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高速列车技术发展趋势

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高速列车技术发展趋势
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摘要 随着高速铁路的发展，高速铁路渐渐成为交通运输的主流。我国近年来在高速铁路的建设上取得了巨大的成绩，而相伴而来的便是如何保持先进技术的问题。这需要把握高铁技术的发展趋势并介入研究。本文通过对高铁技术发展现状的了解探究，列出了一些高铁技术研究的热门方向，分析了高速列车技术的发展趋势。
关键词 高速铁路 列车轻量化 制动 阻燃 吸能 通信

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0引言
世界上轨道交通技术发达国家一般按服务模式和路网技术特征对轨道交通系统进行分类，并在此分类基础上对其基础设施和列车分别进行体系化配置。一般情况下，运营速度200km/h 以上的导向运输系统（Guided Transportation systems）均被称为高速运输系统，运营速度200km/h 以上的轮轨系统即为高速铁路。
自1964 年日本首次开行高速列车以来，经过了50 余年的发展，形成了以日本新干线N700 系与E5 系、法国TGV 和德国ICE 为代表的高速列车技术。高速列车的运营速度从最初的210km/h 提高到320km/h，日本新干线、法国TGV 和德国ICE 的运营速度分别为300km/h、320km/h 和300km/h。为获取安全性极限参数和进行安全评估，各国分别研制时速远高于运营列车的试验列车，试验速度逐步提高。2007 年4 月3 日，法国AGV 的最高试验时速达到了574.3km/h，为保持技术和相关产业的领先与可持续发展提供了重要的研究、试验、数据和评估手段。目前，世界各发达国家高速铁路的发展进入新一轮快速发展期，主要表现在如下几个方面：
l 泛欧高速铁路网已见雏形，跨欧洲互操作技术与系统取得重大进展。
l 适应于欧洲各类线网的轨道交通技术、装备、系统已成完整体系。
l 建管、运营、服务与安全保障一体化技术架构已经形成并逐步实施。

l 围绕“欧盟-国家-行业-企业-研究机构”主线已形成完备的技术创新体系、产业支撑体系、市场机制和法律机制。
l 欧洲高速列车技术在谱系化、标准化、一体化、成熟性等方面总体上居世界前列，技术标准体系居世界制高点。
l 日本高速铁路技术、装备、系统已形成完整体系，运输组织、安全保障与服务技术居世界前列。
l 建立了以高速铁路为主干骨架的一体化、安全、绿色、高效、智能的泛欧轨道交通网：
扩能和能力保持技术发展加速；
高速列车形成谱系化、模块化和标准化发展趋势；
运营管理、运输组织和服务技术水平不断提高；
高速铁路清洁化、绿色化、智能化技术受到空前重视；
轨道交通安全（Safety/Security)保障技术一体化（holistic）已成技术发展趋势；
高速铁路技术作为“走廊技术”、“替代技术”和“世纪技术”地位的加强。
l 技术和装备的“清洁化”、“智能化”已成北美轨道交通领域的发展重点，大规模高速铁路建设已开始启动。
l 网络化运输组织、安全保障与服务集成化技术成为日本轨道交通领域发展重点。
我国高速铁路和高速列车技术研究和建设经过了近20 年的发展历程。第一阶段从1990 年至2007 年，经历了全国铁路五次大提速和德、日、法高速动车组的引进消化吸收；第二阶段从2008 年至今，是以自主创新为主的阶段。
我国高速铁路网具有区别于欧洲和日本高速铁路的若干重要特征，主要表现为：路网规模大，覆盖地域辽阔；地理、地质、气候条件复杂多变；不同区域社会经济发展极不平衡，导致客运需求层次丰富；既有线提速和跨区域高速、区域快速和城际快速铁路等不同速度级客运专线具有完全不同的运营、需求条件，需要不同的运营模式和列车装备配套。
2010 年12 月3 日，具有自主知识产权的CRH380AL 新一代高速列车在京沪线先导段创造了486.1km/h 的世界高速铁路最高运营试验速度，列车各项性能指标完全满足设计要求，标志着我国高速列车技术已跻身世界高速列车技术先进行列。
实现不同速度、不同运营条件、不同运营模式下的高速列车谱系化，不仅是世界高速铁路技术的发展方向，更是我国高速铁路和高速列车装备的重大需求。我国已拥有规模居世界前列的高速铁路网，从整体上确保高速铁路的系统安全性和可持续性是我国高速铁路面临的重大挑战。
高速列车的安全平稳运行，取决于施于列车上的各种力的产生、相互作用与控制，因而高速运行条件下的列车力学行为、特性及其作用规律等构成了高速列车最重要的基础科学问题。研究并形成相应的理论和方法体系，对构造合理安全的流固、轮轨和弓网关系，以及在高速条件下使上述关系得以稳定保持的牵引、制动、材料、结构和控制技术，具有重要的基础性和全局性意义，是我国高速列车技术得以持续发展并保持领先地位的根本保障。
高速铁路作为一个由复杂技术装备组成、在复杂环境中运行、完成具有复杂时空分布特征的位移服务的整体，是一个复杂的网络化巨系统，其在不同尺度下安全行为的决定要素众多、耦合复杂、涌现丰富。因此，高速铁路安全相关要素辨识、要素间关联影响机理、涌现规律、异常行为预测及基于预警的主动安全控制，已成为高速铁路整体安全行为理解、系统安全保障和各尺度下安全保障策略形成的重大科学问题。研究并形成我国高速铁路系统安全理论和安全保障方法体系，对我国高速铁路体系化安全保障技术的形成，以及高速铁路整体安全水平保持与提高具有重要的基础性和战略性意义，也是我国高速铁路在保障安全前提下可持续发展的根本保障。
研究并形成符合我国国情的高速铁路减振降噪技术是高速列车环境友好性的保障，是我国高速铁路和谐健康和可持续发展的战略需求，是在我国大规模高速铁路网建设和运营条件下构建和谐社会的重要技术保障。
综上所述，我国高速铁路重大技术需求为：高速铁路体系化安全保障技术；高速列车装备谱系化技术；高速铁路能力保持技术；高速铁路可持续性技术。

