高速铁路有砟轨道.docx
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高速铁路有砟轨道
高速铁路有酢轨道
1.高速铁路基本概念1
1.1高速铁路基本特征1
1.1.1三大支柱1
1.1.2三大要素1
1.2铁路运输速度的时代背景1
1.2.1速度的时间性与相对性1
1.2.2铁路运输高速化的历程1
1.2.3粘着铁路的极限速度2
1.3铁路运输速度提高的目的与目标3
1.3.1速度提高的目的3
1.3.2提高旅行速度的目标4
1.4铁路与公路和航空竞争时需要达到的速度5
1.4.1可竞争的旅行时间5
1.4.2三方旅行时间的比较5
1.4.3铁路可竞争的速度分析5
1.5高速铁路运输模式与速度目标值8
1.5.1运输模式8
1-5.2速度目标值9
1.6高速轨道四大基本性能10
1.6,1所谓高平顺性10
1.6.2所谓高稳定性10
1.6.3所谓高可靠性10
1.6,4所谓高耐久性10
1.7高速轨道结构选型10
1.7.1有酢与无祚之争10
1.7.2关于高速轨道的稳定性10
1.7.3关于高速轨道的经济性11
1.7.4日德法高速轨道铺设业绩11
1.7.5两种轨道的综合评价13
2.我国和谐号CRH型动车组概述15
2.1何谓动车组15
2.2动车组编组及运用条件15
2.3动车组基本组成15
2.4弹簧装置17
2.5轮对17
2.6动车组车辆主要技术参数19
3.高速轨道轮轨低动力作用技术20
3.1车辆与轨道相互作用问题20
3.2高速轨道上的轮载波动21
3.2.1轮载波动的地点21
3.2.2轮载波动的理论分析21
3.2.3轮载波动对轨道状态变化的评估22
3.2.4轮载波动的原因23
3.2.5轮载波动的抑制对策23
3.3着眼于车辆的低动力作用技术24
3.3.1关于簧下质量的影响24
3.3.2关于车轮扁疤的影响26
3.3.3关于车轮不圆顺的影响33
3.4着眼于轨道的低动力作用技术35
3.4.1关于轨道几何不平顺的影响35
3.4.2关于轨道动力不平顺的影响37
3.4.3关于轨道刚度的影响38
4.高速有硅轨道技术的发展方向43
4.1高速有祚轨道结构动力学性能仿真计算分析43
4.1.1仿真计算条件43
4.1.2车辆簧下质量的影响44
4.1.3列车速度的影响45
4.1.4轨道不平顺的影响46
4.1.5轨下胶垫刚度的影响47
4.1.6道床支承刚度的影响48
4.1.7基本结论49
4.2轨道合理刚度49
4.2.1轨道刚度基木原理49
4.2.2轨道合理刚度的判别准则51
4.2.3轨道合理刚度仿真计算分析51
4.3日德法高速有祚轨道的运用经验52
4.3.1日本新干线有祚轨道52
4.3.2德国高速线有祚轨道52
4.3.3法国客运专线有祚轨道53
4.4高速有酢轨道的基本原理和技术路线54
4.4.1引论54
4.4,2增加轨道质量54
4.4.3降低轨道刚度57
4.4.4优选轨道阻尼59
4.4.5轨道动力参数选择原则59
4.4.6现代有祚轨道合理结构60
5.高速有祚轨道的维修与管理62
5.1高速有祚轨道维修管理的基本原理62
5.1.1高速轨道维修管理的时代特征62
5.1.2高速轨道不平顺维修管理的基本概念63
5.1.3高速轨道不平顺维修管理目标值的确定方法64
5.1.4轨道不平顺波形特性66
5.1.5轨道不平顺检测弦长67
5.1.6轨道不平顺的评定方法68
5.1.7未来高速铁路轨道形位的检测设想71
5.2高速轨道不平顺的维修管理标准73
5.2.1概述73
5.2.2轨道不平顺分级管理目标值的确定原则74
5.2.3我国高速铁路轨道不平顺维修管理标准75
