世界铁路发展状况及其关键力学问题.docx

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世界铁路发展状况及其关键力学问题

世界铁路发展状况及其关键力学问题

一全国结构工程学术会议特邀报告一

   摘 要：

论述了世界部分发达国家和我国铁路发展情况、铁路运输的优点及其在经济建设中所发挥的作用。

介绍了世界发达国家和我国铁路发展历史和未来轨道交通发展方向。

详细讨论了现有铁路运输存在的问题和未来高速铁路亟待解决的关键力学问题。

它们主要是：

（1）弓网/列车/轨道（桥梁）大系统耦合动力学；

（2）车辆结构强度和可靠度问题：

（3）轮轨关系（脱轨、粘着、滚动接触疲劳和波浪形磨损、轮轨噪声）：

（4）高速列车弓网动力学和高速受流条件下摩擦磨损：

（5）轨道结构关键力学和严酷环境下轨道工程破坏问题。

这些问题直接危及到行车的安全和运行品质。

并提出今后解决这些问题的主要方向。

   关键词：

高速铁路安全轮轨滚动接触轨道弓网系统力学

   1世界铁路发展历史和未来

   1825年9月27日，世界上第一条铁路在英国Stockton和Darlington之间开通，利用蒸汽机车牵引列车，最初的速度为4.5hl/h，后来达到24l（m/h，运行距离为36km。

铁路运输远远早于汽车运输。

到了191世纪末20世纪初，铁路运输业进入第一个兴旺发达时期。

全球铁路总长超过120万公里［1］。

进入20世纪以后，汽车、航空、水运和管道运输迅速发展，汽车的短途客货运输量逐渐超过了铁路运输量。

尤其是高速公路网的形成，不仅吸引了大量的中短途旅客，而且大型集装箱的运输能快捷方便的达到目的地。

各国铁路客货运输量逐年下降趋势，尤其是发达国家出现了大幅度下降，连年经营亏损。

当然，这里不排除国家统管铁路机制条件下的管理不善和过于将铁路作为全社会福利和公益性利益的原因。

到了20世纪50年代，在发达国家铁路运输业成了夕阳产业。

   1964年10月，日本建成世界第一条现代化高速铁路——东海新干线，运营速度为210-230km/h。

这条高速线在几十年的运营中，吸引了东京至大阪90％的乘客，列车运行时间误差低于1分钟，耗能为汽车的1/5，无废气排放，取得了举世瞩目的成就［1］。

由此，铁路运输尤其高速铁路运输引起世界各国的高度重视。

近二十年来，一些经济技术发达国家相继修建了高速铁路。

日本继东海新干线后，又建成山阳、上越、东北等新干线，总长度达1835公里。

目前，日本高速列车客运量为世界之最，2000年客运周转量为712亿人公里。

1983年法国开通第一条现代化高速铁路--巴黎东南新干线，最大运营速度为270km/h，1989年建成大西洋干线，最高运营速度300km/h。

法国现已建成高速铁路1281公里，高速列车TGV运行速度为300050公里，最高试验速度为515.3公里，他们计划修建连接邻国的高速铁路网．总长达4500公里以上：

