我国机车车辆技术的发展与展望

申 瑞 源

(中国铁路总公司 机辆部, 北京 100844)

铁路运输是现代化综合交通运输体系中的骨干，对国民经济的发展具有特殊、重要的地位和作用。

高速铁路速度高、能耗低，逐渐成为改变人们生活方式的绿色交通。1964年，日本开通了时速210～230 km的世界首条高速铁路——东海道新干线，拉近了东京和大阪两大城市圈，取得了巨大的社会和经济效益。在之后的20年间，山阳新干线、上越新干线、东北新干线等多条主要线路也依次开通，形成了较为完善的高速铁路网骨架[1]。

日本高速铁路的成就，也刺激了其他世界各国高速铁路的发展。法国、德国、意大利等西欧国家也都相继建成国内及跨国高速线路，形成较为完善的欧洲高速铁路网。伴随高速客运专线的建设，诸如德国的ICE列车、意大利的ETR系列车以及“欧洲之星”等速度等级为200，300 km/h的高速列车也应运而生[2]。法国的TGV高速列车更是于1990年和2007年两度创造了515.3，574.8 km/h的最高列车试验速度。

重载铁路运量大、效率高、运输成本低，一直是货物运输的重要手段, 受到世界各国的广泛重视。北美地区幅员辽阔、资源丰富，是最早发展重载运输的地区。1958年，美国南太平洋铁路公司开行了世界首列由85辆矿石车编组的重载列车，总重达到11 700t。1967年10月，美国诺福克西方铁路公司开行了500辆煤车编组、全长6 500 m、总重达44 066 t的重载列车。经过多年的研发和创新，从1994年—2009年，美国铁路商业运营燃油消耗降低25%，直线和曲线上钢轨使用寿命分别延长12%和40%，列车安全性大幅度提高[3]。澳大利亚借鉴美国和加拿大的经验，自20世纪70年代开始发展重载运输，因地制宜修建了牵引总重可达2万多吨的几条重载铁路。澳大利亚BHP公司采用先进技术提高列车轴重和牵引质量。自1980年—2000年，BHP每辆车载运量提高36%，每吨矿石运输的燃油消耗量下降43%，车轮和钢轨的寿命延长2～4倍，机车和车辆的可靠性也大幅提高[4]。

改革开放以来，我国的高速和重载铁路运输得到了较快的发展，尤其是近十年来，我国机车车辆技术取得突破性进展。动车组形成了涵盖时速160～350 km速度等级、短编/长编不同编组型式、座车/卧铺车不同车种、高寒/抗风沙等适应不同气候地理条件的系列化产品；干线客运列车基于交流传动等技术实现了升级换代；重载列车在大秦线开行2万t组合列车的基础上，成功实施3万t组合列车的试验研究，并自主研发了30 t轴重机车车辆，同时通过采用车载安全监测和大数据等技术、有序推进信息化建设，全面提升了机车车辆的安全性和可靠性。本文对这些研究成果进行了综述，并对中国机车车辆未来的研究方向进行了探讨。

1 动车组技术发展

1.1 中国铁路客运列车提速与历程回顾

1997年第一次大提速，中国铁路客运列车在三大干线最高运营时速达到140 km；到2007年第六次大提速时，中国铁路多条干线客运列车运营时速达到200 km。期间进行了大量高速列车关键技术的试验研究，研制了多种型号的试验型动车组。其中先锋号动力分散动车组设计时速200 km，试验最高时速达到292.8 km；中华之星动力集中动车组设计时速270 km，试验最高时速达到321.5 km。

随后，通过引进、消化、吸收、再创新，研制了“和谐号”系列动车组。自2008年合宁客专开通运营至今的10年间，中国铁路高速列车技术持续进步，安全稳定运营的时速从200 km到250 km，再到300 km逐步提升。目前全路“和谐号”动车组保有量近3 000组，共计有23种型号动车组列车及6种综合检测列车。截至2018年3月，累计运行约65.7亿km，单组最长里程580万km，总体运行安全、平稳、有序。

近几年，我国铁路按照中国标准组织开展了新一代动车组的研制。2015年6月两列中国标准动车组样车下线。2015年11月动车组在大西线型式试验速度达到385 km/h。2016年7月两列动车组在郑徐高铁完成了时速420 km交会和重联运行试验，创造了实际运营动车组的最高试验速度。2016年10月动车组完成60万km的运用考核，随后在京广高铁开展体验运营。2017年6月25日，中国标准动车组被命名为“复兴号”，并在京沪高铁投入运营，安全稳定运营时速达350 km。

