《高速铁路概论》课程报告解读.docx

1、高速铁路概论课程报告解读*大学课程总结报告报告题目 浅述全球高速铁路技术 院 （系） 土木建筑学院 专 业 城市轨道工程 班 级 * 姓 名 小关 任课教师 *老师 2011年11一、概述自 1964 年日本东海道新干线开通以来的实践表明，高速铁路在资源、环境的可持续发展战略上占据明显的优势，发展高速铁路在国际上已形成共识。在全世界范围内，高速铁路正在如火如荼地发展之中。高速铁路是人类智慧的结晶，它的发展依赖于科学技术水平的发展，本文就高速铁路发展中的部分主要技术作简要介绍，由于本人水平有限，文中难免有较缺点和错误，恳请指正。二、各国高速铁路发展特点1.1日本日本是高速铁路首创国，目前已建成高

2、速新线(标准轨 )2 779km，既有线是窄轨，但通过小型新干线及变轨距转向架，高速列车也能下既有线。主型高速列车是 ： 700 系 、N700 系 、 E2系、E4 系(双层)。2011年3月6日，日本最新子弹列车“隼鸟号”（Hayabusa）首度通车上路。这项最新高科技特快新干线时速达300公里。1.2法国法国是欧洲高速铁路第一个建成国，目前已建成高速新线 1 914 km，最高运营速度 320 km/h，通过高速列车下既有线，能通达的里程已达 8000 km，主型高速列车是：欧洲之量(TGV- TMST)、塔列斯(TGV- PBKA)、TGV- 2N(双层)等。1.3 德国德国目前已建成

3、高速新干线虽然只 1 020 km，但德国是客货混运的高速铁路系统，既有线都能运营 200 km/h 快速列车，既有线中的困难地段已建成高速新线，因此高速列车能全国通达，主型高速列车是 ICE1、ICE2、ICE3。最高运营速度是 330 km/h1.4 西班牙西班牙目前已建成高速新线 1 518 km，高速为准轨，既有线为宽轨，高速列车通过变轨距的转向架能够下既有线。西班牙主型高速列车是 AVE(法 TGV- A 衍生)，最高运营速度 300 km/h。1.5 意大利意大利目前已建成高速线 766 km，目标是在全国形成T 字型高速干线，主型高速列车是 ETR500，最高运营速度300 km

4、/h。1.6 韩国韩国是亚洲第二个建成高速铁路的国家，目前首尔釜山高速铁路里程为 426 km，高速列车为 KTX(法国TGV- A 衍生)，最高运营速度 300 km/h。1.7 中国1.7.1台北台北高雄高速铁路(345 km)已于 2007 年开通运营，高速列车是 700T(日本 700/500 系综合)，最高运营速度 300km/h。1.7.2大陆中国大陆目前已经拥有全世界最大规模以及最高运营速度的高速铁路网。1997年1月 韶山8型电力机车 212.6 km/h 北京环行铁道，截止2010年10月底，中华人民共和国国内运营时速200公里以上的高速铁路运营里程已经达到7431公里。20

5、11年1月9日在京沪客运专线上CRH380BL“和谐号”电力动车组达到了487.3 km/h 的速度1.8 美国美国东北走廊既有线改造后，运营“飞人号”高速列车(庞巴迪制造)，最高运营速度 240 km/h。二、世界高速铁路的主要技术发展2.1 站间距离日本高速铁路是按照客流量和运输组织特点来设计车站站型。大中型站在咽喉区正线间设渡线; 小型站在两端咽喉区正线间不设渡线, 在正线区间也不设渡线。法国高速铁路采用高速列车下线运行的运输组织方式。线路上均设有反方向运行信号设备, 可达到每站区、每区间的反方向运行目的。在区间内每隔2025 km 均铺设双向渡线, 采用 1/65 号道岔, 侧向通过速

6、度达 220 km/h, 因之其站间距离较长, 最大站间距离达 274 km。2.2最小圆曲线半径最小圆曲线半径与高速铁路运行最高速度和运输组织模式相关,既要满足旅客舒适度,又要满足行车安全及经济合理等条件。在国外,高速铁路存在两种运输组织模式,其最小圆曲线半径的决定因素各异。在纯高速列车运行的线路上,最小圆曲线半径取决于最高速度Vmax、实设超高(h)与欠超高(hq)之和的允许值(h+hq)等因素。在高、中速列车共线运行的线路上,最小圆曲线半径主要取决于高速列车最高运行速度Vmax、中速列车运行速度Vz、欠超高(hq)与过超高(hg)之和的允许值hq+hg等因素。我国的京沪、沪杭、秦沈、武广

