和谐号电力动车组

和谐号电力动车组（China Railway High-speed 中国高速铁路，简称CRH）是2004年中国引进德国、日本、法国、加拿大等国的高速动车组技术，在消化吸收再创新的基础上生产的高速动车组^[1]。

中国幅员辽阔、人口众多，随着工业化和城镇化快速发展，快速轨道交通成为必然选择^[3]。2004年原铁道部引进国外高速铁路先进技术^[4]，2006-2007年，通过消化吸收原中国北车集团和原中国南车集团旗下的车辆制造企业先后生产了CRH1、CRH2、CRH3、CRH5四个动车组系列，速度区间200~350km/h，编组形式为8辆或16辆编组^[1]，由中国车企制造的动车组通过整车型式检验后陆续在2007年第六次大提速后投入运营^[5]。随后经过不断创新，2010年中车青岛四方机车车辆股份有限公司自主研发了CRH（中国铁路高速列车）系列高速电力动车组，包括CRH380A、CRH380B、CRH380C、CRH380D等系列^[6]。

动车组包括总成、车体、转向架、牵引变压器、牵引变流器、牵引电机、牵引控制系统、列车网络控制系统、制动系统等9项关键技术^[7]。中国在引进消化基础上再创新，2010年12月自主研发的和谐号CRH380A新一代高速动车组最高时速达到486.1km，刷新了世界铁路最高运营时速^[8]。

中国是典型的大陆性国家，国土面积大、幅员辽阔，南北跨度5200km，东西跨度5500km，各大中型城市区域间、各省会城市区域间平均距离基本在300~1000km^[9]。地理条件非常适合发展运速快的轨道交通，其次中国人口多、城乡人口流动量大且中国处于工业化和城镇化加快发展时期，城镇化发展引起铁路客运需求的大幅度增长^[3],发展高铁经济是中国地理经济基础条件的必然选择，也是中国经济发展方式转型的需要^[9]。中国社会、经济和科技基础的发展，能够保证高速铁路建设、运行及维修需要^[3]。

20世纪50年代，中国开始研制内燃动车组；20世纪70年代开始电动车组研制，先后研制速度为200km/h的大白鲨号、蓝箭号、先锋号、中原之星号、长白山号动车组；速度为270km/h的中华之星号动车组^[5]。

2004年1月，中国政府发布了《中长期铁路网规划》，明确了中国铁路网长期建设目标，计划到2020年，速度200km/h及以上的高速客运专线将达到1.2万km以上，包括“四纵四横”客运专线及3个城际客运系统^[10]。

2004年10月原铁道部组织完成了时速200km动车组的采购项目合同签订，成功引进了日本川崎重工、加拿大庞巴迪、法国阿尔斯通、德国西门子公司的动车组先进技术，已引进国外先进技术并吸收的方式由原中国北车集团和原中国南车集团旗下的车辆制造企业生产，达到一定程度国产化，并在此基础上进行自主创新研发^[5]。2004年10月与阿尔斯通签订合同规定，阿尔斯通提供3列意大利组装好的样车和6列可拆装的版本样车，散件交付由中方负责组装。其后，51列动车组由已接受技术转移的中国组装，并且65%国产配件安装在这51列动车组上^[5]。2005年，又完成了时速300km动车组采购项目。通过引进消化吸收，形成了共有CRH1、CRH2、CRH3、CRH5四个动车组系列、时速200～350km、8节或16节编组、坐车卧车齐备的动车组产品体系。原铁道部将所有引进国外技术、联合设计生产的CRH系列动车组统一命名为“和谐号”^[1]。这些和谐号动车组在2007年4月18日实施的中国铁路第六次大提速后陆续投入正式运营^[5]。

随后10年间，陆续建造了中国铁路高速动车组平台CRH系列^[11]，运营速度从200km/h到250km/h，再到300km/h^[12]。2010年8月，原中国南车四方股份公司率先研制成功了自主创新典范产品CRH380A型高速动车组，此后不久，原中国北车也成功研制出CRH380B型动车组、高寒动车组等^[13]。2010年12月3日，在京沪高铁枣庄至蚌埠试验段，CRH380A新一代高速动车组创造了时速486.1km的世界铁路运营速度纪录^[14]。

