第一节高速铁路概述
随着我国对外开放和高科技技术的发展,高速电气化铁路被列为铁道部重点建设项目,对高速铁路的技术研究和开发已成为国家科技攻关的重要课题.在广大科技人员的努力下,国内几条主要干线已相继提速,广深线车速定为200 千米/h,一些适应高速铁路的接触网结构已在线路上使用,它将使接触网技术带入新的领域,为此有必要了解高速铁路的相关知识
一、高速铁路相关的概念
1970年5月,日本在第71号法律《全国新干线铁路整备法》中规定：“列车在主要区间能以200千米/h以上速度运行的干线铁道称为高速铁路”.这是世界上第一个以国家法律条文的形式给高速铁路下的定义.1985年5月,联合国欧洲经济委员会在日内瓦签署的国际铁路干线协议规定高速铁路的列车运行速度为：新建客运列车专用型高速铁路时速为300千米/h;新建客货运列车混用型高速铁路时速为25千米/h.1986年1月,国际铁路联盟秘书长勃莱认为,高速列车最高运行速度至少应达到200千米/h.因此,国际上目前公认列车最高运行速度达到200千米/h及其以上的铁路叫高速铁路.
我国学术界定义(非官方定义)：新建铁路列车最高运行时速≮250千米,改建铁路列车最高运行时速≮200千米,可称之为高速铁路;时速160～200千米铁路称为快速铁路;高速铁路、城际轨道交通、城市客运铁路、以客为主适量兼顾货运的铁路均为铁路客运专线.
目前世界上有三种类型的高速铁路：一是既有线客货混运型;最高运行速度 200千米/h,如俄罗斯、英国等;二是新建客货混运型,最高运行速度 250千米/h,如德国、意大利等;三是新建客运专线型,最高运行速度可达300千米/h及其以上,如日本、法国、德国、西班牙、韩国等.高速列车按动力配置方式不同可分为动力分散型和动力集中型,按转向架形式不同分为绞接式和独立式.比较典型的如日本各系高速列车,属于动力分散型、独立转向架;法国的 TGV高速列车,属于动力集中型、绞接式转向架;德国的 ICE高速列车,属于动力集中型,独立转向架.
二、高速铁路的主要技术特征
1、高速铁路是当代高新技术的集成
在世界上,高速铁路的诞生是继航天行业之后,最庞大复杂的现代化系统工程.它所涉及的学科之多、专业之广已充分反映了系统的综合性.20世纪后期科学技术蓬勃发展,迅速转化为生产力的三大技术有：计算机及其应用;微电子技术、电力电子器件的实用化与遥控自控技术的成熟;新材料、复合材料的推广.高速铁路绝非依靠单一先进技术所能成功,它正是建立在这些相关领域高新技术基础之上,综合协调,集成创新的成果.因此,高速铁路实现了由高质量及高稳定的铁路基础设施、性能优越的高速列车、先进可靠的列车运行控制系统、高效的运输组织与运营臂理体系等综合集成,如图2-1-1所示.系统协调的科学性,则是根据铁路行业总的要求,各子系统均围绕整体统一的经营管理目标,彼此相容,完整结合.
高速铁路在实施中,从规划设计开始就把各项基础设施、运载装备、通信信号、运输组织及经营管理等于系统纳入整个大系统工程之中统筹运作.为实现总体目标,采用了多项关键技术.虽然这些新技术分别隶属于各有关的子系统,但其主要技术指标、性能参数是相互依存、相互制约的 ,均须经详细研究、反复论证与修订,才能保证实现大系统综合集成特性的要求,达到整个系统的合理与优化.
图2-1-1 高新技术综合集成的高速铁路总示意图
2、高速度是高速铁路高新技术的核心
不言而喻,高速铁路的速度目标值是由常规铁路发展到高速铁路最主要的区别.按照铁道部现行的规定,列车速度的级别划分见表2-1-1.