意大利的高速铁路已初步形成网；德国从1985年开始研究ICE高速列车，1991年投入运营，已有高速铁路700多公里，ICE高速列车最高运行速度达330km/h。

1991年瑞典开通了X2000摆式列车，1992年，西班牙引进法、德两国的技术建成了471公里长的马德里至塞维利准高速铁路。

1994．年英吉利海峡隧道把法国与英国连接在一起，开创了第一条高速铁路国际联接线。

1997年，从巴黎开出的“欧洲之星”又将法国、比利时、荷兰和德国连接在一起，很快对该区间的航空运输形成了强大的竞争力，“欧洲之星”的客运份额就占了60％［2］。

2001年开通巴黎至马赛740km的TGV高速线，旅行时间只要3小时。

穿越法意边界的阿尔卑斯山的长达52.7km隧道，已于2002年五月开工，预计2012年建成开通，则阿尔卑斯山就不再成为发展欧洲高速铁路网的障碍。

 在西欧国家，目前初步形成了高速铁路网，到2000年，欧洲高速客运量已接近日本的水平。

西欧国家计划在1500—2000km范围内夜间开行高速货运列车。

到2010年，西欧铁路将超过6000km，2020年增加到10000km[2]。

   目前世界20多个经济技术发达国家正在修建和筹建高速铁路线总共46条［3］'总长约8000公里。

 所以铁路世界运输业又进入了新的高峰发展时期。

   高速铁路速度目标值一直在提高。

过去运营速度已上了两个台阶［4］。

20世纪60年代到80年代初，列车速度由2lOkm/h提高到250kn4h以上，80年代中到90年代末，列车速度由250km/h提高到300km/h。

到现在为止，国际上高速列车和线路运行速度达到350km/h已是成熟的技术。

许多国家即将修建的高速铁路大多瞄准这个目标值。

   铁路运输另一个发展方向是：

货物重载［5］。

在高速客运取得成功不久，世界许多国家发展铁路重载运输技术。

20世纪70年代，美国、加拿大和墨西哥三国进行了大规模路网合理化改造和建设，消除运营壁垒，完成一体化进程，同时开始发展以提高轴重、加大列车编组数量为特征的重载技术。

通过开行了重载单元列车提高运输能力，降低了运输成本，提高了生产效率。

从1980年到1999年，重载运输成本降低了65％，铁路货运在全部货运市场占有份额从37.5％增加到40.3％，2000年增加到41％，事故率降低了64％，目前北美一级重载铁路货运已达到历史上货运收入最高水平81亿美元。

1973年澳大利亚采用了重载运输技术后，劳动生产率逐年提高，成本逐年下降。

2000年与1980年相比，燃油消耗下降了43％，每100万吨矿石运输所需人力从30人下降到5人，劳动生产率高达6000万吨公里/人，居世界之首。

机车车辆利用率提高了36％。

2000年，澳大利亚BHP矿山公司年利润达500亿澳元。

2001年6月，BHP公司开行了总达99734吨重载列车，用8台机车牵引682辆运煤敞车，全长达7300m，创造了重载列车世界之最。

南非在上世纪70年代末开始采用重载技术，2000年与1980年比，两条主要重载线铁矿运量分别从900万吨提高到2600万吨和1900万吨提高到6800万吨。

其它国家，如瑞典、巴西、挪威、俄罗斯和印度在重载铁路技术研究和应用方面也取得快速进展。

由于铁路采用了重载运输技术取得了良好的效益，1986年7月，在澳人利亚召开了第一届国际重载铁路技术、运营和管理方面的会议，200多名专家出席了会议，会上气氛热烈，专家们对大陆国家发展铁路重载运输给予了充分的肯定。

现在国际重载委员会每隔4年召开一次国际铁路重载技术交流会。

这充分说明了铁路重载运输在经济建设中所发挥的作用。

在本世纪，北美、澳大利亚重载铁路的轴重将普遍采用33吨，甚至35吨。

美国正在试验39吨轴重的可行性。

   目前，缓解世界许多国家大中城市交通拥挤堵塞状况的另一个有效措施是城市轨道交通。

这些轨道交通类型目前有［8］：

（1）城市市郊快速铁道：

（2）地下铁道；（3）轻轨交通；（4）单轨交通；（5）新交通系统（由电器牵引，具有特殊导向、操纵和转辙方式的胶轮车辆，单车和数辆编组运行在轨道梁上的轨道运输系统。

）（6）线性电机牵引的轨道交通系统；（7）有轨电车。

城市轨道交通促进了城市向多中心发展，使城市的功能变得更加完善，商贸旅游变得更加活跃，有效地降低了城市污染和噪声。

   从英国伦敦建成第一条地下铁道以来，地下铁道已有一百多年的历史［9、10］。

地下铁道具有运量大、速度大、安全、准时等一系列优点。

现在世界上已有44个国家和地区，115个城市修建了地下铁道，总运营线路6000多公里，主要集中在英国、法国、德国、瑞典、西班牙、俄罗斯、美国和日本，其运营里程占42％。

