干貨詳解高速鐵路七大技術(shù)體系

1、干貨詳解高速鐵路七大技術(shù)體系2016-05-08轉(zhuǎn)自RT軌道交通地鐵二三事導讀本文介紹高速鐵路七大技術(shù)體系。高速鐵路從技術(shù)體 系上講大致可以分為這樣一個板塊：公路工程，牽引供 電、運行控制與通信、高速列車、客運服務、綜合維修、 安全防災和應急處理、工務工程。1、工務工程工務工程 一般包括軌道結(jié)構(gòu)、路基、橋梁、隧道、房建工程等各個 子系統(tǒng)，我國鐵路建設在公路工程方面主要依靠技術(shù)創(chuàng) 新。我們國家的高速鐵路一般采用全線高架、無砟軌道、 高速道和超長無縫鋼軌等技術(shù)。京津城際采用CRTS-II型板 式無渣軌道結(jié)構(gòu)，6.5米軌道板縱向連接，專業(yè)化制造，加 工機施工安裝精度高。運營一年表明，無砟軌道京都高穩(wěn)

2、 定性好，剛組均勻。我們的無縫線路，采用60公斤/米、 100米定尺、U71Muk高性能鋼軌?，F(xiàn)場焊接、彈性扣件、 軌溫鎖定技術(shù)。跨區(qū)間超長無縫路線。高速道岔。大號碼高速道岔，直向通過速度350km/h，側(cè)向通過速度 120-250km/h。中國高鐵技術(shù)適應復雜地形。日本國土 面積小，鐵路所跨越的地區(qū)氣候和地質(zhì)條件比較類似。而 中國國土面積大，地形復雜，橫跨多個不同的氣候和地質(zhì) 區(qū)域，因此在高鐵的實際建設中完全照搬引進日法德的技 術(shù)顯然行不通，技術(shù)必須進行創(chuàng)新。因此，作為應對復雜 地形方面，貫穿遼闊國土面積的中國高鐵，在設計上自然 有更多的實際經(jīng)驗，技術(shù)上也比日本具有更多的優(yōu)勢。 鐵道部總工程

3、師何華武就指出，中國京津、武廣、鄭西高 速鐵路非常典型：京津城際是軟土路基，武廣高鐵是巖溶 路基，鄭西高鐵是黃土濕陷性路基，這樣的地質(zhì)條件下建 鐵路，尤其是建高速鐵路，需要處理好地基以及路基的填 入技術(shù)。而日本、法國、德國都沒有這樣的地質(zhì)條件?！爸袊木C合能力超過他們?！痹S克亮表示：“如果說中國的？ 線上？（主要指機車）是走引進、消化、吸收?之路，那么線 下工程（主要指土建）則是由中國人自己創(chuàng)造的一個完整 系統(tǒng)的標準。中國高鐵經(jīng)過的地方地質(zhì)難度較大，要穿越 水下60米深的瀏陽河，還要從70多米高的地方跨越山谷 等，地質(zhì)的難度，決定了中國高鐵的線下功夫?！?、牽引供電由電力、接觸網(wǎng)、變電、供電、

4、遠動等構(gòu)成。夕卜 電110kv/22Okv接入變電所，通過接觸網(wǎng)為高速列車供 電。A2627.5kv的AT供電方式，供電距離60km,比直供延 長1倍。通過SCADA系統(tǒng)實現(xiàn)遠程監(jiān)測、控制與調(diào)節(jié)、實 現(xiàn)保護、控制一體化和越區(qū)供電。我國高鐵采取綜合接地、防雷、融冰雪技術(shù)。自動過分相，端點過分相：利用列車慣性通過無電區(qū)。時速250公里的線路采用 這個技術(shù)。我們在時速350公里的線路上采用了不斷電過 分相技術(shù)，通過地面和車載裝置，實現(xiàn)列車瞬間通過無電 區(qū)的系統(tǒng)控制，切換時間0.3秒左右，高速列車動力丟失 少，長距離運行節(jié)能效果非常明顯，大幅壓縮運行時分。 高速接觸網(wǎng)，在明線、隧道、橋梁和不同氣候條件

