世界高速鐵路技術(shù)發(fā)展概況

1、1.世界高速鐵路的現(xiàn)狀按照國際鐵路聯(lián)盟(UIC規(guī)定的定義:“允許速度達(dá)到250公里/時(shí)的客運(yùn)專線或允許速度達(dá)到200公里/時(shí)的既有線均可稱之為高速鐵路?！苯刂?002年底,世界擁有高速鐵路的國家(地區(qū)及里程和2007年前將建成高速鐵路的國家(地區(qū)及里程分列于表1。在世界高速鐵路總里程中,日、法、德三國共占84%,是高速鐵路技術(shù)最先進(jìn)、運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)最豐富的國家。就高速列車的旅行速度而言,法國TGV的317.5公里/時(shí)列首位,日本希望者號(hào)261.8公里/時(shí)列第二位,德國LCE列第三位。若就最高速度利用率而言,日本希望者號(hào)以87.2%領(lǐng)先,法國第二、德國第三,詳見表2。世界高速鐵路技術(shù)發(fā)展的動(dòng)向鄭州鐵路

2、局科研所李世珷1 2.高速鐵路的技術(shù)優(yōu)勢2.1行車速度高高速鐵路的核心技術(shù)是速度高。1990年5月18日法國TGV列車創(chuàng)(輪/軌系統(tǒng) 515.3公里/時(shí)的世界紀(jì)錄,一直保持至今。2001年5月26日, TGV 列車在加米馬賽間創(chuàng)旅行速度317.5公里/時(shí)的世界記錄,最高運(yùn)行速度曾達(dá)366.6公里/時(shí)。目前,德國ICE3高速列車最高運(yùn)行速度已達(dá)330公里/時(shí)。西班牙已訂購Talgo350型及VELARO-E型列車,最高速度均為350公里/時(shí)。2.2運(yùn)能大高速列車列車間隔時(shí)間按5分鐘計(jì)(日本新干線在高峰時(shí)段,列車間隔時(shí)間僅為3分鐘,單向每小時(shí)可開12列列車,全員按1200人計(jì),每小時(shí)可運(yùn)送1440

3、0人,雙向?yàn)?8800人。若全日行車時(shí)間按18小時(shí)計(jì)(夜間6小時(shí)“天窗”維修時(shí)間,每日可運(yùn)送518400人,每年可運(yùn)送1.89億人。這是公路和航空所無法相比的。2.3安全性高高速鐵路線路設(shè)施的質(zhì)量和精度都很高,高速列車技術(shù)先進(jìn)。列車運(yùn)行控制系統(tǒng)是利用成熟的電子技術(shù)和智能化軟件所集成的。自動(dòng)化水平極高,能確保兩列車間的安全距離。日本高速鐵路已安全運(yùn)送40億旅客,每日到發(fā)800多列高速列車。40余年來,從未發(fā)生過一件人身傷亡事故,這在交通運(yùn)輸史上是值得驕傲的。2.4全天候運(yùn)行除遇危及行車安全的自然災(zāi)害外,高速列車可以全天候運(yùn)行,不受雨、雪、霧、風(fēng)(航空公司則需停開航班或關(guān)閉機(jī)場的影響。日本東海道新

4、干線年均列車晚點(diǎn)不到0.3分鐘(18秒。西班牙A VE高速列車晚點(diǎn)5分鐘要向旅客退回票款全額。2.5 能耗低根據(jù)日本國內(nèi)統(tǒng)計(jì),每人公里能耗:高速鐵路為136大卡(小汽車為765大卡,2飛機(jī)為714大卡,是小汽車的17%,飛機(jī)的19%。高速鐵路用的是二次能源電(火、水、核,而汽車、飛機(jī)用的是石油。在當(dāng)今石油價(jià)格飛漲之際,高速鐵路的優(yōu)勢更為明顯,不受石油價(jià)格的影響,但公路、航空業(yè)不得不隨之提高票價(jià)。2.6節(jié)約用地雙線高速鐵路路基面寬9.6 11m,占地僅為4車道高速公路26m的42%,其運(yùn)量卻為高速公路的4倍以上。2.7 環(huán)境污染輕高速鐵路用電力牽引,消除了煤煙、粉塵及有害氣體的排放。據(jù)我國統(tǒng)計(jì),

