浅谈我国CRH动车设计中的创新

孙诗凝

摘 要：我国轨道客车的发展近年来取得了长足进步，尤其以CRH动车为代表的“高铁”以其高速的运行能力、平稳舒适的乘坐体验和高度安全系统控制赢得了广泛好评，成为我国高端技术“走出去”的一张名片，本文从物理学和数学角度出发，探析了CRH动车设计中主要的技术创新点。

关键词：动车组 轻量化设计 牵引 制动 离心力 空气阻力

中图分类号：U266.2 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）11（c）-0082-02

CRH（China Railway High-speed），即列车领域“中国铁路高速”的品牌标志，由我国从国外等知名公司引进相应的先进技术，并加以吸收和改造之后，由之前的中国南车和北车（现已合并为中国中车）进行制造和生产，这一系列均称作为“和谐号”高速列车。

与此同时，随着各个学科的不断发展与交融，以物理和数学为代表的学科逐步应用于多个现实领域，诸如动车领域。基于我国CRH的不断发展，技术领域也有着长足的发展。其中，物理学和数学上的创新设计也不断突出，对于我国CRH动车设计有着重要的影响。

1 CRH动车设计中涉及的物理学与数学原理

（1）物体的重力原理：车体里所有设备、人员的重量，并利用支撑装置将力转移至钢轨。

（2）牵引力和制动力原理：该力由转向架转移过来，通过相应的缓冲设备，从而牵引列车运行。

（3）离心力和风阻力原理：该力是在运行过程中，车体受到来自横向纵向的多个力作用的综合结果。

2 CRH动车主要技术创新点

CRH动车以其高速的运行能力、平稳舒适的乘坐体验和高度安全系统控制赢得了广泛好评，这主要源于一系列技术创新，笔者尝试从物理学和数学角度出发，在轻量化设计、动力及制动系统、高速离心力和风阻力克服等方面加以阐述。

（1）克服传统笨重的车身——轻量化设计。

高速列车随着车速的不断提高，车轮与轨道的摩擦冲击变得剧烈，加之整车重量极高，提速难度骤升，为了应对这一问题，针对动车本身的车体轻量化设计成为关键的解决方案。但是轻量化设计并非易事，这一设计关系到整车结构的强度、刚度以及車辆运行的噪声、震动因素。为了使轻量化设计后的动车组符合车身的强度要求，使得各个组成部件具备合理的重量和强度，数学仿真算法被引入设计过程，实现各个组成部件的载荷率均衡，从而实现轻量化车身的优化设计。

与普通列车相比，CRH采用的是铝合金（见图1）。无论是弹性系数还是密度等，铝合金都比较小，大概是钢材的1/3。因其密度小，相应的质量就比较小。因此，铝合金的最大的优势在于可以实现车体的轻量化，这样即可以减少CRH的运行费用以及后续的维护成本。此外，动车在运行时，基于轻量化的设计风格，能够实现其高速化。

（2）全新的牵引和制动系统。

“火车跑得快，全靠车头带”，传统的火车牵引系统采用动力集中技术，形成车头牵引车厢，车厢本身没有动力来源。然而CRH动车组与我国传统的火车牵引系统不同，其动车组动力来源并非源于车头，而是将牵引力系统分散安装在动车组各节车厢中，运行时动车组车头和车厢共同发力加速，这种动力分散的技术能够使动车组提速更快，也能达到更高的时速。

动车组先进的牵引力系统带来的高速运行，同样离不开先进的制动系统作为保障。CRH动车组运行时速超过200km/h，这一级别的时速在遇到紧急情况制动时，从时速200km制动刹停，动车组需要有长达4000m的制动距离，不同于汽车人为紧急制动，高速列车的制动系统中预防事故设计更为关键。ATC系统是动车组的运行控制系统，其工作原理是通过车载信号系统向车辆控制人员发送指令，如加速、减速、停车，值得注意的是，若动车司机出现人为操控失误，该系统可以直接介入动车组的制动系统，第一时间控制列车动态，将人为操控失误造成的影响降至最低，这也是这个动车组高速运行的安全保障。

（3）克服高速过弯离心力的技术创新。

火车在高速运行过弯时会产生离心力，如果此时在弯道上运行速度过高，离心力增大容易使火车脱离轨道造成事故。曲线半径越小的轨道，其形成的弯度越大，火车通过时的速度越低。反之，曲线半径越大的轨道，其形成的弯度越小，火车通过时的速度越高。为了使得动车组实现高速运行，减少不必要的速减损，动车轨道设计要求曲线半径必须大于7km，通常设定在9～10km，同时动车组为了确保旅客乘车舒适度，在进入曲线轨道之前，通常要先进入过渡段，也称之为“缓和曲线”。

动车组为了应对过弯产生的离心力第二种方法是设置超高，在弯道线路中外侧钢轨会比内侧钢轨高度高出一段，内外高度差称之为“超高值”（一般控制在120～180mm），用来抵消动车组高速运行过弯时产生的离心力，这有助于减少动车组车轮与轨道的摩擦损耗，提升乘坐舒适度。

（4）减少空气阻力的技术创新。

高速动车组在运行过程中面临的阻力主要包括车内机械阻力和车外气动阻力。随着动车时速的大幅增加，气动阻力呈指数级增长。研究资料表明，在动车运行时速为300km/h的状态下，气动阻力占据动车总阻力的85%，由此可见，克服空气阻力是动车实现高速运行的关键（如图2）。

我国自行研发的CRH动车在减少空气阻力方面的技术创新，主要从优化车头造型、平顺化车身两点出发。

（1）优化车头造型。

CRH动车在车头设计上十分引人注目，造型美观。背后的原理是长细比大幅增加，缩减车体断面截面积，减少摩擦阻力，优化各向断面，避免流动分离。

（2）平顺化车身。

CRH动车在车厢之间连接，高压设备，空调设备，车下设备等凸出部位采取平顺化设计，保证整车光顺不突兀，从而降低高速运行时的摩擦阻力和涡流损失。

参考文献

[1] 黄志祥.新一代高速动车组气动力风洞试验报告[R].绵阳：627所，2010.

[2] 何华武.中国高速铁路创新与发展[J].中国铁路， 2010（12）：5-8.

[3] 杨国伟.新一代高速动车组气动性能数值计算研究报告[R].北京：中国科学院力学所，2010.endprint