5、等復雜 工程下，時速350公里，采用簡單鏈型、彈性連型懸掛技 術(shù)，研發(fā)高強高導接觸網(wǎng)導線。保證接觸網(wǎng)與受電弓匹配 良好、受流穩(wěn)定。武廣客運專線接觸網(wǎng)采用彈性縫型懸掛 方式，實現(xiàn)時速350公里雙弓穩(wěn)定受流，為世界首創(chuàng)。尤其是高速電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)的主體設備接觸網(wǎng)， 已經(jīng)開始實現(xiàn)關(guān)鍵零部件的國產(chǎn)化。3、列車運行控制列控系統(tǒng)是確保列車行車安全的控制系統(tǒng)，我國采用的 “中國列車運行控制系統(tǒng)”（CTCS）。CTCS-1級，人控優(yōu) 先，超速防護，普速鐵路。CTCS-2級，機控制優(yōu)先，基于 軌道電路+應答器的地對車單向信息傳遞，250km/h客專， 5分鐘追蹤。CTCS-3級：疾控，基于無限數(shù)據(jù)傳輸平臺

6、 （GSM-R）車地雙向列控信息傳遞。350km/h客專，3分 鐘追蹤；CTCS-4級，移動閉塞或虛擬閉塞。另 外，武廣高鐵的冽控中心系統(tǒng)平臺”發(fā)明已經(jīng)向國家知識產(chǎn) 權(quán)局提出了專利申請。它主要是運用“二乘二取二”的冗余技術(shù)，“二乘二取二”是一種廣泛應用于鐵路方面的技術(shù)，具有 更高的安全性和可靠性。二乘二側(cè)重于系統(tǒng)的可用性和可 靠性，二取二側(cè)重于系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。而在技術(shù)實 現(xiàn)上主要有兩種方式：指令級同步和任務級同步，即系統(tǒng) 平臺采用多層次的安全防護措施，所有的安全輸出均由兩 套獨立、非相關(guān)的軟、硬件子系統(tǒng)共同確定，符合故障一 安全原則，命令在輸出前進行比較，檢查有錯誤便不產(chǎn)生 輸出。輸出后

7、也會檢查，保證不產(chǎn)生錯誤輸出?；谝陨系目刂葡到y(tǒng)，武廣高鐵在32公里范圍內(nèi)互通信息數(shù) 據(jù)，并自動保持14公里的安全車距，如果車距小于14公 里，調(diào)度中心會給動車發(fā)出指令，后車便可自動根據(jù)與前 車的距離來調(diào)整車速。“C3系統(tǒng)在武廣高鐵的成功運用，關(guān)鍵在于我們實現(xiàn)了兩大創(chuàng)新：一個是系統(tǒng)集成創(chuàng) 新，一個是引進消化吸收再創(chuàng)新。我們參照了一些國外的 相關(guān)標準，但整個C3系統(tǒng)，包括標準規(guī)范體系，系統(tǒng)機構(gòu) 的研發(fā)，系統(tǒng)結(jié)果的測試，系統(tǒng)產(chǎn)品的制造，施工安裝聯(lián) 調(diào)聯(lián)試等，都是完全由中國人自己完成的?！蓖ㄌ柤瘓FC3 攻關(guān)實施組組長、研究設計院總工程師、集團副總工程師 張苑如實闡述“中國創(chuàng)造”四個字。C3的核心技術(shù)

