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1、提高列车速度的理论 与线路技术条件,提速对策,最小平曲线半径及其行车动力学参数,高速铁路最小平曲线半径,制约提高速度的技术因素,讨论题,一、制约提高速度的技术因素,为了提高列车的速达性，必须提高其物理能力，即提高最高允许速度、曲线限速、过岔速度、加速和减速性能等。但是，构成铁路系统的车辆、线路电力、信号等各种基础因素是错综复杂的，成为提高速达性的障碍，必须设法消除这些障碍。从大的方面来分析，制约提高速度的技术因素有软性制约因素和硬性制约因素之分；硬性制约因素包括：动力运转性能，制动性能，列车运行平稳性，集电性能，列车控制等；软性制约因素包括：法规规定，舒适度，环境标准等。,（一）硬性制约因素,
2、（a）动力运转性能,当克服走行阻力（空气阻力、滚动阻力和坡道阻力）的驱动力不足时，速度就难以提高。车辆的功率增加，不仅涉及成本问题，而且，在物理方面还有动力装置的单位功率和安装空间的制约问题。另外，还有加大驱动力，车轮仍旧打滑，无法产生加速力的粘着限度问题。由于粘着系数具有随速度提高反而降低的趋势；另一方面，走行阻力是随速度提高而增大的（空气阻力是与速度平方成正比增加），因此，从粘着力和走行阻力要达到平衡的粘着性能来分析，存在着一个速度限界。法国TGV高速列车创造了515.3km/h轮轨铁路最高试验速度,(b)制动性能,速度问题首先是以能使列车安全停止为前提条件的，从安全角度出发，希望制动距离
3、尽可能地短些，但是，迫使车轮停止转动的力不断增大，一旦超过钢轨和车轮间的粘着限度时，车轮将会打滑，无法产生减速力，这种限度是客观存在的。可以说，依靠钢轨和车轮间粘着来实现制动的情况中，提高粘着性能是提高制动性能的关键。 制动性能是构成信号安全系统的基础。如果想提高速度，在提高制动性能的同时，必须调整运输安全系统。,(c)运行的平稳性,车辆和线路之间的相互关系决定运行的平稳性。作为车辆特性，当运行速度达到某个程度时，车辆会突然发生左右方向的自激振动，这种现象称为蛇行运动。为了不发生蛇行运动，需要选择和确定运行装置的各项技术参数。即使不发生蛇行运动，如果达到高速运行时，由于车辆和轨道不平顺之间的相
4、互作用，也会使车轮作用在钢轨上的力（轮重和横压）发生变化，发生“轮重减载”现象，这样，不仅加剧了轨道的破坏，甚至还有发生脱轨的危险，因为轮重和横压是由于车轮和钢轨相互作用而产生的，所以，在提高速度时，必须同时考虑轨道构造和车辆构造。在轨道构造方面，要设置合理的转向架的转动阻力，适应于小半径曲线中的运行条件，要设计减少轨道负担的车辆构造。 由于车辆通过曲线时，受到离心力的影响，所以，通过曲线的速度受到曲线半径的限制。如果处理好超高度、欠超高和缓和曲线长度之间的关系，在保证平稳性和舒适度的前提下，仍有可能提高曲线限速。,(d)集电性能,电气化运输靠地面供应电力，集电性能决定于车辆和接触网之间的相互
5、关系。受电弓和接触网构成一个振动系统，当高速运行时，受电弓对于接触网的追随性降低了，有时会发生火花，最不利情况下还会发生中断电流现象。因此，在提高速度时，必须把受电弓和接触网看成一体，从而获得尽可能稳定的集电系统。,(e)列车控制,为了便于线路上的所有列车安全运行，必须具有能控制列车间隔和速度的信号保安系统。这个系统是以制动性能为基础的。在考虑提高速度时，必须将制动性能和行车安全系统视为整体，千方百计地加以改善。 另外，列车的运动能量是和速度的平方成正比，提高速度后，万一发生相撞时，受害程度也会和速度平方成正比增加。因此，随着列车提高速度，有必要加强列车控制方面的安全度。,（二）软性制约因素,
