机车车辆高速铁路的主要技术特征.docx
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机车车辆高速铁路的主要技术特征
高速铁路的主要技术特征与
高速动车组
铁道部高速铁路办公室范钦海
2003年4月16日
一、高速铁路的技术经济优势
世界交通运输的发展史，从根本上讲就是以提高速度为主要目标的技术开发史。
由于火车速度高于轮船和马车，上世纪后半叶和本世纪初，铁路得到了大发展，井促进了整个社会经济的进步。
第二次世界大战后，汽车和石油工业蓬勃发展，发达的资本主义国家中高速公路异军突起，航空运输日新月异，机型不断更新；铁路为之受到挑战，一度被视为“夕阳产业”。
在这种形势下，迫使铁路部门加快了提高行车速度的步伐，高速铁路应运而生。
经过半个多世纪的探索与试验，高速行车技术首先在日本取得了重大突破。
1964年10月1日最高时速２１０公里的东海道新于线的开通，标志着高速铁路技术已进入实用阶段，揭开了发展高速铁路的序幕。
十九年后法国又建成了最高时速２７０公里的东南新干线，它以低造价，旅行速度超过２００公里／小时的世界纪录，将高速铁路技术推向了—个新的发展阶段。
这两条新干线不但是高速铁路不同发展阶段的标志，还以其明显的社会经济效益，先进的技术装备及优良的客运服务，享誉于全世界。
高速铁路为繁重的旅客运输开辟了新途径，已成为世界旅客运输发展的共同趋势，铁路亦为之受到了各国政府的重新重视。
图1为欧洲高速铁路的定义。
图2与图3为欧洲对旅行时间、速度、运距的研究。
图1欧洲高速铁路的定义
图2欧洲关于旅行时间与速度、优势运距的研究
图3不同速度列车的优势运距
高速铁路是当代世界铁路的一项重大技术成就，它使铁路固有的技术经济优势得以有效的发挥。
与其他交通运输方式相比，具有以下明显的十大优势：
—、全天候。
高速铁路不受恶劣气候条件限制，列车按规定时刻到发与运行，规律性很强。
这是飞机、汽车及其他交通运输工具所不及的。
二、运能大。
输送能力大是高速铁路的主要技术优势之一。
目前各国高速铁路几乎都能满足最小行车间隔4分钟及其以下的要求。
日本东海道新干线高峰期发车间隔为3分半，平均每小时发车达11列，在东京与新大阪间的两个半小时的运营路程中，开行“希望”号1列、只停大站的“光”号7列以及各站都停的“回声”号3列，每天通过的列车达
283列，每列车可载客1300多人，年均输送旅客达1.3亿人次，待品川站建成后，东京站每小时可发车15列。
东海道新干线目前每天旅客发送人数是开通之初的6倍多，最高达到37万人/日（在1991年）。
其他国家由于铁路客运量比日本要少，高速铁路日行车量一般在100对以内。
三、速度快。
速度是高速铁路技术水平的最主要标志，各国都在不断提高列车的运营速度。
法国、日本、德国、西班牙和意大利高速列车的最高运营速度均达到了300km/h，已超过小气车一倍以上，为亚音速飞机的三分之一，短途飞机的二分之一，从节约总旅行时间（从门到门）看，在距离100~700公里范围内明显优于高速公路和航空。
根据日本、法国和德国等的高速走行试验结果，对高速铁路作一定的技术改进，商业运行速度达到350km/h没有任何技术问题，运行速度达到400km/h也是可以实现的。
除最高运营速度外，旅客更关心的是旅行时间，而旅行时间是由旅行速度决定的。
日本、法国、德国、西班牙和意大利个别高速列车在有的区段上的旅行速度分别达到了242.5km/h、245.6km/h、192.4km/h、217.9km/h和163.7km/h。
由于速度高，可以大大缩短全程旅行时间。
以北京至上海为例，在正常天气情况下，乘飞机的旅行全程时间（含市区至机场、候检等全部时间）为５小时左右，如果乘高速铁路的直达列车，全程旅行时间则为