5、每人公里的治污染費(fèi)用:高速鐵路為1,高速公路為3.76,飛機(jī)為5.21。2.8 舒適度高高速鐵路線路平順、穩(wěn)定,列車運(yùn)行平穩(wěn),座位寬敞,設(shè)備完善,活動(dòng)空間大,乘客在列車中行動(dòng)自如,乘坐舒適。而長途汽車及飛機(jī)座位狹窄,乘客難以活動(dòng),極易疲勞。3.高速鐵路的經(jīng)濟(jì)效益3.1高速鐵路是推動(dòng)經(jīng)濟(jì)起飛的動(dòng)力日本在1964 1970年間, GDP由800億美元增至2000億美元,年均增長率達(dá)16%。人均GDP由824美元增至1887美元,提高了130%。第三產(chǎn)業(yè)所占GDP比例由43%增至47%。日本人稱,高速鐵路是經(jīng)濟(jì)起飛的脊梁。1975 1996年間新干線沿線的工商企業(yè)增加了49%。沿線城市的財(cái)政收入增加

6、150%。法國TGV每投資10億法郎可創(chuàng)造3000個(gè)就業(yè)機(jī)會(huì)。3.2 投資回收快日本東海道新干線運(yùn)營7年后即全部收回線路修建和機(jī)車車輛購置費(fèi)。法國高速鐵路東南線1981年投入運(yùn)營,10年后即收回全部投資。3.3 創(chuàng)造新的就業(yè)機(jī)會(huì)興建高速鐵路不僅需要大批的修建人員,建成后將在沿線形成大批的中、小城市,促進(jìn)了農(nóng)村的城市化進(jìn)程,帶動(dòng)了沿線吸引區(qū)與外界人員、物資交流,引進(jìn)資本的投入,形成新的產(chǎn)業(yè)群,創(chuàng)造了新的就業(yè)機(jī)會(huì)。3.4 誘發(fā)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的配套發(fā)展高速鐵路大量修建后,高速列車制造業(yè)以及相關(guān)的零件、部件、組件產(chǎn)業(yè)的供應(yīng)鏈必將迅速擴(kuò)大。牽引供電、通信信號(hào)、列車運(yùn)行控制等配套產(chǎn)業(yè)也隨之興旺。冶金、機(jī)械、電子

7、、自動(dòng)控制等高新技術(shù)由于高速鐵路的需求必將迅速發(fā)展,為國民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展提供源動(dòng)力。4.高速鐵路技術(shù)發(fā)展的動(dòng)向4.1站間距離日本高速鐵路是按照客流量和運(yùn)輸組織特點(diǎn)來設(shè)計(jì)車站站型。大中型站在咽喉區(qū)正線間設(shè)渡線;小型站在兩端咽喉區(qū)正線間不設(shè)渡線,在正線區(qū)間也不設(shè)渡線參見表3。法國高速鐵路采用高速列車下線運(yùn)行的運(yùn)輸組織方式。線路上均設(shè)有反方向運(yùn)行信號(hào)設(shè)備,可達(dá)到每站區(qū)、每區(qū)間的反方向運(yùn)行目的。在區(qū)間內(nèi)每隔2025公里均鋪設(shè)雙向渡線,采用1/65號(hào)道岔,側(cè)向通過速度達(dá)220公里/時(shí),因之其站間距離較長,最大站間距離達(dá)274公里參見表4。4.2道岔日本、法國、德國所選用的道岔是根據(jù)本國的運(yùn)營特征來進(jìn)行設(shè)

8、計(jì)的。日本新干線于0 -6點(diǎn)間全部停運(yùn),留出6小時(shí)的固定“天窗”進(jìn)行維修。因此不設(shè)區(qū)間渡線,站間區(qū)間較短。法國站間距離較長,最長者達(dá)274公里。因之,在區(qū)間每隔20 25公里設(shè)一雙向渡線,采用高標(biāo)號(hào)道岔以利行車調(diào)度。德國高速鐵路因系客貨列車混跑,則根據(jù)高速列車經(jīng)行的速度而選擇不同標(biāo)號(hào)的道岔。三國高速道岔的特性參見表5。3 4 4.3 無碴軌道日本、法國、德國在修建高速鐵路的早期均采用傳統(tǒng)的有碴軌道。經(jīng)運(yùn)營多年后,發(fā)現(xiàn)道碴粉化嚴(yán)重,路基沉降量大,多處發(fā)生翻漿冒泥,軌道幾何尺寸難以維持,經(jīng)常需要維修,不到10年即需大修,維修費(fèi)用大幅度增加,對(duì)運(yùn)營造成巨大的影響。日本新干線自1975年后,大力推廣板

9、式軌道,取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。據(jù)1997年統(tǒng)計(jì),有碴軌道每年維修工作量是正線長度的2.4倍,而板式軌道的維修量僅為正線長度的3%,二者之比是801。維修費(fèi):有碴軌道年均547萬日元/公里,而板式軌道年均僅為18.6萬日元/公里,二者之比為29.41?，F(xiàn)將日本新干線應(yīng)用板式軌道情況列入表6中。德國自20世紀(jì)70年代起即進(jìn)行無碴軌道的研究,曾試驗(yàn)過10余種型號(hào)。目前正式批準(zhǔn)的有6種,即:BOGL型、RHEDA 型、ZUBLIN型、ATD型、GETRAC型及BERLIN型。我國臺(tái)灣省及韓國的高速鐵路全部采用無碴軌道。4.4高速列車4.4.1日本日本研制高速列車已有40余年的經(jīng)驗(yàn),技術(shù)已十分成熟。先后

