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從世界范圍來看，高速鐵路及高速動(dòng)車組發(fā)展大致可以分為3個(gè)歷史時(shí)期，分別是初步運(yùn)營(yíng)期、線路平臺(tái)擴(kuò)展期和快速發(fā)展期。中國(guó)高速動(dòng)車組技術(shù)發(fā)展歷經(jīng)自主探索、引進(jìn)消化吸收再創(chuàng)新和全面自主創(chuàng)新3個(gè)階段，目前動(dòng)車組產(chǎn)品覆蓋時(shí)速250km、300km、350km及以上速度級(jí)，能夠適應(yīng)不同線路、不同環(huán)境條件和不同運(yùn)輸需求。

近期，《高速動(dòng)車組技術(shù)發(fā)展特點(diǎn)及趨勢(shì)》中指出，實(shí)現(xiàn)高鐵動(dòng)車組的高速安全運(yùn)行，需克服輪軌關(guān)系、弓網(wǎng)關(guān)系、減阻降噪等一系列技術(shù)難題，不斷探索新技術(shù)解決方案和先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用，提高車體輕量化、更多運(yùn)用復(fù)合材料、提升動(dòng)車組綜合技術(shù)性能。文章系統(tǒng)梳理了世界高速列車的發(fā)展歷程，分析了高鐵動(dòng)車組提升綜合技術(shù)性能的方式方法，總結(jié)了改善舒適性與降低壽命周期成本的具體措施。加快智能高鐵科技攻關(guān)，將物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、復(fù)合材料等新技術(shù)應(yīng)用在高鐵各專業(yè)領(lǐng)域，打造更加安全可靠、經(jīng)濟(jì)高效、溫馨舒適、方便快捷、節(jié)能環(huán)保的智能高鐵系統(tǒng)將成為中國(guó)高鐵乃至世界高鐵發(fā)展的未來趨勢(shì)。

提升車體輕量化

高速鐵路是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，作為移動(dòng)裝備的高速動(dòng)車組，它與固定基礎(chǔ)設(shè)施包括接觸網(wǎng)、軌道以及周邊的空氣都形成了耦合關(guān)系。從某種意義上看，這種關(guān)系甚至比公路車輛、飛機(jī)、船舶等其他交通系統(tǒng)都更加復(fù)雜。要進(jìn)一步提升高速動(dòng)車組的綜合性能，必須要處理好這幾個(gè)耦合關(guān)系，除此之外，還要解決好牽引和制動(dòng)控制技術(shù)，提高牽引和制動(dòng)性能，同時(shí)進(jìn)一步提升行車安全監(jiān)測(cè)水平等。

輕量化設(shè)計(jì)：通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化并引入新型高強(qiáng)度復(fù)合材料，減輕構(gòu)架質(zhì)量，降低簧下質(zhì)量。通過有限元分析，對(duì)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架進(jìn)行靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度評(píng)估以及模態(tài)計(jì)算，對(duì)轉(zhuǎn)向架進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，部分零部件合理地采用了輕型高強(qiáng)度復(fù)合材料。

復(fù)合材料制造的動(dòng)車轉(zhuǎn)向架  

復(fù)合材料制造的拖車轉(zhuǎn)向架

在牽引系統(tǒng)輕量化設(shè)計(jì)方面，整車功重比約為20.7 kW·t–1，牽引系統(tǒng)效率在0.85以上。牽引系統(tǒng)主要組成部件功率密度顯著超過相同速度等級(jí)的“和諧號(hào)”動(dòng)車組，其中，①牽引/輔助變流器功率密度高達(dá)0.82 kV·A·kg–1，CRH380A功率密度為0.43 kV·A·kg–1，CRH380B功率密度為0.63 kV·A·kg–1；②牽引變壓器功率密度為0.99 kV·A·kg–1，功率密度高于CRH3C的0.91 kV·A·kg–1；③牽引電機(jī)功率密度為0.909 kV·A·kg–1，功率密度高于CRH380B的0.78 kV·A·kg–1。

解決氣動(dòng)減阻和車體輕量化問題

氣動(dòng)阻力是車輛運(yùn)行阻力的重要組成，降低氣動(dòng)阻力成為高速列車減阻的關(guān)鍵因素。CR400AF/BF復(fù)興號(hào)動(dòng)車組在頭型設(shè)計(jì)、車體斷面輪廓、車體重量、轉(zhuǎn)向架區(qū)域和受電弓區(qū)域等影響列車運(yùn)行阻力和能耗的主要因素方面開展了大量研究和試驗(yàn)。動(dòng)車組降低運(yùn)行阻力措施如圖所示。

