【联队长说高铁16】概述西门子Velaro Novo高速动车组

第52战斗机联队

编辑于 2024年07月06日 04:51

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共13篇

本专栏主要内容是概述德国西门子集团正在研发的下一代高速列车Velaro Novo，是在先前有概述Velaro Novo的专栏的基础上更新，大部分内容不会重复，由我独立查找资料后书写。

德铁Velaro系列高速动车组定员数和计算重量的变化：

Velaro的前身：

①ICE3 Baureihe403（用于德国本土服务）【1】：

定员（最初假想）：一等座141人，二等座250人，合计391人，餐车空座24个

定员（2003年假想）：一等座101人，二等座349人，合计450人，餐车空座20个

定员（2017年假想）：一等座98人，二等座362人，合计460人

定员（2000年实际）：一等座98人，二等座331人，合计429人

定员（2003年实际）：一等座98人，二等座344人，合计442人

定员（2017年实际）：一等座101人，二等座349人，合计450人

空重（2000年）：409吨

空重（2017年）：435吨

图1：2000年的一等座（上）和2017年的一等座（下），图源：DB官网

图2：2000年的二等座（上）和2017年的二等座（下），图源：DB官网

②ICE3M/MF Baureihe406（用于德国跨境服务）【1】：

定员（最初假想）：一等座136人，二等座244人，合计380人，餐车空座24个

定员（2019年计划提升但未实施）：一等座99人，二等座345人，合计444人

定员（2000年）：一等座93人，二等座326人，合计419人

空重：435吨

Velaro系列：

①Baureihe407（用于德国本土和跨境服务）【1】：

定员（设计）：一等座111人，二等座333人，合计444人，餐车空座16个

定员（2013年）：一等座111人，二等座333人，合计444人

计算重量：492吨或495吨（接近CRH380BK和早期进口的CRH3C）

图3：BR407 407-712-715号车担当开往法兰克福的ICE819次列车通过科隆道依茨站，图源：维基百科用户Dammers

②ICE3 Neo Baureihe408（ICE3技术提升型，用于德国本土和跨境服务）【2】：

定员（目前）：一等座99人，二等座340人，合计439人，餐车空座16个

计算重量：460吨

图4：BR408，每侧车门数增加到12个，图源：模拟火车（Train Simulator）

③Velaro Novo

图5：Velaro Novo的概念图，图源：Siemens AG

Novo在Velaro D的基础上减重15%，使原先495吨的重量至少减少70吨，因此Novo计算重量为420吨【3】【4】。

Novo之所以减轻了重量，是因为其一方面采用搅拌焊接技术【3】，提高了车体焊接质量，使新型铝材车体的厚度从4mm下降到2mm【5】，另一方面实现了电气柜的小型化，并在牵引、辅助变流器中引入碳化硅器件，还采用了内置式转向架【7】。

图6和图7：Velaro Novo的车体，图源：文献【6】【10】

德国铁路公司（DB）在2013年12月15日在其官网网页上有这么一段话：“Dazu soll ein Rahmenvertrag über bis zu 95 Fahrzeuge abgeschlossen werden. In einer ersten Tranche will die DB 33 der maximal 400 Meter langen, mindestens 300 km/h schnellen, einstöckigen Züge mit rund 940 Sitzplätzen bestellen. Bevor die neue Zuggeneration in Betrieb geht, wird vorab ein Prototyp erprobt”，表示未来会采购长达400米，定员达到940人的高速列车。根据Novo的顶层设计指标包括载重量要增加10%【6】，要是和定员419人的ICE3M进行对比，那么7辆编组，长202米的Novo的定员数可以达到470人。

综上，Velaro系列动车组的计算重量有不断提高再努力下降的趋势，Novo在车体轻量化和定员扩大化方面相比前代Velaro有显著提升。

Velaro Novo的车体

Novo端部车长29.285米，中间车长28.75米，宽2880毫米【3】。对比地，CRH3C端部车长25.52米，中间车长24.175米，客室高2.25米；ICE2的中间车长26.4米；BR403端部车长25.835米，中间车长24.775米，高3890毫米【11】，BR407端部车长25.7米，中间车长24.2米，高4343毫米。推测Novo的客室高度不低于2.25米，车体高度不低于3890毫米。