10、開發(fā)出兩大系列,一為0系高速列車,發(fā)展出100系、200系、300系1996年7月創(chuàng)日本高速鐵路(輪/軌最高運(yùn)行速度443km/h、 400系、500系和700系;二為E系,有E1、E2、E3、E4等型號(hào),均采用小編組或雙層客車以擴(kuò)大載客量。最新型的700系,編組為12動(dòng)4拖,1999年投入運(yùn)營(我國臺(tái)灣省高速列車即采用此機(jī)型,列車全長404.7m,自重634t,軸荷重11.2t,定員1323席,最高運(yùn)行速度285300km/h。最近又準(zhǔn)備試制新一代的N700系擺式高速列車,能以270km/h 的速度通過半徑為2500m的曲線,編組為12動(dòng)2拖,總重700噸,總功率達(dá)17160kw。日本新干線

11、軌距為1435mm,既有線為窄軌,為便于二者列車的互通,于1998年研制出軌距可變的轉(zhuǎn)向架,并于1999年在美國科羅拉多州運(yùn)輸技術(shù)中心的高速試驗(yàn)線上以最高速度230km/h進(jìn)行了試驗(yàn),現(xiàn)正在繼續(xù)研制中。2005年3月9日在日本鐵道株式會(huì)社宣布,該公司研發(fā)的最高運(yùn)行速度為360km/h的高速列車已于2005年6月25日在仙臺(tái)北上線進(jìn)行了試驗(yàn)。夜間以405km/h的速度試車,計(jì)劃于2011年在東北新干線的東京新青森段正式投入運(yùn)營。日本高速列車均采用動(dòng)力分散型,其5鄭鐵科技通訊 2 / 2006 特點(diǎn)是: (a軸荷重,簧下重量較輕500 系高速列車軸荷重僅為 10.8t, 700 系為 11.2t,

12、在世界居領(lǐng)先地位.因此,可降低 列車對(duì)線路的動(dòng)力作用,減少線路維修費(fèi). (b列車定員多列車的每節(jié)車廂 均可載客(動(dòng)力裝置均裝于車輛下部 ,并 采 用 寬 型 車 體 , 如 E4 系 , 車 廂 寬 度 為 3380m,700 系定員達(dá) 1323 席. (c動(dòng)軸數(shù)量多牽引粘著利用率 高,加速快,經(jīng)常用電力制動(dòng),減速快, 制動(dòng)距離短,機(jī)械制動(dòng)設(shè)備磨損量小. (d 編組可靈活調(diào)整隨市場運(yùn)營的 變化趨勢,可及時(shí)調(diào)整編組,降低空閑率. 4.4.2 法國 法國 TGV 高速列車已開發(fā)了 4 代.第 一代 TGV-PSE 最高運(yùn)行速度為 270 km/h. 第二代 TGV-A,編組為 1 動(dòng)+10 拖+1

13、 動(dòng), 總功率 8800kw, 長度 237.6m, 定員 522 席, 軸荷重 17t, 最高運(yùn)行速度 300km/h, 1990 于 年 5 月 18 日創(chuàng)造鐵路(輪/軌最高速度 515.3km/h 的世界紀(jì)錄,一直保持至今.第 三代 TGV-2N(雙層客車1996 年 12 月投入 運(yùn)營,總功率 8800kw,列車長 200m,車體 寬 2900mm,自重 380t,軸荷重 16.3t,定 員 545 席,最高運(yùn)行速度 300km/h.前三代 TGV 高速列車均為動(dòng)力集中型車組,兩端為 動(dòng)車,中間車輛采用鉸接式聯(lián)結(jié),兩車廂 的端部共置于一個(gè)轉(zhuǎn)向架上,車廂間無車 鉤,因之無沖動(dòng)力發(fā)生,列車

14、具有優(yōu)良的 整體性.第四代 TGV 型高速列車改用動(dòng)力 分散型車組,每三輛車為一牽引單元,編 組有 6,9,12 三種.編組為 9 輛的 TGV-9 列 車長度為 180m, 定員 359 席, 軸荷重<16.5t. 6 臺(tái)鉸接式動(dòng)力轉(zhuǎn)向架有 12 根動(dòng)軸,每軸功 率為 600kw,配有 4 臺(tái)非動(dòng)力轉(zhuǎn)向架,兩 端車為非動(dòng)力轉(zhuǎn)向架,最高速度可達(dá) 350km/h,已于 2002 年底投入試運(yùn)行. 6 4.4.3 德國 ICE 型高速列車于 1991 年投入運(yùn)營, 比法國晚 10 年,系動(dòng)力集中型車組,編組 為 1M+14T+1M,列車長 328m,重 782t, 總功率 9600kw,定員

