我國機車車輛技術的發展與展望

申 瑞 源

(中國鐵路總公司 機輛部, 北京 100844)

鐵路運輸是現代化綜合交通運輸體系中的骨干，對國民經濟的發展具有特殊、重要的地位和作用。

高速鐵路速度高、能耗低，逐漸成為改變人們生活方式的綠色交通。1964年，日本開通了時速210～230 km的世界首條高速鐵路——東海道新干線，拉近了東京和大阪兩大城市圈，取得了巨大的社會和經濟效益。在之后的20年間，山陽新干線、上越新干線、東北新干線等多條主要線路也依次開通，形成了較為完善的高速鐵路網骨架[1]。

日本高速鐵路的成就，也刺激了其他世界各國高速鐵路的發展。法國、德國、意大利等西歐國家也都相繼建成國內及跨國高速線路，形成較為完善的歐洲高速鐵路網。伴隨高速客運專線的建設，諸如德國的ICE列車、意大利的ETR系列車以及“歐洲之星”等速度等級為200，300 km/h的高速列車也應運而生[2]。法國的TGV高速列車更是于1990年和2007年兩度創造了515.3，574.8 km/h的最高列車試驗速度。

重載鐵路運量大、效率高、運輸成本低，一直是貨物運輸的重要手段, 受到世界各國的廣泛重視。北美地區幅員遼闊、資源豐富，是最早發展重載運輸的地區。1958年，美國南太平洋鐵路公司開行了世界首列由85輛礦石車編組的重載列車，總重達到11 700t。1967年10月，美國諾福克西方鐵路公司開行了500輛煤車編組、全長6 500 m、總重達44 066 t的重載列車。經過多年的研發和創新，從1994年—2009年，美國鐵路商業運營燃油消耗降低25%，直線和曲線上鋼軌使用壽命分別延長12%和40%，列車安全性大幅度提高[3]。澳大利亞借鑒美國和加拿大的經驗，自20世紀70年代開始發展重載運輸，因地制宜修建了牽引總重可達2萬多噸的幾條重載鐵路。澳大利亞BHP公司采用先進技術提高列車軸重和牽引質量。自1980年—2000年，BHP每輛車載運量提高36%，每噸礦石運輸的燃油消耗量下降43%，車輪和鋼軌的壽命延長2～4倍，機車和車輛的可靠性也大幅提高[4]。

改革開放以來，我國的高速和重載鐵路運輸得到了較快的發展，尤其是近十年來，我國機車車輛技術取得突破性進展。動車組形成了涵蓋時速160～350 km速度等級、短編/長編不同編組型式、座車/臥鋪車不同車種、高寒/抗風沙等適應不同氣候地理條件的系列化產品；干線客運列車基于交流傳動等技術實現了升級換代；重載列車在大秦線開行2萬t組合列車的基礎上，成功實施3萬t組合列車的試驗研究，并自主研發了30 t軸重機車車輛，同時通過采用車載安全監測和大數據等技術、有序推進信息化建設，全面提升了機車車輛的安全性和可靠性。本文對這些研究成果進行了綜述，并對中國機車車輛未來的研究方向進行了探討。

1 動車組技術發展

1.1 中國鐵路客運列車提速與歷程回顧

1997年第一次大提速，中國鐵路客運列車在三大干線最高運營時速達到140 km；到2007年第六次大提速時，中國鐵路多條干線客運列車運營時速達到200 km。期間進行了大量高速列車關鍵技術的試驗研究，研制了多種型號的試驗型動車組。其中先鋒號動力分散動車組設計時速200 km，試驗最高時速達到292.8 km；中華之星動力集中動車組設計時速270 km，試驗最高時速達到321.5 km。

隨后，通過引進、消化、吸收、再創新，研制了“和諧號”系列動車組。自2008年合寧客專開通運營至今的10年間，中國鐵路高速列車技術持續進步，安全穩定運營的時速從200 km到250 km，再到300 km逐步提升。目前全路“和諧號”動車組保有量近3 000組，共計有23種型號動車組列車及6種綜合檢測列車。截至2018年3月，累計運行約65.7億km，單組最長里程580萬km，總體運行安全、平穩、有序。