序号列车最高运行速度/千米·h-1列车级别
1 v≤120 普速列车
2 120<v≤200 快速列车
3 v>200 高速列车
列车运行速度是属第一层次的系统目标,只有将速度目标值确定之后才能选定线路的设计参数、列车总体技术条件、列车运行控制及通信信号系统：当然,运量规模、行车密度、运输组织、成本效益等也均是第一层次系统目标,但是在各种交通运输力式中,速度始终是技术发展的核心,它是技术进步的具体体现,所以速度目标应是第一位的.自20世纪后半叶以来,铁路旅客列车速度连续跃上三大台阶,60年代第一代高速列车,速度为230千米／h,80年代初第二代高速列车速度达到270千米／h,至90年代第三代高速列车速度已达到并超过了300千米／h.到2l世纪初,将要有350千米／h的高速列车问世.列车最高运行速度随着时代的进步不断提高,它体现了铁路的等级及其技术发展水平.但是对社会而言,旅客出行一般并不十分关注列车的最高速度,而关心旅行时间的缩短;只有提高旅行速度才能给旅客带来实惠.要提高旅速不是轻而易举的,这不仅只是列车的性能,还要看沿线的环境与条件,线路设计优劣,配套设施是否完善,还涉及行车组织及运营管理等,所以从整个系统来分析,列车旅速最能反映铁路的水平.当今,世界高速铁路区段旅速与最高行车速度之比最高的可超过0.8,而最低的不及0.6.重视提高旅速与最高速度之比也有利于获得良好的运营效果.所以说,高速铁路第一层次的技术核心指标是速度,它不仅是最高运行速度,还应包括高速列车的旅行速度.
3、系统间相互作用发生了质变
众所周知,常规铁路是一个庞大的综合系统,在长期的实践中,铁路行业的技术进步已获得科学的积累,至今巳形成了技术管理规程、系列规范、各种标准、各项规定等一整套可操作的法规,使具有复杂综合集成特性的铁路系统,有据可循、有序运作.在当今铁路系统中,运、机、工、电、辆各子系统的日常工作司各司其职,正常运转.然而,高速铁路情况大不相同,虽然它仍受铁路行业传统影响,但由于行车速度至少提高1倍以上,将引发铁路行业各系统及其相互关系的质变.过去用于常规铁路行之有效的法规不能照搬于高速铁路.高速铁
路从可行性研究,规划、设训、施工、制造到运营管理,都要超前、系统地进行研究才能付诸实施.随着速度的提高,各子系统原有的规律和相互间关系将转化为强作用而须重新认定.系统中某项参数或标准选择不慎都将引发连锁反应.例如,线路参数、路基密实度或桥梁刚度选择不合理,不仅是线路质量问题,还将影响列车运行的平稳性及可靠性,也干扰运输组织、行车指挥.反之,确定列车主要参数及性能也必须考虑线路参数与控制系统方案,否则最终都要制约整个系统效能的发挥.系统之间的关系远比常规铁路复杂.所以,在筹划高速铁路之初,必须从总体上估计到这一庞大系统更加复杂的综合特性,认真研究并协调各子系统主要技术参数变异的合理范围,重视新系统的强耦联特性.
4、系统动力学问题更加突出
前面已经阐明了高速铁路整体的主要技术特征,并说明了高速铁路与常规铁路在本质上的差异,下面将着重从总体上分析发生本质差异的基本原因,以便更深刻地认识对高速铁路技术系统提出的新课题.纵观世界,凡能独立自主建设高速铁路的国家,在筹划立项之初,对高速铁路的重大技术与经济问题都进行了全面的研究.特别是在确定基本功能与主要技术参数时,都根据各自的条件结合其国情与路情做了周密的调查,进行必要的理论研究与试验分析.其中,高速铁路系统动力学问题是这一切的根由.
(1)、高速铁路系统动力学问题
○1高速列车的振动与冲击问题
高速列车在线路上行驶,速度越高,激励车一线一桥系统发生的振动与冲击越强,致振的敏感因素越宽.振动与冲击的频响函数关系,主要取决于参振系统各自的动力学特性,它包括其内在的物理力学参量、相互间发生接触或约束的几何参量与物理参量.很明显,相互接触的物体其相对速度越高,在研究动载作用时应考察的截止频率越高,而可能发生的强作用点就越多：一般而言,振动与冲击动力响应的物理量(位移、速度、加速度)幅值是与速度的平方成正比的.在频域范围内,应考察的频率不仅取决于激励频率的高低,还与系统的固有频率密切相关.激扰频率与速度成正比,与接触表面沿速度方向上的几何变异之波长成反比.由此可见,高速铁路的基础设施及运载装备不但应具备优良的固有特性,还必须在界面上彼此都要保有均匀、平顺、光滑的特征.这是建立高速铁路各子系统都必须遵守的共性准则.
