中國鐵路提速相關關鍵技術的探討與研究

1、中國鐵路提速相關關鍵技術的探討與研究    中國鐵路提速技術已達到國際先進水平，取得的一系列技術成果保證了提適列車的運行安全，加快了鐵路產(chǎn)業(yè)整體的升級，促進了鐵路全行業(yè)跨越式發(fā)展，本文闡述了中國鐵路提速的技術難點，介紹了提速工程6方面的關鍵技術攻關成果。對國內(nèi)提造裝備主要技術性能指標與國外同類技術成果進行了比較。     1997午4月1日鐵道部宣布全國鐵路實施第-次大提速以來，繁忙干線上的旅客列車的最高運行速度從原來的110 km/h提高到160 kmh，有些線路最高可達200km/h。截至2002年，

2、全國鐵路提速的總里程已達13838 km。     提速后形成了以北京、上海、廣州為中心的3個提速行動圈，在離這3個中心500km旅程內(nèi)，當天可往返；1500km旅程內(nèi)，"夕發(fā)朝至"；20001500km的旅程，24h左右即可到達。    新型提速機車已推廣1290臺，快速車廂3741輛，新型提速道岔8453組，超長無縫線路5449km，新型軌枕608萬根，加固橋梁1484座，四顯示自動閉塞延展里程4000km，新型機車信號6809臺，平交改立交道口1907處，封閉柵欄5132km。這些技術成果

3、大面積推廣，保證了提速列車的運行安全，加快了鐵路產(chǎn)業(yè)整體的升級，促進了鐵路全行業(yè)跨越式發(fā)展。        < p>    鐵路提速工程的實施取得了巨大的經(jīng)濟效益。全國鐵路的客運量及客運周轉量在提速后迅速增長(圖1，2)，在旅客運價率不變的前提下，1997-2000年鐵路客運收入以平均每年33.1億元的幅度遞增，與提速前的1996年相比，總計4年內(nèi)客運增收了306億元，貨運收入也大幅度增加。鐵路全行業(yè)于1999年實現(xiàn)了扭虧轉盈的戰(zhàn)略目標，比預期提前了1年。"中國鐵

4、路提速工程成套技術與裝備"榮獲2002年度國家科技進步一等獎。    1 中國鐵路提速的技術難點在中國既有鐵路上實施提速具有非常大的難度，主要體現(xiàn)在2個方面：    (1)中國所有的既有鐵路設計速度均在120km/h以下，而且是客貨共線運行、不同等級列車混跑。因此線路平縱斷面標準低，彎道多，曲線半徑偏小，道岔標準低，橋梁承裁能力不足，要將列車速度提高到140160kmh，又不能進行全面改造，無疑是一個大難題。同時，提速后不同等級列車之間速差的加大，會降低列車密度。降低線路的運輸能力，這村運輸能力本來就十分緊張的中國

5、鐵路，是難以接受的。    (2)中國鐵路線上，提速目標是將旅客列車速度提高到160km/h，同時普遍開行5000t重載貨物列車，并保持運輸高密度，這在國際上尚無先例。    在確定提速戰(zhàn)略前，鐵道部曾向國際鐵路聯(lián)盟(UIC)專家及國際重載鐵路協(xié)會(IHHA)專家清教，他們回答是"沒有任何經(jīng)驗"。理由很簡單，正如國際上著名的鐵路專家，日本高速鐵路設計負責人之一岡田宏博士所說："在同一線路上開行高速列車和重載列車，就如同讓油水共處-樣，是一件十分困難的事情。因為重載列車對軌道產(chǎn)生極大的破壞力，導致