动车组需要通过整车型式检验才能获得正式投入量产并上线运营。列车型式试验目的是检验车辆技术条件和工况是否符合运营要求，分为静态试验、动态试验两个阶段^[15]。主要进行车辆限界、空车称重、网络试验、曲线通过、客室照度、噪声试验、车辆动力学、牵引性能、制动性能、弓网受流性能、空气动力学性能等28项整车试验项目^[16]。

以CRH1系为例说明动车组生产测试过程。2006年8月30日，第一组CRH1-001A型动车组由BSP在青岛四方厂房完成生产并出厂，2006年9月~12月先后在北京环型铁路试验场（整车型式检验）、遂渝铁路、京沪铁路、胶济铁路、陇海铁路和广深铁路等地进行试验^[5]。CRH2系自2006年3月由青岛四方厂开始生产，2006年7月完工交验，并开始批量生产^[17]，2008年3月交付使用^[18]。

2006年3月，中国向日本川崎重工订购的首列CRH2运抵中国，中国共向川崎重工订购60列，其中3列在日本完成交付；6列以散件形式交付，中国组装；其余51列通过技术转移由青岛地方股份建造^[5]。

2007年2月，中国第一列CRH1型国产动车组T971次列车从广州东站开往深圳，中国国产动车组正式投入春运，采用5动3拖的8辆编组^[19]。

2007年，青岛四方股份获得原铁道部20列CRH2B型16节长大编组动车组订单，编组方式为8M8T，最高运营速度250km/h^[5]。截至2009年12月，总共110列CRH2系动车组出厂，配属北京局、上海局、济南局、武汉局、沈阳局和郑州局等各铁路局^[5]。

2007年10月，BSP获得原铁道部40列16辆编组CRH1系和谐号动车组订单，16编组包括10节动车配6节拖车（10M6T），最高运营速度200~250km/h^[5]。 截至2009年12月，共有60组CRH1系动车组出厂^[5]。

2007年4月，中国国产时速350km的CRH3动车组在唐山厂下线；2009年3月，西门子及原中国北车集团获得原铁道部100列以CRH3C为基础的16节大编组动车组订单，其中70列为唐山厂制造，30列为原长客厂制造，最高运营速度为350km/h、截至2010年1月，CRH3系全路有39列，主要配属北京局北京西运用所、广铁集团广州基地、广铁集团长沙运用所^[5]。

2007年，原长客在阿尔斯通列车基础上构建了CRH5系动车组制造的技术平台，初步掌握高速铁路客车的设计与制造关键技术，如轻量化高强度铝合金车体、国际TCN标准列车网络控制系统、阿尔斯通Pendolino高速转向架技术等^[5]。截至2010年1月，全路59列CRH5系动车组，除1列配属原中国铁道科学研究院外，主要配属哈尔滨局、郑州局、北京局、沈阳局、太原局、西安局等铁路局^[5]。截至2014年1月，CRH5型动车组累计交付141列，包括140列CRH5A型动车组和1列综合检测车^[20]。

动车组技术引进和国产化的关键在于动车组总成、车体、转向架、牵引变压器、牵引变流器、牵引电机、牵引控制系统、列车网络控制系统、制动系统等9项核心技术^[7]。

动车组总成技术包括总体技术条件、系统匹配、设备布置、参数优化、工艺性能、组装调试和试验验证。在总体设计技术条件下，对动车组车体、转向架、牵引传动系统、制动系统、列车控制网络系统、辅助供电系统和车端连接装置等元素按有关参数进行合理选择设计和优化，确定各子系统间的接口关系。经过生产、组装、测试、调整和试验过程完成动车组整体集成。系统集成使动车组达到牵引、制动、车辆动力学、列车空气动力学、舒适性和安全性等基本性能要求^[21]。