系统振动与冲击力学分析,最主要的日的是协调各子系统组成部分的特性参数,保证系统功能优化.对于高速铁路来说,最重要的是确保列车持续、安全、平稳运行.因此,必须预见在各种速度工况下系统的动力响应.突出的问题如：轮轨间接触力的变化,将影响列车牵引与制动的实现、轮轨的磨损与疲劳、运行的安全指标;车一线一桥系统的动力反应,将影响结构功能与列车平稳运行;弓网系统的振动,将影响授电效能及安全;所以动力响应是涉及高速行车技术深层次的基本问题,须认真处理.
○2．高速列车运行中的惯性问题
在系统振动与冲击的动力学分析中,主要着重于研究列车以常速在直线线路上运行的动力反应.实际上对更为复杂的问题,如列车起动或制动时的变速运行工况,通过平面曲线或变坡段竖曲线上运行及高速过岔等问题,只能简化为刚体动力学或弹性联接的多体动力学来分析.其基本点是在理想状态下分析选定系统的固有特征及界面特性,对更复杂的某些非稳态问题着重研究列车的走行性能,限定在低频城内研究列车运行中的惯性问题.预见高速列车运行中可能发生的纵向及横向加速度,前者与列车的牵
引制动性能、列车的操纵及线路纵断面有关,后者主要受线路平面设
计参数制约.
高速列车运行中的惯性问题直接影响旅客的安全与舒适.对
于安全性来说,列车速度在300千米／h以下时,安全条件阈值一般宽
于舒适度的要求,即只要满足了乘客舒适度就能保证安全的要求.但对超高速铁路来说条件就不一定总保持这样了,即在舒适条件范围内,超高速铁路系统中某些安全限值将超限.这是因为激扰频率增高以后,列车某些部件工作条件更不利于安全运行所致.所以,随着速度进一步提高,安全性将可能比舒适度有更严的要求,这是值得注意的.
对于舒适度,人体承受振动的能力与频率密切相关,根据试验结果(图2-1-2),其频率在10 Hz以下更为敏感,承受能力较低．从感到不适的加速度幅值来看约为0.1g左右.对于这种超低频振动横向加速度的承受能力,因人体质而异,它与姿态．年龄、性别、职业、经历图2-1-2 人体对振动反应的示意图
等都有关.一般采取在旅途中列车上抽样调查统计分析确定,现参考国外资料列于表2-1-2中.
列车运行加速或减速时,旅客均要承受纵向惯性力的作用,通常亦以加速度衡量：加速时由于受到牵引功率的限制,一般准静态(平均,以下同)加速度值都不超过0.05g,所以加速时在正常操纵下,不会给旅客带来不适感：但制动时为确保列车安全,整列车制动功率大,减速距离较短,如列车速度为300 千米／h时,紧急制动距离小于3 700米,其准静态减速度低于0.1g,考虑车辆制动时动作不一致将有冲动现象发生,但瞬时减速度将接近0.3g,这时旅客将感到不适,所以紧急制动只能在非常情况下使用.在一般常用制动情况下有较严格的规定,当制动参数取0.8或0.5并操纵得当,其减速度分别为0.075g及0.05g.所以,为保证列车行驶时旅客的舒适度必须重视运动中的惯性问题.这应从线路基本参数、列车性能及操纵技术予以保证.
(2)．高速列车空气动力学问题
○1列车空气阻力问题
地面交通系统都有一个难以避免的共性问题,这就是空气动力学问题.在地表大气层中,交通载体所受到的空气阻力、竖向力、横向力和压力波等与速度平方成正比,随着速度的提高急剧增加,从而成为提高地面高速交通速度主要的制约因素.高速列车时速超过200千米/h, 就必须认真研究这一问题.为减缓空气动力的影响,通过大比例风洞模型试验及三维有限元空气动力学理论分析,筛选设计方案,可作出技术经济合理抉择.其主要问题如下：在一定速度下,高速列车空气阻力及其他空气动力作用取决于列车的外形、列车的截面及外发面的光滑平顺度：所以,在列车的总体设计及车体没计中都必须周密处置,使整列车具有良好的气动性能.
