高速列车为什么能跑起来，而且高速、安全、平稳运行呢？其实道理和汽车运行是一样的，汽车要跑得快，不仅取决于车的性能，还要有平顺、畅通的道路，平顺就是要有高等级的公路，畅通要靠有效的交通指挥和疏导。良好的线路条件、性能优越的动车组、先进的列车运行控制系统，构成了高速列车为什么能跑起来的三大基本要素。
要使高速列车跑起来，首先要有良好的线路条件。没有好路，车再好也跑不起来。
那么什么是好路呢？对高速铁路而言，线路应尽可能取直，减少弯道，尤其要避免小弯道；要力求平顺，不能起起伏伏上下颠簸；要坚实稳固，铁路建成后必须控制沉降，不能出现不均匀沉降。同时，为了满足列车高速平稳运行，提高旅客乘坐舒适度，高速铁路采用无缝线路、高速可动心道岔，为减少会车时的气流冲击，两条平行线路之间的距离更宽，隧道横断面面积更大。TB10020-2009《高速铁路设计规范（试行）》对我国高速铁路线路设计的具体指标作出了明确规定，我国300公里/小时等级的高速铁路的线路平面最小曲线半径7000米，单洞双线隧道洞断面有效面积为100平方米。同时，运营过程中建立了完整的检测监控、养护维修体系，以确保高速铁路基础设施始终处于良好的“健康”状态。
要使高速列车跑起来，必须有性能优越的动车组。有了好路，如果没有好车，一切都无从谈起。车的性能如何，直接关系到高速列车能否跑起来。
高速动车组必须跑得快、跑得稳、跑得好。跑得快是指动车组要有强大的牵引动力，有足够大的比功率（单位重量功率）牵引列车高速运行，如：8辆编组的CRH3型动车组牵引功率就达8800千瓦，而普通客车编组一般16辆，牵引机车SS9型牵引功率仅为4800千瓦；跑得稳就是说列车运行要平稳，尤其在高速运行时不能降低乘坐舒适度；跑得好讲的是各种零部件的可靠性要高，不能因有局部缺陷影响动车组安全运行。高速动车组采用外形美观的流线型、气密性好的轻量化铝合金车体、高速高性能转向架、大功率交流传动牵引、微机控制的电空联合制动、分布式列车网络控制系统等先进技术。空调采暖功能完善、座席等设施布置合理，车内通风良好，为旅客造就舒适温暖的乘车环境。
要使高速列车跑起来，还得有先进的列车运行控制系统。有了好路、好车，怎么让高速列车安全、平稳、高速运行呢？这就需要有高速铁路列车运行控制系统。
列车运行控制系统是高速铁路的中枢，对安全性、自动化程度和行车指挥效率要求很高。列车运行控制过程由地面指挥系统发布路况信息，车载设备接受信息并通过车载计算机信息处理形成控车指令，列车按指令行车并实时反馈车的状态信息。我国建立了CTCS-2级和CTCS-3级高速铁路列车运行控制系统，采用目标距离连续速度曲线模式控制列车安全运行，以保证列车安全追踪间隔、实现超速防护、提高运输效率。车地之间通过轨道电路、应答器和GSM-R无线通信传递信息。
上图：CRH2型动车组。下四图（从左到右）：CRH3型动车组；CRH5型动车组；CRH380型动车组；CRH1型动车组。
性能优越的高速列车
高速列车为什么采用动车组型式？
传统的铁路旅客列车采用机车牵引客车方式，所以人们常说“火车跑得快，全靠车头带”。对于中国人来说，蒸汽机车牵引着长长的绿皮车，给我们留下了许多难忘的记忆。
高速列车采用动车组型式。动车组是由动车与拖车组成、固定编组使用的车组。动车组往返不需掉转车头或摘挂机车，非常适合高速铁路高密度公交化穿梭运行。因此，高速铁路旅客列车普遍采用动车组型式。
动车组可分为动力集中和动力分散两种牵引方式。
列车两端固定配置专用动力车，中间均为拖车即为动力集中动车组。动力集中动车组在法国、德国等欧洲国家得到大量应用。动力集中动车组易于检修维护。但是由于动力设备集中于两端，功率提升受空间制约，而且轴重比较大，达到17吨以上，对线路要求苛刻。