7辆编组的Novo全长202米【8】。Novo由于采用“空管”概念，客室空间比既有的Velaro增大10%，过道宽度达到535毫米【12】。

按照西门子公司Velaro Novo项目人员Rene Trosiner的说法，车体可能会采用已经在BR408上加装的可以改善客室网络信号的车窗：“We are also examining the aerodynamic improvements we have made in the new train, enhanced mobile communications in the window panes, the floor coverings, paint structure, and even the restrooms. A broad spectrum, in other words: everything that’s feasible in a stand-alone test car will be checked off in the Novo test car in the next few years”【9】。

图8：Velaro Novo的车体，图源：Siemens AG

Velaro Novo的成本理念

Velaro Novo在降低能耗方面具有优异表现，其在法兰克福—科隆高速城际铁路上以300公里的时速开行时，其产生的能耗比既有的Velaro下降30%【13】。

为了达到降低能耗30%的目标，首先是降低列车的运行阻力。

①对车顶进行平顺化设计，将高压器件全都置于高压箱，将受电弓下沉。

西门子公司Velaro Novo项目人员Martin Krause表示：

“Wir haben es geschafft, die gesamte Stromabnehmer- und Hochspannungsausristung maximal zu verkleiden. Das war in der Vergangenheit nicht moglich, weil verschiedene Isolatoren offen auf dem Dach aufgebaut waren, durch die geforderten Spannungsabstande immer frei stehen mussten und dadurch nicht verkleidet werden konnten. Mit den neuen Technologien haben wir es geschafft,von dieser Notwendigkeit abzusehen. Das Einzige, was noch herausschauen muss, ist der angehobene Stromabnehmer. Der bekommt einen Ausschnitt im Dach, wo vorher eine groBe offene Flache war. Allein das bringt ungefahr acht Prozent Verbesserung beim Luftwiderstand【14】”，“我们设法最大限度地覆盖了整个受电弓和高压设备。这在过去是不可能的，因为车顶上安装了不同的绝缘子，因为总是需要必要的电气间隙，这意味着它们不能被封闭起来。有了新技术，我们设法摆脱了这种必要性。唯一需要注意的是升起的受电弓。受电弓位于车顶上的一个切口内，以前那里有一个很大的开放区域。仅此一项就会带来8%的空气阻力”。

图9：车顶制动电阻的封盖，图源：Siemens AG

图10：Velaro Novo的平顺化车顶（右），图源：Siemens AG

②不同于以往的Velaro只采用车间内风挡，Novo采用了车间全包外风挡和对转向架进行全包覆的裙板。

西门子公司Velaro Novo项目人员Martin Krause表示：

“Wenn Sie sich die Ziuge der Vergangenheit anschauen, sind immer bestimmte Dinge nicht glatt. Mal sind die Drehgestelle offen, mal gibt es bei den Wagenubergangen zwischen den Wagen Hohlraume. Wir haben es erstmalig geschafft, all diese Themen zu behandeln und deutlich zu verbessern.

Die groβe Neuerung betrifft die komplette Drehgestellverkleidung. Das ist etwas, was es in dieser Art auf der Welt noch nicht gibt. Wir haben es geschafft, durch das innengelagerte Drehgestell und die komplette Verkleidung um die funfzehn Prozent Luftwiderstandsverbesserung zu erlangen”，

“当你回顾过去时，某些事情总是不顺利。有时转向架是敞开的，有时在车厢的过道之间有空隙。我们第一次设法解决了所有这些问题，并显著改善了这些问题。

最大的创新涉及完整的转向架盖板。这样的设计在世界上任何地方前所未有。通过轴箱内置和全面的整流罩，我们成功地将空气阻力改善了15%”。

图11：Velaro Novo的转向架裙板，图源：Siemens AG

以往ICE3只采用半包裙板，为了降低噪声，在车体底架上涂上噪声吸收涂层。在转向架附近加装附加扰流器，用以限制会引起飞砟的涡流。从降低转向架阻力和噪声来说，上述做法效果有限。ICE3以时速300公里运行时的车外噪声与ICE2以时速280公里运行时相当，Novo的全包裙板和车间风挡可以进一步降低转向架和车厢连接处的噪声。

