高速列车创新之路

CRH2型高速动车组经过黄鹤楼。

高速铁路是一个大的系统，包括高速铁路轨道系统、高速动车组系统、信号系统、供电系统和调度系统。在这其中最受关注的是高速动车组，一个方面因为大家与高速动车组接触更多，毕竟大家对高铁的大多数认识都是通过乘坐高速动车组体验的；另外一方面高速动车组的技术含量相对也更高，2004年以来中国高速铁路技术的引进消化吸收再创新之路，最核心的就是引进国外的高速动车组研发制造技术。除了上面两个原因之外，还有一个原因，那就是动车组拥有众多型号，拥有不同的风格体系，还拥有众多流传于民间的故事。

中国生产动车组的厂家共有四家，第一家是青岛的四方股份公司，第二家是长春的长客股份公司，第三家是唐山的唐山客车公司，第四家是青岛的四方庞巴迪公司。其中四方庞巴迪是一家中外合资公司，类似于汽车领域的一汽大众、上海大众，技术都是由外方导入的，所以谈不上什么技术创新能力。另外三家则是中国企业，大致走过了从技术引进到消化吸收，到再创新，再到全面创新的路径，所以我们谈高速列车创新之路也主要谈它们三家。

截至目前，中国高速列车大致经历了三代。第一代就是引进消化吸收时代，代表性车型主要包括CRH1型、CRH2型系列、CRH3型、CRH5型等高速列车。我们前面已经介绍过了，2004年中国高铁技术引进过程中，在第一轮招标中，西门子因为要价太高，所以出局了，颗粒无收。四方股份公司、长客股份公司分别从日本大联合和阿尔斯通手里引进了时速200-250公里级别的动车组技术，也就是后来的CRH2A型动车组与CRH5A型动车组，被用于2007年4月18日的中国铁路第六次大提速。中国高铁的版图显然不会局限于250公里时速，时速300—350公里才是中国想要的。于是2005年夏天中国又进行了高速列车的第二轮招标。这时西门子拿出了自己时速320公里的高速动车组平台，与唐山客车公司组成了联合体，一举拿下了60列时速300—350公里动车组订单，这就是后来的CRH3C型动车组。唐山公司当时是作为中国北车的代表企业，他们的主要竞争对手中国南车当然也不能没有时速300公里的动车组产品。但是当时的南车四方股份公司不愿意再继续引进时速300公里的动车组平台，因为如果再次引进，很容易就会坠入“引进—落后—再引进—再落后”的怪圈中，他们决定在CRH2A的平台基础上，在日本川崎重工的技术支持下，自主研制时速300—350公里的动车组技术。所以，在这次招标中，南车四方股份公司也拿下了60列时速300—350公里动车组订单。不过，这次投标的主体已经换成了南车四方股份公司，而不再是南车四方与日本企业的联合体。

在这个过程中，中国南车方面承担了巨大的风险。大家都知道，在时速300公里以上动车组市场竞争中，基于西门子Velaro平台的CRH3C型动车组实力雄厚，如果南车四方在时速300公里动车组研发中不成功，就有可能丢掉时速300公里以上动车组市场，这显然是一个企业所不能承受之重。当然南车四方心里也有底，为什么？第一，南车四方引进的日本东北新干线缩水版的E2-1000型动车组，虽然设计时速是250公里，但是原版的E2-1000型动车组设计时速可是275公里的，所以第一步先由缩水版E2-1000型动车组恢复到原版E2-1000型动车组水准，然后再在这个平台上向上突破，打造时速300公里动车组，这条研发路径还是清晰的；第二，毕竟还有日方川崎重工的技术支持，尽管支持非常有限，由缩水版E2-1000型动车组（也就是CRH2A）向上突破达到原版E2-1000动车组水准能够获得川崎重工的支持，但是再向上突破时速300公里，就只能靠自己了；第三，有铁道部的大力支持，这还用说吗？订单都给你了，还有比这更大力度的支持吗？