5.2.4日本新干线轨道不平顺管理标准76
5.3轨道几何偏差对高速车辆运行品质的影响分析80
5.3.1分析条件80
5.3.2轨道高低不平顺的影响分析81
5.3.3轨道方向不平顺的影响分析82
5.3.4轨道水平不平顺的影响分析82
5.3.5轨距不平顺的影响分析83
5.3.6扭曲不平顺的影响分析83
5.3.7分析结论84
5.4轨距对轮轨关系的影响分析84
IU
5.4.1车轮踏面等效锥度分析84
5.4.2轮缘根部磨耗可能性分析85
5.4.3铁道车辆运动稳定性86
5.4.4车辆在直线轨道上蛇行失稳时轮轨系统动力学响应特性86
5.4.5车辆在直线轨道上正常运行时轮轨系统动力学响应特性88
5.4.6基本结论89
5.5侧向风力对曲线安全行车的影响分析89
5.5.1车辆倾覆系数表达式89
5.5.2曲线上车辆倾覆临界风速表达式92
5.5.3车辆倾覆临界风速的计算92
5.5.4我国风力等级标准（2009年）96
5.5.5车辆倾覆与列车速度和曲线超高的关系96
1.高速铁路基本概念
1.1高速铁路基本特征
1.1.1三大支柱
铁路高速化综合反映了铁路技术装备、工程标准和管理质量水平。
它需要有:
1）车辆的高性能化
2）信号转换的迅速化
3）轨道结构的现代化
1.1.2二大要素
快速、舒适、安全是高速铁路的三大要素。
三者缺一，难言高速。
高速是当代铁路运输的必然选择，是与其它运输方式（公路、航空）竞争中取胜的前提。
1.2铁路运输速度的时代背景
1.2.1速度的时间性与相对性
铁路运输速度的高低是一个具有时间性和相对性的概念。
不同的历史时期，具有不同的科学技术水平，这就形成了与该时期相应的速度标准。
与当时的速度水平相比较，就产生了高速或低速的概念。
1825年英国修建了世界第一条铁路，1830年由斯蒂文森父子制造的命名为“火箭号”的机车，牵引17t,在利物浦~曼彻斯特间以平均速度22km/h跑完全程，速度之高，颇为轰动。
这是因为蒸汽机用于火车上，比过去马拉车在木轨上行驶，既跑的快又拉的多。
在1964年以前，铁路客运的最高速度达到110^120km/h,就颇为令人满意T;达到140160km/h,就可称得上是高速了c
1-2.2铁路运输高速化的历程
（1）第一代高速
1964年10月1日，一条时速210km的日本东海道新干线投入运营，有人称之为第一代高速。
（2）第二代高速
上世纪90年代，法国、日本、德国、意大利、西班牙等国铁路已实现250~300km/h的最高运营速度，被称为第二代高速。
（3）第三代高速
法国铁路于1981年2月和1989年12月用TGV动车分别创出380km/h和482.4km/h的高速纪录；日本铁路300X系高速试验列车于1995年9月和1996年3月也跑岀了350km/h和443km/h的高速纪录；中国铁路高速动车组于2008年7月在京津城际铁路上跑出394km/h的最高速度。
因此实现350~500km/h的速度被认为是第三代高速。
（4）第四代高速
至于大于500km/h的靠轮轨粘着运输的第四代高速，已被法国铁路TGV动车于1990年5月和2007年6月，分别在有祚轨道上，实现了最高试验速度515.3km/h和574.8km/ho
因此说，铁路高速运输是一个具有时间性和相对性的概念，是由科学技术水平决定的。
它综合反映了铁路技术装备、工程标准和管理质量。
需要机车车辆、线路标准、轨道结构、诊断维护和行车指挥的现代化。
1.2.3粘着铁路的极限速度
（1）何谓极限速度
借助轮轨间的粘着作用而产生牵引力的铁路，可能实现的最高速度称为极限速度。
那么，由钢轨、轨枕和道床组成的现有传统有酢轨道，靠轮轨摩擦产生牵引力的粘着铁路，可能达到的极限速度究竟是多少呢？