8、在于應用 無線傳輸方式控制列車運行。其中有兩個關(guān)鍵設備，一個 在地面，一個在車上。地面的叫RBC系統(tǒng)，中文名字叫無 線閉塞中心系統(tǒng)。RBC的功能就是讓列車“該走的時候走，該停的時候?！?；車上的叫ATP系統(tǒng)，中文名字叫列車超速防護系統(tǒng)，功能就是連續(xù)不間斷地對列車實行速度監(jiān)督， 實現(xiàn)超速防護。時速350公里高速動車列車如果瞬間剎車制動，需要減速滑行6500米。通過C3系統(tǒng)的控 制，武廣高鐵全線運營的高速列車在武漢調(diào)度中心的RBC 系統(tǒng)監(jiān)控下，通過RBC系統(tǒng)的控制指令和車載ATP的控 制，能確保每輛列車自身不超速并使前后兩個列車之間保 持安全行車距離。因C3攻關(guān)被評為全國勞模的張苑說，C3級列控系統(tǒng)

9、技術(shù)創(chuàng)主要有四大點：首次通過無線 通信的方式實現(xiàn)了對長大距離范圍內(nèi)時速350公里列車的 安全可靠運行控制；完成了列控系統(tǒng)C2/C3控車模式集 成；創(chuàng)建了全速、全景綜合設計集成平臺和一整套測試驗 證方法；構(gòu)建了完整的技術(shù)標準體系。鐵道部黨組書記、部長劉志軍2009年國慶期間檢查武廣高鐵時指 出：武廣高鐵科技含量最高的技術(shù)是C3列控系統(tǒng)。為適應鐵路重載運輸?shù)男枨?，南車株機公司通過技術(shù)創(chuàng)新 和研究，在機車同步操縱技術(shù)、大功率交流傳動機車技術(shù) 取得突破性進展，在世界上首次實現(xiàn)機車無線同步操縱技 術(shù)與GSM-R技術(shù)結(jié)合，大幅度提升了重載鐵路的運輸能 力。以和諧1型大功率交流傳動機車擔當?shù)拇笄罔F路是世 界

10、上年運量最高的重載鐵路，為加快發(fā)展我國及世界鐵路 重載運輸提供了成功范例。4、高速列車 高速列車高 速列車是高速鐵路的核心技術(shù)之一，也是世界各國在高速 鐵路當中競爭的制高點。高速列車由45000個零部件組 成，工程中分為九大關(guān)鍵技術(shù)。包括集成技術(shù)，目前能夠 掌握集成技術(shù)的德國、法國、日本、韓國。二是車體制 造。三是牽引系統(tǒng)，牽引系統(tǒng)是高鐵競爭的核心、之一，主 要由變壓器九變流器、牽引控制、電機幾個不同的部分組 成。高速列車所有的用電設備和運動器件都采用傳感器進 行實時的監(jiān)控。高速轉(zhuǎn)向架，高速列車的轉(zhuǎn)向架是列車技 術(shù)的核心也是輪軌技術(shù)的核心。高速專項架的結(jié)構(gòu)功能， 高速列車技術(shù)的核心，具有承載、

11、導向、減震、牽引及制 動等功能。傳統(tǒng)意義上的火車頭已經(jīng)看不見了，轉(zhuǎn)向架技 術(shù)創(chuàng)新點主要在于抑制它的蛇行運動，由于車輪的反面很 錐形，需要良好的工作曲線，錐形的爬點就形成了固有的 刺激震動，這也是轉(zhuǎn)向架能跑多高速度的核心。還有脫軌 安全性。我們在研究高速列車轉(zhuǎn)向架輪軌安全的時候做了 一個突破性的測試，世界各國高速鐵路和它的普速鐵路是 不相吻的，也就是說它不做跨線運行的技術(shù)準備，所以大 多數(shù)國家，包括日本，它的輪軌匹配都是按照高速線和普 速線來設計。我們國家高速鐵路和現(xiàn)在了路網(wǎng)形成跨線， 這個路網(wǎng)的效應就會非常的好，我們在設計我們國家的輪 軌匹配的時候采用了特有方案，這個方案比德國的明顯 好，不僅

