国内外高速动车组的发展_李芾

的主要模式。
关键词： 高速动车组； 旅客列车； 发展
中图分类号： Ｕ２６６
文献标识码： Ａ
文章编号： １６７２－ １１８７（ ２００７） ０５－ ０００１－ ０５
提高列车运行速度是增加铁路运能、提高铁路在客 运市场占有率的最有效途径。长期以来， 我国铁路客运列 车一直沿用机车牵引客车运行的模式， 而国内外高速铁 路发展的经验表明， 由于采用该模式运行时列车动力完 全集中于机车， 受黏着等因素影响， 即使采用多机重联运 行， 列车运行速度进一步提高的空间也已不大； 同时， 列 车高速运行带来的空气动力学等方面的问题也逐渐暴露 出来， 故该模式仅适用于最高运行速度不大于 ２００ ｋｍ／ｈ 的旅客列车。因此， 国外高速列车一般采用动车组模式运 营。
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摘 要 ： 介 绍了 国 内 外高 速 动 车 组 的 特 点 及 发 展 历 程 ， 指 出 动 力 分 散 型 高 速 动 车 组 具 有 黏 着 性 能 好 ， 起 动 、制 动 性
能优于动 力 集 中型 动 车 组等 特 点 ， 因此 ， 将 动 力分 散 型 动车 组 作 为 ２００ ｋｍ／ｈ 及 以 上 速度 级 旅 客列 车 是 我国 铁 路 客运 发 展
２ 国外高速动车组的发展
自 １９６４ 年 １０ 月 １ 日， 世界上第一条高速铁路— ——日 本东海道新干线开通运营以来， 动车组的运用随着高速 铁路的发展日益广泛。经过 ４０ 余年的发展， 形成了以日 本新干线、法国 ＴＧＶ 和德国 ＩＣＥ 高速动车组为代表的三 大技术体系。各国动车组从本国实际需要出发， 具有各自 的技术特色， 为推动世界铁路向高速化发展起到了积极 的作用。
第 ３０ 卷 第 ５ 期 ２００７ 年 ９ 月 ２０ 日
◆ 综述·评论 ◆
电力机车与城轨车辆 Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｌｏｃｏｍｏｔｉｖｅｓ ＆ Ｍａｓｓ Ｔｒａｎｓｉｔ Ｖｅｈｉｃｌｅｓ
Ｖｏｌ． ３０ Ｎｏ． ５ Ｓｅｐｔ． ２０ｔｈ， ２００７
李芾： 国家特聘教授， 博士， 现从事机车车辆设计理论的研究。
收稿日期： ２００７－ ０８－ ０８
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电力机车与城轨车辆·２００７ 年第 ５ 期
动力作用的运行要求形成矛盾； 黏着质量不及动力分散 动车组， 速度的进一步提高将受到功率和黏着的限制； 列 车动力制动性能欠佳等。
动力分散型动车组是将由电机驱动的动力轮对分散 布置在列车的全部或部分轮对上， 同时将列车的主要电 气和机械设备吊挂在车辆下部， 列车全部车辆可载客的 列 车 模 式 ， 其 代 表 是 日 本 新 干 线 、德 国 ＩＣＥ３ 和 我 国“ 先 锋 ”号 动 车 组 。动 力 分 散 型 动 车 组 黏 着 性 能 优 于 动 力 集 中 型动车组， 采用该模式可大大降低恶劣气象条件下其动 轮空转的可能性， 从而避免损坏钢轨和轮对， 同时也提高 了电动车组的加速能力。此外， 动力分散电动车组还可充 分利用列车载客； 而且由于动力设备分散设置在各车体 下， 其动轴轴重小， 可以减小车辆与轨道之间的动作用。 动力分散型动车组编组灵活， 扩编运行后可在保持其列 车牵引特性不变的前提下增加运能， 这较好地满足了我 国铁路客运市场的需要。但是， 动力设备分散布置也带来 了 车 下 吊 装 设 备 影 响 车 内 舒 适 性 、设 备 布 置 困 难 、设 备 工 作环境差等新问题。
图 ２ 法国 ＴＧＶ－ ２Ｎ 动车组
图 ３ 法国 Ｖ１５０ 型试验动车组 德国是一个铁路历史悠久的国家。与大多数欧洲国
