1.1 行业概况

轨道交通车辆是现代铁路运输体系的骨干，对国民经济发展起重要的作用。轨道交通车辆发展历史悠久，主要分为客车、货车、机车三大系列。随着轨道交通车辆的发展，产品谱系呈现多元化、系列化的发展趋势。轨道客车包括高速动车组、城际动车组、干线铁路客车、城轨地铁及有轨电车等；铁路货车分为通用货车和专用货车，主要类型有棚车、罐车、敞车及平车等；铁路机车分为客运机车、货运机车、客货通用机车、调车机车及工矿机车，产品类型有蒸汽机车、柴油机车、内燃机车及电力机车等。当前，轨道交通车辆正朝着高速、重载、便捷的方向快速发展，并取得了一系列重大成就。

1.1.1 客车产业概况

1.高速动车组

1964年，日本建设了第一条高速铁路，开启了世界铁路发展的新时代。1981年，法国将高速铁路发展推向新阶段，带动了整个欧洲高速铁路的发展；随后，德国、西班牙纷纷投入建设高速铁路。21世纪以来，我国高铁实施“引进来、走出去”的发展战略，从引进消化到自主创新，再到深化创新，高铁产业发展迅猛，带动了轨道客车产业高速发展。我国高铁产业发展线路图如图1-1所示。

2007年，时速200km动车组上线运行；2008年，中国拥有了第一条时速350km的高速铁路——京津线；2009年，中国拥有了世界上运营里程最长、速度等级最高的高速铁路——武广线。近十年来，以高速列车为代表的中国轨道客车产业增长迅速。2017年年底，铁路运营里程12.7万km，其中高速铁路达2.5万km，形成了“四纵四横”的高速铁路网；2019年年底，全国铁路里程达到了13.9万km，其中高速铁路达3.5万km，基本实现了“八纵八横”的规划目标，动车组总量已超3000组；预计到2025年，铁路运营里程将突破17万km，高铁线路占比将进一步增加（见图1-2）；同时随着印尼、泰国、马来西亚及俄罗斯等出口项目的启动，轨道客车海外市场空间广阔。高铁，已成为中国制造的亮丽名片。

中国高速铁路线路统一运营构造速度达250km/h以上的电力动车组列车，车次分G、D、C字母开头三种，车辆分CRH和CR系列车型。CRH1/2/3/5为时速200km和谐号动车组，CRH380A/B为时速300km动车组，CR400AF/BF为时速350km复兴号中国标准动车组（见图1-3）。

2.铁路客车

长期以来，我国的铁路客运在国民经济的发展中发挥了重要作用，目前我国拥有干线客车4万余辆，包含硬座车、硬卧车、软座车、软卧车及公务车等。其材质已由普通碳素钢发展为低合金耐候钢，耐蚀能力逐步增强，材料强度级别从235MPa提升至355MPa，甚至达到450MPa。材料性能的改进提高了铁路客车的耐蚀能力及轻量化水平，也为提升列车速度等级及综合服役能力奠定了基础。从20世纪90年代初开始，铁路客车由22型转向25型，同时，伴随着高速铁路的发展，干线铁路客车也迎来了升级换代，在不断提速的同时，车辆品质和乘坐舒适性也大大提高。干线铁路客车产品谱系如图1-4所示。

3.城轨地铁

城轨地铁作为一种快捷便利的公共交通方式，自1863年在英国问世以来，受到全球众多城市和广大民众的普遍欢迎。欧美国家城轨地铁发展历史悠久、运营线路成熟，但老的车辆已面临更新换代。中国城市轨道最早始于1906年天津的有轨电车，先后经历了萌芽起步、启动建设及蓬勃发展三个阶段，尤其是近十年，我国城轨地铁开通的城市数量由2009年的10个扩大至2019年的35个，运营里程由2009年不足1000km扩大至2019年5400余km（见图1-5），预计在未来10年还会呈现倍数增长，运营里程将突破2万km，市场前景极为广阔。

目前城轨地铁主要分为不锈钢及铝合金两种材质的车辆，速度等级为80~120km/h。不锈钢车辆多为无涂装车辆，如青岛8号线、香港市区线；铝合金车辆以其轻量、节能的特点，近几年也得到大量应用，如新加坡地铁、上海地铁等。碳纤维增强复合材料是近几年来发展迅速的车辆功能材料，已在时速140km新一代地铁列车中得以大规模采用，应用前景广阔。典型的城轨地铁车辆如图1-6所示。