7、等高速客运专线在未来的运输组织模式中,由于在运营的初近期有相当规模的跨线中速或准高速旅客列车共线运行,且这种模式将是我国高速铁路未来的基本运输组织模式。故最小圆曲线半径主要取决于高速列车最高运行速度Vmax、中速列车运行速度Vz及欠超高(hq)与过超高(hg)之和的允许值hq+hg等因素。2.3允许的超高值2.3.1最大欠超高值允许的最大欠超高值主要由旅客乘坐舒适度要求这一条件确定。铁科院于1979年和1980年先后在京广线、滨洲线以及开通后的广深线作了专门的测定试验。试验沿用了日本等国曾使用过的方法,由专聘的旅客分坐于车厢各处(分正、倒坐、站立),记录列车通过各测试点时的自身感觉并给出评定。

8、并对各种评定加以统计,选定具有一定概率的舒适度指数所对应的最大欠超高值作为允许值。表1给出我国及有关国家铁路允许的最大欠超高hq值: 可以看出,国外新建客运高速铁路线路允许的最大欠超高值,一般情况,在76 mm90 mm之间,最大(或个别曲线)在90mm130mm之间,新建客货混运高速铁路线路在60 mm120 mm之间,既有线改建在90 mm150 mm之间。根据我国专门试验研究结果及建议值,并参照国外客运专线采用标准,对京沪、沪杭、秦沈、武广等高速客运专线线路允许的最大欠超高值hq建议为:一般地段80 mm,困难地段110 mm。2.4.2最大过超高值由于高速旅客列车在高速铁路线路曲线上运

9、行时,将产生未平衡的向心加速度,即产生过超高。允许的最大过超高值hg主要由运行安全、乘坐舒适度和经济合理性等这三个条件确定。受车辆运行安全、乘坐舒适要求的hg值的确定,与确定hq值原理基本相同。区别仅在于后者是车辆向曲线外侧倾斜,而前者是向曲线内侧倾斜。据美、日等国试验结果看,可以认为hg值与hq相近。从我国时速160 km铁路曲线半径和缓和曲线设计参数的研究课题组所作倾覆试验得出,在静态下过超高达到150 mm时,部分旅客已稍有不舒适感觉,所以满足安全、舒适的hg值,可取150 mm。下面将德国、意大利新建客货混运高速铁路及法、美、印度既有铁路改建的允许过超高值hg列于 表2，从表2可以看出

10、,国外客货混运铁路线路允许的最大过超高值主要是由经济合理性这一条件确定。我国京沪、沪杭、秦沈、武广等高速客运专线是以高速客运为主,且客车轴重比货车要小,因此,在借鉴国外铁路允许的过超高值标准时可予适当放宽。据此,允许的最大过超高值hg初步建议为:一般地段80 mm;困难地段110 mm。2.5线路最大坡度值高速铁路线路设计最大坡度的选定,牵涉到的因素较多,但决定因素还是高速列车的运营安全、主要工程数量及相应投资。下面参照国外及以我国京沪高速客运专线为例来说明这一问题。国外新建客运高速铁路,通常选用较大的线路坡度,是为了适应地形,减少工程数量,以节省投资。高速旅客列车,无论是采用动力集中型(以法

11、国为代表),还是动力分散型(以日本为代表),线路最大坡度值都是根据机车(或动力车组)功率、列车编组辆数、以及所经由地段地形经比选确定。例如,法国巴黎至里昂东南新干线(SETGV线),曾对35方案与50两种最大坡度值方案进行比选, 35方案的投资虽较50方案略有增加,但可保证机车在1台牵引电动机发生故障时,列车仍能在35坡道上起动,而50的方案则不能。最后,从运行安全角度出发,选用了线路最大坡度35的方案。新建客货混运高速铁路线路最大坡度值是由货物列车运行要求确定的。表7给出法、日、意、德、罗等国高速 2.6 道岔2.6. 1国内外高速道岔国外高速铁路的发展起始于20世纪70年代中后期,具有世界