曾经是一个很有争议的问题。
问题的实质是，速度的极限是由空气阻力和粘着条件决定的。
（2）空气阻力与牵引力的关系
列车的空气阻力与列车流线型的程度有关，并与列车速度的平方成正比，速度越高空气阻力越大。
法德的试验研究表明，速度达到300km/h时，90~95%的功率要消耗于克服空气阻力。
轮轨粘着铁路，牵引力受轮轨粘着的限制。
而粘着力则等于动轮荷载与轮轨间粘着系数的乘积。
粘着系数随行车速度的提高而降低，并与轮轨材质、表面状况、维修质量及动轮转动特征等一系列因素有关。
国外实测表明，当速度VW160km/h时，电力机车（或动车组）的粘着系数约为0.20S.25；而当V二250~300km/h时，粘着系数将降低到0.05^0.03,也就是说，机车（或动车组）能产生的最大牵引力，仅为其本身重量的5%~3%。
（3）轮轨粘着极限速度
由图1.2.1可见，随着行车速度的提高，空气阻力急剧增大，走行的总阻力亦随之增大；而当速度提高时，粘着系数降低，粘着力亦随之降低，牵引力必将随粘着力的降低而降低。
据此，走行阻力曲线与牵引力曲线的交点，表示走行阻力与牵引力相等，当两者相等时，速度就不能再提高了，此时交点相应的速度即极限速度。
以往的研究，一般认为粘着铁路的极限速度约为350km/ho但是，随着机车（或动车组）转向架构造的改善，交流电机驱动的使用，以及轨道结构的强化和轮轨材质的提高，粘着系数可以增大；又随着高速列车流线型程度的提高，空气阻力也可相应减小，如是，极限速度也会随着科学技术的进步而有所增大。
法国铁路TGV动车最高试验速度突破时速500km就是一个明显地例证。
1.3铁路运输速度提高的目的与目标
1.3.1速度提高的目的
提高铁路运输速度的目的，主要有三：
（1）缩短旅行时间；
（2）提高与其它交通工具的竞争能力；
（3）增加铁路收入。
在缩短旅行时间中，提高速度是一个重要手段。
毫无疑问，最高速度是表征铁路运输形象非常重要的标志，但与缩短旅行时间有直接关系的是旅行速度。
提高旅行速度才是提高列车速度的真正目的，也只有提高旅行速度才能对旅客有吸引力，经济效益才会显著。
我国铁路实施的既有线六次大面积提速至200~250km/h,以及大规模修建
250~350km/h高速新线的举措，业已显示出速度提高带来的良好综合效应。
这是一项明智之举。
应当指出，速度的提高受到经济（商业、供电）、技术（移动设备、固定设备）及环保（振动噪声）等方面问题的制约，应全面综合考虑。
1.3.2提高旅行速度的目标
（1）理想目标
人类的基本要求是在尽可能广泛的范围内相互接触。
对现代人而言，如何对待旅行时间呢？
瑞士泰尔研究所布莱顿博士阐述了旅行距离和期望速度之间的关系。
布莱顿认为，根据当前运输水平，对于现代人来说，旅行距离扩大10倍，所消耗的时间增加2倍是适当的。
因此，对于任何人，在没有阻力的情况下，可以用5min走完0.4km的路程。
据此，便可得到表1.3.1和图1.3.1实线的结果。
表1.3.1布莱顿的理想旅行速度与旅行时间
旅行距离L（km）
旅行速度V（km/h）
旅行时间t（h）
0.4
4.8
0.08333
4
24
0.16666
40
120
0.33333
400
600
0.66666
400
04I4164050100200300'5001000
距离L（km）
图1.3.1现有技术水平的旅行距离与旅行速度
（2）现实目标
日本东京大学井口教授认为，布莱顿的理想速度过高。
在现实中取其一半（即图1.3.1中的虚线），如再考虑到等待、换车，旅行速度（即平均速度）还要降低30%（即图1.3.1中的点划线）。
从而，便可得到井口给岀的不同距离的旅行
速度（表1.3.2）o可见，满足了旅行距离扩大10倍，旅行时间增加2倍的基本条件。