和谐号动车组车体构造主要要求车体轻量化，轻型材料，结构合理，工艺恰当；具有完好的空气动力学外形，头尾部细长流线型，裙板平滑过渡，受电弓良好的空气动力学性能；严格的气密性要求，连续焊缝，气密性风挡；严格的防火要求，耐火材料，防火设备^[22]。目前车体材料可分为耐候钢车体、不锈钢车体和铝合金车体3种^[23]。

和谐号动车组车体整体结构设计趋向采用大型轻薄的挤压型材组合构成的薄壁筒形承载结构，如CRH1型车体承载结构设计制造为一个在整个长度上的不锈钢筒状壳体；CRH2型车体承载采用车体全长的大型中空铝合金挤压型材组焊成的筒形承载结构^[24]；CRH3型车体采用大型中空铝合金型材组焊成的筒形整体承载结构；CRH5型采用12种与车体等长的铝合金挤压型材纵向焊接而成的筒形整体结构等^[5]。

车内设备如门、窗、行李架、座椅、供水设备、卫生设备等广泛采用轻合金或高分子工程材料和复合材料；车内装饰板材广泛采用薄膜铝合金墙板、工程塑料顶板等，以达到车体轻量化的目的^[5]。

转向架是列车车身与车轮之间的连接部件，也是高速动车组的核心部件。集承载、牵引、缓冲、转向、制动功能于一身，是动车组设计的关键位置，CRH系列动车组的转向架分为动力转向架和非动力转向架^[25]。其主要部分采用基本一致的结构形式，均为无摇枕转向架，空心车轴轮对，整体轧制车轮，磨耗型踏面，空气弹簧；采用多自由度刚度和阻尼控制悬挂结构^[26]。制动采用了盘型制动技术，制动力大，灵敏可靠，整体可以满足最高时速200～350km的运行要求^[27]。

中国引进的四种高速动车组均配备不同速度等级的高速转向架，CRH1型为200km/h速度等级转向架；CRH2、CRH5型为25.km/h速度等级转向架；CRH3型为300km/h速度等级转向架^[24]。

动车组牵引变压器主要由绕组、铁芯和引线装置组成。绕组一般由铜线组成，根据功能分为高压绕组和牵引绕组两部分，两绕组缠绕在同一个铁芯上，相互之间通过高等级的绝缘材料绝缘。铁芯一般由高导磁性材料硅做成，为避免材料内部的涡流损耗，变压器铁芯均做成硅钢片叠加的形式。引线装置负责将高压和牵引绕组引出到接线箱内，以便与外部设备进行电气连接。其中输入侧采用T型头结构，输出侧则采用接线端子结构^[28]。

牵引变压器将电力系统的三相高压电降压、分相、供电力机车使用，牵引变压器是牵引供电系统中的重要设备，额定电压原边为110kV（或220kV），次边为27.5kV。AT（自耦变压器）供电方式的牵引变压器次边额定电压为55kV或2X27.5kV。根据变压器供电方式不同分为单相牵引变压器、三相牵引变压器和三相-两相牵引变压器3种^[1]。根据变压器内部绕组在铁芯中布置方式，又可以分为芯式和壳式变压器，因芯式变压器结构简单，且绕组与铁芯间绝缘易处理，中国动车组多采用芯式结构^[28]。

牵引变流器是转换直流和交流间的电能量，把来自接触网上的1500V直流电转换为0～1150V的三相交流电，通过调压、调频控制实现对交流牵引电动机起动、制动、调速控制^[29]。牵引变流器按负载可分为电压型和电流型两种，电压型特点为直流侧为电压源或并联大电容‚直流侧电压基本无脉动，输出电压为矩形波，‚输出电流因负载阻抗不同而不同，阻感负载时需提供无功功率。直流型特点为直流侧串大电感‚相当于电流源，交流输出电流为矩形波‚输出电压波形和相位因负载不同而不同^[30]。

CRH系列动车组的牵引系统采用先进的交—直—交牵引传动方式^[31]，和谐号动车组采用三相交流异步牵引电动机，与直流电机相比，它具有重量轻、功率大、结构简单、运用可靠、寿命长、维修简便的特点，同时交流异步牵引电动机还具有较好的自我抑制空转的性能^[4]。

