第三节 引进消化吸收再创新的高速动车组技术
CRH380型新一代高速动车组是技术引进和消化吸收再创新的结果，结合京津、武广、郑西等线路试验、运用数据和经验，依托国家科技支撑计划，充分利用国内产学研用优势资源，系统研究了轮轨关系、流固耦合关系、弓网关系等关键技术，在确保运营速度、舒适性、环保节能及安全可靠性等技术指标领先世界的前提下，实现了车体头型、气密强度、转向架、减振降噪、牵引、弓网受流、制动、旅客界面等方面的再创新。型式试验结果显示，CRH380型新一代高速动车组的牵引、制动、动力学、弓网受流、电磁兼容性、噪声、空气动力学等性能主要技术指标达到设计要求。
一、空气动力学性能及流线型头型
新一代高速列车设计持续运行时速达到350km，CRH380AL、CRH380BL型动车组采用多体连接的长大编组结构（16辆车，长度达400m），高速运行时与地面、桥梁、隧道以及邻线列车相互激扰，气动环境极其复杂，空气动力效应随着速度的提高而急剧增加，必须有效降低气动阻力、控制气动噪声、抑制气动升力、缓解交会压力波和微气压波效应，确保高速列车运行安全性、乘坐舒适性和节能环保性。
CRH380AL动车组在CRH2C动车组基础上，通过优化头型设计和改进车体断面形状提升了动车组的空气动力学性能，通过改进车体结构提高了动车组车体强度、刚度以及气密强度。与CRH2C动车组相比，在头型优化方面，CRH380AL动车组主要采用了增加车头长细比、调整截面积变化率、头部造型平顺化等措施；在车体断面优化方面，CRH380AL动车组主要加大了侧顶圆角半径；在车体结构改进方面，CRH380AL动车组主要采取底架地板改为双层型材、侧顶断面和型材断面优化、司机室外板加厚和加阻尼浆、气密隔墙和端墙改为双层等措施。
CRH380BL动车组在CRH3C动车组基础上，改变了编组和长度，并对转向架裙板、车体断面形状、受电弓导流罩、车顶空调机组导流罩等进行了优化设计。
试验结果显示，CRH380动车组的空气动力学外形适应持续高速运行、阻力低，最大限度降低了空气阻力与气动噪声，列车气动性能更为优越。
二、气密强度与气密性技术
列车高速会车时，车体外表面空气压力幅值随交会速度提高而显著增大，特别是隧道内高速会车将产生更大的空气压力幅值，车体承受着较大的气动载荷，同时也会引起车内较大的压力变化。因此在轻量化设计目标下，必须使车体具有足够的气密强度和良好的气密性，保证车体结构的疲劳可靠性和乘坐舒适性。
相关试验测试表明，列车在隧道内以时速350km交会时，车体承受的气动载荷变化范围接近±6000Pa，3秒内车内空气压力变化最大值为1064Pa。为满足京沪高速铁路运营需求，CRH380A动车组进行了车体结构全新设计，优化了车体断面和型材以及门窗结构，降低了局部应力集中，并优化了车内压力控制方式，从而提高了整体气密强度，使CRH380A动车组车体气密强度从±4000Pa提高到±6000Pa；同时，提高了动车组的气密性，在车内外压差达到5441Pa的隧道交会过程中，3秒内车内空气压力变化最大值为962Pa，有效改善了乘坐（气动）舒适性。
通过气密强度和气密性能的创新设计，在保持轻量化优势的基础上首次实现了时速350km等速度隧道交会（相对速度700km/h）过程中具有良好的气动舒适性，达到世界领先水平。
三、高速转向架技术
与CRH2动车组相比，CRH380A/AL动车组转向架进行了全面技术提升，具体表现为：为适应动车组减振降噪和综合舒适性提升需求，轴重由14t提高到15t；采用合金钢车轴，显著降低簧下质量，提高动力学综合性能，且实现了轮对装置的国产化制造；采用轻量化驱动齿轮箱并优化传动比参数；采用低刚度空气弹簧并装设抗侧滚扭杆，优化悬挂参数，在改善乘坐舒适度的同时满足侧风安全性要求；设置转向架安全监测报警装置，对转向架的运行状态进行检测，抗蛇行减振器由原来的2个增加为4个，增加安全冗余。通过以上技术再创新，转向架临界速度提高到550km/h以上，线路测试表明动车组的运行安全性指标具有足够的安全裕量；同时，乘坐舒适度改善了30％到50％，使350km/h速度条件下的舒适度指标远优于时速250km动车组的水平；转向架构架动应力降低了30％，疲劳寿命提高了2倍，可以确保转向架构架在30年全寿命周期内的安全可靠性；车轮每10万km平均磨耗降低24％，保证了长期高速运行条件下的稳定性。
CRH380BL采用CW400型高速转向架，以提高运行稳定性和减少磨耗为目标，进行高速列车轮轨匹配优化，确定了时速350km以上高速动车组轮轨关系模型，转向架设计时速达到500km，临界失稳时速达到600km以上，是目前世界上投入商业运营速度最高的高速转向架。
四、减振降噪技术
随着速度的提升，轮轨噪声、气动噪声和受电弓噪声等急剧增强，车外各部位近场噪声是以上三种噪声综合作用的结果。
根据各典型噪声源频谱特性、振动和噪声传播规律，针对不同噪声源、不同车体断面采取不同的减振降噪措施，在噪声源控制、声振耦合优化、新材料、新结构等方面进行了减振降噪设计，有效降低了噪声源强度，控制了车内噪声水平，保证了乘坐舒适度，减少了对环境的影响。
