中國(guó)鐵路提速相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的探討與研究

1、中國(guó)鐵路提速相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的探討與研究    中國(guó)鐵路提速技術(shù)已到達(dá)國(guó)際先進(jìn)水平，取得的一系列技術(shù)成果保證了提適列車(chē)的運(yùn)行平安，加快了鐵路產(chǎn)業(yè)整體的升級(jí)，促進(jìn)了鐵路全行業(yè)跨越式開(kāi)展，本文闡述了中國(guó)鐵路提速的技術(shù)難點(diǎn)，介紹了提速工程6方面的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)成果。對(duì)國(guó)內(nèi)提造裝備主要技術(shù)性能指標(biāo)與國(guó)外同類(lèi)技術(shù)成果進(jìn)行了比擬。     1997午4月1日鐵道部宣布全國(guó)鐵路實(shí)施第-次大提速以來(lái)，繁忙干線上的旅客列車(chē)的最高運(yùn)行速度從原來(lái)的110 km/h提高到160 kmh，有些線路最高可達(dá)200km/h。截至2002年，

2、全國(guó)鐵路提速的總里程已達(dá)13838 km。     提速后形成了以北京、上海、廣州為中心的3個(gè)提速行動(dòng)圈，在離這3個(gè)中心500km旅程內(nèi)，當(dāng)天可往返；1500km旅程內(nèi)，"夕發(fā)朝至"；20001500km的旅程，24h左右即可到達(dá)。    新型提速機(jī)車(chē)已推廣1290臺(tái)，快速車(chē)廂3741輛，新型提速道岔8453組，超長(zhǎng)無(wú)縫線路5449km，新型軌枕608萬(wàn)根，加固橋梁1484座，四顯示自動(dòng)閉塞延展里程4000km，新型機(jī)車(chē)信號(hào)6809臺(tái)，平交改立交道口1907處，封閉柵欄5132km。這些技術(shù)成果

3、大面積推廣，保證了提速列車(chē)的運(yùn)行平安，加快了鐵路產(chǎn)業(yè)整體的升級(jí)，促進(jìn)了鐵路全行業(yè)跨越式開(kāi)展。        < p>    鐵路提速工程的實(shí)施取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。全國(guó)鐵路的客運(yùn)量及客運(yùn)周轉(zhuǎn)量在提速后迅速增長(zhǎng)(圖1，2)，在旅客運(yùn)價(jià)率不變的前提下，1997-2000年鐵路客運(yùn)收入以平均每年33.1億元的幅度遞增，與提速前的1996年相比，總計(jì)4年內(nèi)客運(yùn)增收了306億元，貨運(yùn)收入也大幅度增加。鐵路全行業(yè)于1999年實(shí)現(xiàn)了扭虧轉(zhuǎn)盈的戰(zhàn)略目標(biāo)，比預(yù)期提前了1年。"中國(guó)鐵

4、路提速工程成套技術(shù)與裝備"榮獲2002年度國(guó)家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。    1 中國(guó)鐵路提速的技術(shù)難點(diǎn)在中國(guó)既有鐵路上實(shí)施提速具有非常大的難度，主要表達(dá)在2個(gè)方面：    (1)中國(guó)所有的既有鐵路設(shè)計(jì)速度均在120km/h以下，而且是客貨共線運(yùn)行、不同等級(jí)列車(chē)混跑。因此線路平縱斷面標(biāo)準(zhǔn)低，彎道多，曲線半徑偏小，道岔標(biāo)準(zhǔn)低，橋梁承裁能力缺乏，要將列車(chē)速度提高到140160kmh，又不能進(jìn)行全面改造，無(wú)疑是一個(gè)大難題。同時(shí)，提速后不同等級(jí)列車(chē)之間速差的加大，會(huì)降低列車(chē)密度。降低線路的運(yùn)輸能力，這村運(yùn)輸能力本來(lái)就十分緊張的中國(guó)

5、鐵路，是難以接受的。    (2)中國(guó)鐵路線上，提速目標(biāo)是將旅客列車(chē)速度提高到160km/h，同時(shí)普遍開(kāi)行5000t重載貨物列車(chē)，并保持運(yùn)輸高密度，這在國(guó)際上尚無(wú)先例。    在確定提速戰(zhàn)略前，鐵道部曾向國(guó)際鐵路聯(lián)盟(UIC)專(zhuān)家及國(guó)際重載鐵路協(xié)會(huì)(IHHA)專(zhuān)家清教，他們答復(fù)是"沒(méi)有任何經(jīng)驗(yàn)"。理由很簡(jiǎn)單，正如國(guó)際上著名的鐵路專(zhuān)家，日本高速鐵路設(shè)計(jì)負(fù)責(zé)人之一岡田宏博士所說(shuō)："在同一線路上開(kāi)行高速列車(chē)和重載列車(chē)，就如同讓油水共處-樣，是一件十分困難的事情。因?yàn)橹剌d列車(chē)對(duì)軌道產(chǎn)生極大的破壞力，導(dǎo)致