动车组牵引电机主要由定子、转子、轴承和机座等部件组成。定子主要包括定子绕组、铁芯两部分，转子采用铜条鼠笼结构，主要由端环、导条、转轴和铁心压圈等部件组成^[32]。其工作原理是当绕组接入三相电源时，定子绕组产生旋转的正弦分布磁动势，作用在气隙上产生旋转磁场切割转子导体产生感应电势，从而产生感应电流通过转子导体。转子电流和定子磁场在转子上产生机械转矩，旋转磁场与转子导体中的电流相互作用产生电磁力。在电磁力的作用下形成电磁转距，拖动转子顺着旋转磁场方向旋转^[32]。

牵引控制系统是一个基于现场总线的分布式控制系统，和谐号动车组牵引传动控制的水平取决于牵引传动控制的策略和手段，牵引传动控制策略由最初的转差特性控制发展到矢量变换控制^[4]。如CRH1系牵引控制的总线型式为MVB，各列车基本单元独立运行，受列车主控制器的协调与监控；CRH2型动车组采用VVVF控制牵引方式，动力配置是4M+4T；CRH3型牵引部件分散配置在6辆车上，牵引传动系统由两个相对独立的基本动力单元组成，在基本动力单元中的电气设备发生故障时，可全部或部分切除该基本动力单元，但不影响到其他动力单元的运行；CRH5型动车组有两个相对独立的主牵引系统，每个牵引单元配备一个完整的集电、牵引及辅助系统以实现所需的牵引和辅助电路冗余^[33]。

动车组的控制、监测与诊断系统 （简称：TCMS）是车载分布式的计算机网络系统，承担动车组牵引及制动控制等指令的传输，同时对列车上的主要设备进行状态监测，并具有故障 诊断及故障记录功能^[34]。动车组通信网络包括列车总线 （ＷTB）、车辆总线（MVB和CAN）两个总线层^[35]。列车网络控制系统部件主要包括：中央控制单元/车辆控制单元、人机接口显示屏、输入输出单元、网关、中继器等^[36]。

和谐号动车组制动系统采用微机控制的空电联合复合制动模式，制动时再生制动（电制动）优先，充分发挥再生制动作用。在再生制动不足或失效时，由空气制动力补充^[37]。根据不同的工况采用不同的制动力分配方案，保证了列车运行的安全和经济。通过列车网络，制动设备之间以及制动系统和列车其它系统之间可以灵活的进行指令和信息传输，可以完成制动系统的各项功能 ^[38]。

中国和谐号电力动车组CRH系列主要技术特征见下表

型号CRH1CRH2CRH3CRH5基本编组5动3拖4动4拖4动4拖5动3拖编组定员/人668610600622车体材质不锈钢+耐候钢大型挤压中空铝合金铝合金大型挤压中空铝合金编组重量（空/重）/t420/474361/409480/536415/500运营速度/（km▪h-1）200200350200最高试验速度/（km▪h-1）250250385250最大轴重/t16141717总牵引功率/kW5500480088006770列车级网络种类分布式TCMSARCNET分布式WTB+MVBTCN标准转向架形式空气弹簧，转臂定位+轴箱圆弹簧空气弹簧，转臂定位+轴箱圆弹簧空气弹簧，螺旋弹簧+垂向减震器空气弹簧，轴箱两侧圆弹簧+纵向定位杆制动方式再生制动+空气盘形制动再生制动+空气盘形制动再生制动+空气制动再生制动+空气制动牵引方式矢量控制矢量控制矢量控制直接力矩控制特点采用交流传动及动力分布式，动力布置于车底，可两组重联运行采用特殊密封处理，整体气密指标从3.9kPa降至0.98kPa，时间大于50s高速转向架、防撞车体结构和独特的防火设计结构，两端为司机室，两列动车组可以联挂运行，自动解编自重仅8.5t，CRH5型耐寒性承受温度范围可达±40℃，可用于中国东北地区参考文献^[5][24]