6、(a) 规定,在部令、部内规则、标准和指导等各层次中都有许多规定，比如紧急制动距离、最小曲线半径等标准。 此外，限制速度的规定随着技术水平的提高和列车运行条件的变化，将会有很多可以修改的地方。特别是车辆重量（轮重、簧下质量等）和轨道破坏之间有关因果关系的研究正在不断深化，如这些研究进一步深入，就有可能修改现行的有关速度和轨道结构的规定。这些研究和修改将有利于节省经费和提高速度。,(b)舒适度,过去，作为通过曲线时舒适度标准定为左右方向稳态加速度值不超过0.08g。最近，研究开发了陀螺式测定器，从而可以在车内正确测定车体旋转角速度。从舒适度角度出发，车体旋转角速度的目标取为5/s以下。根据这个标
7、准可以修改有关缓和曲线长度的规定。对于非摆式车体的一般车辆，也有可能大幅度提高曲线限速。 在现行规定中容许的未被平衡超高度（未被平衡的离心加速度）是根据舒适度限度的标准(0.08g)计算得到的，其中考虑了车辆弹簧的挠度，还留有若干余量。随着技术水平的提高和人们对加速度的感觉随时代共同变化，这些规定应有进一步修改的余地。,(c)环境标准,环境问题是铁路提高最高允许速度时的最大课题，铁路建设达到环境标准已成为铁路线提速的关键。 列车以高速进入隧道时，在相反的洞口会发生冲击声，为了缓和这种冲击声，在隧道入口处采取了设缓冲墙等措施，但是，在进一步提高速度时，这个问题仍旧是一个制约因素。 建设成本也是一
8、个控制提速的制约因素。 制约提速的技术因素解决后，成本成为最大的制约因素。伴随着提速，即随着车辆和地面设备等基础因素水平不断提高，成本也会增加，如何从技术上控制这些成本的增加即成为关键问题了。在具体提速时，应极力减少车辆和地上设备的追加投资，还应极力控制动力费和养护费的增加。,二、提速对策,1、 粘着性能的改善,粘着性能对于加速和减速性能起着决定作用。 为了使粘着系数尽可能增大，必须改善粘着条件，其方法有二种：一种为加强轮轨之间接触的状态管理，以提高粘着系数，这种方法称为表面管理；表面管理的途径包括净化车轮踏面和加强钢轨表面管理。净化车轮踏面常采用清扫器和研磨器；钢轨表面管理包括波形打磨、几何
9、线型维护以及轨面增加增粘材料等。 另一种为控制作用于车轮上的力（驱动力或者制动力），从而获得稳定、高值的粘着系数。这种方法称为粘着力控制。常用的粘着力控制方法有使用交流电机和直流分激电机两种。通过选择发挥这些电机特性的适当控制方法，减少空转时的扭矩，从而提高粘着性能。 此外，减少轮重变化、增加列车轴数和运输条件的改善也是十分重要的增粘途径。,铁路车辆的粘着制动就是在车轮上施加使其停止旋转的力，使车轮踏面和轨头表面的接触面产生一个和前进方向相反的粘着力，从而达到减速、停车的目的。如何获得较大的粘着力是提高制动性能的决定因素。提高制动性能实现高速化的有以下对策：,(a)有效地利用粘着力,2、 制动
10、性能和行车保安系统的改善,车轮和钢轨之间的粘着限度是随着钢轨表面情况而有很大的离散性。如提高制动力，滑行现象也将随着期望的粘着系数的增大而提高。一旦产生滑行，车轮踏面会有扁疤，车轮和钢轨之间就会发生较大冲击，加剧对轮轨的损伤。因此，作为有效利用粘着力的方法，可考虑将制动力和粘着特性合在一起加以控制。在日本新干线电动车组中，即是使减速度沿着粘着特性曲线那样对制动力进行控制的。为了防止粘着系数增加导致滑行，必须在列车上设置防止滑行的机构，检测滑行趋势。一旦出现滑行，立即暂时缓解制动力；,(b)增加粘着的对策,为了提高高速区域的制动性能，必须研究提高粘着系数的对策。在日本新干线中，制动时把清扫车轮踏
11、面的研摩器压到车轮上，从而增加粘着。在法国TGV中，是通过合并使用附挂车的踏面制动器和盘式制动器（其中踏面制动器仅在200km/h以下起作用），结合清扫车轮踏面，来承担一部分制动力。 这种制动方式是在清除车轮踏面上的污染膜同时，利用车轮踏面的粗糙化，在使钢轨表面的污染膜破坏，从而达到提高粘着系数的目的。需要进一步研究研磨器的成份，使硬质粒子附着于车轮踏面上，从而增加车轮和钢轨之间接触面的固体接触部分，以便进一步增加粘着的效果。 增粘研磨器使车轮踏面粗糙化，与此同时则增加了磨耗，因此，研磨器应采用不致使高速列车的车轮踏面产生异常磨耗的器材。目前使用的研磨器材料有：铁烧结、合成材料和率烧结等。在高