12、领先水平的应属法国和德国,其高速铁路商业运行速度已达到300 km/h以上。法国在1990年就已创下了直向过岔试验速度501 km的世界纪录。德法两国高速铁路道岔的设计制造技术先进成熟、可靠,处于世界领先水平。国产客运专线道岔线型与参数直向过岔速度为250 km/h和350 km/h、侧向过岔速度为80 km/h和160 km/h的道岔平面线型采用复圆曲线和圆曲线+抛物线线型,未被平衡的离心加速度0. 5 m/s2,未被平衡的离心加速度时变率0. 4 m/s3,尖轨尖端1. 3 m/s3。稳定性系数为2. 5;脱轨系数0. 8;减载率为0. 6。尖轨和心轨轨型采用60D40断面钢轨,岔区设置1

13、40轨顶坡 。2.6.2道岔设计技术理论德法两国采用全动态设计手段,运用轨道动力学、结构分析及计算机动力仿真等多种理论分析方法,开展道岔设计的优化。运用各种试验手段,对高速道岔的适应性、安全性进行验证与评估,通过几十年不断的试验、优化,形成了各自独特的理论体系与道岔结构体系。2.6.3道岔平面线型设计德法两国以行车舒适度为目标,追求导曲线线型的良好平顺性,并考虑不同线间距的通用性,从线型设计上提高道岔尖轨的耐磨性。法国侧向速度160 km/h以上道岔采用圆缓(抛物线)线型;德国是缓圆缓(螺旋线),在尖轨前端采用轨距加宽最大15 mm,以改善轮轨关系,提高曲尖轨寿命。2.6.4强化道岔主要部件结

14、构强度德法通过大量测试,确定道岔各部件的振动环境,对关键部件依据疲劳强度进行设计,注重各部件的整体性设计。道岔心轨跟端采用双肢弹性可弯结构、锰钢整铸摇篮式翼轨、减摩或滚轮滑床板、锻造或铸造的整体硫化铁垫板;法国和德国高速道岔的尖轨均采用整根AT轨加工制造,法国主要采用UIC60D轨,不淬火,强度为900A;德国采用UIC60E轨,强度为1 100MPa。尖轨尖端均采用藏尖结构,藏尖深度均为3 mm。根据各自国的轮轨关系和理论确定设置120或140轨顶坡及尖轨轨顶降低值;法国当基本轨采用UIC60、尖轨为UIC60D轨时,尖轨尖端降低值为17mm,德国尖轨尖端降低值为16 mm。两国尖轨轨顶降低

15、起始点有较大差异,法国为顶宽22 mm处,德国为54 mm处;德国轨距调整采用复合偏心套方式,最大调整量为9 mm;为适应无缝线路温度力变化,减少尖轨跟端和自由段的伸缩位移,从道岔结构设计上保证扣件纵向阻力低于线路阻力,并尽可能降低尖轨的自由段长度。德国温度力传递采用限位器结构,法国则从道岔结构上控制尖轨和心轨伸缩,不设限位器;心轨尖端及其联结结构能有效固定跟端,保证心轨伸缩不大于10 mm,解决了牵引转换和不足位移问题。通过在组合长短心轨前预设变形拱,使心轨转换密贴后能够保持线型满足要求,将不足位移控制在合理的范围内;德国在心轨尖端和顶铁上都设置有心轨防跳的功能。2.6.5注重扣件系统的功能

16、性设计德国大多采用Vossloh窄型扣件,或弹片扣压式。法国采用改进后的Nabla扣件或异型的Vosslh扣件。为有效扣压基本轨,保证其不外翻和提供足够的扣件阻力抵抗温度力,滑床台板处采用专用扣压件,扣压力均不低于12 kN。德国道岔轨距最大调整量达到9 mm;垂直调整量为-4+29 mm。垫板与岔枕的紧固采用预埋塑料螺纹套管和岔枕螺栓。2.6.6转换设备结构与道岔结构设计一体化外锁闭装置对无缝道岔尖轨及可动心轨的伸缩具有较强的适应性,可分别达到45 mm和30 mm。2.6.7岔区轨道刚度的设置德法两国的岔区刚度设置因道岔结构不同而有较大区别:德国道岔当速度v小于160 km/h时,道岔区仅