时速大于或等于200km的动车组产品型号、车号编制规则示例如右图所示^[24]。CRH即China Railway High-speed是中国高速铁路的英文简写；CRH后的1位阿拉伯数字代表技术序列代码，“1”为合资公司青岛四方-庞巴迪-鲍尔铁路有限公司（BSP）动车组，“2”为四方股份动车组，“3”为唐山动车组，“5”为长客股份动车组；再之后的3位阿拉伯数字代表各型动车组的制造序列代码，按不同的技术序列单独编排，顺序有001~999排序；最后的1位大写拉丁字母为型号序列代码^[24]，已有的动车组规定如下：A-运行速度200km/h、8辆编组、座车；B-运行速度275km/、8辆编组、座车；C-运行速度300km/h、8辆编组、座车；D-运行速度300km/h，16辆编组、座车；E-运行速度200~250km/h、16辆编组、卧车^[39]。

CRH1型是动力分散型电动车组，由青岛四方-庞巴迪-鲍尔铁路运输设备有限公司（简称：BSP）生产制造^[40]。CRH1型动车组由8辆车构成1个基本编组，包含4种类型车辆：带司机室动车（前后各1个），带受电弓的拖车，中间动车及带吧台拖车^[5]，CRH1型8辆编组定员668人^[39]。CRH1型动车组按2动1拖或1动1拖两种结构形式组成^[5]。运营速度为200km/h，最高试验速度为250km/h^[40]。CRH1型车现有3种型号，分别是CRH1A、CRH1B、CRH1E型^[41]。CRH1系采用的是低成本的不锈钢车体，控制装置为TCMS分布式计算机系统^[5]。

CRH2型为动力分散型、交流传动电动车组，是消化吸收日本E2-1000动车组技术经过再创新后制造的，由原中国南车四方机车车辆股份有限公司生产制造^[40]。CRH2型采用8辆车组成1个基本编组，分成两个动力单元，按2动2拖（T-M-M-T）结构形式组成^[5]，CRH2型8辆编组定员610人^[1]。运营速度为200km/h，最高试验速度为270km/h，可以灵活地适应200~300km/h各速度等级，CRH2型现有CRH2A、CRH2B、CRH2C、CRH2E等型号^[42]。CRH2系采用大型铝合金中空型材车体双面焊接结构，流线型头部结构，高速转向架，复合制动系统^[5]。

CRH3型是消化吸收德国ICE3动车组技术经过再创新的动车组，由原唐山轨道客车有限责任公司负责生产^[40]。CRH3型为8辆编组，分成两个动力单元，采用4动4拖形式^[5]。CRH3型8辆编组定员600人^[1]。最高运营速度达到350km/h，最高试验速度达到385km/h^[40]。CRH3型车现有CRH3A、CRH3D、CRH3C等型号^[42]。CRH3系采用铝合金车体，转向架采用空气弹簧，螺旋弹簧+垂向减震器^[24]。

CRH5型是消化吸收阿尔斯通公司为芬兰国铁提供的SM3动车组技术并经过再创新设计研发，由原中国北车集团长春轨道客车股份有限公司负责国内生产^[40]。CRH5型为8辆编组，车体两端为带司机室的动车，中间为动车和拖车，8辆编组采用5动3拖的动力分散式^[5]。CRH5型8辆编组定员622人^[1]。运营速度为200km/h，最高试验速度为250km/h，具备提速至300km/h的条件^[40]。CRH5型车现有CRH5A、CRH5E、CRH5G、CRH5J等型号^[42]。CRH5系采用大截面中空铝合金挤压型材结构，流线型空气动力学头部结构，摆式列车高速转向架^[5]。