近幾年，我國鐵路按照中國標準組織開展了新一代動車組的研制。2015年6月兩列中國標準動車組樣車下線。2015年11月動車組在大西線型式試驗速度達到385 km/h。2016年7月兩列動車組在鄭徐高鐵完成了時速420 km交會和重聯運行試驗，創造了實際運營動車組的最高試驗速度。2016年10月動車組完成60萬km的運用考核，隨后在京廣高鐵開展體驗運營。2017年6月25日，中國標準動車組被命名為“復興號”，并在京滬高鐵投入運營，安全穩定運營時速達350 km。

1.2 “復興號”動車組技術特點

1.2.1 安全可靠

“復興號”動車組在“和諧號”動車組基礎上進一步增加了傳感設備，整列監測項點達 2 500余項。首次采用工業以太網技術傳輸動車組的故障和診斷信息[5]，更新軟件和下載數據等，數據傳輸能力由原有1.5 Mbit/s 提升到100 Mbit/s；同時應用 4G通信技術，實現車地信息傳輸，地面人員可實時掌控動車組運行狀態，保障動車組的安全可靠運行。

動車組在流線型車頭前部和各車車端連接處設置碰撞吸能裝置，具體結構見圖1。由前端吸能模塊和車鉤緩沖系統組成，按照從頭到尾逐級吸能的原理設計，滿足國際通用的防撞設計標準。在出現意外碰撞時，可通過裝置的塑性變形吸收碰撞能量減少對乘客和司乘人員傷害，提高動車組被動防護能力,見圖2。

1.2.2 加速性能優

“復興號”動車組統一采用4動4拖動力配置，牽引變流器采用6 500 V大功率IGBT元器件，牽引功率在“和諧號”基礎上提升了7%，輪周牽引功率超過10 000 kW，動車組從靜止到350 km/h 的起動加速時間僅有391 s，加速性能曲線見圖3。較“和諧號”動車組減少81 s，加速距離縮短6.4 km。

1.2.3 節能環保

“復興號”動車組通過設計全新的低阻力流線型車頭，優化車頂設備安裝結構，采用全包式外風擋等措施，實現了車體表面的平順化，明顯降低了高速運行阻力和能耗。圖4和圖5分別給出了不同速度級“復興號”動車組和“和諧號”動車組的阻力和能耗對比圖，可見時速350 km時“復興號”動車組總阻力較“和諧號”約降低 12.3%，能耗約降低17%。

1.2.4 環境適應性強

采用整體密閉的高壓箱結構，車頂高壓設備受環境影響小，降低雷雨等惡劣天氣下的故障率，提高了相關設備的抗霧霾能力；加大牽引系統冷卻散熱能力，在15%進風口堵塞的情況下，仍可保證牽引動力正常發揮，同時將空調統一采用頂置式安裝，提高了相關設備的抗柳絮、灰塵能力。

1.2.5 乘坐舒適

通過優化動力學性能參數，強化隔聲減振性能，平穩性和車內噪聲均優于“和諧號”動車組。“復興號”動車組和“和諧號”動車組車體不同區域平穩性和噪聲指標的對比圖，見圖6、圖7。由圖6、圖7可見，時速 350 km運行時，“復興號”動車組車體垂向平穩性均值降低11%，客室內噪聲平均降低3 dB(A)。

1.2.6 全壽命周期成本低

在總結“和諧號”檢修規律的基礎上，“復興號”動車組通過優化設計，對修程修制進行了統一和優化，一級修間隔由5 000 km延長至6 000 km，三級修間隔統一為 120 萬km，全壽命周期內可顯著減少維修成本。深化了零部件統型工作，對動車組十大系統 86 項部件進行了統型，各型動車組之間實現了易損易耗件和通用件的互換，減少了備品備件數量，降低動車組檢修成本。實現了互聯互通，極大地方便了運用管理。