5～6小时，与飞机相当；如果乘既有铁路列车，则需要14～16小时；若与高速公路比较，以上海到南京为例，沪宁高速公路274km，汽车平均时速83km/h，行车时间为3.3小时，加上进出沪、宁两市区一般需1.7小时，旅行全程时间为５小时，而若乘高速列车，则仅需1.15小时。
四、安全性好。
高速铁路由于在全封闭环境中自动化运行，又有一系列完善的安全保障系统，所以其安全程度是任何交通工具无法比拟的。
高速铁路问世39年以来，日、德、法三国共运送了60多亿人次旅客，除德国1999年6月3日的事故（ICE高速列车行驶在改建线上发生事故）外，各国高速铁路都未发生过重大行车事故，也没有因事故而引起的人员伤亡。
这是各种现代交通运输方式所罕见的。
几个主要高速铁路国家，一天要发出上千对的高速列车，即使计入德国发生的事故，其事故率及人员伤亡率也远远低于其他现代交通运输方式。
因此，高速铁路被认为是最安全的。
与此成对比的是，普通铁路每年路内外死亡5000～6000人，每年公路交通事故的死亡人数更高达６～７万人，十亿人公里的平均死亡数为140人。
五、能耗低。
根据四委一部“京沪高速铁路重大技术经济问题前期研究”，高速铁路、小气车、飞机的的平均每人公里能耗比（以千卡计）为1：
5.3：
5.6。
六、污染轻。
电气化高速铁路基本上消除了粉尘、煤烟和其他废气污染；噪音比高速公路低５～１０分贝。
一架喷气式飞机平均每小时消耗１５吨燃料，排放４６．８公斤二氧化碳，６３５公斤一氧化碳，１５公斤二氧化硫，这些物质在大气中要存留２年以上。
如考虑高速列车使用火力发电厂的电力，由于火力发电厂的污染物排放（CO2等），高速铁路、小气车、飞机的CO2排放量之比为1：
3：
4.1。
七、占地少。
在相同运量条件下，一条高速铁路相当于一条６车道的高速公路，其土地利用率比高速公路约高40%（高速铁路与高速公路的用地比约为１：
２～３）。
从巴黎到里昂高速铁路的占地（420公顷）小于巴黎戴高乐机场的占地面积。
八、正点率高。
正点率是高速铁路深受旅客欢迎的原因之一。
所有旅客都希望正点抵达目的地，只有列车始发、运行和终到正点，旅客才能有效安排自己的时间。
由于高速铁路系统设备的可靠性和较高的运输组织水平，可以做到旅客列车极高的正点率。
西班牙规定高速列车晚点超过5分钟就要退还旅客的全额车票费；日本规定到发超过1分钟就算晚点，晚点超过2小时就要退还旅客的加快费，1997年东海道新干线列车平均晚点只有0.3分钟。
高速列车极高的准时性深得旅客信赖。
九、舒适、方便。
高速铁路一般每４分钟发出一列车，日本在旅客高峰时每３分半钟发出一列客车，旅客基本上可以做到随到随走，不需要候车。
为方便旅客乘车，高速列车运行规律化，站台按车次固定化等。
这是其它任何一种交通工具无法比拟的。
高速列车车内布置非常舒适，工作、生活设施齐全，座席宽敞舒适，走行性能好，运行非常平稳。
采取减振、隔音措施，车内很安静。
乘坐高速列车旅行几乎无不便之感，无异于愉快的享受。
十、效益好。
高速铁路投入运行以来，倍受旅客青睐，其经济效益也十分可观。
日本东海道新干线开通后仅7年就收回了全部建设资金，自1985年以后，每年纯利润达2000亿日元。
德国ICE城市间高速列车每年纯利润达10.7亿马克。
法国TGV年纯利润达19.44亿法郎。
根据四委一部“京沪高速铁路重大技术经济问题前期研究”，高速铁路投资回收期一般在10年左右。
高速铁路以其明显的技术经济优势博得了世人的称赏，它揭开了世界铁路发展史的新篇章，已成为各国旅客运输发展的共同趋势。
高速铁路作为现代化的交通运输方式，在21世纪将得到更大的发展，支撑高速行车的高新技术，也将更加完善、不断进步，高速铁路向着速度更高、更安全、更舒适、更经济、更环保的方向发展。
根据2002年10月在西班牙马德里召开的第四届世界高速铁路大会（