1.2 “复兴号”动车组技术特点

1.2.1 安全可靠

“复兴号”动车组在“和谐号”动车组基础上进一步增加了传感设备，整列监测项点达 2 500余项。首次采用工业以太网技术传输动车组的故障和诊断信息[5]，更新软件和下载数据等，数据传输能力由原有1.5 Mbit/s 提升到100 Mbit/s；同时应用 4G通信技术，实现车地信息传输，地面人员可实时掌控动车组运行状态，保障动车组的安全可靠运行。

动车组在流线型车头前部和各车车端连接处设置碰撞吸能装置，具体结构见图1。由前端吸能模块和车钩缓冲系统组成，按照从头到尾逐级吸能的原理设计，满足国际通用的防撞设计标准。在出现意外碰撞时，可通过装置的塑性变形吸收碰撞能量减少对乘客和司乘人员伤害，提高动车组被动防护能力,见图2。

1.2.2 加速性能优

“复兴号”动车组统一采用4动4拖动力配置，牵引变流器采用6 500 V大功率IGBT元器件，牵引功率在“和谐号”基础上提升了7%，轮周牵引功率超过10 000 kW，动车组从静止到350 km/h 的起动加速时间仅有391 s，加速性能曲线见图3。较“和谐号”动车组减少81 s，加速距离缩短6.4 km。

1.2.3 节能环保

“复兴号”动车组通过设计全新的低阻力流线型车头，优化车顶设备安装结构，采用全包式外风挡等措施，实现了车体表面的平顺化，明显降低了高速运行阻力和能耗。图4和图5分别给出了不同速度级“复兴号”动车组和“和谐号”动车组的阻力和能耗对比图，可见时速350 km时“复兴号”动车组总阻力较“和谐号”约降低 12.3%，能耗约降低17%。

1.2.4 环境适应性强

采用整体密闭的高压箱结构，车顶高压设备受环境影响小，降低雷雨等恶劣天气下的故障率，提高了相关设备的抗雾霾能力；加大牵引系统冷却散热能力，在15%进风口堵塞的情况下，仍可保证牵引动力正常发挥，同时将空调统一采用顶置式安装，提高了相关设备的抗柳絮、灰尘能力。

1.2.5 乘坐舒适

通过优化动力学性能参数，强化隔声减振性能，平稳性和车内噪声均优于“和谐号”动车组。“复兴号”动车组和“和谐号”动车组车体不同区域平稳性和噪声指标的对比图，见图6、图7。由图6、图7可见，时速 350 km运行时，“复兴号”动车组车体垂向平稳性均值降低11%，客室内噪声平均降低3 dB(A)。

1.2.6 全寿命周期成本低

在总结“和谐号”检修规律的基础上，“复兴号”动车组通过优化设计，对修程修制进行了统一和优化，一级修间隔由5 000 km延长至6 000 km，三级修间隔统一为 120 万km，全寿命周期内可显著减少维修成本。深化了零部件统型工作，对动车组十大系统 86 项部件进行了统型，各型动车组之间实现了易损易耗件和通用件的互换，减少了备品备件数量，降低动车组检修成本。实现了互联互通，极大地方便了运用管理。

1.3 “复兴号”动车组的运营和系列化

截至2018年3月，“复兴号”动车组上线运营累计123列，总运行里程2 300万km，京沪高铁以350 km/h运营，并推广到京广、京津、津秦、沪宁、宁杭、沪杭、沪昆、杭深等高铁担当运营交路，技术状态良好、总体平稳有序，取得良好的经济和社会效益。

系列化复兴号动车组的研制工作全面展开，包括350 km/h“复兴号”长编/扩编动车组,250 km/h“复兴号”动车组,200 km/h“复兴号”动车组,160 km/h动力集中动车组,京张、京雄智能动车组的研制工作均在有序开展。其中，350 km/h“复兴号”17辆长编动车组、160 km/h动力集中动车组即将投入批量运用。

2 重载列车技术发展

2.1 中国铁路重载列车发展历程回顾

根据中国铁路货运的特点以及固定装备和移动装备的实际情况，中国重载铁路运输从科学试验、运营准备到正式开行，主要通过新建重载运输专线和有计划地改造旧线2种途径实现的，其发展共经历了4个阶段。20世纪80年代中期，通过改造既有线，先后开行了双机牵引7 000～8 000 t的重载组合列车；80年代中后期至90年代初期，新建大秦铁路，开行1万t重载单元列车；20世纪90年代初期至21世纪初，在京沪、京广、京哈等繁忙干线开行了5 000 t级重载混编列车；21世纪初至今，中国重载完成了一系列工作，包括大秦线开行2万t重载组合列车[6]；在大秦线完成3万t重载列车运行试验[7]；在瓦日线完成30 t轴重成套技术的系统验证。