图12：ICE3MF的附加扰流器，摄于2006年，图源：维基百科

我国第一种采用全包裙板的高速列车是台湾高铁公司运营的700T，仅一位端转向架加装全包裙板。已知E2系横截面积为11.2㎡，CRH380A为11.05㎡，700T为12.34㎡，设空气密度为1.16kg/m³，编组16辆，则时速350公里条件下，估算CRH2C长编组的阻力系数为0.563，CRH380AL的阻力系数为0.57，700T为0.5。

图12：台湾高铁700T型电联车TR02编组第1节车厢，图源：维基百科用户Alec

西门子公司Velaro Novo的项目总监Michael Kopp曾公开表示，不断改进的空气动力学性能是提高能源效率和显著降低生命周期成本的一个基本先决条件。

③Novo采用新的低阻力头型。

Michael Kopp表示，新头型的纵向斜度略有增大：“Die strömungstechnisch weiter optimierten Endwagen mit einer stärker geneigten Frontfläche tragen ebenso wie die außenhautbündigen Wagenübergänge zu eine deutlich reduzierten Fahrwiderstand bei und verringern so den Energieverbrauch. Auch die Hochspannungsanlage auf dem Dach ist vollverkleidet und verbessert die Aerodynamik”【15】。

图13：Velaro Novo的头车侧视图，图源：Siemens AG

图14：Velaro Novo的头型，图源：Siemens AG

西门子公司Velaro Novo项目人员Martin Krause表示：

“For example, at first the designer wasn’t satisfied with the front section’s expression because it looked so “sad” – so the coupler doors had to be redesigned to make it "smile”. In terms of aerodynamics, we modeled, among other things, the angle of inclination, bulges, and edges. Based on all these boundary conditions, we ultimately settled on the front section design as a team. I think we’re all happy with the results”，“例如，一开始设计师对端部车的表情不满意，因为它看起来很“悲伤”——所以车钩罩必须重新设计，使其“微笑”，在空气动力学方面，我们对倾斜角、凸起和边缘进行了建模。基于所有这些边界条件，我们最终决定作为一个团队进行端部车的设计。我想我们都对结果感到满意”【14】。

综合以上的减阻设计，按照西门子公司宣称的以时速300公里运行时能耗降低30%且牵引系统效率比此前的Velaro提升5%的顶层设计指标，估计列车的运行阻力的降幅就是25%——低阻力头型减阻2%，平顺化车顶减阻8%，车间风挡和全包覆转向架减阻15%。

要降低动车组全生命周期的成本，还需要降低制动系统的磨耗。ICE3的再生制动功率只有8200kW，因此在时速300公里进行制动的时候，需要涡流制动机额外增加无磨耗的制动力。而在ICE3投入运营的最初几年，由于磁铁和钢轨之间气隙不够，涡流制动机不时在冬季潮湿和下雪的环境中，因为湿气渗透造成接地故障，制动机紧急断电，造成列车的最高限速从300km/h下降到230km/h。Velaro Novo采用了永磁牵引系统，结合电阻制动和再生制动，无磨耗制动功率可以达到20200（8400+11800）kW，接近牵引功率8000kW的两倍，而且在全速度范围内都可以实施电制动，大幅减少闸片磨耗，目前没有听说该列车会采用涡流制动。

在维护方面，西门子宣称列车可以配备各种测量设备和传感器，以便开展预测性和状态性的维修。

在外宣方面，西门子和阿尔斯通都不愿放低姿态。在车辆的维护方面，增加PHM这样的智能运维手段自不必说，但是按照德铁以往的ICE运用情况，笔者对Novo的修程能延长多少是存疑的。