Eurailspeed2002）的新闻发布会公布的消息，目前，全世界已经建成并投入运营高速新建线的国家有10个，线路总长5435公里；在建线路有16条，总长度达到3299公里，将于2007年以前陆续在世界上9个国家建成并投入运营。
高速铁路带来了环境的改善、运输模式的变化、交通运输外部成本的降低，这些优点正在为各国政府所接受，并考虑将修建高速铁路作为政府确定的一个可持续发展的正确投资方向。
二、高速铁路的主要工程技术特征
图4为日本500系高速列车，从图中可以看出由于列车的高速运行会带来四个方面的技术问题，因此，高速铁路与普通的既有铁路的主要技术不同点体现在以下四个大的方面（每个方面都涉及到不同的专业领域）：
1轮轨关系（列车与轨道的相互作用问题）；
2弓网关系（受电弓与接触网的相互作用问题）；
3空气动力关系（列车与周围空气的相互作用问题）；
4列车牵引与制动问题（列车的高速运行和停车问题）。
图4日本500系高速列车与接触网和线路
下面就四个大的方面进行分析。
1.轮轨关系
随着列车运行速度的提高，轮轨粘着系数在下降，这主要是因为轮轨间的污染物在高速下体现流体性质，增大了轮轨间的润滑层的厚度的结果。
因此，各国高速的利用粘着系数都低于低速时的值。
例如，欧洲网络高速列车技术条件规定了轮轨粘着系数的限值：
启动时，20%；100公里/小时，17%；200公里/小时，13%；300公里/小时，9%。
由于高速粘着系数的降低，导致高速时列车的加、减速度值变小，加速和制动距离显著增大，列控信号设计时要考虑列车的制动能力，制动模式曲线要尽量平滑。
（1）机车车辆（高速列车）
a.高速稳定运行的转向架
为保证列车高速、安全、稳定运行，列车必须具有较高的蛇行运动临界速度（失稳速度）和平稳性，因此，转向架要有较大的轮对定位刚度、较小的车轮踏面锥度、安装抗蛇行减振器、减小轴承间隙（0.2mm以下，普通列车为1mm）、减小轮对滚动圆直径差（0.2mm以下，普通列车为1mm）、提高动平衡水平（50gm以下）、较小的簧下质量、提高转向架的组装精度（轮对对角、轴距、侧梁与车轮距离的公差均为1mm）、二系悬挂采用大柔度空气弹簧等。
b.较低的列车轴重
同样的一个轨道不平顺，高速运行的列车要比低速产生更大的对轨道的破坏作用力，为减轻列车对轨道的作用力（减少线路维修工作量），为将列车对轨道的动态与静态作用力的和限制在一定的范围内（欧洲网络高速列车技术条件规定轮轨垂向力应不大于170kN，横向力应不大于70kN；300公里/小时高速列车的轴重不大于17t；对350公里/小时高速列车的允许轴重正在研究中，有人认为应小于15t），降低列车的轴重是一个非常有效的办法。
降低列车的轴重有采用铝合金车体、降低牵引设备的重量、降低车内装饰的重量等措施。
（2）轨道线路
a.持久高平顺性的轨道
表一为我国既有铁路轨道动态几何尺寸容许偏差管理值（摘自《铁路线路维修规则》）。
表二为《秦沈客运专线综合试验段线桥养护维修技术条件》（科技基函[2002]103号）中的轨道各级偏差管理值。
表一轨道动态几何尺寸容许偏差管理值（单位：
mm和g）
速度
项目
160≥V》120
120≥V》100
V≤100
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
高低
6
10
15
8
12
20
24
12
16
22
26
轨向
5
8
12
8
10
16
20
10
14
20
23
轨距
+6
-4
+10
-7
+15
-8
+8
-6
+12
-8
+20
-10
+24
-12
+12
-6
+16
-8
+24
-10
+28
-12
水平
6
10
14
8
12
18
22
12
16
22
25