6、軌道不斷變形，而高速列車(chē)卻對(duì)軌道平順要求的精度非常高，要保證兩者的正常運(yùn)行，必須擁有高度的設(shè)計(jì)、維修和管理技術(shù)。"    2  對(duì)提速工程6方面關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)    中國(guó)鐵路提速工程成套技術(shù)與裝備的攻關(guān)首先必須依靠自力更生。因?yàn)榧词箛?guó)際上有成套技術(shù)裝備可以引進(jìn)，但按中國(guó)鐵路提速的要求，要在幾年內(nèi)提供上萬(wàn)組新型道岔，幾千輛新型機(jī)車(chē)車(chē)輛等，如此人數(shù)量的裝備要依靠從國(guó)外引進(jìn)，在時(shí)間上也無(wú)法保證兌現(xiàn)，更何況國(guó)外成熟的產(chǎn)品也可能不適應(yīng)中國(guó)鐵路特有的復(fù)雜運(yùn)輸條件。1995年鐵道部成立了"全路提速科技領(lǐng)導(dǎo)小

7、組"，同時(shí)，確定具有綜合研究實(shí)力的鐵道科學(xué)研究院承當(dāng)工程攻關(guān)的總體；聯(lián)合有關(guān)企業(yè)、鐵路局、院校共34個(gè)單位共同對(duì)提速工程6方面的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)。    2.1 提出輪軌關(guān)系理論的新創(chuàng)見(jiàn)并取得實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證    提速列車(chē)運(yùn)行平安的根本問(wèn)題就是在中國(guó)鐵路具體的線路工況下，確保列車(chē)提速后不會(huì)脫軌。以鐵道科學(xué)研究院工程研究組為主，聯(lián)合有關(guān)院所的專(zhuān)家一起對(duì)線路與列車(chē)相互作用的動(dòng)力學(xué)理論進(jìn)行科學(xué)的探索，其目標(biāo)是以中國(guó)既有鐵路在5000t重載列車(chē)運(yùn)行條件下的線路工況為根底，進(jìn)行輪軌關(guān)系的理論研究，以期取得研究成果，直接指導(dǎo)提速機(jī)車(chē)

8、車(chē)輛的動(dòng)力學(xué)懸掛參數(shù)設(shè)計(jì)和既有線線路結(jié)構(gòu)改造。    輪軌關(guān)系理論研究的新成果包含的內(nèi)容為以下4個(gè)方面：    (1)動(dòng)力學(xué)分析的敏感波長(zhǎng)組合不平順?lè)椒?。采用這種方法可以對(duì)每一種被研究的機(jī)車(chē)車(chē)輛在線路上下。方向、水平偏差等不平順的單獨(dú)作用下，分析其輪軌力、脫軌系數(shù)、振動(dòng)加速度等動(dòng)力學(xué)指標(biāo)隨不平順波長(zhǎng)的變化情況，確定各種不平順的敏感波長(zhǎng)，然后對(duì)敏感波長(zhǎng)的不平順進(jìn)行組合，研究在組合不平順作用下機(jī)車(chē)車(chē)輛的動(dòng)力學(xué)行為。    (2)機(jī)車(chē)車(chē)輛非線性橫向運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性理論及數(shù)值分叉方法。該研究考慮了輪軌接觸幾何

9、學(xué)非線性、彈性滑動(dòng)飽和非線性、懸掛剛度和阻尼非線性以及電機(jī)轉(zhuǎn)矩等的影響，引入了分析機(jī)車(chē)車(chē)輛橫向穩(wěn)定性的一組判別原那么，采用亞臨界Hopf分又速度和脫軌速度描繪出機(jī)車(chē)車(chē)輛橫向穩(wěn)定性的完整圖像。    (3)應(yīng)用函數(shù)型摩擦系數(shù)改良和開(kāi)展了Kalker滾動(dòng)接觸理論。該研究克服了基于庫(kù)侖摩擦定律的輪軌滾動(dòng)接觸理論在速度較高時(shí)誤差較大的問(wèn)題，在速度較高時(shí)提高了動(dòng)力學(xué)分析精度。    (4)采用三次樣條函數(shù)法確定輪軌幾何關(guān)系，應(yīng)用優(yōu)化的磨耗型踏面與機(jī)車(chē)車(chē)輛懸掛參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)相結(jié)合，提高穩(wěn)定性臨界速度。    

