中国中车:中国高速动车组的发展成就与新车型研发

 
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  一、引言

  国家经济的发展与交通运输密切相关。相较公路、航空、水运等交通方式,高铁因具有输送能力大、速度快、安全性高、正点率高、能耗低、全天候运行的综合优势,在交通运输体系中扮演的角色日益突出。近年来,中国高铁从无到有、从追随者到领跑者,突破了欧洲、日本的技术垄断,取得了一系列举世瞩目的发展成就,高铁装备及产业化水平已总体达到国际领先水平。与此同时,在经济社会日益发展、交通运输需求日趋旺盛、路网规模与客运能力不断攀升的背景下,随着工程研究的深入、市场的拓展与细化、运用数据的积累,高速动车组的谱系化、定制化、智能化需求发展也已提上日程,高铁发展面临着新的机遇与挑战。

  二、中国高速动车组的发展成就

  经过多年艰苦努力,中国高速动车组最近十几年来进入快速发展期,取得了一系列重大成就。无论从路网规模、运营里程、列车保有量、产品种类,还是技术水平与产品性能,都位于世界先进行列,形成巨大的社会经济效益。近十年来,高速动车组在多年技术探索的基础上,经过自主探索、引进消化、自主创新和深化创新四个阶段,成就斐然。

  (一)运营规模世界第一

  截至2017年5月,中国高速铁路开通58条,覆盖除西藏、内蒙古、宁夏外的全部省份,联通大部分百万人口以上城市。总运营里程达2.22万公里,其中时速200~250公里等级1.21万公里,时速300~350公里等级1.01万公里,占世界高铁里程60%以上;在线高速列车2645组,其中200~250公里等级1047组,时速300~350公里等级1598组,占世界高速动车组保有量50%以上。高速动车组服务于四纵四横的干线网络,正向八纵八横大网发展,日均开行2000多对。

  (二)挑战世界最复杂的运用环境

  中国幅员辽阔,线路运用环境具有作用关系复杂、地理气候复杂和运用工况复杂等特点,高速列车运用需经受严峻考验。经过多年自主创新实践,中国高速动车组已逐步适应各种复杂环境,开发了适应不同环境的动车组,解决了车辆与轨道及设施激扰、振动冲击与气动效应复杂等问题;车辆可运行于平原、丘陵、山区、高原等不同地理环境,适应-40℃~+45℃的高寒、高温、高湿环境,可承受风沙雨雪侵蚀;此外,在长大交路、隧道多、海拔差异大、运行任务繁重的复杂工况下仍然保持很高的安全性与可靠性。中国的高速动车组已经具备了挑战世界范围复杂运用条件的能力。

  (三)形成世界最丰富的产品谱系

  中国高铁企业搭建了动车组产品谱系化研发平台,可以满足用户差异化需求,形成35种型号动车组,另7种已完成研制,正申请型号,涵盖时速160~350公里速度级,可以运用于既有提速、城际铁路和客运专线等不同线路。既有普通高速动车组,也有适应高寒、沙漠等不同气候环境的动车组,既有座车,也有卧铺及各种高速综合检测列车。

  (1)时速200~350公里等级动车组。目前已形成CRH1、CRH2、CRH3、CRH5等多个系列产品,首次在中国实现了时速250公里及以上高速运营,实现动车组技术的全面升级。

  (2)新一代高速动车组。2008年,原铁道部、科技部共同推动联合行动计划,研制时速380公里系列高速动车组。短编和长编动车组分别于2010年和2011年下线,形成A、B、C、D四种车型。作为目前时速300公里运营主力车型,累计生产1323列,初步建立了中国高速动车组自主研发平台。其中,CRH380AL高速动车组创造了时速486.1公里的世界铁路最高运营试验速度。

  (3)城际动车组系列产品。为适应城市群快速发展,构建三网融合桥梁,实现“门—门”运输服务理念,研制了时速160~200公里系列城际动车组产品。突破了轻量化车体及转向架、高速持续快速起动、大负荷空调、大容量快速制动控制以及混合动力驱动等技术。

  (4)高寒系列动车组。为适应东北高寒及西部沙漠大风环境,陆续开发了适于高寒环境的时速350公里CRH380BG及适于高寒沙漠环境的时速250公里CRH2G及CRH5G高速动车组,重点解决了耐高寒冰雪、大温差、高海拔、沙尘、大风及强紫外线等关键技术问题,将动车组服务范围宽扩展到除西藏之外的全部省份。

