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在这些不利因素影响下,铁路运输营运量开始大幅度衰退。
以美国为例,到了1955年铁路长度约剩下35万公里,1965年时,铁路又减少了4万公里,铁路公司减少为552家,铁路客运量仅占1940年的20%。
(四)复苏期(1964年以后)
1964年,日本建成了世界上第一条速度为200km/h的高速铁路—东海道新干线。
高速列车的行驶克服了传统铁路在行车速度上的限制,行驶于东京及大阪之间,每天平均载客达45万人,高峰日则超过百万人,营运7年就将10亿美元的建设成本连本带利还清,从而重新找回铁路业者的希望。
此后,日本、法国、德国、意大利、西班牙等国家陆续完成了更新更快的高速铁路系统。
二、中国铁路的发展
(一)中国铁路的起源
有关铁路信息和知识传入中国大约是在1840年鸦片战争前后。
铁路运输的发展,由于受到满清政府闭关锁国政策的影响,在发展时间上落后西方国家甚久,直至1881年,清廷为了开采煤矿所需,兴建了唐山至胥各庄之间约9km之唐胥铁路,才真正揭开了中国铁路运输史的序幕。
由于这条铁路的经营效果良好,各地见此,纷纷奏请兴建铁路,故在1881-1921年期间,在我国境内共兴建了约19000km的铁路,不过其中多属外国人出资兴建,以致路权丧失,外力侵入。
(二)中国铁路的发展
1949年中华人民共和国成立之后,我国铁路建设有了统筹的规划和统一的标准,进入了一个新的大发展时期。
我国客货列车提速:
第一次:
1997年4月1日,京沪、京广、京哈三大干线,客运列车开行最高时速达140公里。
第二次:
1998年10月1日,京广、京沪、京哈三大干线,区段最高时速达到140-160公里。
第三次:
2000年10月21日,重点是陇海、兰新线、京九线和浙赣线。
第四次:
2001年10月21日,重点京广通道(南段)、京九通道、武昌-成都、重庆通道、浙赣线、哈大线。
青藏铁路西宁至拉萨全长1956公里,其中,西宁至格尔木814公里已于1979年铺通,1984年投入运营。
修建的青藏铁路格尔木至拉萨段,于2006年通车,设计输送能力为客车8对,单向货流密度500万吨。
第五次:
2004年4月18日,全国铁路实施第五次大面积提速,时速160公里及以上提速线路达到7700多公里。
第六次:
2007年4月18日,经过三年多技术准备,既有线第六次大面积提速调图正式实施,首次开行了速度为200~250km/h的CRH型动车组。
第六次大提速的顺利实施,标志着我国既有线提速技术已达到世界先进水平,并且已进入高速领域。
同时,“和谐号”动车组从此驶入了百姓的生活中。
第二节高速动车组的模式及发展历程
目前世界上拥有自主开发并已成功运用高速动车组的国家有日本、法国、德国和意大利,其共同之处在于列车各部件大量运用高新技术,同时又各具特色,既根据本国的运用条件和传统经验,特别是在转向架结构、车体轻量化、流线型外形、列车动力配置及构成形式、电传动及控制技术、列车信息网络等方面都具有各自的特点。
其他正在发展高速铁路技术的国家和地区,如西班牙、比利时、荷兰、韩国和中国、台湾等,都是建立在引进这些国家的成熟技术的基础上而发展起来的。
一、高速动车组的模式
将一定数量的动力车和拖车连挂,形成编组固定的车组称为动车组。
动车组一般在两端均设置司机室,列车折返时不必调头,以满足城际间运行。
动车组按动力分布情况分为:
动力集中型和动力分散型两种。
动力集中型动车组是指将列车电器和动力设备集中安装于位于列车端部的动力车上,仅动力车的轮对是动力轮对,动力车不载客,旅客主要集中于中间拖车的动车组。
这种动车组与传统列车模式相似,便于按传统习惯进行运营和维修管理;
故障相对较高的电气与机械设备集中在动力车上,便于保养,而且工作环境也较清洁;
由于拖车不设置牵引电气和机械设备,故拖车内噪声、振动小;
其动力车可以进行摘挂与转换,可以满足电气化区段与非电气化区段的直通运行需要。
但动力集中型动车组也存在着一些固有缺陷,诸如:
动力集中方式使列车相对载客量减少;