表1.3.2井口的现实旅行速度与旅行时间
旅行距离L（km）
旅行速度V（km/h）
旅行时间t（h）
100
80
1.25
300
160
1.875
500
250
2.0
1000
400
2.5
1.4铁路与公路和航空竞争时需要达到的速度
1.4.1可竞争的旅行时间
火车与汽车和飞机相比较，具有不同的属性，它们之间的竞争关系不能单纯地取决于速度。
至少可以这样认为，包括等待、换车在内的旅行时间比对方长的话，在竞争中将处于明显的不利地位。
1.4.2三方旅行时间的比较
图1.4.1给出了各种铁路速度与飞机、汽车的旅行距离和旅行时间的关系。
—般认为：
1）乘坐飞机时，等待、换机和办理搭乘手续等需要90min,平均飞行速度（包括起飞和着陆时间）为600km/ho
2）利用汽车时，汽车在高速公路上的平均速度（包括一般公路）为80km/ho
3）对于铁路，乘火车时等待、换车时间为30mino
1.4.3铁路可竞争的速度分析
从图1.4.1中可以看岀：
1）在近距离（200km以内）时，如果铁路的平均速度达不到120km/h,则无法和汽车竞争。
2008年8月1日正式通车运营的京津城际铁路（无酢轨道）和合武铁路（有碓轨道），最高商业运营速度分别达到350km/h和250km/h,平均旅行速度分别达到250km和200km/ho特别是京津城际高速铁路创造了世界之最，大大缩短了京津间时空距离，形成了“同城效应”。
使两地区的客流大量流向了铁路，引起公交业界的严重关切。
2）在中距离（500"600km）和长距离（1000^1500km）时，如果铁路的平均速度达不到250km/h和350km/h及以上，将会输给飞机。
正在修建中的京沪高速铁路，线路全长1300km,旅行时间拟4h到达，这样,旅行速度和最高速度将分别达到330km/h和380km/h。
如是，将必然取代乘坐飞机岀行。
43
（q）叵當上卷
跑离（km）
图141三方旅行时间的比较
1.5高速铁路运输模式与速度目标值
1.5.1运输模式
铁路高速运输是一个庞大的系统工程。
自从1983年在前西德慕尼黑举行国际高速地面运输专题讨论会以来，各个国家都在根据各自的具体条件，确定本国发展高速运输的计划，企图以最优的方式满足缩短旅行时间的需求。
因此，出现了多种多样的铁路高速运输模式。
归纳起来，大致有下列几种模式。
即
（1）全高速客运专线
以客运为主的行驶快速旅客列车的高速线路。
如日本的新干线，法国和比利时的高速线，德国的科隆~法兰克福和汉诺威~柏林高速线，以及我国已建成或正在修建中的京津、京沪、京广、哈大、郑西、广珠、广深港等高速线和城际轨道交通均属于客运专线。
（2）高中速共线客运专线
以高速（300~350kni/h）和传统中速（200~250km/h）客运共线运行的线路。
这一模式包括西班牙、比利时和荷兰，以及我国的某些高中速共线运行的线路。
（3）客货混运线路
以客运高速（200~250km/h）、货运低速（120^160km/h）客货混运为主的线路。
如意大利和德国是这种情况，西班牙、法国和英国将来建成的某些线路也是如此。
我国铁路则与此有所不同。
已建成和正在修建中的合宁、合武、石太、甬台温、温福和福厦等新线（有祚轨道为主），均属于初期兼顾货运的客运专线。
这里应当指出，运输模式的确定非常重要。
因为它对于线路、轨道、最大允许轴重、运营及维修的条件和设备具有直接和根本的后果。
客货混跑运输不仅会造成运能问题，列车调度困难，而且也难以找到一个超高值能同时满足高、低速两方面的要求，欠过超高受限。
同时，线路轨道的破坏主要是由大轴重车辆造成的。
研究表明，钢轨的伤损率和轨道几何形位的变化率分别与轴重的3次方和2次方成比例。