家一样， 德国铁路在 ２０ 世纪 ６０ 年代也不得不面对公路 和航空运输带来的巨大压力。德国的政治家比其他欧洲 国家更早地认识到了铁路的重要性。早在 １９７０ 年， 原联 邦德国政府技术研究部就开始组织对未来长途运输系统 新技术的研究。但是在发展高速铁路采用磁悬浮技术还 是轮轨技术的问题上， 德国经过了旷日持久的讨论， 影响 了德国铁路高速化的进程， １９７３ 年和 １９７６ 年动工修建的 两条高速新线进展缓慢。直到 ２０ 世纪 ８０ 年代中期， 原联
邦德国政府才意识到以往政策的失误， 同时法国 ＴＧＶ 列 车的成功运营也刺激着素以高技术著称的德国， 原联邦 德国政府加快了发展高速铁路的步伐。１９８２ 年 ８ 月， 联邦 铁路投资 １ ２００ 万马克， 试制 ＩＣＥ 试验型城间快车。１９８５ 年， ２ 动 ３ 拖的 ＩＣＥ／Ｖ 试验型高速电动车组试制成功， 同 年， 其最高试验速度达到 ３１７ ｋｍ／ｈ。１９８８ 年 ５ 月， ＩＣＥ／Ｖ 型试验列车在汉诺威—维尔茨堡间创造了 ４０６．９ ｋｍ／ｈ 的 高速动车组速度记录。在 ＩＣＥ／Ｖ 的基础上， １９８５ 年 １２ 月 联邦铁路确定了 ＩＣＥ 设计任务书， １９８６ 年开始试制 ＩＣＥ１ 型高速动车组， １９９０ 年 ７ 月试制完成并于 １９９１ 年 ６ 月 ２ 日以 ２８０ ｋｍ／ｈ 的速度正式投入运行， 该动车组如图 ５ 所 示。１９９１ 年原东、西德统一后， 德国政府决定修建柏林— 汉 诺 威 的 高 速 铁 路 ， 同 时 开 始 了 第 二 代 ＩＣＥ 高 速 动 车 组— ——ＩＣＥ２ 的开发， １９９６ 年， 该型动车组投入运用。德国 １９９５ 年 开 始 动 工 修 建 的 科 隆 —法 兰 克 福 的 高 速 铁 路 最 高运行速度提高到了 ３００ ｋｍ／ｈ， 线路最大坡度达到 ４０‰， 既有的 ＩＣＥ１、ＩＣＥ２ 型列车已经不能满足运行需要。为此， 德 国 铁 路 于 １９９４ 年 向 工 业 界 订 购 了 ５０ 列 ＩＣＥ３ 型 动 力 分散电动车组并于 １９９７ 年投入运行， 该动车组如图 ６ 所 示。此外， 为了在既有线路实现列车运行速度的提高， 德 国铁路还开发了 ＩＣＴ 型摆式动车组。目前， 运行速度达到 ３５０ ｋｍ／ｈ 的 ＩＣＥ２１ 型高速电动车组正在研制中。
图 １ 日本新干线 ５００ 系动车组
作为世界铁路运输最发达的国家之一， 早在 １９５５ 年 ３ 月 ２９ 日， 法国就创造了电力机车牵引列车 ３３１ ｋｍ／ｈ 的 速度记录； １９６７ 年 ５ 月， ＣＣ－ ６５００ 型电力机车牵引客车实 现最高速度 ２００ ｋｍ／ｈ 商业运行。然而随着社会的发展， 在 ２０ 世纪 ７０ 年代， 迅速发展的公路和航空运输使法国铁路 受到了前所未有的冲击， 传统铁路越来越不能适应现代 社会对铁路旅客运输的需要。同时 ， １９６４ 年日本新干线 建成并投入运行也大大激发了法国铁路同行的积极性。 自 １９６７ 年 起 ， 法 国 国 营 铁 路 公 司（ ＳＮＣＦ） 开 始 着 手 研 究 高速运输。在设计制造高速动车组方面， 法国首先是尝试 将航空用燃气涡 轮 发 动 机 用 于 铁 路 动 车 组 。１９６９ 年 １１ 月 ， 法 国 研 制 成 功 了 第 一 代 ＥＴＧ 型 燃 气 轮 动 车 组 ， 最 高 试验速度达到 ２４８ ｋｍ／ｈ。此后， 为了进一步提高燃气轮动 车 组 质 量 ， 又 研 制 出 第 二 代 ＥＴＧ 型 燃 气 轮 动 车 组 ， 最 高 试验速度为 ２６０ ｋｍ／ｈ。为了配合在巴黎 — 里昂建设高速 铁路， 还研制了第三代 ＴＧＶ－ ００１ 型燃气轮动车组， ５ 节编 组， １９７２ 年最高试验速度达到 ３８１ ｋｍ／ｈ。１９７３ 年中东战 争引起第一次世界石油危机后， 法国开始将高速动车组 技术政策转向电力牵引， 并率先在欧洲实行将速度、环保 意 识 、充 分 利 用 能 源 、高 新 技 术 以 及 经 济 可 靠 性 ·２００７ 年第 ５ 期