1.3 “復興號”動車組的運營和系列化

截至2018年3月，“復興號”動車組上線運營累計123列，總運行里程2 300萬km，京滬高鐵以350 km/h運營，并推廣到京廣、京津、津秦、滬寧、寧杭、滬杭、滬昆、杭深等高鐵擔當運營交路，技術狀態良好、總體平穩有序，取得良好的經濟和社會效益。

系列化復興號動車組的研制工作全面展開，包括350 km/h“復興號”長編/擴編動車組,250 km/h“復興號”動車組,200 km/h“復興號”動車組,160 km/h動力集中動車組,京張、京雄智能動車組的研制工作均在有序開展。其中，350 km/h“復興號”17輛長編動車組、160 km/h動力集中動車組即將投入批量運用。

2 重載列車技術發展

2.1 中國鐵路重載列車發展歷程回顧

根據中國鐵路貨運的特點以及固定裝備和移動裝備的實際情況，中國重載鐵路運輸從科學試驗、運營準備到正式開行，主要通過新建重載運輸專線和有計劃地改造舊線2種途徑實現的，其發展共經歷了4個階段。20世紀80年代中期，通過改造既有線，先后開行了雙機牽引7 000～8 000 t的重載組合列車；80年代中后期至90年代初期，新建大秦鐵路，開行1萬t重載單元列車；20世紀90年代初期至21世紀初，在京滬、京廣、京哈等繁忙干線開行了5 000 t級重載混編列車；21世紀初至今，中國重載完成了一系列工作，包括大秦線開行2萬t重載組合列車[6]；在大秦線完成3萬t重載列車運行試驗[7]；在瓦日線完成30 t軸重成套技術的系統驗證。

2.2 中國重載列車技術及試驗研究

2.2.1 30 t軸重機車車輛及成套技術

HXD1F和 HXD2F型30 t軸重交流傳動貨運電力機車是為適應中國重載鐵路使用環境而設計的。HXD1F和 HXD2F型機車為八軸9 600 kW貨運電力機車，機車采用了高強度車體，抱軸懸掛大軸重轉向架，重載驅動裝置，由IGBT元件組成的大功率水冷變流器，大扭矩異步牽引電機，臥式牽引變壓器，單軸控制。微機網絡控制系統，電子控制的制動系統，獨立通風冷卻以及輪盤制動等先進技術。30 t軸重貨車是我國為適應世界鐵路重載運輸發展和國內煤炭運輸需求而設計的標準軌距專用貨車，其中主要車型為C96和C96H型專用運煤敞車，車體強度和載重率高，轉向架具有低動力、準徑向、無焊接、輕磨耗、動力學性能良好的特點。2015年，在瓦日線長子南—平順間開展了30 t軸重重載綜合試驗，涉及機車車輛、工務工程、通信信號、牽引供電等方面共20個專業方向77個試驗項目，系統驗證了30 t軸重機車車輛的安全性和適用性，為構建我國30 t軸重重載鐵路技術體系提供了技術支撐[8]。

HXD1F，HXD2F型機車與25 t軸重電力機車相比，牽引性能有了很大的提升。相較于HXD1，起動牽引力提高了150 kN，提升近20%，能更好地適應大軸重條件下重載貨運列車的需求。試驗結果發現，HXD2F機車牽引已經可以實現5 000 t編組列車在13‰的極限坡道上坡道起動及坡道通過。

30 t軸重貨車與通用貨車單位基本阻力的對比見圖8。由圖8可見，30 t軸重貨車比通用貨車單位阻力降低約10%～17%，并且隨著速度的提高，兩者差距逐漸增大。

2.2.2 3萬t長大列車試驗研究

2014年在北同蒲線袁樹林站—大秦鐵路柳村站間組織了3萬t列車運行試驗[9]。試驗列車編組方式見圖9，編組輛數320輛，其中機車4臺，試驗車1輛，貨車315輛，牽引質量31 550 t，載重25 200 t，列車總長達3 971 m。試驗期間最高運行速度為80.7 km/h。