2010年由中车青岛四方机车车辆股份有限公司自主研发的CRH（中国铁路高速列车）系列高速电力动车组，也是“中国高速列车自主创新联合行动计划”的重点项目，是中国标准动车组问世以前世界上商业运营速度最快、科技含量最高、系统匹配最优的动车组，持续时速350km，最高时速380km及其以上。后期衍生车型有CRH380A、CRH380B、CRH380C、CRH380D等系列^[6]。CRH380A短编车组（8辆）采用6动2拖编组方式，牵引功率为9600kW，采用低阻力流线型头部结构，使用SWMB-400/SWTB-400型无摇枕转向架，采用新型噪音吸收和阻隔技术材料，车厢内噪声保持在67~69分贝^[43][44]。

2012年11月原中国南车四方股份公司制造的中国首列时速 200km和谐号CRH6型城际动车组竣工下线，CRH6型城际动车组主要用于满足快速中短途城际和城市群大量旅客输送。最高运营速度200km/h，最高试验速度220km/h。动车组座席定员为557人、总定员为1488人。CRH6型动车组采用快速起停的设计，与干线相同速度等级高速动车组相比其加速时间和距离分别降低25%和20%，紧急制动时间和制动距离分别降低17%和22%。CRH6型城际动车组采用大载客量的铝合金车体，承载能力为17t的大轴重转向架，客室内的噪声不高于72分贝^[45]。

截至2021年12月底，铁路累计发送旅客243亿人次，其中动车组136亿人次^[46]。 截至2023年1月，中国高铁运营里程增长到4.2万km，实现对31个省区市的全覆盖，超七成旅客选择乘动车组出行^[47]。其中时速300km至350km的高铁运营里程1.57万km；时速200km至250km的高铁运营里程2.44万km，中国成为世界上唯一实现高铁时速350km商业运营的国家^[48]。2023年，国家铁路预计投产新线3000km以上，其中高铁2500km^[49]；全国铁路主要目标是：旅客发送量26.9亿人次，同比增长67.6%^[49]。

世界各国高速动车组技术人员有对高速动车组命名的传统^[50]，如德国人用了SE，法国人有GTV，欧洲有“欧洲之星”，日本有光号、小丁号等。中国高速动车组是节能、环保、人与自然的和谐，是技术本身的一种协调，同时也是一种美好的寄托^[50]。

中国动车组的标准化、系列化、统型化进程将进一步加快，动车组共有CRH1、CRH2、CRH3、CRH5、CRH380 型等多个平台，车型间存在较大差异，同一速度等级、不同技术平台各车型间车体、转向架、牵引等主要系统不同，在定员、车钩型式、通信方式、电源制式、检修修程修制、易损易耗件等方面均存在较大差异，不能实现互联运行^[51]。需要继续整合现有各平台技术，取长补短，提出适合中国未来发展的统一的总体技术方案，建立简统化的统一平台，实现模块化、谱系化^[52]。

在速度方面，加快新一代时速400km动车组研究，在制动、车体、转向架、牵引、高压受流等方面采用先进的技术手段，结合运用智能化技术，实现中国高速列车技术水平与应用性能的进一步提升^[53]。

在材料及能源方面，研究应用碳纤维复合材料、铝合金复合材料、镁合金等新型材料以及燃料电池、锂离子电池、超级电容器等新型能源或储能方式，促进动车组轻量化、更加节能环保^[54]。

习近平总书记对中国高铁发展极为关怀，肯定“高铁动车体现了中国装备制造业水平”“是一张亮丽的名片”^[55]。

中国和谐号动车组的发展有效带动了产业结构优化升级，为实现经济发展方式转变发挥了推动促进作用。带动了机械、冶金、建筑、橡胶、合成材料、电力、信息、计算机、精密仪器等高端产业发展^[55]。

中国和谐号动车发展有力促进了区域经济协调发展，为构建新发展格局、实现经济持续健康发展注入了新动能，便利了群众往来、加快产业聚集和促进区域经济协调发展^[55]。

中国和谐号动车组提高了中国铁路走出去的信誉，为实现高水平对外开放、推动共建“一带一路”高质量发展发挥了积极作用^[55]，和谐号CRH380A新一代高速动车组最高时速达到486.1km，再次刷新世界铁路最高运营时速，抒写中国高铁“速度传奇”^[8]。