黏着质量不及动力分散动车组,速度的进一步提高将受到功率和黏着的限制;
列车动力制动性能欠佳等。
动力分散型动车组是将由电机驱动的动力轮对分散布置在列车的全部或部分轮对上,同时将列车的主要电器和机械设备吊挂在车辆下部,列车全部车辆可载客的动车组。
动力分散型动车组优点是:
可充分利用列车载客;
黏着性能优于动力集中型动车组;
而且由于动力设备分散设置在各车体下,其动轴轴重小,可以减小车辆与轨道之间的动作用。
动力分散型动车组编组灵活,扩编运行后可在保持其列车牵引特性不变的前提下增加运能,这较好地满足了铁路客运市场的需要。
但是,动力设备分散布置也带来了车下吊装设备影响车内舒适性、设备布置困难、设备工作环境差等新问题。
二、世界主要国家高速铁路及高速动车组发展概况
(一)日本
日本是世界上首个建立商业运营高速铁路的国家。
20世纪50年代,人们普遍认为铁路是“夕阳产业”。
在铁路高速方面,全世界还处于谨慎观望、对其运营安全性普遍存在担忧。
报纸上甚至评论此种铁路是运行时需系安全带、车内不能随意走动的“危险”的交通工具。
日本高速铁路称为新干线,东海道新干线在1959年动工,于1964年日本东京奥运会开幕前夕通车,使用日本0系光号16辆全动车编组高速列车(如图1-1所示)担当,高速列车采用创新性地采用了全动力分散方式动车组。
图1-1世界首列高速列车——日本0系高速列车
新干线建成后,大量客流转向新干线,甚至迫使东京至名古屋的航班停运。
极大地促进了日本沿线城市的发展,后日本政府开始大力建设其他新干线。
日本新干线的建设扭转了世界铁路“夕阳产业”的命运,各国铁路界为之震惊,新干线成为日本的名片。
新干线的成功给英、法、德、美、苏高速铁路技术研究予极大的刺激,但从新干线开通至1981年的15年间,全世界仅日本有一条真正意义上的高速铁路。
此外,虽然国土面积不大,从1964至2009年日本一直是全世界高铁里程最长的国家。
日本新干线高速列车随着日本新干线的建设也不断升级,其特征如下:
第一:
车型多,形成系列化。
日本是高速铁路车型最多的国家之一,且头型极为丰富。
日本高速列车大致可划分为两大类:
1.0系(1964年)、100系(1985年)、200系(1980年)、300系(1990年)、400系(1990年)、500系(1997年)、700系(1997年)、800系(2004年)、N700系(2007年)。
此类高速列车主要运行于东海道、山阳、九州新干线。
2.E1系(1994年)、E2系(1995年至2002年升级为E2-1000)、E3系(1995年)、E4系(1997年)、E5系FASTECH360(2009年),如图1-2所示。
此类高速列车主要运行于东北等新干线。
其中,FASTECH360是为了研究以每小时360公里速度营运的可行性而设计的,倾摆式交流传动动车组,引入风阻制动机构。
定型为E5系,2011年3月5日起开始商业化运营,目前最高运行速度320km/h。
图1-2Fastech360高速动车组列车
第二:
动力分散、轻量化。
针对日本地理环境较差,土质松软、山地河流较多的情况,为减轻对轨道等基础设施的要求,日本一开始就选择了动力分散方式。
且大力推进高速列车的轻量化设计,日本高速列车轴重基本在14吨以下,而欧洲高速列车基本在17吨以上。
(二)法国
自1967年起,法国国营铁路开始着手研究高速运输。
首先是尝试将航空用燃气涡轮发动机用于铁路动车组。
1969年11月,法国研制成功了第一代ETG型燃气轮动车组,最高试验速度达到248km/h。
此后,通过进一步提高燃气轮动车组质量,又研制出第二代ETG型燃气轮动车组,最高试验速度为260km/h。
为了配合在巴黎—里昂建设高速铁路,还研制了第三代TGV-001型燃气轮动车组,5节编组,1972年最高试验速度达到381km/h。
然而,1973年中东战争引起第一次世界石油危机后,法国开始将高速动车组技术政策转向电力牵引,并率先在欧洲实行将速度、环保意识、充分利用能源、高新技术以及经济可靠性综合考虑的技术方针。