10、;上述理論的正確性在提速機(jī)車(chē)車(chē)輛設(shè)計(jì)與試驗(yàn)中均得到了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，見(jiàn)表1，表2。            輪軌關(guān)系理論研究成果在提速研究中有其特殊重要的意義。根據(jù)既有線路在重載列車(chē)運(yùn)行條件下，線路養(yǎng)護(hù)條件可以到達(dá)的不平順控制標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算分析捉速機(jī)車(chē)、客車(chē)及動(dòng)車(chē)組所必須具備的懸掛系統(tǒng)參數(shù)，而根據(jù)這些設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)計(jì)研制的提速列車(chē)在既有線路上試驗(yàn)時(shí)，所得到的動(dòng)力學(xué)性能結(jié)果與分析計(jì)算值比擬吻合。這為研制開(kāi)發(fā)適應(yīng)既有線路條件的提速列車(chē)創(chuàng)造了有利條件，具有創(chuàng)新意義。  

11、0; 2.2 研制開(kāi)發(fā)"中華牌"完整系列的提速機(jī)車(chē)    160200kmh新型快速機(jī)車(chē)、客車(chē)及動(dòng)車(chē)組的開(kāi)發(fā)，適應(yīng)了中國(guó)既有線路的平縱斷面條件，是提速工程中最耀眼的創(chuàng)新成果。通過(guò)輪軌關(guān)系的理論研究與線路試驗(yàn)，根據(jù)全路提速的需求，全國(guó)10余家大型機(jī)車(chē)車(chē)輛制造企業(yè)在鐵道科學(xué)研究院等單位配合下，相繼研制出一批新型的快速機(jī)車(chē)車(chē)輛，填補(bǔ)了我國(guó)機(jī)車(chē)車(chē)輛產(chǎn)品系列的空白。在短短78年時(shí)間內(nèi)，新型的快速機(jī)車(chē)(SS9型電力機(jī)車(chē)，SS7D型電力機(jī)車(chē)，DF4Dz型內(nèi)燃機(jī)車(chē)等)；快速客車(chē)(25K型高包軟臥車(chē)、軟臥車(chē)，硬臥車(chē)、餐車(chē)、硬座車(chē)、雙層客車(chē)入快速動(dòng)車(chē)組(

12、大白鯊號(hào)電動(dòng)車(chē)組，新曙光號(hào)內(nèi)燃雙層動(dòng)車(chē)組，神州號(hào)內(nèi)燃雙層動(dòng)車(chē)組，北亞號(hào)內(nèi)燃液力動(dòng)車(chē)組，春城號(hào)電動(dòng)車(chē)組等)紛紛問(wèn)世并相繼投入運(yùn)營(yíng)。這些快速列車(chē)與動(dòng)車(chē)組最高運(yùn)行速度到達(dá)160200kmh，在轉(zhuǎn)向架、制動(dòng)、牽引3個(gè)重要技術(shù)領(lǐng)域均有重大技術(shù)創(chuàng)新。新型轉(zhuǎn)向架采用了優(yōu)化的懸掛參數(shù)及空心軸六連桿彈性傳動(dòng)，其穩(wěn)定性與平穩(wěn)性指標(biāo)優(yōu)良；采用了新型大功率盤(pán)形制動(dòng)及電子防滑器，緊急制動(dòng)距離等重要制動(dòng)指標(biāo)到達(dá)國(guó)際先進(jìn)水平；采用了不等分三段相控整流橋及串勵(lì)脈流牽引電機(jī)等新技術(shù)，在牽引起動(dòng)力及變壓器總?cè)萘康戎匾獱恳笜?biāo)上有重大突破，這些指標(biāo)均到達(dá)國(guó)際同類(lèi)產(chǎn)品先進(jìn)水平。    2.3關(guān)