所以在国产化CRH2A的同时，南车四方股份公司就展开了时速300公里动车组的研发，他们把这个叫两条腿走路。2007年12月22日，中国首列国产化时速300公里动车组下线，也就是CRH2C型动车组。CRH2C在CRH2A的基础上增加了两节动力车，由4动4拖，改为6动2拖，将牵引功率由4800千瓦，增加到7200千瓦。这批车辆又被称为CRH2C一阶段，共生产了30列。2008年4月24日，CRH2C（一阶段）开始在京津城际高铁上进行高速测试，其最高时速达到370公里，打破了当年“中华之星”创造的321.5公里时速纪录，同年6月底，该纪录被CRH3C打破，纪录是时速394.3公里。

2008年8月1日起，CRH2C型动车组正式投入京津城际铁路运营，运营时速350公里。实话说，由CRH2C一阶段担当时速350公里班次运营是有些吃力的。在一次谈话中，一位高级技术人员（也是管理人员）曾经谈起那段往事，他说当时刘志军问他，用CRH2C担当时速350公里京津城际运营，有没有问题。他回答说，短期内没有问题，时间长了可能会有问题。刘志军说，我给你一年的时间，不能出任何问题。2009年4月份，在西门Velaro平台上研发的CRH3C型动车组产能释放开始大批量在京津城际投入运营，CRH2C（一阶段）开始逐步退出京津城际高铁，并逐渐转战武广高铁、郑西高铁、沪宁城际等。2010年1月，CRH2C型动车组在郑西高铁上创造了时速393公里速度纪录。

CRH2C一阶段又称CRH2C-300，设计时速300公里，最高运营时速350公里，所以按照最高上限时速350公里运营时候，会有些吃力，如由于车体气密强度只有±4000帕，所以动车组在过隧道时，乘客耳压很大，会导致耳朵比较难受。于是，南车四方又在CRH2C一阶段的基础上，进行了再创新，将列车的牵引动力由7200千瓦提高到8760千瓦，在列车车体的铝合金结构方面进行了重新设计、全面创新，将车体气密强度由±4000帕提升到±6000帕，对转向架的二系悬挂也进行改进，加装了一个抗蛇行减震器，以解决CRH2C一阶段所存在的垂向和横向振动问题。重新设计的CRH2C被称为CRH2C二阶段，又被称为CRH2C-350，设计时速350公里，最高运行速度380公里。CRH2C二阶段也生产了30列，2010年2月开始在郑西高铁投入运营。

应该说在中国高速动车组第一代车型中，自主能力最强的就是CRH2型车系列。CRH1型车作为中外合资公司四方庞巴迪的产物，技术完全由庞巴迪方主导并导入，CRH5A与CRH3C因为经历了二次引进，所以自主化水平基本上与CRH2A处于一个档次。但是从CRH2A到CRH2C一阶段的跨越，特别是从CRH2C一阶段到CRH2C二阶段的跨越，是中国高速动车组自主研发能力大幅度提升的过程。后来的CRH380A其实只是在CRH2C基础上的进一步改进创新，最后一列CRH2C编号为091C，就已经率先采用了CRH380A的头型，主要是为了获得CRH380A型动车组新头型的空气动力效能和实车试验数据，这列车于2010年4月下线，车上标有“试验车CRH380A”字样。

第二代中国高速动车组就是CRH380系列，包括CRH380A（L）型、CRH380B（L）型、CRH380C型、CRH380D型四种，其中CRH380D由中外合资公司四方庞巴迪生产，技术同样由庞巴迪导入所以也不存在自主研发问题，另外几种车型则是中国高速动车组技术创新突破的代表性成果。

CRH380A型高速动车组驶过阳澄湖大桥。

提到CRH380系列当然就不能不提，2008年2月份，科技部与铁道部共同签署的《中国高速列车自主创新联合行动计划》，提出建立并完善具有自主知识产权、国际竞争力强的时速350公里及以上中国高速铁路技术体系。如果没有具体的项目进行支撑，联合行动容易变成一纸空文，类似的事情在中国几乎每天都在上演。但是这次联合行动计划，做得非常实、成果也异常丰厚，它的支撑项目就是“十一五”国家科技支撑计划“中国高速列车关键技术及装备研制”项目。