1973年研制出第一列Z7001电动车组,1975年最高试验速度达到309km/h。
自1976年开始,法国开始着手研究交一直传动的TGV-PSE动车组,并在1981年9月投入运用。
此后,法国先后研制了交一直一交传动的TGV-A、TGV-R、TGV-2N、TGV-TMST、西班牙AVE、TGV-PBKA、TGV-K等动车组,新型动力分散动车组AGV也已研制成功,并投入试验运行。
其中,TGV-A325号车组于1990年5月在大西洋线创造了515.3km/h轮轨系统高速行车的纪录。
1993年,法国第三条高速铁路TGV北线开通运营。
北线也称北欧线,由巴黎经里尔,穿过英吉利海峡隧道通往伦敦,并与欧洲北部比利时的布鲁塞尔、德国的科隆、荷兰的阿姆斯特丹相连,是一条重要的国际通道。
目前法国高速铁路虽然只有1282公里,但TGV高速列车的通行范围已达5921公里,覆盖大半个法国国土。
法国将在21世纪的头10年内,把东南线延伸至马赛,还要修建通向意大利和西班牙的南部欧洲线以及巴黎至德国的东部欧洲线。
2007年4月3日,在刚刚竣工的巴黎-斯特拉斯堡东线铁路进行了TGV试验,TGV以574.8公里的时速创造了轮轨列车的最快纪录。
(如图1-3)
图1-3TGV创造的最高速度
法国新一代高速列车称为AGV(图1-4所示),目标营运速度360km/h。
动车采用动力分散方式永磁电机驱动。
图1-4AGV高速动车组列车
(三)德国
德国是世界上首个研制电力机车的国家,1903年创造了试验速度达210km/h的速度纪录;
在1988年创造了406.9km/h的速度记录。
日本新干线也促进了德国推进本国高速铁路的发展。
由于磁浮及轮轨技术方案的争议,
在轮轨系统建设上热情不够,直至1981年法国的东南线成功开通运营,德国才加快了轮轨高速铁路建设和研究。
凭借德国雄厚的工业实力,德国高速列车以其先进的技术、舒适的乘坐环境占有一席之地。
德高速列车称为ICE(为InterCityExpress城际快车的缩写)。
1988年5月1日,ICE-V创造了406.9公里/小时的世界速度。
1991年,德国推出ICE-1列车,是德国第一代高铁。
在2000年,推出动力分散ICE-3高速列车,如图1-5所示,时速可达320公里。
图1-5ICE3高速动车组列车
(四)意大利
意大利是欧洲首个进行铁路高速化的国家,意大利首条高铁罗马-佛罗伦萨高速铁路在1970年动工,1977年首段通车。
模式与德国类似,全部修建新线,客货列车混用。
意大利采用摆式列车模式提速。
1969年,意大利国家铁路局和菲亚特轨道车辆集团合作研制了第一台摆式列车原型ETRY0160(首款命名为Pendolino的车型,Pendolino意大利语小摆钟),1974年研制完整ETR401摆式列车,如图1-6所示。
图1-6ETR401摆式列车
1985年发展至ETR450,后又升级至ETR460和ETR480。
菲亚特铁路公司的Pendolino系列摆式列车在欧洲广泛使用,如为芬兰提供的SM3型摆式列车(如图1-7所示)为基于ETR460型设计,按前芬兰国家铁路的特定要求和当地严寒气候进行改进。
菲亚特铁路于2000年被法国阿尔斯通收购。
图1-7SM3型摆式列车
新一代摆式列车车型ETR600和ETR610(如图1-8所示)已于2006年起交付。
图1-8ETR610动车组列车
此外,意大利于2008年采购了25列法国AGV575高速列车,编号为ETR1000。
(五)瑞典
受日本新干线和法国TGV的影响,瑞典推进了铁路的提速。
由于瑞典铁路弯道多、曲线半径小,考虑全面改造基础设施或新建高速铁路投入较大,所以瑞典国铁决定开发一种能在既有线上以较高速度运行的列车。
采用了摆式列车实现高速运行客货混用方案。
瑞典国有铁路(SJ)和Adtranz公司经过多年的研究实验,研制成功了X2000型动力集中式摆式列车(如图1-9所示),并于1990年投入运用。
X2000仅在非机车部分不设置车体倾摆功能,且使用径向转向架。
此后,瑞典还研制了XZ、XCE等型号的摆式列车。