為評估3萬t列車在正常運行工況下的運行品質及安全性，進行系統同步性測試，機車能耗測試，網壓監測，2個長大下坡道區段的循環制動試驗，列車縱向動力學測試，從控機車和特定位置貨車運行安全性監測等試驗項目。在試驗中，對4臺機車的牽引、制動性能，中部2臺從控機車和2輛C80貨車的動力學性能，以及15個貨車測試斷面的制動及縱向動力學性能進行測試。3萬t試驗列車與現行大秦鐵路1+1編組2萬t列車在不同里程標循環制動過程中最大壓鉤力的變化情況與對比見圖10。由圖10可見，3萬t試驗列車最大壓鉤力比2萬t列車約降低30%～40%。

2.2.3 重載列車專項技術

(1) ECP制動系統

電子控制空氣制動系統，簡稱電空制動系統(ECP)，是一種微機系統控制的直通式制動系統，原理見圖11。圖11中，AV為制動電磁閥，RV為緩解電磁閥，CCD為車輛控制單元，CID為車輛識別模塊。由主控機車產生電子信號，控制車輛的微機系統直接由副風缸向制動虹充風制動或制動虹排風緩解，從而達到整列車的車輛同時響應制動、緩解信息，具有嚴格的同步性。空氣是制動力產生的來源，但空氣不作為制動指令的傳遞介質。列車管持續向副風缸充風，在制動時列車管不排風[10]。列車ECP系統主要包括機車電空制動裝置和車輛電空制動裝置，其中機車電空制動裝置主要包括電空制動控制器，電空制動顯示屏，列車制動控制單元，列車總線電源及電源控制器，事件記錄器等；車輛電空制動裝置主要包括車輛制動控制單元、尾車裝置、空氣制動閥等[11]。

(2) C-LINK系統

分布式動力機車無線同步操控(C-LINK)系統基本工作原理是頭部主控機車通過無線通信方式，向中、后部從控機車發布同步牽引和制動命令，實現前、中、后部機車的牽引及動力制動同步操縱及空氣制動系統同步制動與緩解，從而達到縮短列車充、排風時間和減小車鉤受力的目的，見圖12。C-LINK系統對從控機車的牽引控制功能主要包括受電弓控制，主斷路器控制，方向控制，牽引、電制動控制和空氣制動同步控制等。對從控機車空氣制動控制功能包括列車自動制動，機車單獨制動，緊急制動，列車的緩解和充風等。

3 高原列車技術發展

3.1 中國高原鐵路環境特點

中國高原鐵路以青藏鐵路為代表，青藏鐵路是世界上海拔最高、距離最長的高原鐵路，是世界上地理條件和氣候變化最復雜，運行條件最惡劣的鐵路。全長1 956 km，線路最大坡度為20‰，連續上下坡路程最長達170 km；最高點唐古拉山口海拔達5 072 m，海拔4 000 m以上線路達958 km；在海拔2 800～5 100 m地區，其環境溫度跨度為-45 ℃～35 ℃，晝夜最大溫差達40 ℃，高寒缺氧，空氣稀薄，強紫外線，多年凍土，生態環境脆弱。

3.2 高原適應性改進機車車輛技術

HXN3型機車是目前國內技術水平最高、牽引功率最大的交流傳動內燃機車之一，在HXN3型機車主結構和主參數不變的基礎上，針對高原地區的特點進行適應性調整[12]，得到HXN3型高原適應性機車，見圖13。該機車主傳動采用交-直-交傳動，柴油機裝車功率為3 300 kW，持續牽引力為598 kN，最高運用速度為120 km/h。