17、轨下采用胶垫;当速度160 km/hv220 km/h时,刚度为30 kN/mm;当v220 km/h时,无论有砟道床还是整体道床,刚度均为17. 5 kN/mm,轨下和垫板下均为橡胶垫板,轨下垫板6 mm,铁垫板下通过整体硫化技术将橡胶件和钢板组合,通过在板底设置不同数量的钢性支承块,来约束橡胶的变形,保证道岔区轨道整体刚度的均匀性,使各部位钢轨的下沉量一致。法国在轨下设置弹性垫层,板下在转辙器部分及辙叉部分采用基本上不提供弹性的4. 5 mm垫层,静态刚度为200250 kN/mm,动态刚度为400500 kN/mm,整体刚度为75105 kN/mm,大于区间刚度。连接部分的刚度与区间线路

18、相同,岔区及与区间线路的过渡在5 m内完成。2.7轨道高速铁路对轨道的要求是：钢轨钢质洁净,钢轨表面尤其轨头表面基本无原始缺陷,几何尺寸精度高、平直度好。日本、法国、德国在修建高速铁路的早期均采用传统的有碴轨道。经运营多年后, 发现道碴粉化严重, 路基沉降量大, 多处发生翻浆冒泥, 轨道几何尺寸难以维持,经常需要维修, 不到 10 年即需大修, 维修费用大幅度增加, 对运营造成巨大的影响。日本新干线自 1975 年后, 大力推广板式轨道, 取得了良好的经济效益。据 1997 年统计, 有碴轨道每年维修工作量是正线长度的 2.4 倍, 而板式轨道的维修量仅为正线长度的 3%, 二者之比是 801

19、。维修费: 有碴轨道年均 547 万日元/公里, 而板式轨道年均仅为18.6 万日元/公里, 二者之比为 29.41。德国自 20 世纪 70 年代起即进行无碴轨道的研究, 曾试验过 10 余种型号。目前正式批准的有 6 种,即: BOGL 型、RHEDA 型、ZUBLIN 型、ATD 型、GE-TRAC 型及 BERLIN 型。我国台湾省及韩国的高速铁路全部采用无碴轨道。2.7.1钢轨的施工工艺日本新干线早期采用断面为50T的普通碳素热轧钢轨,后期改用强度等级为800 MPa的60 kg普通碳素热轧钢轨,使用中钢轨出现的主要损伤为轨头踏面的黑斑(dark spot)以及钢轨焊接接头部位的低塌

20、所引起的波状磨损。钢轨轨头踏面的黑斑主要发生在列车的加速驱动以及减速制动区间,在高速行驶车轮的转动作用下,引起钢轨轨顶表面0.050.2 mm的表层金属加工硬化。此加工硬化层将成为剥落损伤的起源(或核),随着通过总重的增加,黑斑缺陷发展成纵向水平裂纹甚至引发钢轨断裂。日本学者称这种伤损为钢轨中的癌症。高速铁路列车轴重轻,运行速度快,钢轨磨损轻微。钢轨表面的伤损以接触疲劳伤损以及短波波磨为其主要特点。目前,高速铁路比较发达的许多国家除了正在积极研究和试验由具有优良抗表面伤损性能的新材料制成的钢轨如贝氏体钢轨外,主要采用对钢轨进行定期打磨的办法来解决这种接触疲劳伤损。钢轨打磨还能去除引起钢轨剥落的

21、表面细微裂纹并降低钢轨与车轮接触面发生的转动噪声。焊接接头是无缝线路的薄弱环节。焊接接头的平直度以及轨顶面的硬度是否与母材匹配,将决定其在使用过程中是否出现低塌以及影响列车平顺运行,严重时将发生焊接接头断裂。如日本东海道新干线在运行初期钢轨伤损大部分(约占80%)发生在铝热焊接头处。从日本的情况来看,铝热焊接头强度难以满足铁路高速运行的需要。而法国的情况与日本不同。2.7.2材料方面法国高速铁路早期采用60 kg/m UIC700普通热轧钢轨,后来采用60kg/mUIC900A普通热轧钢轨,从1983年开通运营至2001年,断轨80起,其中30%断在焊缝上,而这30%的焊缝断头中有9/10断在