图15：2002年ICE的修程

ICE3的低级修（B级修）最低里程是6万公里，低级修地点在法兰克福和慕尼黑，高级修（C级修）里程是120万公里，高级修地点在纽伦堡。B级修会检修轮对轴承、轴箱轴承和牵引电机，并进行轮对的更换，且慕尼黑动车段和法兰克福动车段均不负责状态修（A级修）。在DB的管理下，ICE3的行李架裂缝、厕所故障，空调故障还不会危及乘客的安全。直到2008年7月9日，一列ICE3因为一个合金轮轴断裂，在科隆火车站区域内脱轨，艾舍得死去的记忆突然攻击了德铁。轮对的保养间隔从30万公里锐减至6万公里，最重的车厢在行驶时要停用一个厕所。2008年10月，另一列ICET的相同材质的轮轴发现2mm的裂纹，ICE3的轮对的检查诊断的里程下降至3万公里。科隆脱轨事故发生后5年间，ICE3的轮对要在走行1.5万至6万公里就检查一次。在2015年至2017年，ICE3更换了新的钢质轮轴，新轮对检查诊断的里程可以从3万公里延长到IS530级检修的24万公里。在2010年，一列ICE又因为车门锁紧机构维护不善，螺母松脱造成一扇车门在300km/h的运行速度下飞脱，砸到了对向开来的ICE的餐车，造成六人受伤。DB被指在列车运用方面缺少适应性测试和质量管理。

显然，要想真正降低维护成本，DB的保养和质量把关相当重要。

Velaro Novo的牵引性能

图16：Velaro Novo的试验车厢“seeitnovo”在ICE-S的试验运行中达到360km/h【18】

Velaro Novo自2018年4月至今，其一节中间车已经编入ICE-S动检车，以最高达到360km/h的速度走行了12万公里。

该车的牵引性能关键数据未广泛公开，我只能作粗略估计。

以CRH380AN-0206的TQ600永磁同步电机和CRH380B、CR400BF的转向架参数作为参考：

TQ600相比YQ365，其输出功率635kW（额定功率690kW），功率密度提高31.5%，则TQ600的重量为615kg【7】【16】。TQ600起动转矩为3500N·m（实际输出3100N·m），又Novo的1DB2222永磁同步电机重775kg【17】，重量比TQ600增加26%，则1DB2222的起动转矩不应低于3900N·m，假设比TQ600增加1000N·m，达到4100N·m，又假设齿轮比为2.517，齿轮效率为97%，列车的新轮直径为920mm，半磨耗轮径为875mm，则7辆编组、5个动力转向架、半磨耗轮径下的起动牵引力为228.8kN；7辆编组、6个动力转向架、半磨耗轮径下的起动牵引力为274.6kN，则1DB2222的起动转矩不止4100N·m。

再假设1DB2222的起动转矩达到4200N·m，半磨耗轮径为885mm，齿轮效率为97.5%，则7辆编组、5个动力转向架、半磨耗轮径下的起动牵引力为232.9kN；7辆编组、6个动力转向架、半磨耗轮径下的起动牵引力为279.5kN。

达到西门子公司宣称的7辆编组在最高速度分别是320km/h和360km/h状态下起动牵引力分别是230kN和275kN的顶层指标。

假设半磨耗轮径为885mm，传动比为3.11，齿轮效率为97.5%，则7辆编组、4个动力转向架的列车的起动牵引力可以达到230kN。按照一些文章的介绍，ICE-S拥有很高的传动比【18】，那么ICE拥有过的最高传动比可能不是3.11，而是接近E2系新干线列车的3.6。

当齿轮比为2.517，全磨耗轮径为850mm，则360km/h的速度下牵引电机的转速为5655rpm，到了400km/h则为6283rpm，接近永济电机公司提出的一种为CR450设计的675kW的永磁同步电机的最高转速。

依据起动牵引力275kN，轮周牵引功率8000kW：

则列车的恒功率运行转折点在8000kW×3.6÷275kN=105km/h，即估计列车在0~105km/h的速度区间内保持275kN的牵引力输出。

到了105km/h后，列车达到8000kW的轮周牵引功率，则列车的轮周牵引力F（kN）按照F(v)=8000×3.6/v，v＞105km/h的规律下降。

假设Velaro Novo空重420吨，定员470人且每名乘客重80千克，使整车的计算重量修正为457.6吨，则结合Velaro Novo的低能耗设计水平，估计Novo在平直道定员载荷条件下，从0加速到200km/h的时间和CR400AF的用时相当【19】，从0加速到300km/h的时间和Velaro E的用时相当；Novo达到360km/h后的剩余加速度超过0.05m/s/s，Novo从0加速到360km/h的起动附加时间在140秒至150秒内。

目前我没有在DB的官网上看到ICE-S编入Velaro Novo的试验车厢“seeitnovo”在乌尔姆—斯图加特高速铁路上开行【20】，估计Velaro Novo的试验工作暂时结束。