高速铁路动车组简介

高速铁路动车组简介

(一)牵引动力及牵引方式比选

1、高速列车应采用电力牵引

内燃牵引和电力牵引两种牵引种类

列车速度从100km/h增加到300km/h时，运行阻力约增加5倍，此时牵引列车的总功率则为100km/h时的15倍电力牵引更适宜高速列车的牵引

内燃牵引是很难实现的

主要原因如下：

（1）目前我国功率最大的DF8内燃机车标称功率为2720kw，柴油-发电机组总重为30.87t，柴油机组平均每千瓦功率金属消耗量为11.35kg/kw。而电力机车以 SS3为例，机车功率为4320kw，主变压器重12.4t，平均每千瓦功率金属消耗量为 2.87kg/kw。因此牵引动力装置在轴重和轴数维持一样的条件下，电力牵引可实现更大的牵引功率。

（2）内燃牵引若实现高速牵引则必须提高柴油机功率，必然会增加柴油发电机组及辅助系统重量，最终会导致机车轴重或轴数增加。轴重的增加对高速列车的运行是极其有害的，它增大了轮对对钢轨的冲击力，易导致钢轨的折断，并增加了轨道线路的养护维修工作量和维修费用。若为了维持轴重不增加而增加轴数，如采用C0-C0式转向架或B0-B0-B0式转向架，或组合式机车，使转向架复杂，不利于机车的高

速运行。

（3）大功率柴油机的噪音及排放的废气对环境造成严重的污染，影响旅行的舒适度，同时由于机车燃料油的储备有限，列车不能长距离行驶，需换挂机车或在站上补充燃料及水，增加了列车辅助作业时间。

电力牵引由于牵引功率的增加，对列车的质量影响很小，易实现大功率牵引，所以高速列车最佳的牵引方式为电力牵引。

2、高速铁路宜采用动车组

目前我国铁路基本上采用机车牵引旅客列车的输送方式，机车和旅客列车分别整备，机车在车站联挂列车后出行,机车只在规定的交路范围内运行。这种运行方式有以下缺点：

（1）机车按规定交路行驶，中途须换挂机车，辅助作业时间延长，从而使旅行时间延长。而动车组本身在运行中不需更换牵引动力，有效地压缩了运行时间。

（2）列车出入始发（终到）站时通过车站咽喉区每开行一对旅客列车，则占用咽喉次数达6次，造成咽喉区能力紧张。若采用动车组，只用咽喉次数仅2次，极大的缓解了咽喉区的通过能力。

（3）采用动车组可以避免部分机车的单机走行以节省能源的消耗。

（4）列车在跨线运行时，有时会出现折角走行，采用动车组后则避免了因折角走行而摘挂机车的情况，节省了列车的站停时间。

（5）只有采用动车组，才有可能将部分牵引动力分散布置在客车的转向架上，才能进一步减少动力车的轴重。

综上所述，高速列车一般均采用具有牵引动力、固定编组的电动车组。

3、动力集中式和动力分散式动车组

动力集中和动力分散两种形式的动车组目前在发达国家均得到了广泛应用，使用情况良好。日本的高速列车以动力分散型居多，而西欧各国以动力集中型居主导地位。经分析两种列车的主要不同点如下：

（1）从列车车体受力状况分析，动力分散式车体受力情况好，可以使车体结构轻量化，进一步减少金属材料用量，有利于减轻轴重。而动力集中式车体则愈靠近动力车受力愈大，车体结构轻量化受强度的制约。

（2）高速列车运行时，列车的动力主要是克服空气阻力，运行阻力与速度呈抛物线关系增长，如列车速度从100km/h 增到300km/h时,运行阻力由3.3N/kN增到16.53N/kN，而单位牵引质量所耗功率由0.9kw/t增加到13.5kw/t，约扩大15倍，按牵引质量800t计，列车功率在不计剩余加速能力的条件下总功率应在13500kw以上，若采用动力集中式则牵引电

机功率在1700kw左右，如此大的牵引电机是很难在转向架上布置的，同时还需进一步增加轴重以提高粘着性能。动力过分集中，一旦动力装置出现故障，则列车将失去大部分动力而造成中途停车，请求救援，对列车运行十分不利。如果采用动力分散式，可增加动轴数量，不但能实现列车大功率牵引，而当某套动力装置出现故障时，可切除部分动力而不会影响列车运行。

（3）高速运行时，动力集中型列车的重量不能充分被利用转化为粘着力，动力车还需进一步增加轴重以提高粘着性能，而动力分散型列车的重量可充分转化为粘着力，由于牵引动力分散，列车的起动、加速、制动性能均优于动力集中型。

