案例分析：高铁速度大对决

速度连接时间与空间，决定了人的视野。速度是交通运输发展的重要标志，也代表高速铁路技术发展的综合实力。世界交通运输发展的历史，就是一部速度不断提高的历史。提速不仅仅是提高了列车速度，更主要的是推动了铁路运输质量的提高和科技的进步。

1．世界第一高速

1981年2月26日，法国TGV在东南线创造了 380 km/h 的速度纪录；1988年5月1日，德国人用ICE首破 400 km/h，达到了 406.9 km/h；1988年 12 月 12 日，法国TGV在东南线达到408.4 km/h；1989年12月5日，法国TGV在大西洋线达到482.4 km/h；1990年5月18日，又一个历史性时刻，法国TGV在大西洋线达到了 515.3 km/h，人类铁路历史上首次突破500 km/h；2007 年 4 月 3 日下午 13 时，法国国铁联合阿尔斯通公司冲击铁路速度世界纪录，试验在新竣工的巴黎—斯特拉斯堡东线铁路 264 km 处启动，运行 10 min 后，编号 4402 的TGV（V150）列车速度达到 515.4 km/h，在行驶 73 km 后，速度达到 574.8 km/h，一举打破原TGV大西洋线325号列车保持了 17 年的世界轮轨列车速度最高纪录，如图 4.8 所示。

图4.8　法国TGV列车创造 574.8 km/h 速度纪录

2010 年，中国南车在铁道部的支持下，立项研制 500 km/h 试验列车（Cit500），该列车于 2011 年 12 月 25 日正式在青岛下线，名为“更高速度试验列车”，如图 4.9 所示。

图4.9　更高速度试验列车

Cit500 是“500 km/h 条件下的高速列车基础力学问题研究”的试验载体，研制 Cit500 的主要目的有如下几个方面：

（1）开展前瞻性、基础性、理论性研究，为高速铁路未来的发展做好知识储备。轨道交通有三大基础关系：轮轨关系、流固关系、公网关系。Cit500就是要进行 500 km/h 及以上三大关系的研究，获取气动、结构、轮轨、弓网等关键力学参数随速度的变化规律，通过探索更高速度条件下高速列车的运行稳定性、结构强度、车-线-网匹配关系等安全保障系统，揭示高速列车动力学行为、特征和规律，进一步提高安全冗余。

（2）进行关键系统的可靠性研究。在 500 km/h 条件下对车辆进行测试，为转向架、车体、车下设备和设备舱等关键结构的安全可靠性提供数据支撑。通过振动模态测试，研究转向架、车体、车下设备和车内装饰之间的振动匹配；通过动态应力测试，研究关键承载部位的疲劳强度；通过气动载荷测试，研究气流作用下不同振动激扰形式对车辆结构的影响规律。(www.xing528.com)

（3）新材料新技术的研究。Cit500 列车上使用了碳纤维、镁铝合金、纳米隔音材料等新型材料，通过 500 km/h 的试验来跟踪新材料的应用前景。新技术包括风阻制动装置、实时以太网技术等，另外还可以通过气动阻力、气动噪声、气动升力、交会压力波等各项气动性能研究，全面验证试验列车头尾不同头形方案孰优孰劣。

2．速度的支撑技术

坐落在青岛四方机车车辆股份有限公司厂区内的高速列车系统集成国家工程实验室，耗资4.14亿元，总占地面积4万平方米。在这里，一辆由4万多个零件组成的超高速试验列车，经过150多项仿真试验后，在2011年3月2日到11月20日8个多月的时间内，完成了包括系统集成、结构强度、舒适度和动力学4个领域15个方面的所有专业测试。工程技术人员获得了超高速列车不同速度下的动力学性能、电气牵引性能以及车辆控制性能数据。

2011年4月18日，6节编组的超高速试验列车，被两台 50 t 的龙门吊“放置”在巨大的滚动试验台上，依靠滚动台的轮轨带动车辆运行。这个试验台不仅具有当时世界上最高的滚动速度 600 km/h，而且可实现双向式滚动。6 节超高速试验列车由地面 2 500 V 高压供电系统代替高速列车的受电弓接触网输送电力静态行驶。伴随着轰鸣声，超高速列车启动，经过不到 2 h，最后冲到了 605 km/h 的超高速。

列车在运行中需要克服的基本阻力包括车轮与轨道摩擦的机械阻力和空气阻力。而在列车高速行驶中，行驶速度的主要抗衡者是空气。当列车以200 km/h 的速度行驶的时候，空气阻力占总阻力的 70% 左右，“和谐号”CRH380A在京沪高铁跑出 486.1 km/h 的速度时，空气阻力超过了总阻力的92%，如果跑到 500 km/h 以上，总阻力的 95% 以上是空气阻力。列车运行速度提高 2倍，空气阻力将增至 4 倍。

