淺談我國CRH動車設計中的創新

孫詩凝

摘 要：我國軌道客車的發展近年來取得了長足進步，尤其以CRH動車為代表的“高鐵”以其高速的運行能力、平穩舒適的乘坐體驗和高度安全系統控制贏得了廣泛好評，成為我國高端技術“走出去”的一張名片，本文從物理學和數學角度出發，探析了CRH動車設計中主要的技術創新點。

關鍵詞：動車組 輕量化設計 牽引 制動 離心力 空氣阻力

中圖分類號：U266.2 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）11（c）-0082-02

CRH（China Railway High-speed），即列車領域“中國鐵路高速”的品牌標志，由我國從國外等知名公司引進相應的先進技術，并加以吸收和改造之后，由之前的中國南車和北車（現已合并為中國中車）進行制造和生產，這一系列均稱作為“和諧號”高速列車。

與此同時，隨著各個學科的不斷發展與交融，以物理和數學為代表的學科逐步應用于多個現實領域，諸如動車領域。基于我國CRH的不斷發展，技術領域也有著長足的發展。其中，物理學和數學上的創新設計也不斷突出，對于我國CRH動車設計有著重要的影響。

1 CRH動車設計中涉及的物理學與數學原理

（1）物體的重力原理：車體里所有設備、人員的重量，并利用支撐裝置將力轉移至鋼軌。

（2）牽引力和制動力原理：該力由轉向架轉移過來，通過相應的緩沖設備，從而牽引列車運行。

（3）離心力和風阻力原理：該力是在運行過程中，車體受到來自橫向縱向的多個力作用的綜合結果。

2 CRH動車主要技術創新點

CRH動車以其高速的運行能力、平穩舒適的乘坐體驗和高度安全系統控制贏得了廣泛好評，這主要源于一系列技術創新，筆者嘗試從物理學和數學角度出發，在輕量化設計、動力及制動系統、高速離心力和風阻力克服等方面加以闡述。

（1）克服傳統笨重的車身——輕量化設計。

高速列車隨著車速的不斷提高，車輪與軌道的摩擦沖擊變得劇烈，加之整車重量極高，提速難度驟升，為了應對這一問題，針對動車本身的車體輕量化設計成為關鍵的解決方案。但是輕量化設計并非易事，這一設計關系到整車結構的強度、剛度以及車輛運行的噪聲、震動因素。為了使輕量化設計后的動車組符合車身的強度要求，使得各個組成部件具備合理的重量和強度，數學仿真算法被引入設計過程，實現各個組成部件的載荷率均衡，從而實現輕量化車身的優化設計。

與普通列車相比，CRH采用的是鋁合金（見圖1）。無論是彈性系數還是密度等，鋁合金都比較小，大概是鋼材的1/3。因其密度小，相應的質量就比較小。因此，鋁合金的最大的優勢在于可以實現車體的輕量化，這樣即可以減少CRH的運行費用以及后續的維護成本。此外，動車在運行時，基于輕量化的設計風格，能夠實現其高速化。

（2）全新的牽引和制動系統。

“火車跑得快，全靠車頭帶”，傳統的火車牽引系統采用動力集中技術，形成車頭牽引車廂，車廂本身沒有動力來源。然而CRH動車組與我國傳統的火車牽引系統不同，其動車組動力來源并非源于車頭，而是將牽引力系統分散安裝在動車組各節車廂中，運行時動車組車頭和車廂共同發力加速，這種動力分散的技術能夠使動車組提速更快，也能達到更高的時速。

動車組先進的牽引力系統帶來的高速運行，同樣離不開先進的制動系統作為保障。CRH動車組運行時速超過200km/h，這一級別的時速在遇到緊急情況制動時，從時速200km制動剎停，動車組需要有長達4000m的制動距離，不同于汽車人為緊急制動，高速列車的制動系統中預防事故設計更為關鍵。ATC系統是動車組的運行控制系統，其工作原理是通過車載信號系統向車輛控制人員發送指令，如加速、減速、停車，值得注意的是，若動車司機出現人為操控失誤，該系統可以直接介入動車組的制動系統，第一時間控制列車動態，將人為操控失誤造成的影響降至最低，這也是這個動車組高速運行的安全保障。

（3）克服高速過彎離心力的技術創新。

火車在高速運行過彎時會產生離心力，如果此時在彎道上運行速度過高，離心力增大容易使火車脫離軌道造成事故。曲線半徑越小的軌道，其形成的彎度越大，火車通過時的速度越低。反之，曲線半徑越大的軌道，其形成的彎度越小，火車通過時的速度越高。為了使得動車組實現高速運行，減少不必要的速減損，動車軌道設計要求曲線半徑必須大于7km，通常設定在9～10km，同時動車組為了確保旅客乘車舒適度，在進入曲線軌道之前，通常要先進入過渡段，也稱之為“緩和曲線”。

動車組為了應對過彎產生的離心力第二種方法是設置超高，在彎道線路中外側鋼軌會比內側鋼軌高度高出一段，內外高度差稱之為“超高值”（一般控制在120～180mm），用來抵消動車組高速運行過彎時產生的離心力，這有助于減少動車組車輪與軌道的摩擦損耗，提升乘坐舒適度。

（4）減少空氣阻力的技術創新。

高速動車組在運行過程中面臨的阻力主要包括車內機械阻力和車外氣動阻力。隨著動車時速的大幅增加，氣動阻力呈指數級增長。研究資料表明，在動車運行時速為300km/h的狀態下，氣動阻力占據動車總阻力的85%，由此可見，克服空氣阻力是動車實現高速運行的關鍵（如圖2）。

我國自行研發的CRH動車在減少空氣阻力方面的技術創新，主要從優化車頭造型、平順化車身兩點出發。

（1）優化車頭造型。

CRH動車在車頭設計上十分引人注目，造型美觀。背后的原理是長細比大幅增加，縮減車體斷面截面積，減少摩擦阻力，優化各向斷面，避免流動分離。

（2）平順化車身。

CRH動車在車廂之間連接，高壓設備，空調設備，車下設備等凸出部位采取平順化設計，保證整車光順不突兀，從而降低高速運行時的摩擦阻力和渦流損失。

參考文獻

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