2.2 中国重载列车技术及试验研究

2.2.1 30 t轴重机车车辆及成套技术

HXD1F和 HXD2F型30 t轴重交流传动货运电力机车是为适应中国重载铁路使用环境而设计的。HXD1F和 HXD2F型机车为八轴9 600 kW货运电力机车，机车采用了高强度车体，抱轴悬挂大轴重转向架，重载驱动装置，由IGBT元件组成的大功率水冷变流器，大扭矩异步牵引电机，卧式牵引变压器，单轴控制。微机网络控制系统，电子控制的制动系统，独立通风冷却以及轮盘制动等先进技术。30 t轴重货车是我国为适应世界铁路重载运输发展和国内煤炭运输需求而设计的标准轨距专用货车，其中主要车型为C96和C96H型专用运煤敞车，车体强度和载重率高，转向架具有低动力、准径向、无焊接、轻磨耗、动力学性能良好的特点。2015年，在瓦日线长子南—平顺间开展了30 t轴重重载综合试验，涉及机车车辆、工务工程、通信信号、牵引供电等方面共20个专业方向77个试验项目，系统验证了30 t轴重机车车辆的安全性和适用性，为构建我国30 t轴重重载铁路技术体系提供了技术支撑[8]。

HXD1F，HXD2F型机车与25 t轴重电力机车相比，牵引性能有了很大的提升。相较于HXD1，起动牵引力提高了150 kN，提升近20%，能更好地适应大轴重条件下重载货运列车的需求。试验结果发现，HXD2F机车牵引已经可以实现5 000 t编组列车在13‰的极限坡道上坡道起动及坡道通过。

30 t轴重货车与通用货车单位基本阻力的对比见图8。由图8可见，30 t轴重货车比通用货车单位阻力降低约10%～17%，并且随着速度的提高，两者差距逐渐增大。

2.2.2 3万t长大列车试验研究

2014年在北同蒲线袁树林站—大秦铁路柳村站间组织了3万t列车运行试验[9]。试验列车编组方式见图9，编组辆数320辆，其中机车4台，试验车1辆，货车315辆，牵引质量31 550 t，载重25 200 t，列车总长达3 971 m。试验期间最高运行速度为80.7 km/h。

为评估3万t列车在正常运行工况下的运行品质及安全性，进行系统同步性测试，机车能耗测试，网压监测，2个长大下坡道区段的循环制动试验，列车纵向动力学测试，从控机车和特定位置货车运行安全性监测等试验项目。在试验中，对4台机车的牵引、制动性能，中部2台从控机车和2辆C80货车的动力学性能，以及15个货车测试断面的制动及纵向动力学性能进行测试。3万t试验列车与现行大秦铁路1+1编组2万t列车在不同里程标循环制动过程中最大压钩力的变化情况与对比见图10。由图10可见，3万t试验列车最大压钩力比2万t列车约降低30%～40%。

2.2.3 重载列车专项技术

(1) ECP制动系统

电子控制空气制动系统，简称电空制动系统(ECP)，是一种微机系统控制的直通式制动系统，原理见图11。图11中，AV为制动电磁阀，RV为缓解电磁阀，CCD为车辆控制单元，CID为车辆识别模块。由主控机车产生电子信号，控制车辆的微机系统直接由副风缸向制动虹充风制动或制动虹排风缓解，从而达到整列车的车辆同时响应制动、缓解信息，具有严格的同步性。空气是制动力产生的来源，但空气不作为制动指令的传递介质。列车管持续向副风缸充风，在制动时列车管不排风[10]。列车ECP系统主要包括机车电空制动装置和车辆电空制动装置，其中机车电空制动装置主要包括电空制动控制器，电空制动显示屏，列车制动控制单元，列车总线电源及电源控制器，事件记录器等；车辆电空制动装置主要包括车辆制动控制单元、尾车装置、空气制动阀等[11]。

(2) C-LINK系统

分布式动力机车无线同步操控(C-LINK)系统基本工作原理是头部主控机车通过无线通信方式，向中、后部从控机车发布同步牵引和制动命令，实现前、中、后部机车的牵引及动力制动同步操纵及空气制动系统同步制动与缓解，从而达到缩短列车充、排风时间和减小车钩受力的目的，见图12。C-LINK系统对从控机车的牵引控制功能主要包括受电弓控制，主断路器控制，方向控制，牵引、电制动控制和空气制动同步控制等。对从控机车空气制动控制功能包括列车自动制动，机车单独制动，紧急制动，列车的缓解和充风等。

