高速鐵路的主要技術(shù)特征

1、高速鐵路的主要技術(shù)特征    高速鐵路在激烈的客運市場競爭中以其突出的優(yōu)勢，不但在其發(fā)祥地日、法、德等國家已占據(jù)了城際干線地面交通的主導(dǎo)地位，并在世界諸多經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的國家和地區(qū)迅速擴(kuò)展。時至今日，高速鐵路新線總長已逾5000km。由于高速鐵路與既有干線固有的兼容性，高速列車通過既有線服務(wù)的里程已擴(kuò)展至20000km以上。高速鐵路在不長的時期內(nèi)之所以能取得如此的發(fā)展勢頭。根本原因是基于輪軌系的高速技術(shù)充分發(fā)揮了既先進(jìn)又實用的特點，特別是在中長距離的交通中的獨特優(yōu)勢。實踐表明，高速鐵路已是當(dāng)代科學(xué)技術(shù)進(jìn)步與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的象征。高速鐵路雖然源于傳統(tǒng)鐵路，但借助于多項高新技術(shù)已

2、全面突破了常規(guī)鐵路的概念，已形成一種能與既有路網(wǎng)兼容的新型交通系統(tǒng)。高速鐵路在運營過程中更新?lián)Q代，其技術(shù)還在不斷發(fā)展與完善。為了深刻認(rèn)識高速鐵路特點，本節(jié)將從總體角度出發(fā)剖析其主要技術(shù)特征。    一、高速鐵路是當(dāng)代高新技術(shù)的集成    在世界上，高速鐵路的誕生是繼航天行業(yè)之后，最龐大復(fù)雜的現(xiàn)代化系統(tǒng)工程。它所涉及的學(xué)科之多、專業(yè)之廣已充分反映了系統(tǒng)的綜合性。20世紀(jì)后期科學(xué)技術(shù)蓬勃發(fā)展，迅速轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力的三大技術(shù)有：計算機(jī)及其應(yīng)用；微電子技術(shù)、電力電子器件的實用化與遙控自控技術(shù)的成熟；新材料、復(fù)合材料的推廣。高速鐵路絕非依靠單一先進(jìn)

3、技術(shù)所能成功，它正是建立在這些相關(guān)領(lǐng)域高新技術(shù)基礎(chǔ)之上，綜合協(xié)調(diào)，集成創(chuàng)新的成果。因此，高速鐵路實現(xiàn)了由高質(zhì)量及高穩(wěn)定的鐵路基礎(chǔ)設(shè)施、性能優(yōu)越的高速列車、先進(jìn)可靠的列車運行控制系統(tǒng)、高效的運輸組織與運營管理體系等綜合集成，如圖1.2.1所示。系統(tǒng)協(xié)調(diào)的科學(xué)性，則是根據(jù)鐵路行業(yè)總的要求，各了系統(tǒng)均圍繞整體統(tǒng)一的經(jīng)營管理目標(biāo)，彼此相容，完整結(jié)合。    高速鐵路在實施中，從規(guī)劃設(shè)計開始就把各項基礎(chǔ)設(shè)施、運載裝備、通信信號、運輸組織及經(jīng)營管理等子系統(tǒng)納入整個大系統(tǒng)工程之中統(tǒng)籌動作。為實現(xiàn)總體目標(biāo)，采用了多項關(guān)鍵技術(shù)。雖然這些新技術(shù)分別隸屬于各有關(guān)的子系統(tǒng)，但其主要技術(shù)指

4、標(biāo)、性能參數(shù)是相互依存、相互制約的，均須經(jīng)詳細(xì)研究、反復(fù)論證與修訂，才能保證實現(xiàn)大系統(tǒng)綜合集成特征的要求，達(dá)到整個系統(tǒng)的合理與優(yōu)化。    二、高速度是高速鐵路高新技術(shù)的核心    不言而喻，高速鐵路的速度目標(biāo)值是由常規(guī)鐵路發(fā)展到高速鐵路最主要的區(qū)別。按照鐵道部現(xiàn)行的規(guī)定，列車速度的級別劃分見表1.2.1。    列車運行速度是屬第一層次的系統(tǒng)目標(biāo)，只有將速度目標(biāo)值確定之后才能選定線路的設(shè)計參數(shù)、列車總體技術(shù)條件、列車運行控制及通信信號系統(tǒng)。當(dāng)然，運量規(guī)模、行車密度、運輸組織、成本效益等也均屬第一層次系統(tǒng)