12、速化的发展过程中，研究开发有效的增粘制动研摩器是最重要的研究课题。,(c)采用非粘着的制动系统,对于粘着制动，存在着粘着性能的限度。为了获得限度以上的减速度，可采用不依赖于轮轨间粘着的制动系统，如电磁吸附制动和涡流制动等。电磁吸附制动曾在日本信越线横川轻井间的大坡道中，作为专用机车的停留制动而被使用过；在其它国家也有许多使用实例。,(d)改善信号保安体系,在最高时速达200km/h以上时，采用机载信号系统,(e)列车防护,采用无线电装置作为预警系统，以乘务员在列车上发报为主，同时车载系统与道口防护开关相结合。如果巡道养护人员携带无线电装置，就可以从地面来阻止列车运行。,(f)道口对策,采用定时
13、报警控制装置。 提高线区的防灾保安水平，根据线区实际情况采取相应措施,3 提高列车走行的安全性和平稳性,（1）列车走行的安全性,如果考虑转动车轮在钢轨侧面的爬上情况时，那么滑下的力等于滑上力与摩擦力的和。可以用下列公式表示：,车辆的走行安全性中脱轨和倾覆是主要问题。颠覆和列车通过曲线时的状态有密切关系，此处，主要考虑脱轨的问题。,从而可推导出下列纳达尔公式：,式中：Q横压 ；P轮重；轮缘角；摩擦系数,一般称Q/P为脱轨系数。,当=60，=0.30时，Q/P=0.94；这时相当于轮重的94% 以上的横压在工作，车轮的轮缘沿着钢轨侧面边滚动边爬轨。但是，车轮爬轨必须有一定的作用时间（约1/20秒）
14、，当作用时间是瞬时，即使Q/P大，也不致发生脱轨现象。 在脱轨系数的容许限度中再保留20%的余量，可以得到下列判别标准： Q/P0.8 （t0.05 秒），Q/P0.04/t （ t0.05 秒） 有时，即使横压不太大，由于轮重减载也会发生脱轨现象。如曲线地段的超高不足，超高过量，风的影响，车体的横向振动，以及车辆和轨道的平面扭曲等都会引起轮重减载。从安全角度考虑，相对于平均轮重，是以静态的轮重减载60%以下，动态的轮重减载80%以下为目标。 车体左右振动加速度和脱轨系数之间有很高的相关性。对于二轴货车，为了使其脱轨系数不超过0.8，希望车体左右振动加速度在0.4g以下。高速化时，为了不降低走
15、行安全性，必须避免出现过大的横压和轮重减载现象。,（2）列车走行的平稳性,车轮在直线走行过程中，当列车达到一定速度时，车体会发生左右方向的自激振动，即发生蛇行运动。这种蛇行运动不仅降低舒适度，而且，构成破坏轨道的因素，诱发脱轨的危险性。 正确地确定车辆各种技术参数和弹簧系的各种参数，可以提高发生列车蛇行运动的临界速度。 为了使高速走行中不发生蛇行运动，正确地选择影响走行平稳性的车辆有关参数和增加平稳性的方向。 此外，加大转向架转向阻力，提高轴箱前后支撑刚度，也可以使产生蛇行运动的临界速度得到提高。但是，这一系列阻止发生蛇行运动的要素中，例如：延长固定轴距、加大转向架转动阻力、提高轴箱前后支撑刚
16、度等，同时也会恶化车辆通过曲线时的性能。所以，在决定车辆有关参数的过程中，要考虑在使用速度范围内不发生问题的前提下，尽可能降低发生蛇行运动的临界速度，从而改善列车通过曲线的性能。,(3)防止轮重变化的对策,轮重极端地变大和极端地变小不仅会加快车轮和轨道的破坏和疲劳。而且有诱发脱轨的危险性，因此，必须千方百计地避免上述两种现象。另外，轮重变化也会降低粘着性能。 另外，减少车辆簧下质量和簧间质量，也可以减轻轨道的负担，节省轨道维修费用。因此，在国外高速列车车辆中，使车辆轴承、轴箱等都小型化，齿轮等驱动装置都轻量化，高速车辆与普通车辆相比，簧下质量减轻了10%左右。同时，降低轨道弹性系数，消除钢轨踏面上细小的凹凸不平顺也是重要的。,(4)降低转向横压的对策,为了提高走行的安全性和平稳性，在减少轮重变化的同时，降低横压也是重要的对策。 当有转向架的车辆通过曲线时，转向架在钢轨的引导下，在转向过程中会产生横压。这种横压由两种因素产生：一种是几何学的因素，即车轴延长线不通过曲线中心而产生的。另一种是构造上的因素，即车体和转向架之间存在旋转阻力
