中国高速列车系统动力学发展综述

胡洪银

摘要：中国铁路工业的迅猛不仅震惊了世界，而且促进了全球高速铁路产业的发展。本文回顾了中国高速铁路的发展，介绍了其铁路网规划、建设进度和运行状况。合理研究动力学非常重要，包括设计技术指标和基本要求测试功能，综合跟踪网络及其耦合系统影响列车系统的动态性能，如流量，受电弓-接触网和电流-电流采集系统。为高速铁路研究发展奠定基础。

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.

关键词：中国高速列车;车辆系统动力学;系统动态性能

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

0  引言

中国铁路事业的发展不仅仅是一个惊喜，而且对全世界的工业发展起到不可忽略的作用。自2004年中国成立以来引进高速列车技术，推出9000公里铁路网雄心勃勃的建设规划已经完成并投入运行。直到2012年6月，现在有700多列高速列车开通了，服务每天运行1500次。高速铁路工业已成为中国制造业引人注目的主题工业，是现代铁路的重要组成部分事业和公共交通的首选[1]。

1  中国的高速铁路的发展规划和现状

1.1 中国高速铁路发展史

铁路长期以来一直是中国的主要动脉。有利于经济发展，但另一方面，由于低速和稀缺的网络也造成了瓶颈，这制约了进一步发展公共交通。进入二十一世纪如何开拓高速铁路及其发展潜力已逐步发挥获得公众共识。2004年1月，铁路局在铁路建设收费揭开了铁路网规划的中长期序幕，TEM规划200公里以上客运专线到2020年达到12000公里[1]。同样的数字是2008年修正至1800公里[2]。相关机构大规模的建筑网络包括“四纵四横”，高速旅客三条城际铁路网覆盖长江三角洲、珠江三角洲和环渤海。这个四纵四横高速铁路网—中国铁路专线蓝图，如图1所示。

在2012年，总共有3500公里的高速线路是预计将开放服务，包括哈尔滨至大连北京至石家庄线，石家庄至武汉线，天津至秦皇岛线、宁波-杭州线杭宁线。同时，1143公里的城际公路铁路线路将准备投入运营，其中包括连接北京的线路。去天津、成都到都江堰、上海到宁波、南昌到九江、广州到株洲，还有海南东环城际铁路。

到2012年底，高速铁路总长超过7500公里。将开始运作，使中国成为第一大国世界上最大的高速铁路里程[3]。从这个铁路网出发，京沪线单线桥梁跨度约1318公里全线1140公里占86.5%，采用整体式无碴轨道技术。这条线路的轨道床及其设计速度可以达到350公里/小时。京沪线是高速线之一。

除了兴建新线路外，中国还在修建枢纽站和将现有干线升级为提高运行速度线路，改善运行条件。双线铁路施工及电气化现有线路已投入使用，以满足要求。到2007年，正在修复现有非运行的高速线路运行速度超过200km/h，长度达到6003km，其中行驶速度超过250公里/小时的线路的长度是846公里。重建改造现有铁路线，使之成为高速高效的交通方式正在成为中国的专长之一。

1.2 高速铁路技术

1.2.1 磁道

具有高平滑度和稳定性的无压载轨道是主要用于中国的高速铁路。在早期缺乏先进的板坯制造技术，中国的工程师们首先选择借鉴国外成熟的技术，然后根据中国的具体情况发展起来。2004年，自主研发的板式轨道技术首次问世。

为了促进350km/h高速列车发展，中国进口来自德国公司的无碴跟踪技术，包括MaxBgl、RAIL.One、Züblin等等。MaxBgl轨道在京津城际线运用，上海高速铁RHEDA2000无碴轨道在武广客运专线使用。中国工程师将不同轨道分成若干类别，如来自日本的新干线轨道（Shinkansen）被标记为CRTSI，来自Max Bgl轨道作为平板CRTS II，来自Züblin的轨道作为双块CRTSⅡ，中国开发的新型轨道被称为CRTS III[4];2009年11月首次发布并成功应用于成都—都江堰城际铁路线。