列车的动力车有多个，且既可在两端又可在中间分布的动车组是动力分散动车组。
动力分散动车组功率提升空间大，轴重可在14吨以下，可靠性高、编组灵活、列车利用率高，而且头车也可以设置旅客席位，起动加速性能好等优点明显，因此动力分散动车组已成为技术发展趋势。看来火车要跑得更快，要像“拔河”一样，不能光靠“车头带”，要靠“大家拽”。
德国近年来开发的ICE3及以后的高速列车为动力分散动车组。日本的动车组始终采用动力分散技术。
我国早期研制的“中华之星”动车组为动力集中动车组。目前制造的CRH系列动车组都是动力分散动车组。
我国有几种高速动车组？
我国幅员辽阔，南北气候不同，路网规模庞大，各地人口分布和经济发展不均衡，旅客出行长、短途要求各异，运输需求复杂。
为满足不同需求，我国高速铁路动车组分为两个速度等级。其中，200～250公里/小时速度等级的有CRH1、CRH2、CRH5型，300～ 350公里/小时速度等级的有CRH2-300、CRH3、CRH380系列等。
国产动车组有8辆短编组、16辆长编组两种编组方式。座车设有一等、二等、商务等车厢，还有适应长途运输的卧铺动车组，适应寒冷地区的高寒动车组等品种。
高速动车组是具有高度智能化的机电一体化运载装备。主要由车体、牵引装置、转向架、制动装置、列车网络控制部分等组成。
与国外高速列车比较，国产动车组车体普遍较宽，增加了座席；采用单相工频（50赫兹）25千伏供电；转向架适应中国线路；使用中国铁路列车运行控制系统CTCS-2级和CTCS-3级列车运行控制系统等。
左图：动车组铝合金车体结构。右上图：动车组速度变化时乘客耳膜无明显压痛感。右下图：飞机起降时乘客耳膜有压痛感。
高速列车为什么能跑得这么快？
高速列车为何跑得这么快？从高速铁路系统来说，离不开线路、动车组、列车运行控制系统三大基本要素。
就动车组而言，既要采用大功率牵引动力，提供足够的牵引力，达到列车最高速度、加速性能和爬坡能力等动力性指标；又要有可以满足列车安全、可靠、平稳运行的车体、转向架、制动、列车网络控制系统等。
比功率是衡量高速列车动力性能的重要指标，指的是列车最大牵引功率与列车总质量之比。
比功率（千瓦/ 吨）= 最大牵引功率（千瓦）/总质量（吨）
列车正常运行时，必须通过牵引力克服运行阻力。列车运行阻力一般包括轮轨滚动阻力、空气阻力、坡道阻力和加速时的惯性阻力。比功率是列车最高速度的决定因素。比功率越大，可达到的最高速度越高。
例如：同属一个系列的速度等级为250公里/小时CRH2A型动车组和速度等级为350公里/小时CRH2C型动车组相比，列车外形、总重等参数都差不多，但是，动力配置前者为4动4拖，牵引功率4560千瓦，列车重量352.7吨，后者为6动2拖，牵引功率8320千瓦，列车重量388.4吨，比功率分别大约为12.9千瓦/吨和21.4千瓦/吨，所以导致两种动车组最高速度存在较大差距。
提高牵引功率可以提高比功率；采用轻量化车体以减轻高速列车自重，也可以提高比功率。
随着列车运行速度提高，空气阻力将增加，当列车速度超过200公里/小时后，其将成为列车运行阻力的主要部分。为此，高速列车普遍采用流线型头形，目的是通过优化空气动力学性能，降低空气阻力，提高运行速度。
国产CRH380AL型高速动车组牵引功率为20482千瓦，列车重量818.5 吨，比功率25千瓦/吨，同时采用低阻力流线头型，CRH380AL型动车组曾创造了486.1公里/小时的运营试验最高速度纪录。
高速动车组车体是什么样的？