○2)列车内部空气密封问题
高速运行的列车,由于各种气动效应影响使列车内外压差增大.若列车密封性差．则必将引起车内气压的变化;超过一定范围,将引起人体各种不适感.所以,对车窗、车门、车辆间连结风挡都要求具有良好的密封性.
○3线间距问题
两列相对行驶的高速列车在线路上会车时各种串气动力作用比单列车行驶时强烈,并将影响列车运行的平稳性与车内人员的舒适感.这种影响在其他条件一定的情况下,与高速
铁路的线间距成反比：高速铁路的线间距应根据车速、车宽、列车头形系数、车体密封程度、车窗玻璃承压能力等因素来考虑：若在高速线上有各种不同类型式列车运行,应顾及性能较差列车的承受能力.
○4隧道断面选择问题
对于有限界面的隧道而言,高速铁路的空气动力学作用将比在明线环境条件强烈,在一定速度下,其幅值主要与隧道断面的堵塞比密切相关.所以,列车速度越高,隧道断面应越大.对长隧道来说还必须考虑隧道内空气有较通畅的导流途径以缓解具动力效应.
2、对高速铁路主要子系统的基本要求
(1)．高速铁路的基础设施
高速铁路的基础设施是确保高速行车的基础.前巳论述,高速铁路与常规铁路相比最大的区别在于线路高平顺度特性方面.高平顺性最终体现是在轨道上,无论轨道是在路基上或在桥梁上,也无论是何种类型的轨道,都要求它不仅在空间要具有平缓的线型、高精度的允差、高光洁度的轨面,而在时间上还必须具有稳固的高保持性.由此决定了高速铁路基础设施各主要组成部分——路基、桥梁、隧道等的主要技术参数与技术规定,必须互相协调,使之整体上满足高速行车在运动学、动山学、空气动力学及运输质量方面各项技术指标;所有基础设施在运背管理方面还必须具备高可靠度与可维修、少维修的条件,以利降低成本及提高效能.
(2). 高速列车
高速列车是高速铁路的运输载休,是实现高速铁路功能的关键.为确保高速行车主要功能指标的落实,高速列车在车型、牵引、制动、减振、列控、检测、供电等一系列专业技术上都要取得重大突破.建立在轮轨系基础上的各型高速列车吸取了当代相关高新技术,已做出为世人瞩日的成就.为满足更高的目标需求,仍在不断更新换代,具技术发展永无止境.
(3)．高速铁路的运行控制、行车指挥及运营管理
高速铁路运行控制、行车指挥及运营管理各系统是确保高速铁路列车运行安全有序、发挥效率与效益的核心体系.虽然高速铁路与常规铁路相似,其主要软硬技术都由区间轨道电路、自动闭塞、车站计算机联锁等所构成的调度系统支持,但由于运行速度大幅度的提高,列车密度增加,行车组织节奏明显增快,高速铁路的运行控制及调度系统应更加完备,运输组织与经营管理体系应更加严密.高速铁路调度指挥系统是以行车调度为核心,集动车底调度、电力调度、综合维修调度、客运服务调度、防灾安全监控为一体的综合自动化系统,该系统应能确保高速高密行车的安全与效能.高速铁路的经营管理从模式、体制到运作方法都要适应新的形势,必须结合国情与路情作山切合实际的选择,以促进高速铁路效能发挥.
以上,从大系统总体观点概述了高速铁路的基本技术特征,并对现代化的高速铁路提出了系统的、原则的新要求.
三、高速铁路的主要技术经济优势
1、运行速度高
速度是高速铁路的技术核心,也是其主要的技术经济优势所在.1990年5月18日法国TGV的试验速度就达到了515．3千米／h.新世纪伊始,2001年5月26日,TGV高速列车从法国的加来跑到马赛,全程1 067．2千米,只用了3 h 29 米in47 s.其中前1 000kin只有3 h 9i米n,平均运行速度达到了317．,千米／h;最高运行速度达到了366．6 千米／h.迄今,高速铁路是陆上运行距离最长,运行速度最高的交通运输方式.近几年相继建成的高速铁路,其最高运行速度都在300kin／h左右,预计几年内将达到或突破350千米／h.