13、鍵性軌道部件的研制與線路、橋梁，接觸網(wǎng)改造技術(shù)    由于既有線路不可能進(jìn)行大規(guī)模的改造，因此提速工程的總體戰(zhàn)略是采用新型高穩(wěn)定性能的機(jī)車(chē)車(chē)輛來(lái)適應(yīng)既有線路結(jié)構(gòu)。但是線路結(jié)構(gòu)方面仍有3大關(guān)鍵問(wèn)題必須解決：一是既有的道岔由于存在有害空間，對(duì)提速列車(chē)將產(chǎn)生危險(xiǎn)的動(dòng)力激擾，必須更換；二是短鋼軌的接頭將產(chǎn)生周期性激擾，嚴(yán)重影響提速列車(chē)舒適性；最后是小半徑曲線的地段不適應(yīng)提速。針對(duì)這些問(wèn)題工程組攻關(guān)開(kāi)發(fā)了一批具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的關(guān)鍵性軌道部件，如12號(hào)提速道岔，跨區(qū)間無(wú)縫線路，型混凝土軌枕和彈性扣件等。這些部件研制具有大的難度，為防止現(xiàn)場(chǎng)更換提速道岔而引起站場(chǎng)大規(guī)模改造，提速

14、道岔線型設(shè)計(jì)必須保持道岔中心及轍叉理論交點(diǎn)位置不動(dòng)，以便在外形長(zhǎng)度根本不變情況下更換既有的道岔，為此提速道岔采用了藏尖式尖軌尖端設(shè)計(jì)，跟部設(shè)限位器，并創(chuàng)造性地將60AT鋼軌的軌底長(zhǎng)吱熱加工旋轉(zhuǎn)90度，形成凸緣，用于心軌一動(dòng)轉(zhuǎn)換桿件的安裝。同時(shí)采用長(zhǎng)翼軌式結(jié)構(gòu)，用60AT鋼軌模鍛出特種斷面，使道岔可靠性提高與使用壽命延長(zhǎng)。中國(guó)提速道岔的技術(shù)已位居世界前列。    跨區(qū)間無(wú)縫線路技術(shù)也已到達(dá)國(guó)際先進(jìn)水平，不僅解決了理論計(jì)算方法的難題，而且解決了膠接絕緣接頭強(qiáng)度，大跨度混凝土連續(xù)梁橋無(wú)縫線路鋪設(shè)等技術(shù)難點(diǎn)?，F(xiàn)在上海一南京全長(zhǎng)303km根本上只有1根鋼軌，無(wú)一接

15、頭，其長(zhǎng)度已居世界前列。曲線區(qū)段線路參數(shù)的優(yōu)化技術(shù)，橋梁平安評(píng)占及加固技術(shù)，電氣化線路接觸網(wǎng)改造技術(shù)等方面也都取得重大突破，并建立了提速線路養(yǎng)護(hù)維修體系，實(shí)現(xiàn)了最少投入原那么下使既有線路最高運(yùn)行速度到達(dá)160200kmh的目標(biāo)。    2.4 提速四顯示信號(hào)系統(tǒng)及車(chē)載信號(hào)設(shè)備    列車(chē)提速后，制動(dòng)距離顯著增加，司機(jī)識(shí)別信號(hào)更困難，原有的自動(dòng)閉塞信號(hào)系統(tǒng)足以800m制動(dòng)距離為依據(jù)確定閉塞分區(qū)長(zhǎng)度，并固定埋設(shè)鐵路自閉通過(guò)信號(hào)機(jī)的位置?，F(xiàn)在既有線提速，閉塞分區(qū)長(zhǎng)度要加長(zhǎng)，如果要移動(dòng)所有通過(guò)信號(hào)機(jī)位置，工作量之大可想而知。但中國(guó)既

16、有線信號(hào)系統(tǒng)改造又有其特殊的復(fù)雜性，因?yàn)榧扔芯€的聯(lián)鎖、閉塞制式繁多，達(dá)幾十種，提速后信號(hào)改造面臨世界上最復(fù)雜的兼容問(wèn)題；同時(shí)提速時(shí)信號(hào)系統(tǒng)改造還不能影響現(xiàn)有運(yùn)輸能力，施工時(shí)要求對(duì)既有線正常行車(chē)的影響減少到最小程度，投資還不能太大。    經(jīng)過(guò)多種方案比擬后，終于成功地在原有三顯示信號(hào)制式的根底上，研制出采用四顯示自動(dòng)閉塞制式及列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)的方法。既有線的通過(guò)信號(hào)機(jī)只需改動(dòng)5%10%，平均閉塞分區(qū)長(zhǎng)度不但不增加，而且還略有減少。提速列車(chē)按四顯示方式運(yùn)行，對(duì)于普通客車(chē)及貨車(chē)來(lái)說(shuō)，將綠黃燈作綠燈對(duì)待，按三顯示方式運(yùn)行，運(yùn)輸組織上的平圖能力幾乎不下降。由于成

