系统包括供水系统、饮水机及卫生系统三部分，供水系统的主要功能是提供饮水机用水、洗漱用水、便器冲洗用水及餐车用水，饮水机为乘客提供符合饮用标准的冷热水；卫生系统为乘客提供舒适的卫生环境并负责收集污物。CRH动车组采用了先进的自动供水技术，能够实现饮用水、设备用水的自动供应，卫生系统采用了高端的真空集便装置，可以实现自动、高效的集污与排水，提供舒适的如厕环境。
4.9 动车组人机界面系统
动车组人机界面是人和机器间相互作用关系的接口，在动车组的运用过程中包含众多的人机交互接口，如与检修人员的人机适配关系等，而其中最重要的则是高速列车驾驶界面和高速列车旅客界面，这两个界面一个面向工作人员、一个面向服务对象，虽然面向的人群不同，但却体现了动车组人机界面统一的人因工程设计思想。旅客界面指的是与乘客相关的车内服务设施、信息系统及娱乐系统，CRH动车组的旅客界面采用人性化设计，设备设施融入了人机工程学理念，设施功能齐全、乘坐舒适。
21 / 21