中國高速列車系統動力學發展綜述

胡洪銀

摘要：中國鐵路工業的迅猛不僅震驚了世界，而且促進了全球高速鐵路產業的發展。本文回顧了中國高速鐵路的發展，介紹了其鐵路網規劃、建設進度和運行狀況。合理研究動力學非常重要，包括設計技術指標和基本要求測試功能，綜合跟蹤網絡及其耦合系統影響列車系統的動態性能，如流量，受電弓-接觸網和電流-電流采集系統。為高速鐵路研究發展奠定基礎。

Abstract： The rapidity of China's railway industry not only shocked the world， but also promoted the development of the global high-speed railway industry. This article reviews the development of China's high-speed railway， and introduces its railway network planning， construction progress， and operating status. It is very important to study dynamics reasonably， including designing technical indicators and basic requirements testing functions， comprehensive tracking network and its coupling system affect the dynamic performance of the train system， such as flow， pantograph-catenary and current-current acquisition system. Lay the foundation for the research and development of high-speed railway.

關鍵詞：中國高速列車;車輛系統動力學;系統動態性能

Key words： chinese high-speed train;vehicle system dynamics;system dynamic performance

0? 引言

中國鐵路事業的發展不僅僅是一個驚喜，而且對全世界的工業發展起到不可忽略的作用。自2004年中國成立以來引進高速列車技術，推出9000公里鐵路網雄心勃勃的建設規劃已經完成并投入運行。直到2012年6月，現在有700多列高速列車開通了，服務每天運行1500次。高速鐵路工業已成為中國制造業引人注目的主題工業，是現代鐵路的重要組成部分事業和公共交通的首選[1]。

1? 中國的高速鐵路的發展規劃和現狀

1.1 中國高速鐵路發展史

鐵路長期以來一直是中國的主要動脈。有利于經濟發展，但另一方面，由于低速和稀缺的網絡也造成了瓶頸，這制約了進一步發展公共交通。進入二十一世紀如何開拓高速鐵路及其發展潛力已逐步發揮獲得公眾共識。2004年1月，鐵路局在鐵路建設收費揭開了鐵路網規劃的中長期序幕，TEM規劃200公里以上客運專線到2020年達到12000公里[1]。同樣的數字是2008年修正至1800公里[2]。相關機構大規模的建筑網絡包括“四縱四橫”，高速旅客三條城際鐵路網覆蓋長江三角洲、珠江三角洲和環渤海。這個四縱四橫高速鐵路網—中國鐵路專線藍圖，如圖1所示。

在2012年，總共有3500公里的高速線路是預計將開放服務，包括哈爾濱至大連北京至石家莊線，石家莊至武漢線，天津至秦皇島線、寧波-杭州線杭寧線。同時，1143公里的城際公路鐵路線路將準備投入運營，其中包括連接北京的線路。去天津、成都到都江堰、上海到寧波、南昌到九江、廣州到株洲，還有海南東環城際鐵路。

到2012年底，高速鐵路總長超過7500公里。將開始運作，使中國成為第一大國世界上最大的高速鐵路里程[3]。從這個鐵路網出發，京滬線單線橋梁跨度約1318公里全線1140公里占86.5%，采用整體式無碴軌道技術。這條線路的軌道床及其設計速度可以達到350公里/小時。京滬線是高速線之一。

除了興建新線路外，中國還在修建樞紐站和將現有干線升級為提高運行速度線路，改善運行條件。雙線鐵路施工及電氣化現有線路已投入使用，以滿足要求。到2007年，正在修復現有非運行的高速線路運行速度超過200km/h，長度達到6003km，其中行駛速度超過250公里/小時的線路的長度是846公里。重建改造現有鐵路線，使之成為高速高效的交通方式正在成為中國的專長之一。

1.2 高速鐵路技術

1.2.1 磁道

具有高平滑度和穩定性的無壓載軌道是主要用于中國的高速鐵路。在早期缺乏先進的板坯制造技術，中國的工程師們首先選擇借鑒國外成熟的技術，然后根據中國的具體情況發展起來。2004年，自主研發的板式軌道技術首次問世。

為了促進350km/h高速列車發展，中國進口來自德國公司的無碴跟蹤技術，包括MaxBgl、RAIL.One、Züblin等等。MaxBgl軌道在京津城際線運用，上海高速鐵RHEDA2000無碴軌道在武廣客運專線使用。中國工程師將不同軌道分成若干類別，如來自日本的新干線軌道（Shinkansen）被標記為CRTSI，來自Max Bgl軌道作為平板CRTS II，來自Züblin的軌道作為雙塊CRTSⅡ，中國開發的新型軌道被稱為CRTS III[4];2009年11月首次發布并成功應用于成都—都江堰城際鐵路線。