5、目標(biāo)，但是在各種交通運輸方式中，速度始終是技術(shù)發(fā)展的核心，它是技術(shù)進(jìn)步的具體體現(xiàn)，所以速度目標(biāo)應(yīng)是第一位的。自20世紀(jì)后半葉以來，鐵路旅客列車速度連續(xù)躍上三大臺階，60年代第一代高速列車，速度為230km/h，80年代初第二代高速列車速度達(dá)到270km/h，至90年代第三代高速列車速度已達(dá)到并超過了300km/h。到21世紀(jì)初，將要有350km/h的高速列車問世。列車最高運行速度隨著時代的進(jìn)步不斷提高，它體現(xiàn)了鐵路的等級及其技術(shù)發(fā)展水平。但是對社會而言，旅客出行一般并不十分關(guān)注列車的最高速度，而旅行時間的縮短。只有提高旅速才能給旅客帶來實惠。要提高旅速不是輕而易舉的，這不僅只是列車的性能，還要

6、看沿線的環(huán)境與條件，線路設(shè)計優(yōu)劣，配套設(shè)施是否完善，還涉及行車組織及運營管理等，所以從整個系統(tǒng)來分析，列車旅速最能反映鐵路的水平。當(dāng)今，世界高速鐵路區(qū)段旅速與最高行車速度之比最高的可超過0.8，而最低的不及0.6。重視提高旅速與最高速度之比也有利于獲得良好的運營效果。所以說，高速鐵路第一層次的技術(shù)核心指標(biāo)是速度，它不僅是最運行速度，還應(yīng)包括高速列車的旅行速度。    三、系統(tǒng)間相互作用發(fā)生了質(zhì)變    眾所周知，常規(guī)鐵路是一個龐大的綜合系統(tǒng)，在長期的實踐中，鐵路行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步已獲得科學(xué)的積累，至今已形成了技術(shù)管理規(guī)程、系列規(guī)范、各種標(biāo)

7、準(zhǔn)、各項規(guī)定等一整套可操作的法規(guī)，使具有復(fù)雜綜合集成特性的鐵路系統(tǒng)，有據(jù)可循、有序動作。在當(dāng)今鐵路系統(tǒng)中，運、機(jī)、工、電、輛各子系統(tǒng)的日常工作可各司其職，正常運轉(zhuǎn)。然而，高速鐵路情況大不相同，雖然它仍受鐵路行業(yè)傳統(tǒng)影響，但由于行車速度至少提高1倍以上，將引發(fā)鐵路行業(yè)各系統(tǒng)及其相互關(guān)系的質(zhì)變。過去用于常規(guī)鐵路行之有效的法規(guī)不能照搬于高速鐵路。高速鐵路從可行性研究、規(guī)劃、設(shè)計、施工、制造到運營管理，都要超前、系統(tǒng)地進(jìn)行研究才能付諸實施。隨著速度的提高，各子系統(tǒng)原有的規(guī)律和相互間關(guān)系將轉(zhuǎn)化為強(qiáng)作用而須重新認(rèn)定。系統(tǒng)中某項參數(shù)或提高，各子系統(tǒng)原有的規(guī)律和相互間關(guān)系將轉(zhuǎn)化為強(qiáng)作用而須重新認(rèn)定。系統(tǒng)中某項

8、參數(shù)或標(biāo)準(zhǔn)選擇不慎都將引發(fā)連鎖反應(yīng)。例如，線路參數(shù)、路基密實度或橋梁剛度選擇不合理，不僅是線路質(zhì)量問題，還將影響列車運行的平穩(wěn)性及可靠性，也干擾運輸組織、行車指揮。反之，確定列車主要參數(shù)及性能也必須考慮線路參數(shù)與控制系統(tǒng)方案，否則最終都要制約整個系統(tǒng)效能的發(fā)揮。系統(tǒng)之間的關(guān)系遠(yuǎn)比常規(guī)鐵路復(fù)雜。所以，在籌劃高速鐵路之初，必須從總體上估計到這一龐大系統(tǒng)更加復(fù)雜的綜合特性，認(rèn)真研究并協(xié)調(diào)各子系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)變異的合理范圍，重視新系統(tǒng)的強(qiáng)耦聯(lián)特性。    四、系統(tǒng)動力學(xué)問題更加突出    前面已經(jīng)闡明了高速鐵路整體的主要技術(shù)特征，并說明了高速

9、鐵路與常規(guī)鐵路在本質(zhì)上的差異，下面將著重從總體上分析發(fā)生本質(zhì)差異的基本原因，俾便更深刻地認(rèn)識對高速鐵路技術(shù)系統(tǒng)提出的新課題。縱觀世界，凡能獨獨立自主建設(shè)高速鐵路的國家，在籌劃立項之初，對高速鐵路的重大技術(shù)與經(jīng)濟(jì)問題都進(jìn)行了全面的研究。特別是在確定基本功能與主要技術(shù)參數(shù)時，都根據(jù)各自的條件結(jié)合其國情與路情做了周密的調(diào)查，進(jìn)行必要的理論研究與試驗分析。其中，高速鐵路系統(tǒng)動力學(xué)問題是這一切的根由。    （一）高速鐵路系統(tǒng)動力學(xué)問題    1.高速列車的振動與沖擊問題    高速列車在線路上行駛，速度越高，激勵