（4）动力分散型高速列车由于低轴重、低簧下重量，故减轻了车辆对线路的冲击，减轻了轮轨间产生的噪声，改善了环境，降低了线路的基建投资。与动力集中型高速列车比显示出动力分散型车的优越性。

（5）动力集中型的牵引动力装置均布置在动车上，维修保养点相对集中，与传统的维修作业相一致；而动力分散型列车的牵引动力装置分散在整个列车上，维修作业点多。

通过上述分析，我们认为当动车组编组数量较多且运行功率较大时，宜采用动力分散式动车组，当编组数量较少及速度相对较低的动车组（200km/h～250 km/h）也可采用动

力集中式车组。

(二)国内外动车组现状及发展趋势

1、国内动车组现状

我国首列电动车组“春城”

号于1999年5月在昆明世博

会期间投入商业运营。该车为

交直流电传动，采用微机控制技术，3M3T编组，总定员为602人。动车为B0—B0轴式，轴重小于18t，车组的持续功率为2160kw，持续速度75km/h，最高运用速度120km/h。

同年10月“大白鲨”号200km/h的电动车组投入商业运营，该车为1动6拖（1M6T）编组而成，总功率4000kw，总定员436人，在广深线上试验速度达223.2km/h。

这两种车组的特点仍然是采用传统的交-直传动方式，牵动电动机为直流电动机，速度较低，载客量较小。

与此同时，我国也注重了交-直-交电传动技术的研究应用。“中原之星”号动力分散型电动车组，设计速度为160km/h，总功率为3200kw，总定员为548人。

时速200km/h的“蓝箭”

号动力集中型电动车组于

2000年12月试验完成，该车

为1动6拖（Mc+5T+Tc）的

固定编组，总功率4800kw，

设计时速200km/h，最高试验速度达235.6km/h，总定员421人。

时速200km/h的动力分散

型“先锋”号电动车组也于

同期试制完成，该车为4动2

拖的固定编组形式，总功率

4800kw，设计时速200km/h，最高试验速度达240km/h，总定员424人。

应当指出的是设计时速270km/h的动力集中型“中华之星”号2动9拖电动车组

在秦沈客运专线的试运行，

使我国高速动车组最高速

度值接近国外高速动车组

的水平。该车设计总功率为9600kw，总定员为774人，最高试验速度达321.5km/h。该车采用了交直交传动技术、计算机网络控制技术等众多国际先进技术，体现了我国机车车辆制造技术的最高水平。

国内电动车组的主要技术性能指标详见国内电动车组主要技术参数表。

总之，交-直-交传动技术的动车组在我国铁路上已有几种样车在试运行，但编组车辆数较少，速度一般在200km/h 左右，载客量低，轴重大，可靠性有待提高，故仍不能适应

我国高速铁路的客运要求。

国内电动车组主要技术参数

2、国外高速动车组状况

国外高速动车组较发达的国家是欧洲的法国、德国、意大利和瑞典及亚洲的日本。这些国家的高速动车组有其各自的特点。

(1) 法国高速线上的电动车组为动力集中式。法国在1960年旅客列车的最高运行速度普遍提

高到160km/h，1975年特快列车的

最高速度达200km/h，70年代末又

创318km/h记录，1983年9月巴黎

东南新干线使用的TGV-A试验列

车试验速度达到515.3km/h，创造了轮轨粘着式交通工具速度的最高记录。

1990年大西洋新干线（巴黎－－勒芒、图尔）正式通车，采用TGV－A电动车组，最高运行速度为300km/h。

“欧洲之星”高速列车是法国TGV列车的派生系列，目前运行在伦敦至巴黎和布鲁塞尔之间、该车载客量794人、12根动轴，总功率12000kw，时速达300km/h，编组型式为2L18T，铰接式转向架。

(2) 德国是铁路客运速度提高较快的国家之一。1962年德国研制的“莱茵金子”号客车的构造速度已达160km/h，1974年ET403型电动车组的最高运行速度为160km/h，1977年提高到200km/h。1985年制造出ICE型高速列车。

由5辆车组成的ICE列车于1985年交付试验。头车和尾车为动车，各长20.8m，自重78.2t，采用三相交流牵引装置，每辆动车的功率为4200kw。中间3辆拖车的长度均为24.34m。

德国的ICE第一代列车(ICE1)

于1988年就跑出了400km/h的速

度，列车编组为2 辆动力头车牵引

10--14节客车不等。该列车的设计

把乘客的舒适度

放在首位，由于德国铁路穿越隧道较多，故对列车的密封性设计也仿效日本新干线列车进行设计，为欧洲第一代气密性列车,随后改进制成ICE第二代(ICE2)和ICE第三代(ICE3)产品。