6、軌道不斷變形，而高速列車卻對軌道平順要求的精度非常高，要保證兩者的正常運行，必須擁有高度的設計、維修和管理技術。"    2  對提速工程6方面關鍵技術進行攻關    中國鐵路提速工程成套技術與裝備的攻關首先必須依靠自力更生。因為即使國際上有成套技術裝備可以引進，但按中國鐵路提速的要求，要在幾年內(nèi)提供上萬組新型道岔，幾千輛新型機車車輛等，如此人數(shù)量的裝備要依靠從國外引進，在時間上也無法保證兌現(xiàn)，更何況國外成熟的產(chǎn)品也可能不適應中國鐵路特有的復雜運輸條件。1995年鐵道部成立了"全路提速科技領導小

7、組"，同時，確定具有綜合研究實力的鐵道科學研究院承擔項目攻關的總體；聯(lián)合有關企業(yè)、鐵路局、院校共34個單位共同對提速工程6方面的關鍵技術進行攻關。    2.1 提出輪軌關系理論的新創(chuàng)見并取得實驗驗證    提速列車運行安全的根本問題就是在中國鐵路具體的線路工況下，確保列車提速后不會脫軌。以鐵道科學研究院項目研究組為主，聯(lián)合有關院所的專家一起對線路與列車相互作用的動力學理論進行科學的探索，其目標是以中國既有鐵路在5000t重載列車運行條件下的線路工況為基礎，進行輪軌關系的理論研究，以期取得研究成果，直接指導提速機車

8、車輛的動力學懸掛參數(shù)設計和既有線線路結構改造。    輪軌關系理論研究的新成果包含的內(nèi)容為以下4個方面：    (1)動力學分析的敏感波長組合不平順方法。采用這種方法可以對每一種被研究的機車車輛在線路高低。方向、水平偏差等不平順的單獨作用下，分析其輪軌力、脫軌系數(shù)、振動加速度等動力學指標隨不平順波長的變化情況，確定各種不平順的敏感波長，然后對敏感波長的不平順進行組合，研究在組合不平順作用下機車車輛的動力學行為。    (2)機車車輛非線性橫向運動穩(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、學非線性、彈性滑動飽和非線性、懸掛剛度和阻尼非線性以及電機轉矩等的影響，引入了分析機車車輛橫向穩(wěn)定性的一組判別原則，采用亞臨界Hopf分又速度和脫軌速度描繪出機車車輛橫向穩(wěn)定性的完整圖像。    (3)應用函數(shù)型摩擦系數(shù)改進和發(fā)展了Kalker滾動接觸理論。該研究克服了基于庫侖摩擦定律的輪軌滾動接觸理論在速度較高時誤差較大的問題，在速度較高時提高了動力學分析精度。    (4)采用三次樣條函數(shù)法確定輪軌幾何關系，應用優(yōu)化的磨耗型踏面與機車車輛懸掛參數(shù)、結構參數(shù)相結合，提高穩(wěn)定性臨界速度。    

10、上述理論的正確性在提速機車車輛設計與試驗中均得到了實驗驗證，見表1，表2。            輪軌關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運行條件下，線路養(yǎng)護條件可以達到的不平順控制標準，計算分析捉速機車、客車及動車組所必須具備的懸掛系統(tǒng)參數(shù)，而根據(jù)這些設計參數(shù)設計研制的提速列車在既有線路上試驗時，所得到的動力學性能結果與分析計算值比較吻合。這為研制開發(fā)適應既有線路條件的提速列車創(chuàng)造了有利條件，具有創(chuàng)新意義。   

11、; 2.2 研制開發(fā)"中華牌"完整系列的提速機車    160200kmh新型快速機車、客車及動車組的開發(fā)，適應了中國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。通過輪軌關系的理論研究與線路試驗，根據(jù)全路提速的需求，全國10余家大型機車車輛制造企業(yè)在鐵道科學研究院等單位配合下，相繼研制出一批新型的快速機車車輛，填補了我國機車車輛產(chǎn)品系列的空白。在短短78年時間內(nèi)，新型的快速機車(SS9型電力機車，SS7D型電力機車，DF4Dz型內(nèi)燃機車等)；快速客車(25K型高包軟臥車、軟臥車，硬臥車、餐車、硬座車、雙層客車入快速動車組(大