17、功研制的四顯示信號(hào)系統(tǒng)，與原有三顯示信號(hào)系統(tǒng)兼用，投資少，對(duì)運(yùn)輸干擾小，確保了提速后運(yùn)輸密度不僅不降低，還能適度增長(zhǎng)，在技術(shù)上獨(dú)具特色。    2.5 創(chuàng)立提速列車(chē)平安監(jiān)測(cè)系統(tǒng)    如何保證既有線上列車(chē)提速的絕對(duì)平安，這是提速工程能否成功實(shí)施的關(guān)鍵所在。在總體研究時(shí)，曾進(jìn)行了廣泛的國(guó)際調(diào)研，希望能引進(jìn)成熟的列車(chē)平安監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)影響列車(chē)運(yùn)行平安的參量能在10s內(nèi)快速采集并顯示，但調(diào)研結(jié)果是國(guó)際上并沒(méi)有這樣的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。由于中國(guó)鐵路地域廣闊，條件復(fù)雜，線路狀況參差不齊，而提速平安性監(jiān)測(cè)要求在各種不同的線路條件下均能隨機(jī)地測(cè)量線路

18、每一點(diǎn)處的列車(chē)平安參數(shù)，并及時(shí)快速獲得評(píng)估數(shù)據(jù)。針對(duì)這個(gè)難題，鐵道科學(xué)研究院作為總體單位承當(dāng)了這項(xiàng)攻關(guān)任務(wù)，成功地研制出    3類(lèi)平安監(jiān)測(cè)統(tǒng)：    (1)提速列車(chē)運(yùn)行平安快速監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。以單周期雙橋路正弦合成法連續(xù)測(cè)量測(cè)力輪對(duì)為根底，結(jié)合快速數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，精確地連續(xù)測(cè)量提速列車(chē)在任何線路任意點(diǎn)上的重要平安參數(shù)：脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軌橫向力等，并在10s內(nèi)快速顯示或報(bào)警，具備超大數(shù)據(jù)量存儲(chǔ)能力。    (2)GJ-4型快速軌檢車(chē)系統(tǒng)。采用慣性基準(zhǔn)原理，應(yīng)用半導(dǎo)體激光器和伺服跟蹤

19、控制技術(shù)，在140160kmh速度下能連續(xù)動(dòng)態(tài)測(cè)量軌道各項(xiàng)不平順性參數(shù)，精度高，技術(shù)性能接近國(guó)際最先進(jìn)的同類(lèi)產(chǎn)品水平。    (3)軌道彈性檢查車(chē)，采用兩套相同弦長(zhǎng)的弦作為臨時(shí)過(guò)渡基線的方法，利用輪重差異準(zhǔn)確測(cè)量出路橋過(guò)渡段、道口區(qū)、道岔軌道的彈性變化梯度，指導(dǎo)線路施工與維修，為列車(chē)快速平穩(wěn)運(yùn)行打下良好的根底。    2.6 綜合聯(lián)調(diào)試驗(yàn)研究    任何一個(gè)大的系統(tǒng)工程，最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)就是系統(tǒng)的集成，它是通過(guò)綜合聯(lián)調(diào)試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)的。中國(guó)鐵路提速工程的系統(tǒng)集成需要將上百項(xiàng)提速攻關(guān)工程的成果系統(tǒng)

20、地集成起來(lái)，最終在繁忙干線上得到實(shí)際應(yīng)用。因此，6大攻關(guān)任務(wù)中綜合聯(lián)調(diào)試驗(yàn)是最后、也是最復(fù)雜的1項(xiàng)攻關(guān)任務(wù)。    提速的綜合聯(lián)調(diào)試驗(yàn)按3個(gè)步驟進(jìn)行：重要部件或整車(chē)的試驗(yàn)室試驗(yàn)；鐵科院東郊環(huán)行試驗(yàn)基地初步綜合試驗(yàn)；最后是繁忙干線現(xiàn)場(chǎng)的大系統(tǒng)集成綜合聯(lián)調(diào)試驗(yàn)。    第一次綜合聯(lián)調(diào)試驗(yàn)于1995年9月16日-10月20日在上海一南京間滬寧線上進(jìn)行，第二、三、四次在京泰線、沈山線、鄭武線進(jìn)行，最后一次于1998年6月1-24日在鄭武線上鄭州-漯河間進(jìn)行，最高速度到達(dá)240kmh?？偣策M(jìn)行了5次大規(guī)模綜合聯(lián)調(diào)試驗(yàn)，歷時(shí)跨4個(gè)年度，內(nèi)容包含了電力牽引與內(nèi)