15、 630 席,最高運(yùn)行速 度 280km/h. ICE2 型于 1998 年投入商業(yè)運(yùn) 行,有兩種編組:大編組為 1M+12T+1M; 小 編 組 為 1M+5T+1Tc 短 編 組 總 功 率 為 4800kw,長 205.4m,重 443t,定員 294 席, 最高運(yùn)行速度為 280km/h. ICE3 型于 2000 年投入運(yùn)營, 采用動(dòng)力 分散型車組,每一牽引單元為 2 動(dòng)+2 拖.全 列共 8 節(jié)車,16 個(gè)轉(zhuǎn)向架,有 16 根動(dòng)軸. ICE3 (403 型 列 車 長 200m , 牽 引 功 率 8000kw,載客時(shí)重量 444t,定員 440 席, 軸荷重 16t,最高運(yùn)行速度

16、 330km/h (交流 或 220km/h (直流. 4.4.4 高速列車的制動(dòng)技術(shù) 高速列車的最高運(yùn)行速度已由 300km/h 邁向 350km/h,最關(guān)鍵的技術(shù)之一 是制動(dòng)系統(tǒng)的研究.列車速度越高,對(duì)制 動(dòng)技術(shù)的要求就越高,否則安全就難以保 證,其發(fā)展方向是要強(qiáng)化復(fù)合制動(dòng)方式. 在高速區(qū)域,要以動(dòng)力(再生,電阻制動(dòng)為 主,輔以磨擦式制動(dòng)以避免摩擦高溫對(duì)輪, 軸的損壞. 拖車每車安裝 3-4 組具有高制動(dòng) 功率的盤形制動(dòng)裝置,必要時(shí)還可采用非 黏著制動(dòng)(渦流軌道制動(dòng),磁軌制動(dòng).為保 證在高速制動(dòng)時(shí)不滑行,動(dòng)車組均采用高 性能的微機(jī)控制的防滑器,以提高制動(dòng)黏 著系數(shù).日,法,德三國高速動(dòng)車組

17、的制 動(dòng)系統(tǒng)比較參見表 7. 5.結(jié)語 世界高速鐵路的發(fā)展方興未艾.在歐 洲根據(jù)規(guī)劃,2020 年將形成一個(gè)新建高速 鐵路 10000 公里和改建既有線 15000 公里 的遍及全歐的高速鐵路網(wǎng).美國加利福尼 亞州和佛羅里達(dá)州均將建造高速鐵路.技 鄭鐵科技通訊 2 / 2006 術(shù)發(fā)展的主要方向?yàn)? 一是提高線路質(zhì) 量,采用無碴軌道,長期保持線路的穩(wěn)定 性和幾何尺寸的持久性,降低維修成本; 二是高速列車正向 360 400km/h 邁進(jìn),擺 式列車,雙層客車也有所發(fā)展;三是高速 列車(時(shí)速在 250 公里以上者采用動(dòng)力 分散型是大勢所趨;四是降低軸荷重已引 起許多國家的重視,日本 500 系,

18、700 系的 軸荷重分別為 10.8t 和 11.2t, ICE3 為 12.5t; 五是復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)也在發(fā)展.此外,與高 速鐵路配套的安全保障措施列車運(yùn)行 控制系統(tǒng)正在積極研發(fā)中,主要是基于無 線通信,衛(wèi)星定位和智能化的自動(dòng)控制技 術(shù)相整合的綜合系統(tǒng)是今后的發(fā)展主流, 歐洲已制訂了 ETCS 標(biāo)準(zhǔn).我國已開始修 建客運(yùn)專線,向早期建設(shè)高速鐵路的國家 汲取先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)和失敗教訓(xùn),將大大有助于 我國高速鐵路的穩(wěn)步發(fā)展. 參考文獻(xiàn): 1.錢立新: 世界高速列車技術(shù)的最新進(jìn)展 "中國鐵道科學(xué)"2003 年第 3 期. 2.李群仁: 鐵路運(yùn)輸?shù)纳鐣?huì)成本及對(duì)國民 經(jīng)濟(jì)的貢獻(xiàn) "世界軌道交通"2004 年第 8 期. 3.何邦模:高速鐵路的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢"世 界軌道交通"2004 年第 8 期. 高速鐵路: 成功與挑戰(zhàn)記第四 4.孫永福: 屆世界高速鐵路大會(huì) "中國鐵路"2003 年第 8 期. 5.趙映蓮 年第 8 期. 6. Colin Taylor : Promises , Promises! "Railway Gazette I