旅客出行在途中所花费的时间由’部分组成：一是山出发地(家)至始发站(港)的走行(或)短途运输方式的运行)时间及等待时间;二是所乘坐的交通运输方式白发站(港)至到站(港)的旅行时间干是由到站(港)至目的地(家)的走行(或短途运输方式运行)时间.不同的交通运输方式,其第一和第三部分时间(以下简称附加时间)是不同的.一般坐飞机,附加时间较长,而汽车就比较短,但对一定距离而言飞机的飞行时间要短于汽车的运行时问.就公路、铁路和航空而言,所谓某种交通运输力式的优势距离,即为旅客出行花费的总时间比其他交通运行方式都少的距离范围.速度越高,附加叫问越少,其优势距离范围就越大.
当代大交通系统中,高速公路、航空运输与铁路并存,且都在迅速发展.旅客选择运输工具主要出于对速度、安全、经济及舒适度的综合比较.随着经济的发展、人民生活水平的提高、社会活动节奏的加快,将进一步增强旅客的时间价值观念,对交通运输下县速度的要求将更为迫切.如果旅客出行的附加时间以高速公路为零,高速铁路为1 .oh,航空为2．5 h(上飞机前1．5 h,下飞机后1．oh),汽车平均运行速度取120千米/h,飞机巡航速度取700千米／h,高速铁路最高运行速度分别取210 千米／h,250 千米/h,300 千米／h和350 千米/h,从旅客总的旅行时间进行比较,具有利吸引范围为：
小汽车：优势距离在200千米以内;
航空：优势距离在1 000千米以上.
高速列车：速度为210千米／h,优势距离仅为300-500千米;
速度为250 千米／h,优势距离为250—600 千米;
速度为300 千米／h时,优势距离为200—800 千米;
速度为350 千米／h时,优势距离为180—1 100 千米(图1．3 1).
但旅客出行选择交通运输力式,除考虑时间节省(优势距离)外,还需综合考虑票价、舒适性、安全因素等.如果加上安全、舒适及票价等因素,高速铁路的有利吸引范围还将有所扩展,即使速度目标定为300千米／h,上限也将在1 000千米以上.
某种运输方式的优势距离不等于其线路的长度范围：线路的长度指一条线两端点站间的距离.比如高速公路的优势距离在200千米以内,其线路长度超过200 千米者不胜枚举;航空优势距离在1 000 千米以上,小于1 0130 千米的航线和航班也有的是;高速铁路优势距离在200 千米—800千米间,小于200千米(如德国的曼海姆——斯图加特99 千米)和大于800千米(如闩本的东海道与山阳新干线计1 069 .4 千米)都有.高速公路和高速铁路都要为沿线的旅客服务,通过汽车和列车中途停站或开行短距离的班车,吸引沿线客流.京沪高速铁路全长1 300多公里,而旅客平均行程只有400余公里,北京——上海的客流只占总发送量的7％左右,其周转量也不到20％.因此,修建京沪高速铁路的目的决不仅仅是为了与航空争北京——上海的客流,而主要的市场是沿线各站到发的客流.
列车运行距离指该列车始发站至终到站间的距离.除两站间的直达列车外,一般列车在中途却要停车上下旅客,既为长途旅客服务,也为短途旅客服务.列车的运行距离可小于或大于铁路运输的优势距离;也可小于或大于(如跨线运行的列车)某一线路的长度 .
弄清楚优势距离、线路长度和列车运行距离的概念及其相互间的关系后,就不难理解最高运行速度为300千米／h的高速铁路其优势距离在200～800kn／间,而修建长达1 300多公里的京沪高速铁路的合理性了 .