12、白鯊號電動車組，新曙光號內(nèi)燃雙層動車組，神州號內(nèi)燃雙層動車組，北亞號內(nèi)燃液力動車組，春城號電動車組等)紛紛問世并相繼投入運營。這些快速列車與動車組最高運行速度達到160200kmh，在轉向架、制動、牽引3個重要技術領域均有重大技術創(chuàng)新。新型轉向架采用了優(yōu)化的懸掛參數(shù)及空心軸六連桿彈性傳動，其穩(wěn)定性與平穩(wěn)性指標優(yōu)良；采用了新型大功率盤形制動及電子防滑器，緊急制動距離等重要制動指標達到國際先進水平；采用了不等分三段相控整流橋及串勵脈流牽引電機等新技術，在牽引起動力及變壓器總容量等重要牽引指標上有重大突破，這些指標均達到國際同類產(chǎn)品先進水平。    2.3關鍵

13、性軌道部件的研制與線路、橋梁，接觸網(wǎng)改造技術    由于既有線路不可能進行大規(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)定性能的機車車輛來適應既有線路結構。但是線路結構方面仍有3大關鍵問題必須解決：一是既有的道岔由于存在有害空間，對提速列車將產(chǎn)生危險的動力激擾，必須更換；二是短鋼軌的接頭將產(chǎn)生周期性激擾，嚴重影響提速列車舒適性；最后是小半徑曲線的地段不適應提速。針對這些問題項目組攻關開發(fā)了一批具有自主知識產(chǎn)權的關鍵性軌道部件，如12號提速道岔，跨區(qū)間無縫線路，型混凝土軌枕和彈性扣件等。這些部件研制具有大的難度，為避免現(xiàn)場更換提速道岔而引起站場大規(guī)模改造，提速道

14、岔線型設計必須保持道岔中心及轍叉理論交點位置不動，以便在外形長度基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計，跟部設限位器，并創(chuàng)造性地將60AT鋼軌的軌底長吱熱加工旋轉90度，形成凸緣，用于心軌一動轉換桿件的安裝。同時采用長翼軌式結構，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。中國提速道岔的技術已位居世界前列。    跨區(qū)間無縫線路技術也已達到國際先進水平，不僅解決了理論計算方法的難題，而且解決了膠接絕緣接頭強度，大跨度混凝土連續(xù)梁橋無縫線路鋪設等技術難點?，F(xiàn)在上海一南京全長303km基本上只有1根鋼軌，無一接頭

15、，其長度已居世界前列。曲線區(qū)段線路參數(shù)的優(yōu)化技術，橋梁安全評占及加固技術，電氣化線路接觸網(wǎng)改造技術等方面也都取得重大突破，并建立了提速線路養(yǎng)護維修體系，實現(xiàn)了最少投入原則下使既有線路最高運行速度達到160200kmh的目標。    2.4 提速四顯示信號系統(tǒng)及車載信號設備    列車提速后，制動距離顯著增加，司機識別信號更困難，原有的自動閉塞信號系統(tǒng)足以800m制動距離為依據(jù)確定閉塞分區(qū)長度，并固定埋設鐵路自閉通過信號機的位置?，F(xiàn)在既有線提速，閉塞分區(qū)長度要加長，如果要移動所有通過信號機位置，工作量之大可想而知。但中國既有線

16、信號系統(tǒng)改造又有其特殊的復雜性，因為既有線的聯(lián)鎖、閉塞制式繁多，達幾十種，提速后信號改造面臨世界上最復雜的兼容問題；同時提速時信號系統(tǒng)改造還不能影響現(xiàn)有運輸能力，施工時要求對既有線正常行車的影響減少到最小程度，投資還不能太大。    經(jīng)過多種方案比較后，終于成功地在原有三顯示信號制式的基礎上，研制出采用四顯示自動閉塞制式及列車運行控制系統(tǒng)的方法。既有線的通過信號機只需改動5%10%，平均閉塞分區(qū)長度不但不增加，而且還略有減少。提速列車按四顯示方式運行，對于普通客車及貨車來說，將綠黃燈作綠燈對待，按三顯示方式運行，運輸組織上的平圖能力幾乎不下降。由于成功研