这里要简单解释一下中国的国家科技研发体系。2006年2月中国正式发布了《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》，这是我国中长期科技发展的纲领性文件。根据这个文件，国家对科技发展的支持分为不同的层次，最高层级的叫“国家科技重大专项”，属于重中之重，是国家优先发展的，总共只有16项，包括核心电子器件、高端通用芯片及基础软件产品（简称“核高基”），大型核电站，载人航天与探月工程等。比“国家科技重大专项”次一级项目中有一个就叫“国家科技支撑计划”。最初“中国高速列车关键技术及装备研制”项目想申报“国家科技重大专项”，但是没有成功，退而求其次被列入了“国家科技支撑计划”。

“国家科技支撑计划”那可不是白给的，它有一套严格的组织体系，包括领导小组、立项、实施与督导检查、验收以及知识产权、技术标准与成果等内容，当然还有一个关键因素就是有国家科技经费支撑。“中国高速列车关键技术及装备研制”这个项目国家共计拨款10亿元，参与研发的企事业单位自筹资金20亿元，共计投入30亿元，具体又被分为10个专项课题，具体情况见下表：

十大联合攻关课题：

这是一次卓有成效的联合行动计划，参与该行动计划的不仅仅包括上表中的主持单位，还包括清华大学、西南交通大学、中南大学、同济大学、中国通号集团、中铁电气化勘察设计研究院（中国中铁）、浙江大学、北京科技大学等等。据统计，参与此次行动计划的科研人员共计68名院士、500多名教授和其他工程科研人员万余人，参研单位计有25家重点高校、11家科研院所、51家国家重点实验室和工程研究中心。297

这种联合行动是如何实现的呢？我来举一个例子进行说明，大家就清楚了。如CRH380A的头型研究，属于高速列车空气动力学项目，牵头单位中科院力学所，但是参与的单位可就多了去了。南车四方股份公司是使用单位，所以负责组织进行方案设计、方案试验、优化、施工设计、工艺验证、线路试验策划并联合西南交大进行初步方案设计及文化分析；中科院力学所负责气动性能的仿真分析；清华大学与北京大学负责侧风稳定性计算；中国空气动力研究与发展中心负责气动力学的风洞试验；同济大学负责气动噪声风洞试验；铁科院、西南交大、同济大学负责气动性能和噪声的实车测试。298最终的成果就是被车迷们亲切称之为“大灰狼”的CRH380A型动车组的优美头型。针对这次头型创新设计，南车四方股份公司总工程师龚明在接受媒体采访时曾表示，“我们经历了目前历史上规模最大、历时最长的科学研究试验，在这其中，我们设计了20个列车头型，围绕头型的气动性能研究进行了17项75次仿真计算、760个不同运行环境的气动力学试验和60个工况的噪声风洞试验，完成了520个测点的22项线路测试。”299

CRH380A型动车组的头型概念设计。

关于高速列车头型的设计，很多人认为只有飞机才配谈空气动力学，高速列车能有什么空气动力学？事实是怎么样的呢？高速列车因为要在地面运行，它要和桥梁、隧道、地面，以及邻线列车有非常复杂的相互激扰作用。头型设计不仅面临阻力、交会压力波、升力、列车尾摆、气动噪声、微气压波、列车风、侧风稳定性等多种技术难题，而且随着速度的提升会带来一系列技术性能、技术参数的变化，比如气动阻力、升力与速度成平方关系，气动噪声与速度成幂次方关系，列车高速运行会产生“隧道效应”、“横风效应”、“尾摆效应”、“噪声效应”，既而产生高速列车车体疲劳破坏、侧摆、漂浮等不安全因素以及影响旅客乘车的舒适度。

CRH380A的头型是如何设计出来的呢？大致过程是这样的，首先在系统研究各设计要素和不同线路条件的基础上，通过32个设计变量和200次模型优化，由研发人员设计出20种列车头型；接着，对这20种头型进行综合分析技术性、文化性和工程可实施性，初选了10种头型基本方案；再通过三维流场数值仿真分析和多目标优化，确定了5种备选头型，共进行了17项75次仿真计算。把5种备选头型各制作1：8模型，分别进行了19个角度、8种风速的风洞气动力学实验和3种风速、4种编组的风洞噪声试验，对优选出的方案进行了样车试制，完成了22项试验验证，最终才确定CRH380A高速动车组的头型方案。