车体是高速动车组的“躯干”。要满足高速动车组的运行要求，必须解决车体结构轻量化、空气动力学和车体气密性三大问题。
我国高速动车组车体主要采用大型中空挤压铝合金型材焊接结构，兼顾轻量化和承载能力强的需求。
我国高速动车组车体采用流线型头形，车窗、侧拉车门与车体构成一个平整而光滑的表面，车与车之间由内、外风挡连接，安装在地板下的设备及管线装进整体设备舱，并用裙板将车体的下部罩起来，使得从外面看整个车体像一个平滑的箱体。以此最大限度地减少高速列车运行的空气阻力、气动噪声、隧道微气压波和会车压力波的不利影响。
高速动车组对车体气密性有严格要求。
乘过飞机的很多人有这样的体验，飞机起降时耳膜有压痛感， 这主要是由于飞机爬升或者下降速率过大，机舱内气压变化太快，耳膜内外压差不一致导致的。我们知道地面大气压强是101.325千帕，而万米高空的大气压强仅约为26.4千帕。由于飞机机舱属于轻量化很高的空间薄壁结构，飞机难以承受过大的内外压差， 所以机舱内的压力不能保持在地面气压， 而会随高度增加而减小。在飞机爬升和下降时，机舱内的气压变化较大。
高速动车组是在地面运行的，外部压力变化是由于会车、过隧道时产生的列车表面压力波造成的，可以通过提高车体强度和气密性，保持车厢内气压变化和变化速率尽量维持在较低水平，所以旅客乘坐高速动车组感觉到的耳膜压痛感很小。
我国高速动车组要求车厢内气压从4千帕降至1千帕，时间必须大于50秒，以保证车厢内气压波动不影响旅客乘坐舒适度。线条流畅、体格健壮、轻盈柔美，高速动车组“躯干”追求的不就是当今“寓美于健，健美相融”的人类健美标准吗？
为什么高速动车组采用交流传动技术？
交流传动系统是高速动车组的“心脏”。牵引传动的方式有很多，为什么我国高速动车组采用交流传动技术？
什么是交流传动？通俗讲就是把从接触网取来的单相高压交流电变成供牵引电机用的三相交流电的过程。
交流传动基本原理：动车组经受电弓从接触网获得单相工频25千伏交流高压电，输送给车载牵引变压器进行降压，然后通过高频脉冲整流器变换成直流电，再由逆变器将直流电变换成调频调压的三相交流电，这个过程称为交—直—交变换。最后从逆变器输出的三相交流电供给交流牵引电机，牵引电机转动后输出的转矩通过减速齿轮传递给轮对，从而使动车组获得牵引整列高速动车组前进的轮周牵引力。
可见，只有将从接触网上获得的单相交流电转换成三相交流电，才能驱动三相交流异步牵引电机。
与直流电动机相比，三相交流异步电动机结构简单、无换向器和电刷，主电路控制牵引状态与再生制动的切换时均由无触点电子元器件完成，除轴承外无其他摩擦部件，电动机维修量少。同时，体积小、重量轻、转速高、功率大。此外，交流传动还具有牵引制动特性好，易于再生制动，黏着利用率高，功率因数高，谐波干扰小等优点。
其实，交流传动技术的最大魅力是可靠性高、维修简便。因此，高速动车组普遍采用交流传动技术。
动力分散动车组常常由几个动力单元组成，每个动力单元是一个相对独立的牵引系统，运用中如果某个动力单元故障，其余动力单元仍然可以驱动列车运行，这样动力分散动车组不仅拥有轴重小、功率大等长处，而且运用可靠性也更高。
上图：交—直—交电传动原理。 下三图（从左到右）：转向架通过曲线原理示意图；转向架滚动试验；拖车转向架。
高速动车组转向架是怎么回事？
转向架是高速动车组的“飞毛腿”。
什么是转向架？转向架是一个铁路专用名词，乍一听不好明白，实际上就是一个“小车”。这是一个在构架上装有两个轮对组成的“小车”，大小跟一辆普通轿车差不多，动车组车厢就搁在这种“小车”上，而且可以有一定程度的转动，这种“小车”被称为转向架。每节车厢下面有两个，因为安装在车厢下面，我们不容易看到它的“庐山真面目”。