17、制的四顯示信號系統(tǒng)，與原有三顯示信號系統(tǒng)兼用，投資少，對運輸干擾小，確保了提速后運輸密度不僅不降低，還能適度增長，在技術上獨具特色。    2.5 創(chuàng)建提速列車安全監(jiān)測系統(tǒng)    如何保證既有線上列車提速的絕對安全，這是提速工程能否成功實施的關鍵所在。在總體研究時，曾進行了廣泛的國際調(diào)研，希望能引進成熟的列車安全監(jiān)測系統(tǒng)，對影響列車運行安全的參量能在10s內(nèi)快速采集并顯示，但調(diào)研結果是國際上并沒有這樣的監(jiān)測系統(tǒng)。由于中國鐵路地域廣闊，條件復雜，線路狀況參差不齊，而提速安全性監(jiān)測要求在各種不同的線路條件下均能隨機地測量線路每一

18、點處的列車安全參數(shù)，并及時快速獲得評估數(shù)據(jù)。針對這個難題，鐵道科學研究院作為總體單位承擔了這項攻關任務，成功地研制出    3類安全監(jiān)測統(tǒng)：    (1)提速列車運行安全快速監(jiān)測系統(tǒng)。以單周期雙橋路正弦合成法連續(xù)測量測力輪對為基礎，結合快速數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，精確地連續(xù)測量提速列車在任何線路任意點上的重要安全參數(shù)：脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軌橫向力等，并在10s內(nèi)快速顯示或報警，具備超大數(shù)據(jù)量存儲能力。    (2)GJ-4型快速軌檢車系統(tǒng)。采用慣性基準原理，應用半導體激光器和伺服跟蹤控制

19、技術，在140160kmh速度下能連續(xù)動態(tài)測量軌道各項不平順性參數(shù)，精度高，技術性能接近國際最先進的同類產(chǎn)品水平。    (3)軌道彈性檢查車，采用兩套相同弦長的弦作為臨時過渡基線的方法，利用輪重差異準確測量出路橋過渡段、道口區(qū)、道岔軌道的彈性變化梯度，指導線路施工與維修，為列車快速平穩(wěn)運行打下良好的基礎。    2.6 綜合聯(lián)調(diào)試驗研究    任何一個大的系統(tǒng)工程，最關鍵的環(huán)節(jié)就是系統(tǒng)的集成，它是通過綜合聯(lián)調(diào)試驗實現(xiàn)的。中國鐵路提速工程的系統(tǒng)集成需要將上百項提速攻關項目的成果系統(tǒng)地集

20、成起來，最終在繁忙干線上得到實際應用。因此，6大攻關任務中綜合聯(lián)調(diào)試驗是最后、也是最復雜的1項攻關任務。    提速的綜合聯(lián)調(diào)試驗按3個步驟進行：重要部件或整車的試驗室試驗；鐵科院東郊環(huán)行試驗基地初步綜合試驗；最后是繁忙干線現(xiàn)場的大系統(tǒng)集成綜合聯(lián)調(diào)試驗。    第一次綜合聯(lián)調(diào)試驗于1995年9月16日-10月20日在上海一南京間滬寧線上進行，第二、三、四次在京泰線、沈山線、鄭武線進行，最后一次于1998年6月1-24日在鄭武線上鄭州-漯河間進行，最高速度達到240kmh?？偣策M行了5次大規(guī)模綜合聯(lián)調(diào)試驗，歷時跨4個年度，內(nèi)容包含了電力牽引與內(nèi)