22、铝热焊焊缝处。从绝对数量看,法国高速铁路最薄弱的铝热焊缝断头率年平均1起左右,而钢轨其它部位的折断率为年平均3起左右(后者发生在钢轨母材上的断裂主要是由于钢轨擦伤以及道碴飞溅打伤钢轨造成的),这说明铝热焊接头虽然是无缝线路的薄弱环节,但从铝热焊技术本身而言是可以满足高速铁路使用要求的。日本高速铁路一直采用强度等级为800 MPa的热轧珠光体钢轨,要求轨面硬度大于235 HB,其化学成分及常规性能指标要求见表1。法国高速铁路在修建东南线(巴黎里昂)时采用强度等级为700 MPa的热轧珠光体钢轨(UIC700),该线路自1983年开通,至今未大修换轨,也未出现钢轨的波磨,垂磨也很少,更未见严重的滚

23、动接触疲劳伤损。后来修建的高速铁路均采用强度等级为880 Pa的UIC900A钢轨(见表4)。德国高速铁路采用客货混跑,钢轨的强度等级也只采用880 MPa的UIC900A钢轨。其它欧洲国家修建的高速铁路也均只采用强度等级为880 MPa的UIC900A钢轨。2.8扣件系统道岔扣件系统是影响行车舒适性的重要部件,一般采用带铁垫板(或滑床板)的分开式扣件,设置双重弹性,轨下有一弹性垫层,板下有一弹性垫层,扣压件联结钢轨与铁垫板,螺栓联结岔枕与铁垫板,如图16所示。采用炭黑接枝改进橡胶新材料及分块式结构,如图17所示,实现每块垫板等厚度、不等弹性、不高于135的低动静刚度比设计,解决了岔区轨道刚度

24、不均匀及动刚度过大的问题。采用橡胶垫板与铁垫板的复合硫化及缓冲锚固螺栓结构,确保低刚度情况下扣件系统抵抗横向变形的能力;采用轨距块及偏心套实现岔区全范围内轨距可调;采用板下调高垫层实现-4+26 mm的高低可调。2.9高速列车2.8.1 日本日本研制高速列车已有 40 余年的经验, 技术已十分成熟。先后开发出两大系列, 一为 0 系高速列车, 发展出 100 系、200 系、300 系 1996 年 7 月创日本高速铁路 (轮/轨) 最高运行速度 443 km/h、400 系、500 系和 700 系; 二为 E 系, 有 E1、E2、E3、E4 等型号, 均采用小编组或双层客车以扩大载客量。

25、最新型的 700 系, 编组为 12 动 4 拖, 1999 年投入运营(我国台湾省高速列车即采用此机型), 列车全长 404.7 m, 自重 634 t, 轴荷重 11.2 t, 定员 1 323席, 最高运行速度 285300 km/h。最近又准备试制新一代的 N700 系摆式高速列车, 能以 270 km/h 的速度通过半径为 2 500 m 的曲线, 编组为 12 动 2拖, 总重 700 t, 总功率达 17 160 kW。日本新干线轨距为 1 435 mm, 既有线为窄轨, 为便于二者列车的互通, 于 1998 年研制出轨距可变的转向架, 并于1999 年在美国科罗拉多州运输技术中

26、心的高速试验线上以最高速度 230 km/h 进行了试验, 现正在继续研制中。2005 年 3 月 9 日在日本铁道株式会社宣布, 该公司研发的最高运行速度为 360 km/h 的高速列车已于 2005 年 6 月 25 日在仙台北上线进行了试验。夜间以 405 km/h 的速度试车, 计划于 2011 年在东北新干线的东京新青森段正式投入运营。2.8.2 法国法国 TGV 高速列车已开发了 4 代。第一代TGV- PSE 最高运行速度为 270 km/h。第二代 TGV-A, 编组为 1 动+10 拖+1 动, 总功率 8 800 kw, 长度237.6 m, 定员 522 席, 轴荷重 1

27、7 t, 最高运行速度300km/h, 于 1990 年 5 月 18 日创造铁路(轮/轨)最高速度 515.3 km/h 的世界纪录, 一直保持至今。第三代 TGV- 2N(双层客车)1996 年 12 月投入运营,总功率 8 800 kw, 列车长 200 m, 车体宽 2 900 mm, 自重380 t, 轴荷重 16.3 t, 定员 545 席, 最高运行速度300 km/h。前三代 TGV 高速列车均为动力集中型车组,两端为动车, 中间车辆采用铰接式联结, 两车厢的端部共置于一个转向架上, 车厢间无车钩, 因之无冲动力发生, 列车具有优良的整体性。第四代 TGV型高速列车改用动力分散