的技术方针。１９７３ 年， 法国研制出第一列 Ｚ７００１ 电动车 组， １９７５ 年最高试验速度达到 ３０９ ｋｍ／ｈ。自 １９７６ 年开始， 法 国 开 始 着 力 研 究 交—直 传 动 的 ＴＧＶ—ＰＳＥ 动 车 组 ， 并 在 １９８１ 年 ９ 月 投 入 运 用 。此 后 ， 法 国 先 后 研 制 了 交— 直—交 传 动 的 ＴＧＶ－ Ａ、ＴＧＶ－ Ｒ、ＴＧＶ－ ２Ｎ （ 图 ２） 、 ＴＧＶ－ ＴＭＳＴ、西班牙 ＡＶＥ、ＴＧＶ－ ＰＢＫＡ、ＴＧＶ－ Ｋ 等型号的 高速动车组。其中， ＴＧＶ－ Ａ ３２５ 号车组于 １９９０ 年 ５ 月在 大西洋线创造了 ５１５．３ ｋｍ／ｈ 轮轨系统高速行车的世界记 录。在保持了 １７ 年后， 该纪录再次被打破， ２００７ 年 ４ 月 ３ 日， 法国试验动车组 Ｖ１５０ 创造了 ５７４．８ ｋｍ／ｈ 的高速铁路 试验速度新纪录， 该动车组如图 ３ 所示。近年来， 法国国 家铁路已经开始进行动力分散型电动车组的研究， 与 Ａｌｓｔｏｍ 等共同设计的新型动力分散动车组 ＡＧＶ（ 见图 ４） 已投入试验运行。
１ 动车组的特点与我国高速动车组发展模式
将一定数量的动力车和拖车连挂， 形成编组固定的 车组称为动车组。动车组一般在两端均设置司机室， 列车 折返时不必调头， 以满足城际间运行对列车高密度运行
的严格要求。按驱动轴和驱动设备的布置可以把高速动 车组分为动力集中型和动力分散型两种。
动力集中型动车组是指将列车电气和动力设备集中 安装于位于列车端部的动力车上， 仅动力车的轮对是动 力轮对， 动力车不载客或仅设置较小的客室， 旅客主要集 中于中间拖车的动车组。法国 ＴＧＶ、德国 ＩＣＥ１ 和 ＩＣＥ２、 瑞 典 Ｘ２０００ 和 我 国 的 ＤＪＪ１ 型 等 均 属 于 动 力 集 中 型 动 车 组。这种动车组与传统列车模式相似， 便于按传统习惯进 行运营和维修管理； 故障相对较高的电气与机械设备集 中在动力车上， 便于保养， 而且工作环境也较清洁； 由于 拖车不设置牵引电气和机械设备， 故拖车内噪声、振动 小； 其动力车可以进行摘挂与转换， 可以满足电气化区段 与非电气化区段的直通运行需要。但动力集中型动车组 也存在着一些固有缺陷， 诸如： 动力集中方式使列车相对 载客量减少； 动力车轴重与高速动车组小轴重和低轮轨
由于列车牵引功率与其运行速度的三次方成正比， 更高的运行速度要求列车具有更大的牵引功率。就动力 集中型动车组而言， 增加动车单轴牵引功率与高速列车 对车辆轴重的要求形成矛盾。同时， 受动力车黏着性能的 影响， 动力集中型动车组起动加速性能、恶劣气候条件下 运行性能和制动性能均无法满足列车高速运行的需要。 法国、德国在研制其第一代高速动车组时均选择了动力 集中模式， 但随着列车运行速度的提高， 其高速动车组技 术路线已开始向动力分散方向转移。德国 ＩＣＥ３ 型动力分 散动车组已运用于科隆—法兰克福的高速铁路， 基于该 产品平台的 Ｖｅｌａｒｏ Ｅ 高速动车组已成功运用于西班牙高 速 铁 路 ， 我 国“ 和 谐 号 ”ＣＲＨ３ 型 动 车 组 也 是 基 于 该 平 台 设计； 法国 ＡＧＶ 动力分散型高速动车组也已投入线路试 验。基于高速运行对车辆性能的需要， 我国高速动车组应 该选择动力分散模式。
日本是世界上最早开行高速动车组的国家。在日本 计划修建东海道新干线时， 其高速动车组设计就已经同 步展开。０ 系新干线列车成为世界上最早运行的高速动
车组。随着新干线网络的不断扩大， 为了在不同的线路条 件下提高列车运行速度和乘客的舒适度， 降低列车对环 境的影响， 相关企业与研究机构在 ０ 系、１００ 系、２００ 系、 １００Ｎ 系 列 车 的 基 础 上 先 后 开 发 了 ３００ 系 、４００ 系 、５００ 系、７００ 系、Ｎ７００ 系、８００ 系、Ｅ１ 系、Ｅ２ 系、Ｅ３ 系、Ｅ４ 系等 新 干 线 列 车 和 ＷＩＮ３５０、３００Ｘ、ＳＴＡＲ２１、ＦＡＳＴＥＣＨ、Ｅ９５４ 系等试验列车， 共有二十余种新干线用电动车组。自设计 之初起， 日本一直坚持采用动力分散作为其动车组发展 模式。此外， 日本新干线动车组的另一大特点是注重新技 术的运用， 如主动、半主动悬挂和旋转涡流制动 、空 气 阻 力制动等技术均最早运用在新干线动车组上。其动车组 轻 量 化 、车 辆 空 气 动 力 学 设 计 水 平 已 经 走 在 世 界 前 列 。日 本新干线 ５００ 系动车组外观如图 １ 所示。