过程讲述的时候，看起来似乎很轻松，其实每一步都是由大量汗水培育而成的，如对于从20个头型中初选10个头型这个过程，参与研究的中科院力学所杨国伟研究员回忆说：“我们采用2836个核的计算机机群，1个院士、8个博士生导师、25个博士研究生和南车四方的设计骨干在4个月的时间内共进行了超过300个工况的空气动力学仿真分析。”这样研制出来的CRH380A动车组头型效果如何呢？最终的试验结果是：气动阻力减少6%，气动噪声下降7%，列车尾车升力接近于0，隧道交会压力波降低20%，明线交会压力波降低18%。300

上面列举的CRH380A动车组头型的创新只是这次庞大的联合行动计划中的一件小事，通过这个过程我们能够大致想象在国家科技支撑计划的支持下，中国高速动车组技术创新走过了一条怎样的路。科技部与铁道部共同实施的这次自主创新联合行动计划，在中国高速动车组技术创新历史上具有重要意义，其最终成果就是CRH380系列动车组。下面我们就挨个介绍一下CRH380系列的成员。

按照顺序，先说说CRH380A（L）型动车组。CRH380A（L）型动车组我们此前已经多次提到，是由CRH2C（二阶段）发展而来，在CRH380系列车型中自主化程度最高，牵引传动系统等关键技术均由国内企业南车时代电气研发制造，并通过了美国知识产权的评估。在第七届高铁大会期间，美国GE公司准备与中国南车在美国成立合资公司竞标美国高铁，所以早在此前他们就邀请第三方对CRH380A型高速动车组的知识产权问题进行了评估。评估方是美国戴维斯律师事务所与美国专利商标局，整个过程异常复杂，历时约半年多。大致过程是这样的，先在美国检索与铁路机车车辆有关的专利，形成934项专利清单，然后再筛选出254项高度相关和中度相关的专利清单，然后由美国律师事务所，以美国的方式对专利风险进行评估，并出具专利风险评估报告，最终报告的结论是：世界各国相关高速动车组在美国申请的专利与南车四方股份公司准备出口到美国的CRH380A型高速动车组相关性不大，没有发现任何可能会发生产权纠纷的情况。301这相当于为CRH380A型高速动车组出口美国提供了一份法律保证。

第六次大提速中，列车长与“和谐号”动车组。

CRH380BL型高速动车组驶出上海虹桥站。

接下来说说CRH380BL型动车组，它是在CRH3C基础上经过创新发展而来，继承了德国技术的优秀基因，性能突出、内饰豪华，受到国内乘客的喜爱。在CRH380系列中，CRH380BL型高速动车组零部件对外采购比例相对较大。2009年3月16日铁道部从唐山公司、长客股份公司、铁科院采购100列CRH380BL型高速动车组，合同总金额392亿元。3月20日西门子就在其官网上发布新闻表示，“唐山轨道客车有限责任公司、长春轨道客车股份有限公司、中国铁道科学院和西门子签署了一份关于提供100列高速列车的合同，西门子获得价值7.5亿欧元份额（约70亿人民币）”。这些采购内容主要是电气牵引系统，由西门子位于德国纽伦堡、克雷菲尔德等地，以及奥地利和中国上海等工厂负责生产。此外，CRH380BL型高速动车组还因为一次召回事件备受关注。2011年8月11日，CRH380BL型电力动车组因为连续发生热轴报警误报、自动降弓、牵引丢失等故障问题，被召回54列进行整改，整改合格后于2011年11月16日陆续恢复运营。