为什么要用转向架呢？转向架的重要功能之一是用于铁路车辆转向，也就是拐弯。我们知道火车没有方向盘，那么它是怎样通过曲线的呢？当车辆以一定速度开始进入曲线时，前轮对的外轮轮缘与外轨的内侧面接触，互相挤压产生导向力，并由导向力引起导向力矩，使转向架相对线路产生转动。另外，铁路轨距是固定的（标准轨距为1435毫米），在曲线上外轨长、内轨短。车轮与钢轨接触的部分称为踏面，踏面被设计成锥形，目的是解决轮对通过曲线的问题。当轮对通过曲线时，由于踏面有锥度，轮对向外移动后，外轨与车轮接触点的直径大，走行距离长，内轨与车轮接触点的直径小，走行距离短，这样便可以顺利通过曲线。
车轮采用有锥度的踏面还有一个好处，就是在直线运行时自动对中。车辆运行轨迹实际上是蛇行运动，由于车轮左右摆动，接触直径不断变化，采用有锥度踏面起到了自动对中的作用。
转向架如何适应高速运行？随着速度的提高出现问题了，车辆的蛇行运动会出现失稳现象，一旦失稳，车轮将猛烈冲击钢轨，甚至造成脱轨翻车，这是铁路安全绝对不能允许的。必须避免出现蛇行运动的失稳现象。
要让动车组高速运行不出现蛇行运动失稳有办法吗？答案是有的。高速转向架通过采用轴箱弹性定位、空气弹簧、轴箱弹簧、各类减振器、弧形车轮踏面等措施，来保证在车辆运行速度范围内不出现蛇行运动失稳情况。
通过优化设计，高速动车组转向架的失稳临界速度可以达到500公里/小时以上。
转向架除了支承车厢运行外，还担负将列车牵引和制动力传递到车轮上的任务。
转向架又分为动车转向架和拖车转向架，动车转向架上装有牵引电机、齿轮箱、轮盘制动等，拖车转向架上装有轴盘制动，高速转向架普遍采用高强度合金钢轻量化构架、空心车轴、铝合金齿轮箱、空气弹簧、减振器等。
归纳起来，转向架主要具有承载、导向、减振、牵引、制动等功能，高速动车组要跑得快离不开转向架这个“飞毛腿”。
高速动车组如何实施制动？
高速动车组的制动是实现安全、高速运行的保障。
高速动车组不但要跑得快，还要具备调速和在规定的距离内停车的功能，调速和停车功能是由制动系统来实现的。
动车组是怎样刹车的？“刹车”就是高速动车组制动系统。我们对自行车通过刹车胶皮、汽车通过刹车盘进行制动，实现调速和停车并不陌生，这是一个动能通过摩擦转化成热能耗散掉的过程。传统的铁路机车车辆以闸瓦抱住车轮通过摩擦制动，道理跟自行车、汽车大同小异。
高速动车组的制动与传统的制动比较发生了根本性的变化，我国高速动车组采用计算机控制的电空复合制动，其中电制动为再生制动，空气制动为盘形摩擦制动，电制动优先，空气制动作为补充。同时，还具有控制防滑、控制减速度、调节制动距离等功能。
电制动实际上是制动时将动车组高速运行的动能转化为电能，并送回电网再利用，所以也称再生制动。实施再生制动时，动车组就变成了一座小型“发电厂”，牵引电机也从“电动机”变成了“发电机”。因此，动车组的巨大动能又用来发电了，当然也就更加节能。
然而，空气制动仍然发挥着重要作用，当电制动能力不足时可以起补充的作用。更重要的是，一旦停电，空气制动将担负起动车组制动的全部责任。施加空气制动时，由制动控制单元产生的制动缸压力经制动夹钳和制动盘转换为作用在车轮上的制动力，使得动车组的动能转换成为制动盘与闸片间的摩擦热能并发散到空气当中。
高速动车组拥有强大的制动能力，以保证在紧急制动时能在规定的距离内停车。
新型动车组研制后必须进行紧急制动试验验证，紧急制动反映了动车组的制动能力。紧急制动距离设计值主要基于轮轨间的黏着、空气制动热容量、制动防滑控制等。动车组紧急制动时具备在规定距离内停车的能力是动车组安全运行的重要前提。