1.1.2 机车产业概况

世界上最早出现的机车是蒸汽机车，之后又出现了内燃机车、电力机车（见图1-7）。机车作为铁路客车和货车的牵引，发展历史悠久，按照用途又分为客运机车、货运机车、客货通用机车、调车机车及工矿机车等，是铁路运输的“火车头”；动力分散式列车出现以后，逐渐发展成为目前的动车组及城轨地铁，慢慢改变了人们对传统火车头的概念。

几十年来，我国一直是世界铁路大国，也是铁路机车大国。截至2018年年底，我国铁路机车总保有量2万余台，电力机车比重已超过60%，内燃机车占比不足40%。虽然机车产量和总保有量均有所降低，但机车的质量和性能在不断提升。通过技术引进和创新发展，我国电力机车的可靠性、耐久性、经济性和能源利用效率都有相当大的提升。然而，与世界铁路机车的先进技术相比，其仍有相当大的发展空间。

1.1.3 铁路货车产业概况

重载铁路运量大、效率高、运输成本低，一直是货物运输的重要手段，受到世界各国的广泛重视，目前我国货运列车已进入高速、重载的快速发展阶段。我国货运机车单机牵引达5000t，双机牵引10000t以上，运营速度达120km/h。载重80t运煤敞车、载重120t、轴重40t的矿石车也已批量出口，我国重载货运装备在轴重和载重增大、车体轻量化新材料运用、低动力转向架以及车辆牵引、制动能力提升方面持续发展。车辆通用性逐步弱化，而专用性日益加强。中国国家铁路集团有限公司既有线上运行的通用装备轴重达25t、载重达80t、牵引吨位达10000t，已基本达到线路最大运行极限。新建专用重载线路将推动重载货运装备发展，国际能源大国大宗矿石运输成为我国自主研发制造重载货运装备的新市场。铁路货车产品谱系如图1-8所示。

1.1.4 高速磁悬浮

磁悬浮交通是一种有别于传统轮轨技术的新型轨道交通模式，具有加速制动快、能耗低、环境友好等特点。经过近半个世纪的发展，德国与日本已形成常导和超导两条技术路线，近年来还面向不同应用场景创新发展了多种技术思路。与德国、日本相比，我国开展磁悬浮列车研究起步较晚。21世纪初引进了德国的常导磁悬浮技术，在国家的大力支持和政策推动下，目前已全面掌握了中低速磁悬浮交通的关键技术，并先后于2014年、2017年开通了长沙和北京中低速磁悬浮示范线（见图1-9），目前，正在开展时速200km的中速磁悬浮关键技术攻关。在高速磁悬浮方面，建设了上海高速磁悬浮交通示范运营线，最高时速可达430km。当前，中车四方正在研制时速600km高速磁悬浮列车，2020年6月21日，时速600km高速磁悬浮试验样车在上海同济大学磁悬浮试验线上成功试跑，这标志着我国高速磁悬浮研发已取得重要新突破，一列工程样车在2020年年底下线，逐步形成高速磁悬浮系统的全套技术和工程化能力。

1.1.5 车辆服役环境的挑战

轨道车辆需要适应高温、严寒、风沙、冰雪、海洋及隧道等复杂的运营环境（见图1-10），承受高速、动载、交变的冲击载荷工况，为满足车辆的安全可靠性、高速舒适性及运行平稳性的基本要求，列车结构设计特殊、材料应用形式多样：譬如牵枕缓采用封闭插接箱型结构、司机室采用三维复杂曲面结构，铝合金车身采用25m长大薄壁型材结构；车辆材料基本为壁厚0.6~80mm不等，材质为超薄壁铝合金、高强韧不锈钢、高强高耐候钢等材料；车辆制造工程问题复杂，车辆材料需满足强度、精度、轻量化、耐蚀性、气密性及抗疲劳能力的工程要求。同时，随着轨道客车运营速度的提高和运行区域的扩大，其所经受的作用关系、地理气候、运用工况日益复杂和严峻，因此解决各种恶劣服役环境的振动、冲击、疲劳、腐蚀等适应性问题，是一项具有挑战性的世界难题。