三角坑（基长2.4m）
5
8
12
8
10
14
16
10
12
16
18
车体垂向加速度
0.10
0.15
0.20
0.10
0.15
0.20
0.25
0.10
0.15
0.20
0.25
车体横向加速度
0.06
0.10
0.15
0.06
0.10
0.15
0.20
0.06
0.10
0.15
0.20
说明：
①表中不平顺各种偏差限值为实际幅值的半峰值；②高低、轨向不平顺按实际值评定；③水平限值不含曲线上按规定设置的超高值及超高顺坡量；④三角坑限值包含缓和曲线超高顺坡造成的扭曲量；⑤固定型辙叉的有害空间部分不检查轨距、轨向，其它检查项目及检查标准与线路相同。
⑥Ⅰ级为保养标准，Ⅱ级为舒适度标准，Ⅲ级为临时补修标准，Ⅳ级为限速标准。
表二秦沈客运专线综合试验段（300km/h）各级轨道偏差管理值
项目
单位
作业验收管理值
保养管理值
舒适度管理值
临时补修管理值
限速值（V≤200km/h）
超限等级
级
Ⅰ级
Ⅱ级
Ⅲ级
Ⅳ级
高低
mm
3
6
8
10
11
轨向
mm
3
5
6
7
8
轨距
mm
+3,-2
+5,-3
+6,-4
+7,-5
+8,-6
水平
mm
3
5
7
9
10
扭曲（基长2.5m）
mm
3
5
6
7
8
车体垂向加速度
g
0.10
0.15
0.20
0.225
车体横向加速度
g
0.06
0.10
0.15
0.175
注：
①表中不平顺偏差限值为轨道不平顺实际幅值的半峰值；②高低、轨向不平顺的偏差管理值按照轨道实际情况评定；③轨道水平偏差管理值不含曲线按照设计规定设置的超高值及超高顺坡量；④轨道扭曲偏差管理值包含缓和曲线超高顺坡造成的扭曲量.
从表一可以看出，速度从100公里/小时提高到120和160公里/小时，“轨道高低保养标准”管理值从12mm提高到8mm和6mm。
由表一和表二的比较可以看出，速度从160公里/小时提高到300公里/小时后，“轨道高低保养标准”管理值没有变化，但“舒适度和临时补修标准”管理值进一步提高（舒适度从10mm提高到8mm，约为20%，临时补修从15mm提高到10mm，约为50%），并且既有线路的各级管理值相差很大（相差2.5倍），而高速线路的各级管理值相差较小（相差1.6倍），说明高速线路的轨道耐久稳定性明显好于既有线路。
由此可见，速度提高后轨道动态几何尺寸容许偏差管理值变小，也就是说，速度越高对轨道的平顺性要求越高。
为保证轨道持久的高平顺性，高速铁路路基和轨道的设计、施工需要采用高的标准，例如，“京沪高速铁路设计暂行规定”中规定基床底层230cm、基床表层70cm、道碴35cm，路基沉降标准为10cm，线桥过渡段为5cm，这些标准远高于既有铁路，用这些高的标准来保证线路持久的高平顺性。
b.较大的曲线半径
列车通过曲线时，会产生和速度的平方成正比、与曲线半径成反比的离心力，在超高一定的情况下，提高运行速度只能加大曲线半径。
例如，“京沪高速铁路设计暂行规定”中规定最小曲线半径为7000m，困难地段5500m。
不增大曲线半径而提高列车运行速度的另一个办法就是采用摆式列车，但摆式列车提高速度的幅度有限，一般可提高运行速度30%左右。
2．弓网关系
（1）外形平滑二系悬挂的受电弓
具有良好跟随性的受电弓是高速列车受流所必不可少的，高速受电弓一般均采用二系悬挂系统，弓头用弹簧支撑，并设有阻尼减振器。
典型的受电弓有日本300系高速列车采用的TPS2038（菱型）、TGV采用的MADE（双Z）和GPU（GPUZ）、ICE采用的DSA-350S（Z字型）和DSA-380（ICE-3）、ETR450采用的FS52AV（菱型）和ETR500采用的ATR90AV（菱型）等。
由于空气动力产生的的抬升力和阻力对弓网接触压力的影响较大，所以要求高速受电弓外形平滑，这样才能使其减小阻力和抬升力，并有助于降低噪音。