12、可以滿足本線運行，而且還可以實現(xiàn)跨線運行，這項技術(shù)我們在本國和多國申報了專利。高速轉(zhuǎn)向架，我 們希望有較高的臨界速度，比如時速350公里高速列車轉(zhuǎn) 向架理論上是490公里，在西南交通大學做到了 410公 里，最后的實驗沒有做下去，只做到了410公里。為了驗 證我們高速轉(zhuǎn)向架的性能，我們用了 180多天在京津城際 對高速轉(zhuǎn)向架做了大量在線試驗。在高速的條件下，啟動 升力、交會啟動激擾對輪重減載率、輪軸橫向力等安全性 指標的影響進行了測試，實驗的結(jié)果在394公里的時候脫 軌系數(shù)只有0.3，輪軸橫向力最大有17.5千米，平穩(wěn)型指標 小于2.0，安全性指標和舒適性指標都最大。又是在頭頭相 交、頭尾相交

13、、尾尾相交的時候穩(wěn)定性非常高，這為京滬 高速再提高一點做了很好的鋪墊和準備。車體技術(shù)我們國家高速列車的車體設計結(jié)構(gòu)優(yōu)幾個特點，采用了薄壁 木筒型鋁合金焊接結(jié)構(gòu)。鼓型寬車體3.3m。我們用了2年 多時間，在我們國家三個企業(yè)全部實現(xiàn)了國產(chǎn)化。我們的 技術(shù)難點是寬車體、輕量化、復雜交變載荷工況下，解決 的技術(shù)難題：結(jié)構(gòu)強度、模態(tài)匹配、減震降噪、減少阻 力。車體主要的考核指標是氣動性能，列車在交會和過隧 道的時候，在列車的周邊會形成很大的阻壓，我們國家實 行的氣動強度指標是正負4000帕，在各種阻力都做了不同 速度下的單車過隧道，雙向過隧道的實驗，氣動強度是不 夠的。但是京滬高速，我們希望通過泰山這段

14、22個連續(xù)的 隧道，氣動強度更好一點，新一代的高速列車把氣動強度 的指標提高到正負6000帕。 高速列車除了有很好的安全 性還要有很好的舒適型，振動和噪音控制得當，列車的振 動主要來自兩個方面，一方面是氣體與車體的摩擦產(chǎn)生的 振動和噪音，二是線路的不平順產(chǎn)生的噪音，后者產(chǎn)生的 噪音對車不僅有舒適型的影響還有安全性的影響?？梢钥?出來，線路的阻振的波長與車體的模態(tài)匹配很好，因此很 多同志，包括國外的同仁（日本人、德國人）坐了京津城 際，認為我們在減震和降噪方面做得要比他們好。比如我 們時速350公里的頭車的噪音可以做到68個分貝，中國高 速列車降噪措施主要在噪聲源的控制，車輪采用降噪的涂 料，車

15、與車之間的連接使它更加平滑等等。車體的設計 減少運行阻力，是一個很重要的技術(shù)工作。京津城際我們 做了大量的實驗以后，對我們目前的二型車和三型車在高 速運行條件下的運行阻力，特別是車頭的阻力和車身的阻 力做了詳細的分析。這張圖顯示京滬高速新一代高速列車 的頭型設計（見圖），我們做了四個頭型，一號、二號、三 號、十四號。目前，世界上高速列車的頭型發(fā)展有兩個趨 勢，以德國和法國為代表的，他們目前一般都在做回型頭 型，這種頭型運行阻力較大，但是噪音較小。日本做成蛇 行，運行阻力較小，但是噪音很高。我們是把兩種技術(shù)做 了一定的融合，京滬高速會采用一號方案，二號作為儲備，14號方案用于時速500公里的實驗

16、列車，這個車明年 年底也要下線。牽引傳動系統(tǒng)我國高速列車采用交直交、 動力分散牽引傳動方式。關(guān)鍵技術(shù)：輕量化、大客量變壓 器。大功率變流器、1GBT模塊。輕量化牽引電機、傳動裝 置。輸出一個可以控制電壓和頻率的交流電，刺激電機運 行，帶動高速運轉(zhuǎn)。在制動的時候，列車強大的慣性，動 能轉(zhuǎn)變成電能反饋回來。如果忽略空氣的運行阻力和摩擦 阻力，動能速度在50公里以上有98%可以再次利用。電一 空復合制動高速列車的制動系統(tǒng)采用電一空復合制動。在 高速的情況下，首先采用電制動，當時速達到50公里采用 摩擦制動。同時達到列車的精確制動。到緊急制動的時候 電制動和摩擦制動同時進行。關(guān)鍵技術(shù)：電-空匹配控制。