这一结论一再被国内外铁路的运营实践所证实。
因此说，修建高速客运专线显然是明智之举。
这里还有一个非常重要的，又常被人们忘记的原因是：
高速客运专线可以节约大量能源。
从动能效应方面来看，“速度可以吃掉重力”。
因为动能与速度的平方成正比，当速度下降时，储存的能量可以发挥作用。
此外，高速还可减少旅行时间、服务旅客的开支，以及相应减少车辆数量及
其维护费用。
1.5.2速度目标值
（1）问题的重要性
高速铁路速度目标值的确定是有关将来铁路发展的极其重要的技术指标。
因为铁路线路的线形（即平纵断面）技术标准必须与其速度目标值相适应。
作为固定设备的铁路轨道的使用期限特别久远，一旦修建完成，如若再行改建，就要花费大量的资金,对于无碓轨道来说尤其如此。
因此，速度目标值在规划阶段就应慎重加以研究。
（2）最佳速度
所谓最佳速度是指铁路运营的既经济合理又能盈利的客运最高速度。
增大最高速度，一方面可以缩短旅行时间，吸引更多客流，增加运营收入；另一方面，由于建筑标准要提高，技术装备要先进，又会使铁路投资增大，同时，在运营中对轨道和机辆的维护质量要提高，并且大量的能量消耗于空气阻力，它又必然使运营费增加，运输成本提高。
显然，这里存在一个最佳速度即经济速度的问题。
最佳速度对各个国家拟定其高速铁路的最高时速有指导作用，一般最高速度都要略高于经济速度。
（3）速度目标值
—就客运专线而言
最佳速度目标值，各国根据本国的具体情况，研究结果大体接近。
1）
日本
270~300km/h
2）
法国
280~300km/h
3）
德国
270"300km/h
4）
UIC
300km/h
5）
中国
250~350km/h
—就客货共线而言
1）动车组200~250km/h
2）普通机车车辆160~200km/h
—就轮轨系统铁路运输而言
1）新建高速线250~350km/h
2）既有线改造200~250km/h
这里应当指出，最有实际意义的是旅行速度，而不是最高速度。
修建高速新线或改造既有线开行高速列车，最终必须以技术经济指标为依据。
这是日、德、法等国已
有高速铁路运输的共同经验，也是我国高速铁路所追求的。
1.6高速轨道四大基本性能
高速铁路究竟应采用哪种轨道结构，是有酢轨道还是无硅轨道？
为适应高速铁路运输的快速、舒适、安全三大要素，无论是选用哪种轨道类型，都应具备高平顺性、高稳定性、高可靠性和高耐久性四大基本性能。
1.6.1所谓高平顺性
就轮轨系统运输而言，高速轨道上存在着几何不平顺和动力不平顺，以及短波不平顺和长波不平顺两大类不平顺问题。
这种不平顺反过来对其行车平稳性、舒适性和安全性的影响均随行车速度的提高而显著增大。
加强对各种轨道不平顺的管理，在高速轨道特别是有祚轨道中尤为重要。
为此，高速轨道必须实现无缝化、平顺化、高精度化和维护管理的现代化。
1.6.2所谓高稳定性
主要是指轨道结构的重型化，轨道部件的高精度化，轨道刚度的合理化与均匀化。
1.6.3所谓高可靠性
主要是指轨道强度足够，轨道弹性合理，轨道部件的长效性和完好性，轨下基础的稳固性和长久性。
1-6.4所谓高耐久性
主要是指轨道结构维护少、寿命长、成本低。
若真正能实现高速轨道应具备的四大基本性能，不下一番苦功夫是不行的。
设计、制造、安装、铺设、维护、管理等各方，必须各施其责，一丝不苟，同心协力做到精心设计、精心施工、精心维护。
这里，“认真”二字必须时刻牢记在心。
1.7高速轨道结构选型
1.7.1有酢与无硅之争
有关高速铁路究竟是采用传统有祚轨道还是新型无祚轨道，长期以来，国内外铁路业者一直存在着看法不一，观点不同，几乎形成了某些成见，甚至政治介入。
那么，争论的焦点是什么，概况起来说，主要是在有关高速轨道的稳定性和经济性两大问题上。