1.2.2 列車控制系統

中國高速鐵路的發展不僅僅在其高速，而且其高密度的運輸與高速方便的完美結合。中國鐵路根據具體情況，在CTCS系列控制系統又開發了CTCS-2，其中CTCS-2已得到應用。200-250公里/小時線路和300-300公里公里/小時線路采用CTCS-3350。CTCS-2通過應答器和軌道電路所傳送的信息采取行動，CTCS-3通過無線傳輸的數據起作用。通過這兩個系統，司機能夠操作火車機車信號。

1.2.3 牽引供電系統

單相交流27.5kV/50Hz電源系統適用于中國的火車。對于高速列車，2×27.5kV/50Hz自動變壓器更常用于距離大約50公里的變電站之間。第一條城際客運專線設計速度350km/h。提高受電弓-接觸網受流質量，同時，提高了接觸線的張力。尤指滿足在350km/h的速度時，懸鏈線選擇剛性懸鏈線。

2? 高速列車系統動力學研究

中國迅速而又成功地發展高速鐵路工業與高速列車研究和技術創新一樣重要。良好的動力學研究對于列車高速高品質性能與安全運行，包括車輛設計等關鍵因素有很大影響，運營和維護解決方案，軌道網絡的整合及耦合系統動力學影響列車系統的性能，如氣流、受電弓-接觸網和電源-電流收集系統。

隨著速度的增加，兩者之間的相互作用越來越大，火車和鐵軌、懸鏈線和氣流是明顯增強。軌道上的不規則性產生高速列車的最大干擾。水平線軌道縱斷面參數影響列車乘坐舒適性的重要因素。在高速列車中，氣流不僅會產生空氣阻力，對車輛性能也造成干擾，甚至當危及行車安全情況時失去控制。在受電弓-接觸網系統，他們的行動受到車頂振動與周圍氣流擾動影響，受電弓和懸鏈線將不再自激。這由列車本身的動力學特性決定（包括受電弓），但也受軌道系統、氣流和懸鏈線系統干擾影響。

基于軌道車輛的接觸網-氣流-機電系統的車輛受電弓耦合系統如圖2所示。該系統包括會產生直接影響列車運行行為及其動力學特性的各種因素，如軌道、受電弓和懸鏈線、氣流等，電源和信號系統[5]。

動力學研究貫穿于高速列車的設計、應用與維護。其首要任務是優化設計。動力學研究應該考慮列車運行中的各種邊界條件，包括懸鏈線結構和參數、軌道結構以及參數、氣流方向和速度。其核心目標是穩定性、乘坐舒適性、安全性和可靠性以及經濟性（抗拖曳和再生制動）和環境友好（噪音）[6]。在實際工程建設中，主要任務是提高臨界轉速，同時減小振動，空氣動阻力，并改善車輪和軌道之間兩者之間的相互作用，以及受電弓和懸鏈線之間相互影響，這些目標正是高速動力學研究的目標[7]。

3? 提出問題

近幾年來，我國高鐵技術迅猛發展，已經遙遙領先全世界。目前，我國高速列車運行速度已經提高到了世界軌道交通商業運營速度的空白區，隨著高速列車的速度一點點的提高，我們面臨的難題更是成倍增長，所以關于半主動懸掛系統列車提出問題。過去關于半主動懸掛系統的研究大多都集中在平穩性改善方面上，然而高速條件下不但要關注平穩性的改善，更應該首先關注半主動懸掛列車的穩定性問題。

4? 結論

高速發展與進一步創新鐵路將永遠建立在堅實的理論研究基礎之上。為此，作者致力于將傳統的車輛系統動力學理論擴展到更高更完整的層次，包括軌道、受電弓-接觸網、電源、氣流等。

參考文獻：

[1]林曉言，石中和，吳笛，等.高速鐵路對城市人才吸引力的影響分析[J].北京交通大學學報：社會科學版，2015（14）：16.

[2]王哲.高鐵產業上市公司中國專利申請統計與分[J].統計分析，2015（4）：46-48.

[3]陳泓旭，李煥.我國高速鐵路建設面臨的挑[J].交通企業管理，2010（9）：62-63.

[4]頓小紅.從世界高速鐵路發展看我國高速鐵路建設[J].現代商貿工業，2007（6）：22-23.

[5]Zhang WH， Wang BM （2010） Innovation and development of high-speed railway in China. In： Electric drive for locomotives.No. 1：8-12， 69.

[6]Zhang SG （2010） Study on technology system and system integration method of China high-speed railway. In： ASME conference proceedings， JRC2010-36220， Urbana， pp 501-506.

[7]LiWT， Zhang WH，Miao HT （2012） Dynamic analysis and modeling optimization of freight trains considering flexibility. Fail Anal Prev 7（3）： 137-142.

[8]Dinana G， Cheli F， Bruni S， Collina A （1995） Dynamic interaction? between rail vehicles and track for high-speed train. Veh Syst Dyn 24（Suppl）：15-30.