17、 防滑控制。大容量摩擦副。粘著與減速度匹配。350公里/ 時制動距離 武廣客運專線大量采用了自主研發(fā)的先進的 減震性軌道技術(shù)，其中包括了重型無縫鋼軌、新型扣件、 彈性軌枕以及吸音材料制成的聲障屏、吸聲式隔音窗等新 材料新設備，列車通過時的噪音大大降低。在1月11日召開的國家科學技術(shù)獎勵大會上，中國南車青島四方機 車車輛股份有限公司的“CRH2型高速動車組轉(zhuǎn)向架”，榮獲 國家科學技術(shù)進步一等獎。CRH2型高速動車組轉(zhuǎn)向架的研 制開發(fā)過程中，申請了大批專利。據(jù)介紹，轉(zhuǎn)向架是高速 動車組的走行裝置，具有承載、減震、導向、牽引、制動等重要功能，決定了列車運行速度和運行品質(zhì)，是高速動 車組的核心技術(shù)。C

18、RH2在高速轉(zhuǎn)向架動力學等多方面實現(xiàn) 了技術(shù)創(chuàng)新，成功解決了高速條件下列車抗線路激擾、抗 蛇形運動失穩(wěn)、抗高速脫軌等關(guān)鍵技術(shù)難題，并實現(xiàn)了我 國鐵路動車組在既有線和高速鐵路的兼容運行，整體技術(shù) 達到國際先進水平。在第六次鐵路既有線大提速中，這一 成果應用于京廣、京滬等9條共計6000多公里的主要干 線，以及京津城際高鐵動車組、武廣高鐵動車組、世界首 創(chuàng)的長大編組臥鋪動車組等。這一技術(shù)成果應用的高速動 車組累計運營里程已超過9000萬公里，累計運送旅客1.23 億人次。 除了使用CRH2型高速動車組轉(zhuǎn)向架，武廣高鐵 采用的CRH3型動車組列車系統(tǒng)創(chuàng)新了大斷面寬車體、高速 輪軌、高速受流、高速制動

19、、人機界面等關(guān)鍵技術(shù)，在牽 引系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、車體空氣動力學等方面的技術(shù)處于當 今世界領先地位，牽引功率達到8800千瓦，具有強勁的啟 動加速和持續(xù)高速運行的能力?！案邭饷苄攒壍儡囕v車體”技術(shù)解決了上述不足，采用了氣密隔墻結(jié)構(gòu)，將頭車 司機室前部與車廂部分有效隔離，分隔成完全密封的兩部 分，避免在列車進行高速運行時，因車體頭部所承載的空 氣壓力過大，造成車體密封不嚴的現(xiàn)象。此外，該車體各 大部件之間的連接部均采用滿焊工藝焊接，且在車體的各 個開口走線的位置，采用了套管加堵板的結(jié)構(gòu)，走線完畢后灌上密封膠，更進一步保證了車體的高密封性能。這種 車體結(jié)構(gòu)不僅適用于鋁合金型材的車體，也同樣適用于碳 鋼

20、、不銹鋼車體，可用于時速200公里及以上速度等級的 動車組，目前廣泛應用于CRH2系列動車組，已裝用1200 余輛，總價值近30億元?！皫в袩崛坌蜏p震材料的中空薄壁型材”技術(shù)解決了這個難題，采用鋁合金中空薄壁擠 壓型材，可以實現(xiàn)較高的剛度和強度設計要求；同時，因 為是減震隔音材料，所以降低震動、噪音向客室內(nèi)的傳 遞。據(jù)了解，這項專利技術(shù)可適用于時速200公里等級及 以上的動車組車體結(jié)構(gòu)，目前廣泛應用于CRH2C300系 列動車組車體，及CRH2長大編組系列動車組車體，已裝用 700余輛，總價值近10億元。5、旅客服務系統(tǒng)大量運用了信息技術(shù)，需要給各位專家報告的是，鐵路的票務 系統(tǒng)看似簡單，實際