10、車線橋系統(tǒng)發(fā)生的振動與沖擊越強(qiáng),致振的敏感因素越寬。振動與沖擊的頻響函數(shù)關(guān)系，主要取決于參振系統(tǒng)各自的動力學(xué)特性，它包括其內(nèi)在的物理力學(xué)參量、相互間發(fā)生接觸或約束的幾何參量與物理參量。很明顯，相互接觸的物體其相對速度越高，在研究動載作用時應(yīng)考察的截止頻率越高，而可能發(fā)生的強(qiáng)作用點就越多。一般而言，振動與沖擊動力響應(yīng)的物理量（位移、速度、加速度）幅值是與速度的平方成正比的。在頻域范圍內(nèi)，應(yīng)考察的頻率不僅取決于激勵頻率的高低，還與系統(tǒng)的固有頻率密切相關(guān)。激擾頻率與速度成正比，與接觸表面沿速度方向上的幾何變異之波長成反比。由此可見，高速鐵路的基礎(chǔ)設(shè)施及運載裝備不但應(yīng)具備優(yōu)良的固有特征，還必須在界面上

11、彼此都要保有均勻、平順、光滑的特征。這是建立高速鐵路各子系統(tǒng)都必須遵守的共性準(zhǔn)則。    系統(tǒng)振動與沖擊力學(xué)分析，最主要的目的是協(xié)調(diào)子系統(tǒng)組成部分的特性參數(shù)，保證系統(tǒng)功能優(yōu)化。對于高速鐵路來說，最重要的是確保列車持續(xù)、安全、平穩(wěn)運行。因此，必須預(yù)見在各種速度工況下系統(tǒng)的動力響應(yīng)。突出的問題如：輪軌間接觸力的變化，將影響列車牽引與制動的實現(xiàn)、輪軌的磨損與疲勞、運行的安全指標(biāo)；車線橋系統(tǒng)的動力反應(yīng)，將影響結(jié)構(gòu)功能與列車平穩(wěn)運行；弓網(wǎng)系統(tǒng)的振動，將影響授電效能及安全。所以動力響應(yīng)是涉及高速行車技術(shù)深層次的基本問題，須認(rèn)真處理。    2.高

12、速列車運行中的慣性問題    在系統(tǒng)振動與沖擊的動力學(xué)分析中，主要著重于研究列車以常速在直線線路上運行的動力反應(yīng)。實際上對更為復(fù)雜的問題，如列車起動或制動時的變速運行工況，通過平面曲線或變坡段豎曲線上運行及高速過岔等問題，只能簡化為剛體動力學(xué)或彈性聯(lián)接的多體動力學(xué)來分析。其基本點是在理想狀態(tài)下分析選定系統(tǒng)的固有特征及界面特性，對更復(fù)雜的某些非穩(wěn)態(tài)問題著重研究列車的走行性能，限定在低頻域內(nèi)研究列車運行中的慣性問題。預(yù)見高速列車運行中可能發(fā)生的縱向及橫向加速度，前者與列車的牽引制動性能、列車的操縱及線路縱斷面有關(guān)，后者主要受線路平面設(shè)計參數(shù)制約。  

13、;  高速列車運行中的慣性問題直接影響旅客的安全與舒適。對于安全性來說，列車速度在300km/h以下時，安全條件閾值一般寬于舒適度的要求，即只要滿足了乘客舒適度就能保證安全的要求。但對超高速鐵路來說條件就不一定總保持這樣了，即在舒適條件范圍內(nèi)，超高速鐵路系統(tǒng)中某些安全限值將超限。這是因為激擾頻率增高以后，列車某些部件工作條件更不利于安全動行所致。所以，隨著速度進(jìn)一步提高，安全性將可能比舒適度有更嚴(yán)的要求，這是值得注意的。              

14、;                           圖 1.2.2 人體對振動反映的示意圖        對于舒適度，人體承受振動的能力與頻率密切相關(guān)，根據(jù)試驗結(jié)果（圖1.2.2），其頻率在10Hz以下更為敏感，承受能力較低，從感到不適的加速度幅值來看約為0.1g左右。對于這

15、種超低頻振動橫向加速度的承受能力，因人體質(zhì)而異，它與姿態(tài)、年齡、性別、職業(yè)、經(jīng)歷等都有關(guān)。一般采取在旅途中列車上抽樣調(diào)查統(tǒng)計分析確定，現(xiàn)參考國外資料列于表1.2.2中。                            表 1.2.2 列車運行中旅客不同姿態(tài)舒適度的感受    列車運行加速或減速