图5为2002年12月投入商业运营的日本E2系1000型高速列车受电弓。
图5日本E2系1000型高速列车受电弓
（2）大张力的接触网
可将接触网导线看作一个带张力的悬链线（忽略导线的弯曲刚度），导线的波动传播速度为：
C=（T/P）1/2。
其中：
T--接触网导线的张力（N）；
P--接触网导线的线密度（kg/m）。
为了取得良好的受流质量，一般要求导线的传播速度大于1.4倍的列车运行速度，因此，高速铁路必须加大接触网导线和承力索的张力。
例如，我国既有电气化铁路接触网导线的张力为10（2.5t系）和15kN（3t系），而高速铁路要求20kN以上，德国Re-330接触网导线张力达到27kN。
为了提高导线的波动传播速度就要增加导线的张力，但增加导线张力的同时必须提高导线的抗拉强度，国外一般通过开发铜合金导线（德、法的铜镁和铜锡导线）与复合导线（日本的铜包钢CS-110）的办法来提高导线的抗拉强度。
为保证良好的受流，接触网导线的平直度要求也是不可缺少的。
例如，德国法兰克福—科隆高速铁路SICATH1.0接触网（与Re-330基本相同，仅弹性吊索长度、跨距、结构高度等略有变化）要求导线高度的允许公差为：
吊弦间±10mm；悬挂点之间为±10mm；弹性吊索范围内从第一根到最后一根吊弦之间为±10mm。
这个允许公差比我国既有铁路的“接触线悬挂点高度施工偏差±30mm”要高许多。
该接触网还适应在双弓运行（间距大于200m）330公里/小时条件下，接触力满足EN50119的规定处于1到350N之间。
3．空气动力关系
（1）流线形、密封的列车
列车运行的空气阻力为：
R=1/2ρCpAV2。
其中：
ρ—空气密度；
Cp–空气阻力系数（与列车的外形有关）；
A–列车断面面积；
V–列车运行速度。
从上式可以看出，随着列车运行速度的提高空气阻力明显增大（与运行速度的平方成正比），要想减小空气阻力只能想办法降低空气阻力系数（Cp）。
所以高速列车的外形必须很光滑没有突出的部分，并且头形都很尖，呈现出良好的流线形形状，以减小空气阻力。
由于列车高速运行的空气动力效应，使得列车车厢外的空气压力及其分布发生显著的变化，因此，列车必须采取密封措施和增加气压强度，并采取相应的措施保证列车通过隧道时车厢内的空气压力变化在允许的范围内。
压力急剧变化以及卫生方面的要求，高速列车的厕所必须采用集便装置，洗手等用水也要通过水封装置排出车外。
例如，德国ICE高速列车空气密封条款，要求车厢在整备状态下并关闭门窗及空调设备的对外开口时，人工产生的4000Pa内压在50s内不至降低到1000Pa以下，车厢内空气压力变化的最大值不得超过1000Pa，压力变化率应小于400Pa/s（最好小于200Pa/s），列车要能够承受±5000Pa的空气压力动载荷。
高速铁路需要解决的问题之一是列车高速运行产生的空气动力噪音，图6是德国关于列车运行噪音组成的研究结果，从图中可以看出，当列车速度超过约250公里/小时，列车的空气动力噪音是列车噪音的主要成分。
因此，没有突起物平滑的高速列车表面、优化的列车头形、优化的受电弓外形等都是高速列车降低噪音的有效措施。
图6列车运行速度与噪音的关系
（2）较大的线间距和隧道断面
高速运行的两个列车在交会时，会在列车的侧墙上产生强大的空气动力压力波，如果车窗玻璃的空气压力强度不足，就会使车窗的玻璃破裂，强大的空气动力压力波有时也会对列车的稳定运行产生危害。
解决这个问题的最有效的办法就是加大线间距，例如，日本新干线的线间距为4.3m，德国ICE为4.7m，法国TGV为4.6m，我国京沪高速铁路为5m。
当高速列车进入和驶出隧道时，会产生非常强大的空气压力变化和噪音，除在隧道口设置缓冲区和开大竖井外，加大隧道断面是解决隧道空气动力问题的最有效的途径。