乘坐高速列车的乘客不需要像飞机起降时那样系安全带，考虑保证乘客不摔倒，避免由于制动产生的不舒适感，动车组制动减速是有限值的。研究发现，当减速度的变化率不超过0.6米/秒3时，乘客不会产生不舒适感；减速度的变化率在0.6 ~ 0.75米/秒3之间时，乘客基本可以接受；速度的变化率超过1.0米/秒3时，站立的乘客就有摔倒的危险。为了保证良好的舒适度，我国和谐型动车组规定制动冲动的限值（减速度变化率）为0.75米/秒3，因此，乘客不需要系安全带。
控制软件贯穿故障导向安全的理念，制动夹钳、制动盘、单元制动缸等基础制动部件必须可靠有安全余量。运行过程中，动车组有严密的制动系统监控措施，一旦出现故障具备自动（或提示司机）降速运行（或停车）的功能。
什么是列车网络控制系统？
列车网络控制系统如同高速动车组的“大脑和神经”。
列车网络控制系统负责对动车组牵引、制动、转向架、辅助供电、车门、空调等系统的控制、监视和诊断。
高速动车组每辆车上都配备有各种由计算机控制的设备。这些设备一方面要及时向高速动车组的控制中心报告工作状态，另一方面要接受控制中心下达的控制命令。这种双向信息的沟通是由列车控制网络完成的。它主要由列车总线和车辆总线等计算机网络设备组成，是协调牵引、制动、空调、车门、安全监控、信息显示等各车载设备工作的基础平台。
高速动车组两端的头车司机室都安装有列车运行状态信息集中显示器、控制和存储数据的控制中心，又叫做中央控制单元。运行时只有列车前进方向司机室的中央控制单元值班工作，而处于列车尾部司机室的中央控制单元工作在热备份状态。
上左图：商务座椅。上右图：靠背调整。中左图：酒吧车。中右图：显示温度。下左图：车上办公。下右图：残疾人座椅。
动车组车厢内的环境是怎样的？
我国高速动车组从旅客需求出发，本着以人为本的理念，通过车内装饰、座席布置、照明采光、空调采暖、减振降噪、信息服务等在车厢内为旅客提供温馨、宁静、和谐的旅行环境。主要有以下措施：
设有全自动恒温空调系统，确保车厢温度在恒定范围内, 保证车内空气及时与外部空气交换。
车内均为电动门，开启、关闭时噪声低，旅客可以方便地通过车厢。
座椅全部为软座，大部分动车组座椅可以调节斜度，并能旋转掉头，使旅客面对的方向始终与列车运行方向保持一致。
配备有可以提供快餐食品和各种饮料的酒吧休闲区。
配备有电视和旅客信息系统。
卫生间内有感应式水龙头、温水供应。
照顾到旅客的特殊要求，动车组的地板与站台无缝对接，残疾人可以使用轮椅等辅助设备无障碍上下车。
车上有方便残疾人乘坐的车厢，有适于轮椅通过的宽大车门。
车内装饰的化工材料全部符合国内和国际环保规定的要求。
卫生间便器污物均集中收集和排放，不会对沿线造成任何污染。
司机是如何驾驶高速动车组运行的？
中国高速铁路动车组司机资格有严格的管理制度，司机经过选拔、培训后持证上岗。
旅客上车后，司机负责关闭车门，确认发车信号后，起动动车组列车驶离车站，按照列车运行操控显示屏（提示卡）给出的指令运行。
操控显示屏显示列车的实际运行速度曲线和区间限制速度及各车站道岔的限制速度、列车运行时分曲线、运行线路的纵断面和信号机位置、提手柄及回手柄的地点、制动手柄使用和退回的地点、列车在各区间运行须注意的事项等。
高速列车通过列控系统及联锁系统自动实现列车运行功能。
司机按列控系统等人机显示的行车许可，将列车速度控制在速度监控曲线以下。
列车到达停车站前，先施行电制动（再生制动），使列车降速运行，列车时速降至几十公里后，则电制动能力随速度降低而不足，再自动切换为空气制动补充，直至列车停车。
发表评论