1.2.2 列车控制系统

中国高速铁路的发展不仅仅在其高速，而且其高密度的运输与高速方便的完美结合。中国铁路根据具体情况，在CTCS系列控制系统又开发了CTCS-2，其中CTCS-2已得到应用。200-250公里/小时线路和300-300公里公里/小时线路采用CTCS-3350。CTCS-2通过应答器和轨道电路所传送的信息采取行动，CTCS-3通過无线传输的数据起作用。通过这两个系统，司机能够操作火车机车信号。

1.2.3 牽引供电系统

单相交流27.5kV/50Hz电源系统适用于中国的火车。对于高速列车，2×27.5kV/50Hz自动变压器更常用于距离大约50公里的变电站之间。第一条城际客运专线设计速度350km/h。提高受电弓-接触网受流质量，同时，提高了接触线的张力。尤指满足在350km/h的速度时，悬链线选择刚性悬链线。

2  高速列车系统动力学研究

中国迅速而又成功地发展高速铁路工业与高速列车研究和技术创新一样重要。良好的动力学研究对于列车高速高品质性能与安全运行，包括车辆设计等关键因素有很大影响，运营和维护解决方案，轨道网络的整合及耦合系统动力学影响列车系统的性能，如气流、受电弓-接触网和电源-电流收集系统。

随着速度的增加，两者之间的相互作用越来越大，火车和铁轨、悬链线和气流是明显增强。轨道上的不规则性产生高速列车的最大干扰。水平线轨道纵断面参数影响列车乘坐舒适性的重要因素。在高速列车中，气流不仅会产生空气阻力，对车辆性能也造成干扰，甚至当危及行车安全情况时失去控制。在受电弓-接触网系统，他们的行动受到车顶振动与周围气流扰动影响，受电弓和悬链线将不再自激。这由列车本身的动力学特性决定（包括受电弓），但也受轨道系统、气流和悬链线系统干扰影响。

基于轨道车辆的接触网-气流-机电系统的车辆受电弓耦合系统如图2所示。该系统包括会产生直接影响列车运行行为及其动力学特性的各种因素，如轨道、受电弓和悬链线、气流等，电源和信号系统[5]。

动力学研究贯穿于高速列车的设计、应用与维护。其首要任务是优化设计。动力学研究应该考虑列车运行中的各种边界条件，包括悬链线结构和参数、轨道结构以及参数、气流方向和速度。其核心目标是稳定性、乘坐舒适性、安全性和可靠性以及经济性（抗拖曳和再生制动）和环境友好（噪音）[6]。在实际工程建设中，主要任务是提高临界转速，同时减小振动，空气动阻力，并改善车轮和轨道之间两者之间的相互作用，以及受电弓和悬链线之间相互影响，这些目标正是高速动力学研究的目标[7]。

3  提出问题

近几年来，我国高铁技术迅猛发展，已经遥遥领先全世界。目前，我国高速列车运行速度已经提高到了世界轨道交通商业运营速度的空白区，随着高速列车的速度一点点的提高，我们面临的难题更是成倍增长，所以关于半主动悬挂系统列车提出问题。过去关于半主动悬挂系统的研究大多都集中在平稳性改善方面上，然而高速条件下不但要关注平稳性的改善，更应该首先关注半主动悬挂列车的稳定性问题。

4  结论

高速发展与进一步创新铁路将永远建立在坚实的理论研究基础之上。为此，作者致力于将传统的车辆系统动力学理论扩展到更高更完整的层次，包括轨道、受电弓-接触网、电源、气流等。

参考文献：

[1]林晓言，石中和，吴笛，等.高速铁路对城市人才吸引力的影响分析[J].北京交通大学学报：社会科学版，2015（14）：16.

[2]王哲.高铁产业上市公司中国专利申请统计与分[J].统计分析，2015（4）：46-48.

[3]陈泓旭，李焕.我国高速铁路建设面临的挑[J].交通企业管理，2010（9）：62-63.

[4]顿小红.从世界高速铁路发展看我国高速铁路建设[J].现代商贸工业，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.