  (5)时速350公里中国标准动车组。2014年国家发改委大西铁路示范工程启动,中国铁路总公司牵头组织相关企业,研制时速350公里中国标准动车组,基于中国运用需求,采用正向设计,基于顶层目标层层分解,实现了整车及关键系统部件系统化自主化创新;通过统一司乘界面、操作界面、旅客截面以及统型零部件,实现了简统化及互联互通,使得不同厂家动车组能够相互重联、救援、热备;采用涵盖所有关键系统和设备的网络监控,同时应用高速以太网与传感技术,实现智能化全面提升;通过系统化技术创新,实现了安全性、舒适性与节能环保特性的有效提升。中国标准动车组通过产-学-研-用协同创新,完善了中国高速动车组标准体系,形成自主知识产权,成为下一代350速度级国铁市场及高铁走出去的主力车型,目前已获得国家铁路局颁发的型号合格证和制造许可证,进入批量生产阶段。

  (6)探索新技术。为了引领高速列车关键技术和装备的升级换代,发展了前沿技术产品,研制了具有远程监控、在途预警,远程应急指挥、维修专家库,旅客出行指南、无线宽带上网等智能化功能的智能化动车组、采用了碳纤维材料,进行了风阻制动技术应用的更高速度动车组和具有高电机效率和低解体检修时间的永磁电机动车组等产品。

  (四)建立强大高效的运维技术服务体系

  本着服务用户、服务旅客的宗旨,中国高铁企业致力于产品全寿命周期的服役性能、经济性能提升,发展先进的运维技术,提供系统化解决方案,确保庞大体量动车组的可靠运营和持续优化。在中国铁路总公司的领导和各铁路局的共同努力下,规范和引导动车组检修运用工作,逐步建立以“修程修制科学、规章标准健全、能力布局合理、维修设施完备、管理体系顺畅、生产组织有序、检修质量可控、维修成本经济、人员素质过硬、安全持续稳定”为标志,具有中国铁路特色,适应高速铁路运营需要的现代化动车组检修运用体系;建立先进的动车组健康诊断及专家支持平台,实时监控车辆状态,进行风险预防和快速处置;同时持续对检修技术进行提升,优化修程修制,确保世界最大体量动车组可靠安全运营和性能持续优化。

  (五)搭建先进的产品研发平台,技术指标达到世界先进水平

  在国家部委的指导和项目支持下,组建了广泛的“产-学-研-用”创新联盟,实现了企业为主体的科技创新模式,最大限度地利用科技创新资源,搭建了先进的研发平台,产品技术达到世界领先水平。

  (1)先进的产品研发平台。在国家部委的指导和一系列科技项目支持下,最大限度地聚集资源,构建中国特色的协同创新平台。建立了独具特色的仿真-试验-线路试验循环迭代、相互验证的高铁研发流程;建成了一批高速列车国家及行业实验室,搭建了涵盖系统及部件、学科全面的先进试验平台和协同仿真平台;打造了一批富于创造力、结构合理的高铁设计、制造、检验、及服务队伍;形成了聚合资源、富于竞争的创新机制。随着2013年铁路政企分开改革、2015年南北车合并,高铁技术创新机制发生了深刻变革,理顺了市场需求、行业管理、资源配置、市场竞争和技术创新的关系,实现了科学、严谨、有序的新产品研发。

  (2)自主攻克了大量核心技术难题。通过大量基础研究,设计探索,仿真优化,台架试验,特别是长期线路运行实验,积累高铁领域的宝贵数据与经验,解决了一系列重大技术问题和一些世界性难题。掌握了系统集成、列车控制、制动技术、被动安全、减振降噪、轮轨关系、流固耦合、轻量化、牵引技术和弓网关系等一系列核心技术。

  (3)综合技术指标达到世界先进水平。中国高速动车组运营速度涵盖了时速200~350公里不同速度等级,创造了时速486.1公里的最高运营试验速度、时速420公里的最高交会速度。列车脱轨系数、轮重减载率和紧急制动距离等运行安全性指标优异,平稳性、舒适性、客室噪声、车内压力等综合舒适度指标领先,可靠性以及节能环保等各项技术指标优良,其中运行速度、安全行指标、综合舒适度指标等均达到了世界先进水平。

  (六)建成世界上规模最大的自主化平台

  中国高铁企业发挥了多年来机车车辆研发积累的技术优势,系统消化引进技术,坚持自主化国产化和打破垄断工作,保证了高速动车组可持续良性发展,形成了强大的自主化能力。建成世界上最大规模的自主化平台,构建了完善的高速动车组产业链和高质高效的制造体系,具备年产5000多辆动车组的生产能力。

  (七)国际市场竞争力不断加强

  在“一带一路”的国家战略背景下,中国高铁企业培养了全球化视野,不断拓展以高速动车组为代表的海外市场,截至2017年5月,业务已覆盖全球102个国家和地区,累计销售1058.71亿元,其中2016年获得海外订单81亿美元,市场份额逐年攀升,国际市场竞争能力日渐增强,印度尼西亚雅万高铁、马来西亚马新高铁即为中国高铁“走出去”的典型代表。