CRH380C型高速动车组停靠德州东站。

CRH380B型高寒动车组行驶在哈大高铁上。

再来说说CRH380B型动车组，这是由长客股份公司研发的高寒型动车组，能够适应零下40摄氏度低温下运营，主要服务中国东北地区高铁线路运营。关于为什么一定是零下40摄氏度，在一篇新闻报道里是这样解释的：气温低到什么程度才算得上高寒？长客股份公司走访哈尔滨铁路局和沈阳铁路局，调查分析了哈大高铁沿线的气象记录，发现这一地区的最低气温记录是零下37.3摄氏度。于是，长客股份公司高寒高铁攻关团队将CRH380B型高寒动车组的适应最低气温锁定在零下40摄氏度。302CRH380B型高寒动车组是中国高速动车组研发的一个重大突破，完善了中国高速动车组谱系，也体现了长客股份公司的技术实力，在CRH380时代拥有独特地位。

此后长客股份公司再接再厉，又推出了CRH380C型动车组，这是在CRH3C型动车组与CRH380B（L）型动车组基础上研制的一款新型动车组，共计生产了25列。CRH380C型动车组的重大突破包括两个方面，第一是采用了新的头型，第二就是抛弃了西门子的牵引传动系统，采用了基于日立技术的永济公司的牵引传动系统。

我们前面提到过，CRH380D型动车组由中外合资企业四方庞巴迪公司生产，技术由庞巴迪公司导入，研发则是在欧洲的庞巴迪轨道交通基地进行。毫无疑问，CRH380D型高速动车组是一款非常优秀的产品，但这不是本书论述的重点，所以在此不再赘述。

上面就是在中国高速动车组发展历史上声名赫赫的CRH380系列，至今（2015年6月）仍是中国高速铁路运营的主力车型，它们以优良的性能、舒适的乘坐环境受到广大乘客的欢迎，也成了中国高速铁路的代言人。

在中国第二代高速动车组CRH380系列研发出来之后、第三代高速动车组研发出来之前，中国的高速列车生产企业还研制了一些重要产品，虽然不能称为跨代，但是在技术发展上也都有一些重大突破。如CRH6型城际动车组、cit500更高速度试验列车（CRH380AM）、永磁高速动车组、智能化高速动车组、广深港高速动车组、CJ1型城际动车组、CJ2型城际动车组等，这些产品都是中国动车组自主创新的重要成果，是技术自主化的一种体现，也是对中国高速动车组谱系的一种完善。

cit500更高速度试验列车。

这里多说几句cit500更高速度试验列车吧！这一个速度怪物，它的诞生是奔着法国TGV的574.8公里速度纪录而来的。前后采用了不同的头型，前面头型原型是“青铜剑”，后面头型是在CRH380A火箭头型基础上进行改进的，比CRH380A头型更加细长。6节编组的它，牵引功率就达到了22800千瓦，这是什么概念？8辆编组的CRH380A的牵引功率也只有9600千瓦。中国研制该车目标是试验突破轮轨600公里时速。在滚动试验台上，该车以605公里时速进行试验，没有任何失稳迹象，运行处于极佳状态。但要进行线路的速度试验，只有车辆制造商不行，还要有运营商的参与，因为没有好的线路，再好的车也跑不起来。2007年法国TGV试验车574.8公里时速就是在经过特殊加固的线路上跑出来的。但是cit500更高速度试验列车2011年11月25日正式下线后，就一直没有获得合适的线路去一展身手。