但由于地铁的建设费用庞大，建设周期长，许多城市难以建设这项工程。

但有轨电车运输系统造价相对较低。

上世纪世界许多大城市以有轨电车作为主要交通工具。

1920年，英国拥有5000km，1.4万辆有轨电车，美国拥有2.5万公里线路，前苏联莫斯科95％以上的客运任务是由有轨电车来承担的。

日本到1955年，拥有有轨电车线路1436km。

在欧洲和我国的主要大城市，也建成有轨电车线路。

后来，由于汽车工业的发展、普及以及使用的灵活性和方便，逐步取代有轨电车。

但过度地发展汽车交通，导致大中城市汽车流量大，几乎所有的道路拥挤不堪，汽车排放大量二氧化氮，严重污染城市环境。

人们不得不寻求发展城市新的交通途径。

在德国，首先改造城市有轨电车，考虑城市的已有的建筑和发展，部分线路可移植地下。

这种线路叫做“半地铁”或“准地铁”或“过渡地铁”。

在加拿大叫做“轻型快速轨道交通”，在日本叫做“轻快电车”。

这种交通系统在全世界范围内得到较快的发展。

1978年国际公共交通联盟正式命名为Light RailTransit。

   2 我国铁路发展历史和未来

   中国铁路建设起步较晚。

1881年，由清政府洋务派的主持修建的唐山至胥各庄铁路，成为中国的第一条铁路。

唐胥铁路自唐山起至胥各庄（今丰南县）止，全长9.7公里。

采用1435毫米的轨距和每米15公斤的钢轨。

这条铁路是为了开发开平煤矿，在清政府洋务派主持下，由开平矿务局负责集资修建。

1886年，成立开平铁路公司，收买唐胥铁路后开始独立经营铁路业务。

开平铁路公司是中国自办的第一个铁路公司。

1887年，唐胥铁路展筑至芦台，1888年展筑至天津，1894年天津至山海关间通车，改称津榆铁路。

1881年6月9日中国制造出第一辆蒸气机车--叫做“龙号”。

旧中国铁路建设混乱落后，各帝国主义国家在华修建的铁路与官办、商修的铁路标准不一，装备杂乱，铁路的安全状况很差。

   1949年，只有2.2万公里的铁路，其中由中国自己修建的铁路不足40％，而且近一半由于战争破坏而处于瘫痪状态，能通车的只有1万多公里，并且事故不断。

中华人民共和国成立后，中央人民政府铁道部统一管理全国铁路的运输生产、基本建设和机车车辆工业。

1949年一年共抢修恢复了8278公里铁路。

到1949年底，全国铁路营业里程共达218l0公里。

   1966年到1980年，相继建成贵昆、成昆、襄渝、焦枝、太焦、砂通等铁路干线，全国铁路营运里程增加到52479公里。

“六五”期间以旧线改造为主，提高了晋煤、豫煤外运能力，加强了沿海港口后方铁路的运输能力。

“七五”期间，开展了“南攻衡广，北战大秦，中取华中”三大战役。

进入20世纪90年代，以京九、南昆和浙赣、兰新复线等12项工程为重点展开的大会战，揭开了铁路历史性大发展新局面。

到2001年全国铁路营业里程已达到7万多公里，是建国初期的3.2倍。

2002年起，开始兴建青藏铁路。

这样，我国各省、自治区、直辖市均有铁路通达，基本形成了横贯东西、沟通南北、联结亚欧、四通八达的铁路运营网络。

   目前我国的铁路高速和重载技术的研究和运用与世界发达国家相比，要落后20到30年。

1994年我国建成第一条深广准高速铁路，列车运营速度为160km/h，开行摆式列车最高时速达200km/h。

2003年秦沈高速客运专用线建成，设计运营速度200—220km/h。

1994年12月，我国生产的第一列内燃机车牵引、时速为160公里的准高速列车在广深线正式运营。

2001年我国第一列交流传动动力分散动车组“先锋号”研制成功，试验时速292公里，2002年装备国产交直交传动系统的集中动力动车组“中华之星”研制成功，在秦沈客运专线的试验速度达到321.5km/h，拉开了我国高速列车发展的序幕。

   1992年，我国第一条重载铁路大同至秦皇岛全线建成通车，全长653km，单机牵引6千吨，双机牵引1万吨。

当时煤运量为5500万吨/年，2002年年运量达10340万吨/年。

大秦线目前已达到了当时的设计运量，运输能力基本饱和。

而到2010年，大秦线源端地区煤的外运输量达2亿吨/［6］。

因此大秦线的技术改造和大幅度提高运量势在必行。

开行2万吨列车才能完成运煤任务。

   我国铁路运输已基本形成网络，十年前平均客运速度在60—80km/h，货运平均速度低于60km/h。

从1997年至今，我国的主要干线经历了五