空气阻力的三大影响因素：车头迎风受到的正面压力，以及车尾受空气尾流影响的后拉力；由于空气黏性作用于车体表面的摩擦阻力；列车底架以及列车表面凹凸结构引起的干扰阻力。工程师们为降低空气阻力，以列车头形减阻研究作为开端。工程师们在对200多种模型进行优化的基础上，做出20个与实际尺寸比例为1∶20的头形模型，再通过计算机仿真分析，最终把筛选出的 5 款车头模型送到试验基地作风洞试验，名为“剑”的头形被选定，其气动噪声、气动阻力参数最优。

让数百吨重的超高速列车在线路上飞跑，除了减少空气阻力外，加大动车的牵引能力是另一个关键。2008年6月24日创下了 394.3 km/h 的 CRH3动车组为 8 节编组，它的牵引总功率只有 8 800 kW；6 节编组的超高速试验列车在试验台上以 500～600 km/h 的速度奔跑，经过验证牵引总功率达到21 120 kW。中国自主开发的大功率牵引变流器，其列车牵引总功率可达到22 800 kW。正是有了大功率的交流传动技术，才有高速试验列车实现速度605 km/h 的可能。

高速列车运行依靠电能，电力输送是由受电弓与接触网接触完成的，这个过程被称为“受流”环节。这项技术也是迄今为止技术专家们最关注的技术之一。“双弓受流”技术曾经是困扰工程技术人员的一个技术难点。车辆在高速运行时，前弓在取电滑过接触网时，会形成激扰，产生一个波，造成弓网之间的拉弧，导致下一个受电弓离线的可能性加大，影响车辆的牵引性能。

高铁是中国战略性新兴产业之一，而超高速列车则是中国体现原创能力的标志性作品。超高速列车需要验证的首先是列车的阻力特性，这牵涉到能耗；其次是升力特性，这涉及脱轨系数；再次是脉动力的大小，这涉及列车的安全性；最后是交汇瞬时风的阻力，以及安全的避让距离。从理论上讲，目前已有的公式对 400 km/h 与 500 km/h 的高速列车应该是适用的，但就研究和印证来说，这些仍然需要通过线上试验进一步验证。另外，即便是双向滚动试验台，也无法完成受电弓与接触网的受流试验。对做基础理论研究的科学家而言，希望验证共性关键技术的基础理论和机理。以脱轨系数为例，车辆运行时，在线路状况、运用条件、车辆结构参数和装载等因素最不利的组合条件下可能导致车轮脱轨，评定防止车轮脱轨稳定性的指标叫作脱轨系数，这个系数越大越容易脱轨。根据国际标准，脱轨安全性的标准是0.8。但是对高速列车做试验时发现，列车在线上480 km/h 的速度，脱轨系数只有 0.1～0.2，远远小于 0.8。如果是550 km/h的速度，实际运行时的脱轨系数是多少？为什么速度越快脱轨系数越小？这涉及高速基础力学的研究，还有待全球范围的科学家们进一步探索破解。

【人物故事】 1991 年，梁建英考入上海铁道大学。初入校门的梁建英立志成为专业领域的佼佼者。1995 年，梁建英成为四方机车厂的技术员，不到一年便开始带领十余人的团队负责项目运作。2004 年，梁建英成为时速300～350 km 动车组研发设计项目主任设计师。面对 4 万多个部件和上万张图纸，她带领团队拼搏 1 000 多个日夜，于 2007 年年底研制出中国首列时速350 km 动车组列车。此后，梁建英带领团队打破国外技术封锁，完成120大类型式试验，并研发出长编组座车、卧铺动车组、耐高寒抗风沙动车组等车型，填补了高铁领域多项空白。2008年，梁建英承担起CRH380A新一代高速动车组的设计任务，向新的速度等级发起挑战。凭借责任、激情和攥紧拳头的“狠劲”，设计团队整整攻关 18 个月，做了 450 余项仿真分析，1 050余项地面试验，2 800 余项线路试验，最终以 486.1 km/h 刷新世界铁路运营试验最高速。而就在一年前，她主导设计的超高速试验列车创造了605 km/h的实验室最高试验速度，梁建英和团队又一次创造了历史。在此基础上，她与研发团队成功研制了更为先进的中国标准动车组“复兴号”。“实际上500 km/h 以上超高速列车的研发，是在CRH380A的技术基础上向上的拓展。”梁建英说。中国高铁在探索时速 500 km以上超高速列车技术，既是一项前瞻性的研究，也是拓展国际市场的技术储备。“技术上一定要抢占制高点，谁有抢占技术制高点的能力，谁就有带动行业发展的能力。以技术的先进性驱动市场的需求，这是全球市场经济竞争的规律。”梁建英说。但技术的成熟需要积淀，只有掌握技术的制高点，才能够实现技术纵向与横向相互传递，不断拓宽市场覆盖面。