16、時，旅客均要承受縱向慣性力的作用，通常亦以加速度衡量。加速時由于受到牽引率的限制，一般準(zhǔn)靜態(tài)（平均，以下同）加速度值都不超過0.05g，所以加速時在正常操縱下，不會給旅客帶來不適感。但制動時為確保列車安全，整列車制動功率大，減速距離較短，如列車速度為300km/h時，緊急制動距離小于3700m，其準(zhǔn)靜態(tài)減速度低于0.1g，考慮車輛制動時動作不一致將有沖動現(xiàn)象發(fā)生，但瞬時減速度將接近0.3g，這時旅客將感到不適，所以緊急制動只能在非常情況下使用。在一般常用制動情況下有較嚴(yán)格的規(guī)定，當(dāng)制動參數(shù)取0.8或0.5并操縱得當(dāng)，其減速度分別為0.075g及0.05g。所以，為保證列車行駛時旅客的舒適度必須

17、重視運動中的慣性問題。這應(yīng)從線路基本參數(shù)、列車性能及操縱技術(shù)予以保證。    3.高速列車空氣動力學(xué)問題    （1）列車空氣阻力問題    地面交通系統(tǒng)都有一個難以避免的共性問題，這就是空氣動力學(xué)問題。在地表大氣層中，交通載體所受到的空氣阻力、豎向力、橫向力和壓力波等與速度平方成正比，隨著速度的提高急劇增加，從而成為提高地面高速交通速度主要的制約因素。高速列車時速超過200km就必須認(rèn)真研究這一問題。為減緩空氣動力的影響，通過大比例風(fēng)洞模型試驗及三維有限元空氣動力學(xué)理論分析，篩選設(shè)計方案，可作出技術(shù)經(jīng)濟(jì)

18、合理抉擇。其主要問題如下：在一定速度下，高速列車空氣阻力及其他空氣動力作用取決于列車的外形、列車的截面及外表面的光滑平順度。所以，在列車的總體設(shè)計及車體設(shè)計中都必須周密處置，使整列車具有良好的氣動性能。    （2）列車內(nèi)部空氣密封問題    高速運行的列車，由于各種氣動效應(yīng)影響使列車內(nèi)外壓差增大。若列車密封性差，則必將引起車內(nèi)氣壓的變化；超過一定范圍，將引起人體各種不適感。所以，對車窗、車門、車輛間連結(jié)風(fēng)檔都要求具有良好的密封性。    （3）線間距問題    兩列相對行駛

19、的高速列車在線路上會車時各種空氣動力作用比單列車行駛時強(qiáng)烈，并將影響列車運行的平穩(wěn)性與車內(nèi)人員的舒適感。這種影響在其他條件一定的情況下，與高速鐵路的線間距成反比。高速鐵路的線間距應(yīng)根據(jù)車速、車寬、列車頭形系數(shù)、車體密封程度、車窗玻璃承壓能力等因素來考慮。若在高速線上有各種不同類型式列車運行，應(yīng)顧及性能較差列車的承受能力。    （4）隧道斷面選擇問題    對于有限界面的隧道而言，高速鐵路的空氣動力學(xué)作用將比在明線環(huán)境條件強(qiáng)烈，在一定速度下，其幅值主要與隧道斷面的堵塞比密切相關(guān)。所以，列車速度越高，隧道斷面應(yīng)越大。對長隧道來說還必須考

20、慮隧道內(nèi)空氣有較通暢的導(dǎo)流途徑以緩解其動力效應(yīng)。    （二）對高速鐵路主要子系統(tǒng)的基本要求    1.高速鐵路的基礎(chǔ)設(shè)施    高速鐵路的基礎(chǔ)設(shè)施是確保高速行車的基礎(chǔ)。前已論述，高速鐵路與常規(guī)鐵路相比最大的區(qū)別在于線路高平順度特性方面。高平順性最終體現(xiàn)是在軌道上，無論軌道是在路基上或在橋梁上，也無論是何種類型的軌道，都要求它不僅在空間要具有平緩的線型、高精度的允差、高光潔度的軌面，而在時間上還必須具有穩(wěn)固的高保持性。由此決定了高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施各主要組成部分路基、橋梁、隧道等的主要技術(shù)參數(shù)與技術(shù)規(guī)定，必須互相協(xié)調(diào)，使之整體上滿足高速行車在運動學(xué)、動力學(xué)、空氣動力學(xué)及運輸質(zhì)量方面各項技術(shù)指標(biāo)。所有基礎(chǔ)設(shè)施在運營管理方面還必須具備高可靠度與可維修、少維修的條件，以利降低成本及提高效能。  &