3 高原列车技术发展

3.1 中国高原铁路环境特点

中国高原铁路以青藏铁路为代表，青藏铁路是世界上海拔最高、距离最长的高原铁路，是世界上地理条件和气候变化最复杂，运行条件最恶劣的铁路。全长1 956 km，线路最大坡度为20‰，连续上下坡路程最长达170 km；最高点唐古拉山口海拔达5 072 m，海拔4 000 m以上线路达958 km；在海拔2 800～5 100 m地区，其环境温度跨度为-45 ℃～35 ℃，昼夜最大温差达40 ℃，高寒缺氧，空气稀薄，强紫外线，多年冻土，生态环境脆弱。

3.2 高原适应性改进机车车辆技术

HXN3型机车是目前国内技术水平最高、牵引功率最大的交流传动内燃机车之一，在HXN3型机车主结构和主参数不变的基础上，针对高原地区的特点进行适应性调整[12]，得到HXN3型高原适应性机车，见图13。该机车主传动采用交-直-交传动，柴油机装车功率为3 300 kW，持续牵引力为598 kN，最高运用速度为120 km/h。

HXN3型高原适应性机车采用大流量机油泵和燃油泵，提高高原适应性；装用最新结构的动力组，优化增压器，提高压比，降低排温，提高柴油机可靠性；强化柴油机控制保护，优化软件，降低油水温度保护限值，增加传感器，提高预警保护能力[13]。根据高原低气压等特殊环境特点，对主发电机、牵引电机等电机部件进行绝缘加强，对采样电阻、过压继电器等电气元件进行绝缘加强，更换绝缘等级高的相模块铜排等，以提高高原适应性电机及电气部件的绝缘[14]。此外，还采取了提高机车冷却能力、增加制氧设备等高原适应性改进措施[15]。

3.3 高原内燃机车的研制

高原内燃机车在3 234 kW交流传动内燃机车技术平台上进行设计，采用双司机室内走廊结构，前端司机室，后端休息室，整体式燃油箱。机车装车功率4 660 kW，持续牵引力382.5 kN，两端车钩中心线长22 550 mm，轴重为23 t。机车集成了主辅一体式交流传动系统,自主化的微机网络控制系统,自主化的制动系统；采用变压吸附式制氧机，干式卫生间，集中式通风系统，并装有ITCS装置。端部设置了前门和通过台结构，能够满足多机重联编组。

高原内燃机车装用经过优化设计的12V265B型柴油机，提高了高原环境的适应性。控制系统增加了柴油机运行智能化调节功能以及健康状态检查，传感器冗余和故障自判断的功能；采用爆发压力控制策略，提高了柴油机在各种恶劣条件下的生存能力和可靠性；加装防爆阀和金属粒子报警装置，提升了整机安保能力。

4 展望

纵观中国铁路高速、重载、普速客车以及高原机车车辆的研究现状，虽然已取得了丰硕的成果，但同时仍然存在许多问题需要大力研究。

(1) 推进机车车辆技术深度融合

强化列车纵向动力学研究，特别是长大重载列车条件下纵向动力学的理论和试验研究，掌握关键因素的影响规律，丰富纵向动力学的基础理论；强化列车条件下的电气和制动等匹配关系研究，掌握列车中电、气、信息等的传输规律和影响因素；强化机车车辆设备检测监测的技术研究和综合运用，实现车载和地面、机车和车辆、电气和机械等多路径信息的系统融合。

(2) 打造更加安全可靠、经济先进、节能环保的客货列车

推进中国标准动车组形成覆盖动力分散和动力集中、满足多种气候和运营环境的产品系列；推进干线客运列车、重载列车和快捷货运列车的配套、完善和技术提升；推进更大轴重和更高吨位长大重载列车技术的系统研究；推进更高速度中国标准动车组的系统研究。

(3) 全面实现机车车辆的智能化

以传感网、物联网、卫星通信等现代信息技术为基础，推进机车车辆信息化的建设和大数据的应用；推进机车车辆故障预测与健康管理(PHM+)技术的研究与应用，实现机车车辆主要系统和部件的故障预测与健康管理；大力推进京张高铁智能动车组、京雄城际动车组的建设，全面提升机车车辆智能化水平。

(4) 为机车车辆“走出去”提供技术保障

为适应“一带一路”沿线国家铁路的需求，开展变轨距转向架等适应不同线路轨道条件的轮轨关系研究；开展多制式牵引供电技术等适应不同供电条件的弓网关系研究；开展更广泛环境条件和运维条件适应性的研究。

5 结束语

高速列车作为一种现代化交通工具，其安全可靠性和乘坐舒适度关乎着人们生命财产安全和出行快捷方便；日益增长的铁路货运需求对重载列车技术提出了更高要求。本文从动车组、重载列车以及高原机车车辆三个方面对中国铁路机车车辆研究成果进行了总结，并提出持续推进机车车辆技术进步、牢固树立中国机车车辆在国际上的引领地位的四个方面工作。