例如，日本新干线隧道断面为62m2，德国ICE为82m2，我国京沪高速铁路为100m2。
另外，对于有碴轨道，石碴的外形应该有一定的要求，否则列车高速运行的强大的列车风，会将石碴带起来飞打到列车或其它物体上，造成事故。
4．列车牵引与制动
（1）大功率的列车和牵引供电设施
尽管高速列车采取了很多的减阻措施并尽量降低轴重，但是由于列车的空气阻力与运行速度的平方成正比，高速列车的运行阻力还是很大的，为了克服运行阻力，高速列车需要较大的牵引功率（均在8MW以上，一般每辆车需要1MW左右的功率）。
这样大的功率采用直流传动技术很难实现，所以高速列车一般均采用交-直-交传动技术。
大功率的高速列车需要大容量的牵引变电所，所以高速铁路的牵引变电所容量一般均很大。
例如，我国秦沈客运专线（200公里/小时）牵引变电所容量一般为31.5MVA，京沪高速铁路（300公里/小时）大多都在63和75MVA以上。
对于牵引供电系统，还要承担高速列车再生制动反馈的电能的任务，由于高速铁路优先使用再生制动，所以高速铁路再生制动的电能远大于既有铁路。
另外，对于速度较高、运量较大的高速铁路区段，一般需要采用AT供电方式，变电所变压器采用单相接线，以提高供电臂长度和减少电分相数目，有利于列车高速运行。
（2）大能力的列车制动系统和平滑的列控制动曲线模式
高速列车不但要能够跑得起来，还要能够停得下来，列车制动需要耗散的能量与运行速度的平方成正比（E=1/2MV2），制动系统承担着把列车高速运行的巨大的动能转变为热能（空气制动）和电能（再生制动）的任务。
一般高速列车大都采用微机控制的电空直通制动，通过电信号直接控制各车厢的制动单元，反应迅速、减少了列车空走时间。
基础制动均采用盘形制动，制动盘从铸钢发展到锻钢和铝合金制动盘，也在研究开发碳-碳纤维制动盘。
由于希望尽量缩短制动距离，所以防滑器的使用是必不可少的。
对于列控制动模式，有速度分级控制和连续速度控制（也叫一次制动模式曲线）两种方式。
由于连续速度控制模式优于分级模式，所以我国京沪高速铁路推荐采用连续速度控制模式。
图7为日本高速列车ATC分级制动模式曲线和最近投入商业运营（2002年12月开业的青森—八户）的数字ATC一次制动模式曲线。
图7日本高速列车ATC与数字ATC制动模式比较
三、世界各国高速铁路简介
1.日本
世界第一条全长515公里的东海道新干线于1958年3月经议会批准立项,1959年4月5日开工建设，1964年10月1日建成通车，开通时列车运行的最高速度为210km/h。
东海道新干线1964年每天开行30对列车，运送53000名旅客，以后每年平均以60％的速度递增。
当时预测1975年旅客周转量可达195亿人公里，而实际上1968年即达210亿人公里。
新干线运量急剧增长，达到了铁路从未承担过的负荷,成为一项支持经济起飞的重要基础设施，日本人誉为”经济起飞的脊骨”。
目前，日本新干线长度累计已经超过2000公里。
表三为日本主要的几条新干线的基本情况。
表三日本新干线主要线路的基本情况
区间
东海道新干线
东京-新大阪
山阳新干线
新大阪-博多
东北新干线
东京-盛冈
上越新干线
大宫-新泻
北陆新干线
高崎-长野
距离（KM）
515.4
553.7
496.5
269.5
118
工期
59.4-64.10
67.3-75.3
71.11-85.3
71.12-82.11
89-97.10
工程费（亿日元）
3330
9100
26600
16300
8400
平均每公里造价
（亿日元）
6.46
16.43
53.58
60.48
71.18
设计最高速度
210km/h
260km/h
260km/h
260km/h
260km/h
目前最高速度
270
升级会员 