2.、运输能力大
高速铁路旅客列车最小行车间隔可以达到3米ln,列车密度可达20列／h.每列车载客人数也比较多,如采用动力分散方式及双层客车,其列车定员可达1 200—1 500人／列,理论上每小时的输送能力可以达到2x 24 000—2x 30 000人.四车道的高速公路每小时的输送能力约为2x4 800人,2条跑道的机场每小时的吞吐能力约为2x 6000人.可见高速铁路的运输能力是高速公路和民用航空等现代交通运输方式不可比的.我国拟建中的京沪高速铁
路,追踪列车间隔时间按3米in设计,高速列车定员初定为1200人／列,每年可完成1x6 500万人的输送任务,且还有进一步扩大其运输能力的空间.京沪高速铁路远期运量将达2x 5 500万人／年以上,这是其他现代交通运输方式难以胜任的.
随着经济的发展及人民物质文化生活水平的提高,其潜在的客流量是很大的.我国需要发展高速度、大运量的公共交通体系：高速铁路运输能力大的特点在我国将得到充分发挥.
3、安全性能好
安全是人们出行选择交通运输方式的首要因素.尽管各种现代交通运输方式都竭力提高自身的安全性能,但交通事故仍时有发生.日本每10亿人公里死亡人数既有铁路为1．97人,汽车为18．9人.欧洲铁路共同体14个成员国,每年因公路交通事故死亡54 000人,伤170万人,超过铁路的125倍.美国死于高速公路交通事故者每年约5万人.据铁道科学研究院承担的“我国高速铁路的社会成本及对社会的贡献”课题的研究,我国交通运输中每亿人公里交通事故死伤人数公路为死亡10.5人,重伤24.88人;民航为死亡0.1人,受伤0.01人;铁路为0.29人,重伤0.72人.每人公里交通事故造成的损失公路为0.064 9元;民航为0.000 5元;铁路为0.001 8元.
高速铁路采用了先进的列车运行控制系统,能保证前后两列车必要的安全距离,防止列车迫尾及正面冲撞事故.几乎与行车有关的固定设施与移动设备,都有信息化程度很高的诊断与监测设备,并有科学的养护维修制度.对一些有可能危及行车安全的自然灾害,设有预报预警装置.所有这些构成了高速铁路现代化的、完善的安全保障系统.这一系统可以防止人为的过失、设备故障及自然灾害等突发事件引起的事故.高速铁路在国外已有近39年运营实践,除德国1998午6月3日发生的翻车事故外,在其他国家从未发生乘客伤亡事故.其中日本39年来已安全运送近70亿人次的旅客,每天要到发800多列高速列车,无一伤亡事故发生.这是其他仟何现代交通运输方式难以做到的.相比之下,高速铁路是当今最安全的现代高速交通运输方式.
4、全天候运行
高速铁路的安全保障系统不但保证了高速列车运行安全,也使铁路运输全天候的优势得到了更充分的发挥.高速铁路系有轨交通系统,且取消了地面信号.因而,除可能危及行车安全的自然灾害外,几乎不受天气和气候条件的影响,且24小时都可安全地正常运行.
由于高速铁路事故率几乎为零,再加上全天候都可正常运行,因此高速列车始终是在一个十分稳定的系统中运行,其正点率非常高.日本东海道新干线列车平均晚点不到o.3 米in,几乎与钟表一样的准.这是其他任何一种现代交通运输方式都做不到的.西班牙A VE高速列车晚点5米in,就要向旅客退回全部票款.这也是其他任何一种现代交通运输方式不敢承诺的.
5、能源消耗少
交通运输是能源消耗的大户,能耗标准是评价交通运输方式优劣的重要技术指标.研究表明：若以普通铁路每人公里消耗的能源为1单位,则高速铁路为1. 3,公共汽车为1．5,小汽车为8.8,飞机为9.8.高速铁路大约是小汽车和飞机的1／5.高速铁路使用的是二次能源——电力,而汽车、飞机使用的是不可再生的一次能能源——汽抽.因此,发展高速铁路,符合我国的能源发展战略.随着水电和核电的发展,高速铁路在能源消耗方面的优势还将更加突出.
6、占用土地省
交通运输,尤其是陆上文通运筋,由于要修建道路和停车场,需要占用大量的土地,而且大部分是耕地,双线高速铁路路基面宽9.6～14 米,而4车道的高速公路路基面宽达26米.双线铁路连同两侧排水沟用地在内,每公里用地约70亩;4车道的高速公路每公里用地要105亩.。
