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1、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5月6日内容提要 本文全面归纳比较了高速铁路与既有铁路的主要技术不同点，提出了高速铁路的主要技术特征体现在：持久高平顺性的轨道，大张力的接触网，车载信号为主的列控系统，轻量化、流线形、密封的、大功率和大制动能力的交-直-交动车组。同时，介绍了国外最新投入和即将投入运营的动车组。一、前言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，19世纪后半叶和20世纪初，铁路得到了大发展，并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高速公路异军
2、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。自1964年日本率先实现了最高速度210公里/小时的商业运行，标志着高速铁路技术开始进入实用阶段。世界范围内近40年的高速铁路成功的商业运行，显示了高速铁路具有独特的技术经济优势1：全天候运行、运能大、速度快、安全性好（除ICE在既有线上发生过事故外，其它国家均未发生过人身伤亡事故）、能耗低（高速铁路、小气车、飞机的的平均每人公里能耗比为1：5.3：5.6）、污染轻（按高速列车使用火力发电计算，高速铁路、小气车、飞机的CO2排放量之比为1：3：4
3、.1）、占地少（高速铁路与高速公路的用地比约为：）、正点率高（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，目前日本高速列车的平均晚点时间只有0.3分钟）、舒适方便、经济效益好。高速铁路以其明显的技术经济优势博得了世人的赞赏，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，它既是成熟的技术也是正在不断发展的技术，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（Eurailspeed 2002）的新闻发布会公布
4、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2。二、高速铁路的主要技术特征随着列车运行速度的提高，列车与周围空气以及基础设施之间的动态效应更加突出，以往静态或准静态的问题变为动态问题。图1为日本500系高速动车组与接触网和线路，从图中高速列车与周围物体的关系，可以看出高速铁路与普通的既有铁路的主要技术不
5、同点体现在以下三个大的方面： 列车与轨道作用； 空气动力学方面； 列车牵引与制动方面； 接触网动力学方面。图1 日本500系高速列车与接触网和线路1. 列车与轨道、接触网动力学方面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。例如，欧洲网络高速列车技术条件规定了轮轨粘着系数的利用限值3：启动时，20%；100公里/小时，17%；200公里/小时，13%；300公里/小时，9%。（1）高速动车组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
6、向架要有较大的轮对定位刚度、较小的车轮踏面等效锥度、安装抗蛇行减振器、减小轴承间隙（0.2mm以下，普通列车约为1mm）、减小轮对滚动圆直径差（0.2mm以下，普通列车约为1mm）、提高轮对动平衡水平（50gm以下）、较小的簧下质量（日本300系为1.7t）、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1 mm，而前两项普通为3mm和2.6mm）、二系悬挂采用大柔度空气弹簧等。b. 较低的动车组轴重 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，为将列车对轨道的动态与静态作用力之和限制在一定的范围内，降低列车的轴重是一个非常有效的办法。例如，欧洲网
7、络高速列车技术条件规定3，300公里/小时高速列车的每个车轮作用在正常维护的线路钢轨上的静态和动态力之和不得超过170 kN，高速列车的轴重不得超过17t；对于350公里/小时高速列车允许的轴重正在研究中，有人认为应小于15t。降低列车的轴重可采用铝合金车体、降低牵引设备和内装修的重量等措施。c. 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动车组受流所必不可少的，高速受电弓一般均采用二系悬挂，除用空气压力升降外，弓头用二系弹簧支撑，并设有阻尼减振器。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的外形要平滑，这样才能使其减小阻力和抬升力，并有助于降低噪音
8、。（2）轨道a. 持久高平顺性的轨道从我国的“轨道动态几何尺寸容许偏差管理值”4可以看出，运行速度从100公里/小时提高到120和160公里/小时，“轨道高低保养标准”从12mm提高到8 mm和6mm。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得更加严格，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、桥梁和轨道的设计、施工需要采用高的标准，控制桥梁结构的因素不再是强度，而是舒适度要求的刚度。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，在钢轨外轨超高一定的情况下，提高列车运行速度只能加大曲线半径。例如，“京
9、沪高速铁路设计暂行规定” 5中要求：高速正线的线路平面最小曲线半径一般条件下不应小于7000 m，困难条件下不应小于5500 m，推荐100008000 m。（3）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，一般要求导线的波动传播速度大于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20 kN以上，德
10、国Re-330接触网导线张力达到27 kN，西班牙马德里巴塞罗那高速铁路EAC-350接触网导线张力为31.5 kN。 增加接触网导线张力，首先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。2空气动力学关系方面（1）流线形、密封的动车组列车运行的空气阻力为：R = 1/2CpAV2。其中：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（300公里/小时时空气阻力约占总阻力的80%），要想减小空气阻力只
11、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，使得车厢外的空气压力及其分布发生显著的变化，因此，高速列车车体必须采取相应的密封措施和提高耐压强度（一般要求车体能够承受5000Pa的空气压力载荷），并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（一般要求变化率不大于400Pa/s，最大变化不得超过1000Pa），因此，高速列车上集便装置是必不可少的。高速铁路需要解决的问题之一是列车高速运行产生的噪音，图2是德国关于列车运行噪音组成的研究结果6，从图中可以看出，当列车速度
12、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。 图2 列车运行速度与噪音的关系因此，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。（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4.7 m，法国TGV为4.6m，我国京沪高速铁路为5m 5 。 当高速列车进入和驶出隧道以及在隧道中交
13、会时，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62 m2，德国ICE为82 m2，我国京沪高速铁路为100 m2 5。另外，对于有碴轨道，石碴的外形要有严格的规定，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。3列车牵引与制动方面（1）大功率的交-直-交动车组和大容量的牵引供电设施 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（一般每
14、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，目前各国的高速列车均采用交-直-交传动。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）牵引变电所容量为31.5MVA，京沪高速铁路（300公里/小时）大多都在63 MVA以上。对于牵引供电系统，还要承担高速列车再生制动反馈电能的任务，由于高速列车优先使用再生制动，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
15、的盘形、再生、涡流列车制动系统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，基础制动从踏面制动变为盘形制动，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。对于高速列车巨大的制动能量，更有必要采用再生制动，以减少空气制动摩擦件的磨损，延长制动部件的使用周期，有些国家也在高速列车上增设涡流制动。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。（3）以车载信号为主的列控模式 列车运行速度超过200公里/小时以后，就无法依靠司机辨别地面信号来控制行车，只能以车载信号为主来控制列车运行。列控制动模式，有速度分级控制和连续速度控制（也叫一次制动曲线模式）两种方式，由于连续速度控制模式优于分级模式，所以连续速度控制模式是列控的发展方向。三、高速动车组的主要技术类型与最新进展目前世界上主要的高速动车组技术类型有5种，如图3所示。a. 为以德国ICE-1和ICE-2为代表的独立式动力集中型高速动车组；b. 为以法国TGV为代表的铰接式动力集中型高速动车组；c. 为以日本新干线和德国ICE-3为代表的独立式动力分