由于ICE3要在莱茵-科隆

间线路上运行，该线路设计坡度为

40‰、并以300km/h运行，为了有

足够的粘着力，故该车采用动力分

散型。

(3)日本的高速列车以动力分散为主、大编组、高功率、小轴重。由于日本人口比欧洲国家多、城市密集、又以输送上下班的员工为主，故每列车中一等座席占比例数相对欧洲国家来说较低。

日本东海道新干线从1964年投入运营以来，至今已40多年了，高速列车从东海道新干线的0系，发展了100系、200系、300系、400系、500系、700系、El系(MAX)、E2系、E3等。

300系电动车组，其构造速度为300km/h，为交流传动，采用了再生制动，车辆采用铝合金密封式车体。

新干线里最受关注的车辆，

是运营速度最快，体现出九十年代

高科技水准的500系电动车组。生

产于1995-1998年，16辆编组，最

高运行时速为300公里。500系的

车头流线型可谓十足，弯曲部分长达9米多。远远看过去，500系就象一条细长的蛇。所有新干线车辆中，流线型最好的就数500系了。

700系名为铁路之星

Rail Star,这是日本最新也是最先

进的一款电动车组。正式投入运行

是在1999年3月11日。700系C sets

模式每组车有16节车厢，E sets模式有8节车厢。最高运营时速为285km/h。由于车体采用了中空铝型材，700系重仅708吨。车的编组方式为12动4拖，功率13200kw。700系全长约400米，共载1323名乘客。700系的车体是用铝合金压制成的中空外壳，内部填充的是吸音，防震的复合材料。

E1型是日本MAX新干线中的一种，为12辆编组，最高时速240Km/h。1999年12月后，东北新干线上的E1换成了E4系。

E2型为8辆编组，1997年投入运营。最高时速为275km/h。

E3型建造于1995年，编组方式为6辆（R系）和7辆（L50系）。R系车在东北新干线上时速

为275km/h。而L50系在东北线上

时速为240km/h。在东京和盛冈之

间运行时，E3和E2拼结成的一组

车速度达到了275km/h，成为E3的

纪录时速。

下表对国外高速列车主要技术性能参数进行列表比较。

上述国家，高速铁路运营年代较久，动车组种类也较多，列车性能稳定可靠，是我国在现阶段所无法相比的。

国外高速列车技术参数比较表

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注：L—机车 M—动车 T—拖车

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（4）对引进国外高速动车组的几点意见

前面已对国内外高速动车组的制造及发展情况做了简单介绍。我国高速动车组的制造还刚刚起步，还未确定出一个技术性能较好的车型，无论从质量上、技术性能上，还是从数量上都无法满足高速铁路线或客运专线的运营需求。我们认为高速动车组应该采用先进、成熟、经济、适用、可靠的技术，立足高起点、高标准，把技术引进与自主创新结合起来，系统地引进发达国家机车车辆的关键技术，与国外机车车辆生产厂家进行技术合作、消化吸收和系统合成，加快走出一条中国化高速列车的路子，使我国机车车辆制造业创造出中国铁路的“奥迪”、“别克”和“桑塔纳”，实现机车车辆技术装备现代化和国产化。

日本，法国、德国三个国家是目前高速铁路较发达的国家，但是各国的车型不同，既然要引进，就应选择适合于我国的高速动车组、我们建议从以下几方面来比较：

①对速度、密度及运量的要求

对高速铁路来说，要求列车有较高的营业速度，这样才能与航空业和高速公路进行竞争，日本300系列速度为270km/h，500系平均速度已达268.6km/h。日本4条高速铁路线每天开行640列,平均4-5min发一列车。更重要的是日本的高速列车载客量大，这一点更接近我国的实际情况。

②对环境的影响

对环境污染小也是日本高速列车的特点之一。在距外轨25m及高出地面1.2m处测试，日本高速列车的噪音在75dB 以内，而法国和德国的高速列车分别在84dB和87dB之内。

③列车定员多、技术经济指标高

由于日本列车采用了动分散式、机电设备实现了小型化和轻型化、全部动力设备均布置在车的地板下面、所有车辆均载客、故大幅度的提高了定员。

日本、法国、德国列车载客量比较表

日本、法国、德国列车经济指标比较表

从上表可以看出，日本高速列车载客量大，载重率大、人均占有输出功率低，节能效果好。

④轴重及簧下重量低

轴重轻是日本高速列车的一个重要特点，这是由于采用动力分散式列车，机电设备小型化，轻型化的结果。以日本300系为例，轴重为11.3t，而TGV-A和ICE列车则分别在17t和19.5t左右。轴重轻、减轻了对线路的冲击，减轻了冲击钢轨时产生的噪音，降低了对线下工程的投资及以后的养护维修费用。由于采用了空心车轴等一系列技术措施，簧下重量已降到17t，这对提高列车运行速度及舒适度起了关键的作用。