HXN3型高原適應性機車采用大流量機油泵和燃油泵，提高高原適應性；裝用最新結構的動力組，優化增壓器，提高壓比，降低排溫，提高柴油機可靠性；強化柴油機控制保護，優化軟件，降低油水溫度保護限值，增加傳感器，提高預警保護能力[13]。根據高原低氣壓等特殊環境特點，對主發電機、牽引電機等電機部件進行絕緣加強，對采樣電阻、過壓繼電器等電氣元件進行絕緣加強，更換絕緣等級高的相模塊銅排等，以提高高原適應性電機及電氣部件的絕緣[14]。此外，還采取了提高機車冷卻能力、增加制氧設備等高原適應性改進措施[15]。

3.3 高原內燃機車的研制

高原內燃機車在3 234 kW交流傳動內燃機車技術平臺上進行設計，采用雙司機室內走廊結構，前端司機室，后端休息室，整體式燃油箱。機車裝車功率4 660 kW，持續牽引力382.5 kN，兩端車鉤中心線長22 550 mm，軸重為23 t。機車集成了主輔一體式交流傳動系統,自主化的微機網絡控制系統,自主化的制動系統；采用變壓吸附式制氧機，干式衛生間，集中式通風系統，并裝有ITCS裝置。端部設置了前門和通過臺結構，能夠滿足多機重聯編組。

高原內燃機車裝用經過優化設計的12V265B型柴油機，提高了高原環境的適應性。控制系統增加了柴油機運行智能化調節功能以及健康狀態檢查，傳感器冗余和故障自判斷的功能；采用爆發壓力控制策略，提高了柴油機在各種惡劣條件下的生存能力和可靠性；加裝防爆閥和金屬粒子報警裝置，提升了整機安保能力。

4 展望

縱觀中國鐵路高速、重載、普速客車以及高原機車車輛的研究現狀，雖然已取得了豐碩的成果，但同時仍然存在許多問題需要大力研究。

(1) 推進機車車輛技術深度融合

強化列車縱向動力學研究，特別是長大重載列車條件下縱向動力學的理論和試驗研究，掌握關鍵因素的影響規律，豐富縱向動力學的基礎理論；強化列車條件下的電氣和制動等匹配關系研究，掌握列車中電、氣、信息等的傳輸規律和影響因素；強化機車車輛設備檢測監測的技術研究和綜合運用，實現車載和地面、機車和車輛、電氣和機械等多路徑信息的系統融合。

(2) 打造更加安全可靠、經濟先進、節能環保的客貨列車

推進中國標準動車組形成覆蓋動力分散和動力集中、滿足多種氣候和運營環境的產品系列；推進干線客運列車、重載列車和快捷貨運列車的配套、完善和技術提升；推進更大軸重和更高噸位長大重載列車技術的系統研究；推進更高速度中國標準動車組的系統研究。

(3) 全面實現機車車輛的智能化

以傳感網、物聯網、衛星通信等現代信息技術為基礎，推進機車車輛信息化的建設和大數據的應用；推進機車車輛故障預測與健康管理(PHM+)技術的研究與應用，實現機車車輛主要系統和部件的故障預測與健康管理；大力推進京張高鐵智能動車組、京雄城際動車組的建設，全面提升機車車輛智能化水平。

(4) 為機車車輛“走出去”提供技術保障

為適應“一帶一路”沿線國家鐵路的需求，開展變軌距轉向架等適應不同線路軌道條件的輪軌關系研究；開展多制式牽引供電技術等適應不同供電條件的弓網關系研究；開展更廣泛環境條件和運維條件適應性的研究。

5 結束語

高速列車作為一種現代化交通工具，其安全可靠性和乘坐舒適度關乎著人們生命財產安全和出行快捷方便；日益增長的鐵路貨運需求對重載列車技術提出了更高要求。本文從動車組、重載列車以及高原機車車輛三個方面對中國鐵路機車車輛研究成果進行了總結，并提出持續推進機車車輛技術進步、牢固樹立中國機車車輛在國際上的引領地位的四個方面工作。