  (八)产生巨大的社会经济效益

  中国高铁正在改变人们出行理念和生活方式,带来了良好的社会经济效益。首先,极大缓解了交通运输压力,使我国的铁路客运能力显著提升,2016年铁路运送旅客达27.7亿人次,较2001年增加2.6倍,动车组占比超50%;其次,开通高铁实现了客货分离,释放了既有线路货运能力。第三,规模化经济效益分析显示,随高铁体量不断增加,对经济的拉动作用突显,沿线同城化、城市化效应显著,有效地促进了国民经济的快速发展。中国高铁正在改变人们的出行理念、生活方式和现代社会,成为中国的新名片。

  三、高速动车组新产品研发规划

  未来高速动车组产品和技术的发展将紧密围绕国家战略及深化供给侧改革需求,为用户提供全价值链的先进服务,聚焦一带一路,向谱系化、定制化、智能化、高性价比、高可靠性及互联互通方向深化发展。产品谱系方面,优先研发高速卧铺、动力集中、灵活编组、双层、京张智慧动车组及高速货运动车组等市场亟须产品,并围绕产品开发,积极开展各种关键技术研究。

  (1)时速350公里新型卧铺动车组。为利用高铁夜间资源,挖掘运能潜力,拟在长大交路开行夕发朝至卧铺动车组,提供更多的出行选择,提高长交路乘坐舒适性。

  该车型计划采用新型卧铺纵向布局,定员880人,相比既有卧铺动车组运力提升51.7%。以京广动卧为例,每天对开1个车次,可增加收入约4亿元/年。如以北京、上海、广州为中心,连接主要省会及经济发达城市,运营7至10小时(2000公里左右)的交路,可在既有线路资源条件下开启数百亿的市场。同时,列车采用夕发朝至模式,乘坐环境舒适,可吸引更多的旅客选择动卧出行,并可拉动沿线城市消费,促进经济增长,增加装备需求,产业链拉动作用明显,潜在经济价值巨大。

  (2)时速160公里动力集中动车组。为适应运营模式改革,充分利用既有机、客车运用维护资源,拟研制时速160公里动力集中动车组,采用固定编组双向行驶,减少本务机车作业,车站到发线能力可提高约80%,车站咽喉能力可提高100%,有效缓解客运站咽喉能力饱和状况。

  (3)灵活编组动车组。为适应地域经济发展水平、人口密度和客流变化特点,增加运营方案的灵活性与经济性,将对标国际技术现状,积极研发不同速度等级的灵活编组动车组,突破最小单元配置、快速联挂解编、网络自识别等关键技术。

  (4)双层动车组。针对经济发达地区高速铁路客流持续攀升,开行车次已近饱和,仍难以满足日益增长的铁路客运需求的问题,拟研发时速250公里、350公里速度级双层动车组,载客量可提升约40%。

  (5)动车组双层餐货合造车。为满足快运市场的需求,在双层动车组中设置一辆餐货合造车。上层为用餐区及厨房,下层为快运货仓,中间站可随时装卸货物。货仓约30m3,载重6吨,以京沪高铁为例,拟按高铁快运2元/千克估算,如每天对开1个车次,可增加收入约6500万元/年。

  (6)时速250公里中国标准动车组。为完善产品谱系,实现平台迁移,全面实现简统化、标准化及互联互通目标,在中国铁路总公司的组织下,在时速350公里中国标准动车组基础上,进一步研制时速250公里中国标准动车组。

  (7)京张高铁智慧动车组。为展现奥运人文关怀和中国高铁的创新成就,研制京张高铁智慧动车组,实现工作状态自感知、运行故障自诊断、故障预测与健康管理、导向安全自决策,为司乘和维修人员提供智能化指导信息,为旅客提供人性化、智能化服务。

  (8)时速400公里出口型动车组。为面对世界各国不同速度、不同轨距及运营环境的挑战,提高国际市场竞争力,承担了科技部先进轨道交通专项,研制时速400公里高速动车组,目前正在进行方案设计和论证。

  (9)时速250/350公里快速货运动车组。为完善高速动车组的服务功能,拓展服务领域,向用户提供全链条的服务价值,拟研制时速250/350公里快速货运动车组,将高速铁路技术与现代物流技术融合,发挥高速列车速度快、运量大的优势,实现门到门物流配送。

  四、结束语

  十几年来,中国高速动车组发展取得了巨大的成就,这些成就是在老一代铁路人深情奉献,长期积淀的基础上,新一代员工抓住机遇顽强拼搏形成的宝贵成果,是铁路行业创新驱动、融合互促、协同共享、开放有序的结果。随着国民经济的快速发展,将不断产生新的需求,创新永远在路上,我们要放眼未来,以国家战略为指引,以用户需求为导向,以科技创新为支撑,坚持合作发展、协作共赢的全球化市场经营理念,通过战略实施、统筹管理、协同布局,提升高速动车组产品与技术水平,推动中国高铁走向行业世界引领。