⑤起动加速度

日本国土狭小，人口多，城市密集，站间距离短，列车起动、制动及加速频繁，故列车的起动、加速性能一定要优异。由于采用了动力分散式的牵引方式，驱动轴多，粘着性能好，

易于实现高速运转,惰行情况下粘着系数7.7%不发生空转，而TGV和ICE分别为15.9%和26.6%。以300系为例，每吨牵引质量的起动加速力可达0.5kN，由起动加速到250km/h仅需215秒，需走行9.6km。而法国的TGV-A每吨起动加速力为0.44kN，由起动加速到250km/h，需274秒，需走行11.8km。而德国ICE 每吨起动加速牵引力为0.36kN，由起动加速到250km/h需400秒，需走行20km。从起动加速度分析可见，动力分散式的高速列车更适合于我国京广、京沪、西安～郑州等高速或客专线的运营。

⑥制动方式的比较

由于日本高速列车采用动力分散的牵引方式，能够充分利用电力再生制动，使再生电力回送电网，节约能源。如300系每定员消耗能源仅为408kw.h/人，而TGV却为758.8kw.h/人。日本300系和法国TGV-A列车制动方式不同，承担制动率的分配比例也不同。日本300系的电力再生制动和拖车盘形涡流制动占整个列车制动力的97%，机械制动（盘形摩擦制动）仅占3%,而法国的TGV—A的动车发电电阻制动仅占20%-30%,拖车机械制动（盘形摩擦制动）却占了70%-80%。日本300系所需承担的机械制动力低，机械制动盘及制动闸片数量少、机械磨耗低、检修维护工作量少、维修费也少。

⑦列车编组自由、灵活，运用方便

日本高速列车采用动力分散的牵引方式，列车编组能以车

组的单元倍数编组，编组性能不变。一般都为6辆、8辆、12辆、16辆编组，其编组自由、灵活。

综上所述，在引进高速动车组时，应采用日本模式的高速

动车组，对其功率要求、速度要求、编挂方式及辆数，定员人数，轴重要求，驱动方式及制动方式均应按我国的线路特征给

予约定，以满足我国的运营要求。

（三）对动车组牵引性能的预测

1、定员及编组辆数

对城际间行车距离在数百或上千公里以上的高速旅客列车来说宜采用大编组，对行车距离在数百公里或客流密度极大区段宜采用小编组。

根据“京沪高速铁路设计暂行规定”，长编组定员可按1000～1200人/列，短编组定员可按500～600人/列计算的规定，若平均每辆车载客量80人计，长编组每列约为12～16辆/列，短编组为6～8辆/列。

2、列车运行速度

如果我国铁路要实现2000km范围内的朝发夕至，1000km 范围内的朝发夕归，则高速列车的最大行车速度以300km/h较合适，平均时速可在200km/h以上；在高密度行车区段或500km 以下的城际间的高速列车速度以250km/h为优。

速度过高，由于空气动力学的原因，高速行驶的列车在区间会车时会产生较大的空气压力波，造成线间距增大，隧道面积加

大而增加工程投资，同时列车的外形又必须是严格的流线型车体，还须进一步提高列车的气密性，给列车的设计和制造带来一系列的技术上的困难，同时牵引耗能也增加。综上所述,我国高速铁路把最高速度暂限定在300～350km/h是较合适的。

3、列车的牵引质量

目前包括载客重量后整列车平均轴重一般不超过15t，而当采用铝合金车体时，轴重普遍在13t以下，只有日本一个国家平均轴重在11t左右。西欧各国由于采用动力集中式动车组,动力车的轴重普遍在17t～19.5t左右，整列车最大载客量时的平均轴重大多在13t左右，最大不超过15t。

综上所述，为了方便推算列车功率，列车轴重暂按12-15t 计。

4、对列车牵引特性的预测

（1）列车的牵引力

高速列车的功率必须满足在最大设计行车速度条件下所需要的牵引力，并且还须具有一定的加速性能。根据我国有关部门的研究推荐应保证具有0.05m/s2的剩余加速度，因此列车的牵引力应满足下列公式:

F≥P·ω0′·g·10-3+P·a(1+γ) kN

式中：F：列车在最大运行速度下的牵引力kN

P：列车牵引质量t

ω0′：列车在最大运行速度下的运行阻力N /kN