1. 列车轻量化
列车轻量化主要从轴重、能耗和制动三个方面考虑，列车速度越高，对轨道的冲击大。因此，速度大于120 km/h 的车辆的轴重要随速度级的增加而减少。轴重过重，轻则使钢轨过度磨耗和损伤，增加线路维修工作量；重者则损坏线路，酿成重大事故。高速列车的运行速度大于250 km/h 时，对轨道的冲击力比普通列车冲击要大得多。高速列车运行靠消耗电能来实现，列车运行除具备一定的动力外，还必须克服包括机械摩擦力和空气阻力在内的运行阻力。高速列车的运行速度大于250 km/h 时，需要的动能是现有列车的4 倍多，要克服的阻力是现有列车的10～30 倍。高速列车的巨大动能在制动停车的短时间消散，也是一个困难的技术问题，一般高速列车采用再生制动和盘型制动结合的方式，对盘型制动的制动盘和闸片的能力要求十分苛刻。列车轻量化对减轻高速列车自重，减少线路损害、减少动力消耗、节约能源，减少制动系统的负担具有重大意义。
2.高速列车制动技术
世界各国高速列车主要采用的制动方式有：踏面制动、盘形制动、再生制动、电阻制动、盘形涡流制动、磁轨制动和轨道涡流制动等7种。其中，踏面制动和盘形制动多靠压缩空气作用实施制动，因此一般又称为空气制动。这7种制动方式中，踏面制动、盘形制动、磁轨制动属于机械制动，存在机械磨损；再生制动、电阻制动、盘形涡流制动和轨道涡流制动都是电制动，制动时没有机械磨损。1．踏面制动踏面制动通过制动闸瓦与车轮上同钢轨接触的踏面相互摩擦从而获得制动力。法国第一代高速列车TGV—PSE就使用踏面制动。由于这种制动方式给踏面带来磨损，并需要频繁更换闸瓦，所以如今在高速列车上，踏面制动已基本被盘形制动所取代，即便使用，也仅是作为踏面清扫装置使用。2．盘行制动用金属材料制造的制动盘，其外形就像一个盘子，盘形制动也因此得名。盘形制动根据制动盘安装位置的不同分为两类：一种是制动盘“贴”在车轮侧面的轮盘式；另一种是制动盘独立安装在车轴上的轴盘式。轮盘式制动时，通过液压制动缸及制动杠杆的作用，让安装在杠杆另一端的两块闸片夹紧制动盘而产生摩擦力矩，该摩擦力矩再由车轮传给钢轨并引起钢轨作用于车轮的反作用力，该反作用力即列车的制动力。3．电阻制动和再生制动这两种制动在制动时让牵引电动机转变为发电机工作，也就是说，牵引电机在列车上“一人扮演两个角色”：牵引时作为电动机牵引列车前进，制动时作为发电机让列车减速制动。要说明的是，牵引电机的这种角色转变在控制上是很容易实现的。要让牵引电机作为发电机发电就得从外部给它输入能量才行，电阻制动和再生制动便巧妙地利用制动时的列车动能来让牵引电机发电的。那么，牵引电机发出的电能由谁来吸收呢?电阻制动让电能消耗在列车上的制动电阻上变成热能消耗掉，而再生制动让电返回到电网加以利用。显然，电阻制动把制动所得的电能白白地浪费掉了而再生制动却带来节能的效果，加之再生制动无需在车上设置制动电阻，还可以减轻车体重量，二者的优劣是不言自明的。4．盘行涡轮制动盘形涡流制动的基本原理是这样的：钢材料的涡流制动圆盘安装在拖车车轴上，涡流制动线圈安装在制动盘的两侧。制动时涡流制动线圈通以电流，涡流线圈成为电磁铁，制动圆盘随车轴转动时，根据电磁感应的原理，制动圆盘上就有涡流产生；产生的涡流在电磁铁磁场的作用下，就会产生一个和车轴转动方向相反的电磁制动力矩。5．磁轨制动和轨道涡流制动磁轨制动和轨道涡流制动可以作为紧急制动情况下的辅助制动方式，其制动力的获得不依赖于轮轨间的黏着，故又称这两种制动方法为非黏着制动。采用非黏着制动，主要是在高速紧急制动时附加一个比较稳定的非黏着制动力，从而缩短制动距离。磁轨制动的原理是在紧急制动时，升降气缸充气，电磁铁部分下降，同时给励磁线圈提供励磁电流，电磁铁磁力使铸铁极靴吸附在钢轨表面，以产生摩擦制动力。由于这种制动方式对钢轨表面有一定的损伤，故一般不轻易使用。轨道涡流制动的原理是依靠列车上涡流线圈与钢轨之间的磁力来产生制动力，属非接触式制动，故对钢轨没有直接的磨损和破坏作用。但这种制动方式的缺点是涡流会导致钢轨温升．耗电量大，对轨道电路也有干扰作用，故未推广使用。现阶段，我国高速列车普遍采用空气制动等黏着制动方式，但随着运行速度的提高黏着制动力急剧下降，需非粘着制动方式提供辅助制动力，以满足列车制动要求。