21、上很難。去年我們國家鐵路旅客發(fā)送 人數(shù)是14億人，中國人每人坐了一次火車。去年印度人每 人坐5次火車。日本，2008年的統(tǒng)計，每人每年坐軌道交 通200次。我們測算到2011-2012年，高速鐵路網(wǎng)基本建 成以后，每年旅客發(fā)送量大約在70億人次以上，對這樣一 個大型票務系統(tǒng)數(shù)據(jù)平臺建設，目前我們和中科院以及和 幾所大學還在探討，這是一個很大的處理系統(tǒng)。我們在站 車信息服務和引導服務方面也要采用大量的信息技術(shù)。6、高速鐵路安全高速鐵路的安全與否取決于三個要素：第 一個要素是系統(tǒng)本身的穩(wěn)定性，第二個要素是維修的可靠 性，第三個要素是意外事故的控制。高速鐵路的維修我們現(xiàn)在采用的是手段，一是采用現(xiàn)代化

22、的檢測與維修設備， 這是世界上目前速度最高的綜合檢測設備。我們的零號列 車在檢測線路、通信、訊號的時候達到250公里。每日0 點以后設置4小時左右綜合維修“天窗”，這段時間不行車， 采用現(xiàn)代化的設施對線路進行檢測。檢查結(jié)束以后每天開 行之前會對開一個空載的動車組對線路進行確認。每10天 我們有綜合檢測車對線路的基礎設施、通訊信號和牽引供 電設備進行綜合的檢測和診斷。7、安全防災監(jiān)控體系高速列車對側(cè)風比較敏感，一般在每秒15米側(cè)風條件下我 們會采用降速的辦法，從350降到250。對大風、雨雪、地 震比較敏感，在異物侵限、線路沉降監(jiān)測、接觸網(wǎng)、通 信、信號檢測。高速列車運行品質(zhì)、軸溫、防火智能檢測

23、 診斷，以及全線視頻監(jiān)控。據(jù)許克亮介紹，為武廣高鐵開發(fā)的列車控制系統(tǒng)，代表了世界先進水平。實行 “雙保險”監(jiān)控，全線每隔一段距離就有一座數(shù)據(jù)接受塔，像 移動通訊一樣，監(jiān)測全線有無人、牲口等進入，這是無線 監(jiān)控。軌道上還設有有線監(jiān)控。鐵軌上幾毫米的變形和下 沉，都看得十分清楚。一旦前方有不速之客侵入鐵路，監(jiān) 控系統(tǒng)會立刻指令列車自動停車。在安全防災監(jiān)測系統(tǒng)上，高速列車對側(cè)風比較敏感，一般在每秒15米側(cè)風條件下會采用降速的辦法，從時速350公里降到250公里。 在長達700多公里的路段上設有融雪裝置，鐵路凍到一定 程度，這個裝置就會自動啟動。武廣高鐵采用國產(chǎn)化的融 雪裝置，一旦遇到極端天氣，裝置將自動啟動，融化冰 雪。這套融雪裝置即是北京中鐵通電務技術(shù)開發(fā)中心發(fā)明 的專利技術(shù)“一種鐵路道岔融雪電加熱元件安裝裝置”。一名不愿透露姓名的專家認為，中國的高鐵技術(shù)相對于德國、日本等有三個優(yōu)勢?！耙皇菑墓展こ?、通 信信號、牽引供電到客車制造等方面，中國可以一攬子出 口，而這在別的國家難以做到。二是中國高鐵技術(shù)層次豐 富，既可以進行250公里時速的既有線改造，也