1.7.2关于高速轨道的稳定性
在评价轨道结构的质量时，最重要的一点是在新线建设中所建造的高精度轨道几
何质量，在高速运营荷载反复作用下能否长久保持。
有旌轨道弹性好，成本低，便于维修、调整和更新，通过强化和改进能够适应速度提高到300km/h及以上的运营要求。
但有祚轨道在新建时达到的高质量几何状态，往往随着高速列车荷载（特别是客货共线货运大轴重）的反复作用下，其高低和轨向等几何形位会迅速恶化，难以持久地保持其经常处于良好状态。
为此，不得不靠定期进行轨道维修才能得以恢复。
如此反复，轨道几何形位的持久性则一次次下降，影响轨道质量和行车品质。
而无祚轨道在这方面却具有决定性的优势。
它能持久地保持轨道几何形位，稳定性高，维修很少。
但它的建设成本高，振动噪声大，弹性差，一经建成改建很难，一旦线下基础发生变形整治也很难。
1.7.3关于高速轨道的经济性
所谓轨道的经济性问题，原则上应根据有酢与无硅两种轨道结构的工程投资和维修费用，在使用寿命期限内，通过经济计算综合比较后才能得岀结论。
但遗憾的是，目前在世界范围内尚无此结论，缺少有根有据的分析。
现有的经验表明，从工程投资上来看，日本板式轨道的建设成本为有祚轨道的1.3^1.5倍；德国无酢轨道为1.5^1.75倍；西班牙估算为2倍。
而从维修成本上来看，大都认为是有乔轨道的1/2~1/3。
但如果据此就下结论说无酢轨道的寿命成本大大低于有碓轨道，还为时尚早，毕竟假定60年使用寿命尚未被高速运营实践所证实。
此外，有祚与无祚轨道的经济性问题，不仅仅局限于对轨道寿命周期成本的评估,还应对诸如轨道设备、减振降噪对策、线路运输效率、维修对正常运营的干扰、可能的施工缺陷，以及水灾、冻害、震灾、脱轨等灾害对寿命周期成本的影响，这些不确定因素，难以定量化。
1.7.4日德法高速轨道铺设业绩
世界高速铁路发展至今已近50年的历程，轨道总延长约7000km（不含中国）。
高速轨道主要有有硅（占75%）和无硅（占25%）两种结构类型，实践表明，两种类型轨道都能适应高速运输的要求。
由于各国的国情、社会、人文、地理、气候、地质、地形等条件各不相同，各有各的选择，无可厚非。
下面简要介绍日本、德国和法国铁路高速轨道的铺设业绩。
（1）日本新干线轨道
日本早期（1964~1972年）建成井运营的东海道和山阳以东新干线，属于有碓轨
道客运专线，线路延长680km,运营速度220km/h,轴重160kNo运营不到10年，由于轨道破坏太快,如不进行大修，就难以保持符合高速运输性能要求的轨道质量状态。
在未维修之前，曾不得不降低行车速度。
基于这些惨痛的教训，为实现高速轨道的少维修化和适应新干线的进一步高速化，又鉴于新干线桥隧工程所占比例很高（85%以上），故从1975^2004年修建的山阳以西、上越、东北、北陆和九洲等新干线，线路延长1511km,其中有硅轨道占15%,板式无碓轨道占85%,其铺设业绩见表1.7.1。
日本新干线早期铺设的有酢轨道（特别是在高架桥上）道床残变积累速率太快，主要是由于轨道结构薄弱和轨道刚度偏大所致。
板式无祚轨道铺设至今已有近40年的运营经验，应当说总体评价是成功的。
然而也有引人注意和思考的问题。
如板下CAM填充垫层基本不起弹性作用，目前尚未找到替代材料；减振降噪成效并不显著，也还存在成本和寿命等问题；迄今板式道岔尚无成功范例。
表1.7.1日本新干线轨道铺设业绩
线路名称
区间
开通日期
桥隧比例（%）
有祚轨道
无碓轨道
延长（km）
比例（%）
延长（km）
比例（%）
东海道
东京〜新大阪
1964.10
516
46
516
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