3.节能
目前我国已经成为世界上高速铁路运营里程最长、在建规模最大、运行速度最高的国家。与其他交通运输方式相比，铁路运输单位能耗相对较低，但随着列车运行速度的提高，列车消耗的能量也明显增大，因此高速列车的节能降耗问题已经成为一个亟待解决的问题，高速列车节能运行问题是一个最优控制问题，在保证列车安全、正点、舒适、准确停车的基础上，研究如何操纵列车，使得列车的运行能耗最少。节能运行控制的目标就是寻找一系列列车运行方式的转换点，将列车运行的各个区间联系起来，同时满足正点的要求。研究定时约束条件下的列车节能操纵模型，并利用启发式算法及专家控制原则得到运行方式的转换点。建立列车节能控制的最大值原理奇异模型，为了得到所有列车运行方式转换点，引入列车操作经验给出求解算法。但两者都没有考虑再生制动能量反馈对列车节能运行的影响。考虑列车制动利用率对节能操纵策略的影响，建立高速列车最小能耗计算模型，并通过启发式算法对运行方式转换点进行求解，但在求解最大制动停车点时引入了试验操作经验，无法普遍适用于其他的线路条件。基于高速列车的牵引特性及阻力特性曲线，提出了一种求解列车运行能耗与最高速度变化关系的方法，基于此方法求解得到列车运行能量消耗最低所对应的最大速度值，从而计算得出整个运行过程中列车运行能量消耗最小时最大牵引、匀速、惰行及最大制动的转换点。
3.安全与性能
l 吸能
随着高铁在速度方面越来越稳定的性能，安全问题便开始成为关注的重点了，而研究列车在受到冲击之后如何大量吸能控制列车的变形成为重中之重。多孔固体结构作为一种兼具功能和结构双重属性的材料结构，近年来得到迅速发展。铝蜂窝作为多孔固体结构的一种，因其具有密度小、刚度低、压缩变形大及变形可控以及可缓冲吸能、制造工艺成熟等优点得以广泛应用。铝蜂窝缓冲器在航天着陆器中可吸收着陆冲击能量。其典型应用实例即成功登陆月球的阿波罗11号着陆器。铝蜂窝缓冲器的缓冲特性与其箔材的材料、厚度、芯格尺寸、相对密度及拓扑结构有关，这些参数受环境影响较小，缓冲性能稳定
l 阻燃
列车的高速化，轻量化催生了复合材料在车体上的应用。高速列车作为一种交通工具。长期暴露在户外环境，因此列车材料结构必须能够应对温差变化，阻燃，受压性能等问题
4.通信
高速铁路自诞生起即伴随着车地移动通信的承载需求，其中一部分业务承载需求来源于高速列车的列车控制与列车调度，这是高速列车必不可少的重要组成部分，另一部分业务来源于车上的旅客，这些是满足旅客服务质量需求的重要标志之一。特别是在移动互联网时代，上网需求已成为人们生活的重要组成部分。因此，对于高速列车上的通信系统的研究是十分必要的。

5.总结
通过对国内高铁发展现状的了解，大致了解现在高铁的技术短板，分析高速列车发展的总体技术趋势，归纳来讲，在速度方面的研究渐渐趋向于对能力实力方面彰显的要求，实用性来讲，高速铁路技术渐渐偏向于安全性能方面的研究，毕竟列车在运输旅客方面首先需要考虑的是安全问题。安全方面主要是车体材料，列车制动技术，以及列车节能吸能通信等等方面的研究。当然，本文并不详细，只是简单介绍了高铁在某些技术方面的发展需求。
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