動(dòng)車組降低運(yùn)行阻力

（1）頭型優(yōu)化。采用流固耦合技術(shù)及阻力、升力、運(yùn)行安全性與平穩(wěn)性、氣動(dòng)噪聲等多個(gè)性能指標(biāo)的耦合關(guān)系分析技術(shù)，設(shè)計(jì)流線型車頭，通過使用復(fù)合材料零部件、增加長(zhǎng)細(xì)比例等，改善綜合氣動(dòng)性能。

（2）表面平順化。對(duì)車頂空調(diào)裝置進(jìn)行平順處理，優(yōu)化車間風(fēng)擋連接，優(yōu)化改進(jìn)轉(zhuǎn)向架區(qū)域氣動(dòng)外形、優(yōu)化材料使用復(fù)合材料等。

（3）流動(dòng)控制。通過擾流和溝槽等流動(dòng)控制技術(shù)，修正優(yōu)化動(dòng)車組表面流場(chǎng)，減少氣動(dòng)阻力，減少受電弓流場(chǎng)對(duì)受電弓動(dòng)態(tài)性能的影響及空氣阻力。

（4）車體輕量化。為避免車體輕量化影響車體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、氣密強(qiáng)度等車輛性能，依據(jù)等強(qiáng)度設(shè)計(jì)理念對(duì)車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使用更多復(fù)合材料零部件，依靠仿真計(jì)算，均衡設(shè)計(jì)各個(gè)部件的載荷率。

（5）在建立典型高速動(dòng)車組模型和軌道、隧道等環(huán)境模型基礎(chǔ)上，仿真分析動(dòng)車組以不同速度等級(jí)在明線運(yùn)行、明線交會(huì)、隧道通過等不同工況下的空氣流場(chǎng)分布規(guī)律。采用仿真分析、風(fēng)洞試驗(yàn)、動(dòng)模型試驗(yàn)相結(jié)合的分析驗(yàn)證方法，系統(tǒng)研究動(dòng)車組不同外形的空氣動(dòng)力學(xué)與氣動(dòng)噪聲性能。

（6）車體輕量化主要采取復(fù)合材料替代傳統(tǒng)材料和結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)合的方式。復(fù)興號(hào)動(dòng)車組在保證車體強(qiáng)度和剛度的基礎(chǔ)上，對(duì)生產(chǎn)工藝進(jìn)行優(yōu)化改善，比如玻纖增強(qiáng)材料，碳纖維材料等，制造承載結(jié)構(gòu)零部件，有效降低了殘余應(yīng)力及焊接變形，提升焊接效率。車頭和車體結(jié)構(gòu)如圖所示。

頭車車體結(jié)構(gòu)

有受電弓中間車車體結(jié)構(gòu)

通過氣動(dòng)減阻和車體輕量化設(shè)計(jì)，CR400動(dòng)車組運(yùn)行阻力顯著降低。CR400AF在350 km·h–1時(shí)總阻力比CRH380A降低12.3%，CR400BF比CRH380B降低7.5%。

國(guó)內(nèi)外高速鐵路均著力加強(qiáng)列車空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)及研發(fā)。日本高速動(dòng)車組在頭部形狀設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)空氣阻力動(dòng)車組降低運(yùn)行阻力。和氣動(dòng)噪聲、隧道微氣壓波等內(nèi)容進(jìn)行深化研究，從0系到500系，高速動(dòng)車組頭部逐漸長(zhǎng)型化。為降低微氣壓波，700系和E4系還開發(fā)了獨(dú)特的頭車形狀。日本自N700系開始以仿生學(xué)外形設(shè)計(jì)作為高速列車空氣動(dòng)力學(xué)外形設(shè)計(jì)的理念，其中N700A和N700S采用經(jīng)過三維仿真優(yōu)化的“雙翼背鰭流線頭型”，可降低駛?cè)胨淼罆r(shí)的氣動(dòng)力噪聲，車體平滑化和形狀優(yōu)化可降低運(yùn)行阻力，歷經(jīng)N700系、E5系、E6系和E7系等車型的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)趨于成熟。

為了提高列車運(yùn)行速度，各國(guó)高速列車十分注重輕量化設(shè)計(jì)。在車體輕量化方面，采用雙殼層結(jié)構(gòu)和模塊化與集成化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用新型復(fù)合材料。這種結(jié)構(gòu)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于日本的700系、N700系、E6系等主力車型上；德國(guó)ICE新型列車上也采用雙殼層結(jié)構(gòu)；意大利ETR1000型高速列車車體外殼以及內(nèi)部裝飾大量采用可回收利用的復(fù)合材料，一方面可以實(shí)現(xiàn)車體輕量化，另一方面可以實(shí)現(xiàn)再生和再利用。