在保证车体轻量化的前提下，CRH380BL型动车组与CRH3C动车组相比，车体振动模态的一阶垂向弯曲频率达到16.8Hz，提高了10％；地板一阶固有频率达到40.5Hz，提高了22％；端墙一阶固有频率达到48.2Hz，提高了21％。
通过科学有效的减振降噪措施和大量的地面试验和线路试验，建立了各典型噪声源频谱特性曲线，掌握了振动和噪声在车体不同部位的传播规律，确定了减振降噪设计的基本原则，为减振降噪创新设计提供了理论支撑。
五、牵引技术
新一代高速列车最高时速达到380km，动力需求大幅提高，在重量和体积受到严格控制的情况下，需要显著提升牵引设备容量，合理匹配系统参数，提高部件可靠性。
结合其他高速铁路线路跟踪运行实测数据，重点从列车牵引性能、运行阻力、设备通风、温升、结构强度等方面进行了系统分析和计算，提出了牵引控制特性及牵引变压器、牵引变流器及牵引电机容量提升方案。通过优化牵引部件结构，提高器件性能，改善材料特性，提高通风冷却能力，降低单位功率损耗，优化控制参数，在设备的重量和体积基本保持不变的情况下，CRH380动车组牵引变压器、牵引变流器及牵引电机的容量提高了30％以上；通过优化分布控制，实现各单元相位匹配，有效控制了对电网的谐波影响；通过优化系统参数和牵引控制特性，提高了列车启动加速和高速运行能力；通过有限元分析采用合理的吊挂轴焊接结构，解决了安装强度的问题。
最终，CRH380高速动车组的牵引变压器实现了冷却装置、温度传感器、油流继电器等部件的国产化，变压器设计上采用了木质结构件、三风机冷却装置等一系列创新技术。
通过在正线进行的长距离、满负载、持续高速运行考核，结果表明，CRH380系列动车组牵引子系统及部件性能可靠，容量及参数匹配合理，满足以时速380km长距离持续高速可靠运行需要，实现了良好的启动加速和高速运行能力，节能效果明显。
六、制动技术
高速列车时速达到380km时，整个列车的动能将达到5000MJ。在安全平稳停车的前提下，有效回收能量，降低机械磨耗，是对制动子系统提出的更高要求。
通过系统研究其他高速铁路线路试验情况和跟踪数据，确定了制动装置提升方案。制动装置采用电空复合制动、电制动优先的控制方式。通过优化制动装置的控制，提高了制动控制精度，提升了基础制动能力和牵引装置的再生制动能力。
通过开展复杂的多工况地面试验和线路综合试验，结果表明，CRH380AL型动车组在初速380km/h条件下，紧急制动距离小于7500m，满足了安全平稳停车的需要；最大再生制动功率达到30000kW以上，列车可提供最大再生制动功率是牵引功率的1.5倍；每实施一次380km/h快速制动停车，有近3000MJ的能量回馈到电网，并有效减少制动盘和闸片磨耗，实现节能环保，降低运行成本。
七、弓网受流技术
16辆编组的CRH380AL、CRH380BL型高速列车采用双弓受流，最高运行时速达380km。随着速度的提高，受电弓受气流扰动的影响增大、弓头振动和接触网波动加剧，严重影响受电弓特别是后弓的受流稳定性。实现高速气流扰动情况下的双弓稳定受流并减少弓网磨耗，是新一代高速列车的关键技术问题之一。
通过仿真计算和对已有高速试验数据的系统分析，研究了京沪高速铁路接触网悬挂结构方式和弓网动态波动特性，对采用弹性链型悬挂结构的接触网确定了关键参数；对高速受电弓进行了结构参数优化，完成了静态压力、零部件可靠性、空气动力学性能、振动冲击、电气性能、磨耗性能等试验。通过多种间距双弓受流仿真分析比较，确定了合理的受电弓参数和弓间距；进行了单弓、双弓线路性能试验，结合不同接触网悬挂形式和悬挂张力，通过不同速度等级的接触压力、离线率等线路测试和参数调整，实现了弓网合理匹配，保证了高速运行时的受流稳定性，降低了弓网的磨耗。
CRH380系列动车组首次采用了新型有源主动控制高速受电弓，接触网首次采用铜铬锆三元合金高强高导导线，导线张力最高达到40kN，首次实现时速380km等级双弓稳定受流。线路试验结果表明，弓网平均接触力稳定，离线火花较小，实现了弓网关系的良好匹配，保证了高速运行时的受流稳定性。
八、智能化列车监测技术
为实现高速列车的大规模高效运用和全生命周期能力保持，CRH380系列动车组采用了数字技术、信息技术和传感技术等，实现高速列车运行状态信息与地面数据中心实时交换；采用列车状态可视化管理、列车运行状态综合检测和自动诊断技术，实现了异常状况的及时预警；建立高速列车运行状态数据库，实现了对列车和部件的安全评估与可靠性预测。
对高速列车的设备状态和维修信息进行动态管理，制定出整车和部件的维修周期，提出有针对性的维护和维修方案，并根据维修信息对车辆状态作出评估，对现车状况进行跟踪管理，提高车辆使用效率。
京沪高速铁路建设是一项史无前例的伟大工程。这项工程以其在中国铁路建设史上从未有的投资规模和在世界铁路建设史上从未有的巨大工程量而引起国内外广泛关注，也以其科技含量之高、博采世界高铁之长、系统集成锐意创新的鲜明特点而著称，是目前世界上一次建设标准最高、线路最长的高速铁路。
京沪高速铁路的建设，不仅极大地促进了铁路工程建设、动车组制造和运输组织的全面创新和进步，还带动了大批相关产业的发展，对加快中国铁路现代化进程、实施可持续发展战略、降低社会成本、助推经济发展、提高综合国力、实现我国全面建设小康社会目标等，都具有重要的现实意义和深远的历史意义。