28、型车组, 每三辆车为一牵引单元, 编组有 6、9、12 三种。编组为 9 辆的 TGV- 9列车长度为 180 m, 定员 359 席, 轴荷重16.5 t。6 台铰接式动力转向架有 12 根动轴, 每轴功率为 600kw, 配有 4 台非动力转向架, 两端车为非动力转向架, 最高速度可达 350 km/h, 已于 2002 年底投入试运行。2.8.3 德国ICE 型高速列车于 1991 年投入运营, 比法国晚10 年, 系动力集中型车组, 编组为 1 M+14 T+1 M,列车长 328 m, 重 782 t, 总功率 9 600 kw, 定员 630席, 最高运行速度 280 km/h。I

29、CE2 型于 1998 年投入商业运行, 有两种编组: 大编组为 1 M+12 T+1 M; 小编组为 1 M+5 T+1 Tc 短编组总功率为 4 800 kw,长205.4 m, 重 443 t, 定员 294 席, 最高运行速度为280 km/h。ICE3 型于 2000 年投入运营, 采用动力分散型车组,每一牵引单元为 2 动+2 拖。全列共 8 节车, 16个转向架, 有 16 根动轴。ICE3 (403 型)列车长 200 m, 牵引功率 8 000kw, 载客时重量 444 t, 定员 440 席, 轴荷重 16 t, 最高运行速度 330 km/h (交流)或 220 km/h

30、 (直流)。2.10调度系统高速铁路综合调度系统的三层体系结构采用三层体系结构构成的高速铁路综合调度系统的层次如下。(1)表示层:该层为所有用户提供人机交互界面,所有的数据、控制命令、计划调整的输入和操作结果的显示均在此完成。用户的数据操作申请不象传统的二层结构方式下直接访问数据库服务器,而是通过应用层提供的服务接口进行访问,这样保证了后台数据的安全性。高速铁路综合调度系统的所有用户终端均属于表示层。由于现代计算机图形处理技术、多媒体技术的发展比较成熟,编程语言和开发工具的支持比较丰富,因此表示层相对比较简单。(2)应用服务层:应用服务层是高速铁路综合调度系统各调度子系统的应用层,它对表示层的

31、输入/输出的数据按照业务逻辑进行加工处理,并实现对数据库服务器的访问。高速铁路综合调度系统的八个调度子系统的应用服务器属于应用服务层,应用服务层实现与数据存储层、表示层及各专业调度子系统应用层间的数据交换,同时负责分别实现与各子系统基层设备(或系统)间的数据交换),在应用服务层加入中间件可以实现各调度子系统间的数据交换,解决传统铁路信息系统间信息交换和系统集成时所遇到的各种问题。应用服务层是各调度子系统应用逻辑处理核心,因此容错技术、集群技术等高可靠技术是本层的重点,同时为了保证系统的安全,多层交换、虚拟局域网技术、网络冗余等高可靠网络技术也是构成应用服务层的关键。中间件技术是各应用层间实现数

32、据交换的关键,采用中间件技术可以充分利用经过实践验证的成熟的系统软件,采用软件重构技术实现系统的快速集成,减少系统的开发周期,减少重新开发引起的软件错误,提高系统的安全性和可靠性。采用中间件技术和软件重构技术是现有管理体制下实现系统综合集成的技术关键。(3)数据存储层:高速铁路综合调度系统的数据库管理系统,实现对所有数据的统一存储与管理,系统内所有用户可通过各自的应用服务器完成对系统统一数据库的访问。现代计算机存储技术尤其是网络区域化存储技术是实现统一数据库的关键技术,网络区域化存储技术(SAN)可保证各调度子系统的应用服务器层共用一套高可靠、大容量并具有数据备份与灾害恢复功能的数据存储及数据库管理系统,避免各子系统单独设立数据库而使其复杂化,可降低系统成本,实现高速铁路数据的共享和集中管理。除上述三层外,为实现系统间的互联,需要定义其它几个辅助层。(1)基