关于cit500更高速度试验列车的争议有很多，最关键的是，为什么要研制它？其实高速列车的冲高试验并不是一项游戏，而是科学试验的一种。cit500更不是一个速度玩具，而是一个科学实验的载体。cit500其实是一个国家项目，是国家“973计划”项目“时速500公里条件下的高速列车基础力学问题研究”的试验载体。研制cit500的主要目的有几个方面：第一，开展前瞻性、基础性、理论性研究，为高速铁路未来的发展做好技术储备。轨道交通有三大基础关系：轮轨关系、流固关系、弓网关系，cit500就是要进行时速500公里及以上三大基础关系的研究，获取气动、结构、轮轨、弓网等关键力学参数随速度的变化规律，通过探索更高速度条件下高速列车的运行稳定性、结构强度、车—线—网匹配关系等安全保障系统，揭示高速列车动力学行为、特征和规律，进一步提高高速列车的安全冗余。第二，进行关键系统的可靠性研究。在时速500公里条件下对车辆进行测试，为转向架、车体、车下设备和设备舱等关键结构的安全可靠性提供数据支撑。通过振动模态测试，研究转向架、车体、车下设备和车内装饰之间的振动匹配；通过动态应力测试，研究关键承载部位的疲劳强度；通过气动载荷测试，研究气流作用下不同振动激扰形式对车辆结构的影响规律。第三，新材料新技术的研究。cit500列车上使用了碳纤维、镁铝合金、新型纳米隔音材料等新型材料，通过500公里时速下的验证来跟踪新材料的应用前景。新技术包括风阻制动装置、实时以太网技术等，另外还可以通过气动阻力、气动噪声、气动升力、交会压力波等各项气动性能研究，全面验证试验列车头尾不同头型方案。

第三代中国高速列车就是2015年6月30日正式下线的中国标准动车组，中国标准动车组的问世标志着中国高速列车研发全面进入了正向研发时代。怎么讲？前面我们介绍了CRH380A型高速动车组做了很多很多的创新，还通过了美国戴维斯律师事务所与美国专利商标局的知识产权评估等，但是我们仍旧能够从CRH380A型动车组身上看到日系高速动车组技术的影子，如CRH380A的动力配置结构等。所以到中国高速动车组的CRH380系列时代，中国高速动车组研发虽然已经发生了脱胎换骨的变化，但是仍旧很难说已经完全走上了正向研发的道路。当然，中国高速动车组的二代半产品，已经有很多产品可以归入正向研发的行列，如CRH6型城际动车组等产品。cit500更高速度试验列车当然是完全正向研发的产品，但是它只是一个试验列车而已，与批量化、商品化的高速动车组型号有很大不同。

真正让中国高速列车研发全面进入正向研发时代的正是中国标准动车组。什么是正向研发？正向研发就是首先要考虑我有什么样的需求，如列车时速要达到什么水平、要能够适应什么样的运营线路、在维修方面能够满足什么样的需求、在旅客界面上要达到什么样的效果等等，然后根据需求设计一套技术方案，再根据方案研发一种全新的高速动车组型号。按照这条道路研发出来的动车组整车的知识产权那当然都是题中之义，而且还要建立中国标准。如这次下线的中国标准动车组采用的重要标准，就涵盖了动车组基础通用、车体、走行装置、司机室布置及设备、牵引电气、制动及供风、列车网络标准、运用维修全部13个大的方面。其中大量采用了中国国家标准、行业标准以及专门为中国标准动车组制定的一批技术标准。当然为了与国际接轨，促进中国装备走出去也积极采用了一些国际标准及国外先进标准。

高速动车组模型设计室。

或许有人会问，中国标准动车组是不是就是100%国产了？其实自主化与国产化是两个概念。国产化追求的是在中国生产，如大众的汽车在中国生产了就叫国产化；自主化追求的是技术的主导权，如苹果大量零配件都不是美国生产的，而是全球采购的，中国就是苹果公司的主要生产基地，但对于美国而言，苹果显然是自主化的产品。在全球化大生产的今天，追求完全的国产化，其实就是闭门造车，是一种非常落后的思维，但是我们必须要追求自主化，这体现的是一种主导权。对中国标准动车组而言，什么是自主化？第一，整车设计以我为主，要对供应商拥有强大的管理能力；第二，包括动力系统、变流系统、网络控制系统等关键系统部件要自主化；第三，全球采购部分，要摆脱独家垄断，不能只有一家，要实现自主采购；第四，建立中国标准体系。

当然，是骡子是马要拉出来遛遛，时速350公里的标准动车组毕竟只是刚刚下线，它还要经历60万公里的线路试验考核，试验完成之后才能正式上线。时速350公里标准动车组之后，我们还要研发时速250公里的标准动车组，还要研制各种型号的出口型动车组。对于中国高速列车而言，创新之路还要一步一个脚印，这样才能走得稳妥、走得踏实。