X2000对瑞典铁路有很重要的意义,1990年投入运营即令当时陷入低潮的瑞典铁路客运重新发展,成为瑞典高速列车的代表作。
图1-9X2000摆式列车
由于X2000摆式列车在站间距短的城郊地区营运成本较高,ADtranz公司于2000年开发了Regina电动车组,如图1-10所示。
Regina动车组编组灵活,可以采用两节或三节短编组运行,亦可以以三个单元编组成一列车(6~9节)以重联方式运行,是理想的中短途客运和城际交通用车。
Adtranz公司2011年被庞巴迪收购。
图1-10Regina动车组列车
随着世界高速铁路发展浪潮的到来,西班牙、韩国、俄罗斯、美国等多个国家也开始大力发展本国的高速铁路。
西班牙、韩国等国引进了其他国家先进的技术,再开发了自主品牌。
最新产品如西班牙Talgo-350(2006)350km/h交流传动倾摆式动车组(如图1-11所示)、韩国HEMU-430X交流传动370km/h动车组(如图-12所示)等。
图1-11西班牙Talgo-350高速列车
图1-12韩国HEMU-430X高速列车
三、我国高速铁路发展概况
(一)前期储备阶段
在2004年《中长期铁路网规划》发布之前,我国高速铁路建设前期进行了长时间的基础研究工作。
我国高速铁路起步较晚,对高速铁路的前期研究始于1990年代初。
以京沪高速铁路为例,当时处于构思阶段,1990年铁道部完成了《京沪高速铁路线路方案构想报告》并提交全国人大会议讨论。
铁道部组织了456个课题研究,1995年全部完成设计。
在高速列车方面,对动力学问题进行了大量的理论和实验研究,包括风动实验、弹射实验、线路实验等。
1994年,我国第一条准高速铁路广州—深圳建设成并投入运营,旅客列车速度为160~200km/h。
通过科研与试验、引进和开发,为我国高速铁路建设做前期的准备。
1998年广深铁路电气化提速改造完成,设计最高时速为200公里,为研究通过摆式列车方式在中国铁路既有线实现提速的可行性,我国于同年从瑞典引入时速200公里的X2000摆式列车(如图1-13所示)运营于广深线并取得了巨大的成功,特别是其先进的运用维修理念对我国铁路机车车辆的检修体制产生极大的冲击。
广深铁路被视为中国由既有线改造踏入高速铁路的开端。
图1-13X2000摆式列车
由于中国铁路长期面临运输能力严重不足,制约我国经济发展。
在1996年-2000年期间进行的三次中国铁路大提速的基础上,我国制定了《“十五”期间铁路提速规划》(以下简称《规划》)正式将高速铁路建设列入规划。
《规划》提出:
到“十五”末期,初步建成以北京、上海、广州为中心,连接全国主要城市的全路快速客运网,总里程达16000公里;
客运专线旅客列车最高时速达到200公里及以上,实现高速铁路、部分繁忙干线客货分线;
而用于高速铁路车辆的交流电传动、动车组技术研究也同步进行,并开展时速270km/h高速动车组的研制。
1999年8月16日,第一条真正意义上的高速铁路正式开工建设,2003年正式开通运营。
全线设计时速达到200~250公里。
在高速铁路勘测、设计和施工技术方面,为后期高速铁路建设做准备。
在高速列车方面,我国前期探索性研制了多种型号高速列车。
如北海号、北亚号、长白山号、春城号、大白鲨号、罕露号、金轮号、晋龙号、庐山号、神州号、先锋号、新曙光号、中原之星等等。
其中,以后期研发的蓝箭及中华之星高速列车影响最为深远。
“蓝箭”高速列车(如图1-14所示)是为满足广深线“小编组、高密度、高速度”的公交化客运要求,由株洲电力机车厂、株洲电力机车研究所、长春客车厂和广铁集团于2000年共同研制的新一代交流传动高速电动旅客列车组,最大速度220km/h。
图1-14蓝箭”高速列车
“中华之星”高速列车(如图1-15所示)在秦沈客运专线创造了“中国铁路第一速”的321.5km/h速度纪录。
图1-15中华之星号动车组
蓝箭和中华之星分别于2001年和2005年在广深线和秦沈客运专线上投入试验性商业运营。
(二)中长期铁路网规划发布及实施阶段
2004年1月国务院常务会议讨论并原则通过历史上第一个《中长期铁路网规划》,正式宣布规划建设里程超过1.2万公里的客运专线上。
客车速度目标值达到每小时200公里及以上,以及三个地区的城际客运系统(环渤海地区、长江三角洲地区、珠江三角洲地区)。
自规划实施后,大批高速铁路相继开工建设。
在高速列车方面,在“全面引进技术,联合设计生产,打造中国品牌”的原则主导下,通过招标采购方式,采用引进国外先进、成熟、经济、适用、可靠的高速列车设计、制造技术,实现了我国铁路客运的高速化。
在2007年实行的中国铁路第六次大提速,中国首次在各主要提速干线(如京沪线、京广线、京哈线、胶济线等)大规模开行时速高达200~250公里的中国铁路高速(CRH)动车组列车,达到了目前世界上既有线提速改造的先进水平。
2008年8月,中国首条设计时速达300公里的高速铁路——京津城际铁路通车运营。
2009年12月26日,世界上一次建成里程最长、工程类型最复杂的武广高速铁路开通运营。
2010年2月6日,世界首条修建在湿陷性黄土地区,时速350公里的郑西高速铁路开通运营。
2010年7月1日,沪宁城际高速铁路开通运营。
2011年7月1日,京沪高速铁路开通运营。
2012年12月26日,京广高速铁路开通运营。
2013年11月26日,津秦高速铁路开通运营。
经过多年的高速铁路新线建设和对既有铁路的高速化改造,我国已经拥有世界上最大规模高速铁路网。
(三)现阶段我国CRH高速动车组概况
我国CRH高速动车组列车通过引进、消化、吸收及自主创新的方式,推动我国铁路动车组设计、制造业的现代化。
自2004年、2005年分两个批次引进了四种类型动车组,形成CRH1、CRH2、CRH3、CRH5型动车组四种技术平台。
1.CRH1型动车组,如图1-16所示。
CRH1A型动车组是由庞巴迪公司在青岛设计制造。
图1-16CRH1A型动车组
CRH1A型动车组以庞巴迪公司为瑞典铁路生产的皇后系列(Regina)动车组(如图1-17所示)为原型,最高运营时速180或200公里;
皇后系列(Regina)动车组在北欧地区使用广泛,运营数量大,技术成熟;
理想的中短途客运和城际交通用车。
图1-17皇后系列(Regina)动车组
我国运用需求由原短编组调整8辆编组等外,对转向架轴箱定位结构进行了较大的改动,在CRH1A的基础上,后期进行了16节长编组升级为CRH1B型动车组。
此外又进行了卧铺车版本升级为CRH1E型动车组,如图1-18所示。
图1-18CRH1E型动车组
由于CRH1A平台动车组不具备升级能力,后全新设计了CRH380D型动车组,如图1-19所示。
图1-19CRH380D型动车组
2.CRH2型动车组,如图1-20所示。
CRH2动车组由中国南车四方股份公司在国内制造生产。
图1-20CRH2型动车组
原型车为E2-1000型动车组,如图1-21所示,设计时速315公里,运营时速275公里。
图1-21E2-1000型动车组
CRH2A型动车组转向架引进时未采用E2-1000的支撑拉板式轴箱定位装置,而采用了500系转臂式定位装置。
在CRH2A的基础上,后期进行了长编组CRH2B型动车组(如图1-22所示)及卧铺车CRH2E型动车组升级。
图1-22CRH2B型动车组
同时又进行了300km/h速度等级CRH2C型动车组(如图1-23所示)的升级。
CRH2C特别是其二阶段动车组进行了较大改进研究,为CRH380A(L)系列动车组奠定了基础。
图1-23CRH2C型动车组
后四方股份研制生产了CRH380A(L)型动车组,如图1-24所示。
图1-24CRH380A(L)型动车组
随着城际动车组的不断推出,四方股份公司在此基础上研发了CRH6A型动车组。
图1-25CRH6A型动车组
此外,四方股份公司还研制了抗风沙高寒CRH2H型动车组。
3.CRH3型动车组,如图1-26所示。
CRH3C型动车组由唐车公司在国内制造生产。
图1-26CRH3C型动车组
CRH3C型动车组以西门子公司为西班牙生产的VelaroE动车组为原型车开发研制的,最高运行速度达350km/