铁道工程电子教材18高速铁路与重载运输.docx

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铁道工程电子教材18高速铁路与重载运输

发展概况

　　速度是具有时间性的相对概念，不同的历史时期具有不同的科技水平和技术装备，形成了该时期速度标准。

1825年英国建成世界第一条公用铁路（利物浦至曼彻斯特），1830年在这条铁路上举行了火车速度比赛，斯蒂文森父子制造的“火箭号”蒸汽机车取得了冠军，“火箭号”形容其速度快如火箭，但仅拉了17t重的车辆，平均速度虽仅22km/h，但要比当时马拉车在木轨上行驶快得多。

1948年我国在沪宁线上也开行过称之为“飞快”的列车，用蒸汽机车牵引8节客车，全程运行5h，旅行速度达到60km/h，这在当时已经是中国了不起的速度。

　　速度是现代交通运输的命脉，一百多年的铁路发展总在不断地探索提高速度的可能性。

英、法两国在19世纪末就先后用蒸汽机车创造了145和144km/h的试验速度，美国1893年在纽约中央铁路创造了181km/h的试验速度，1903年德国用电力机车创造了210km/h的试验速度，1931年用内燃动车组在柏林汉堡间作高速试验，最高速度达230km/h。

第二次世界大战后，民用航空和高速公路的发展，更促使铁路提高速度。

1955年3月28日法国用一台电力机车牵引三节客车进行高速试验，最高瞬时速度两次达到331km/h，1981年法国用TGV-PSE电动车组创造了381km/h的纪录，1988年德国ICE电动车组又创造了406.9km/h的记录，1990年5月法国用TGV-A创造了515.3km/h的更高纪录，1993年12月日本在上越新干线用STAR21型电动车组曾达到425km/h的速度。

这些试验速度虽然要到若干年后才能在正式运营中实现，但也充分说明了世界铁路努力攀登速度高峰的趋向。

　　高速行车是铁路现代化的重要标志，行车速度指的是正规运营中实现的速度而非试验速度。

目前世界上比较一致的看法是最高速度达到200km/h以上、旅行速度超过150km/h的铁路称为高速铁路；最高速度为140～160km/h时称为快速；最高速度为120kmh时称为常速。

我国把最高速度达到160km/h（如广深线）时称为准高速，把最高速度达到140kmh的称为快速。

世界上正式运营列车的速度发展概况如下。

（一）第一次世界大战前

　　第一次世界大战（1914年～1918年）前，多数资本主义国家的铁路正处于发展阶段，忙于修建新线。

路网基本建成的英美两国，铁路公司间为提高声誉吸引旅客，已开始以提高速度作为竞争手段。

　　1895年英国西海岸铁路伦敦至亚伯丁距离868km，用蒸汽机车牵引总重70t的客车，途中停站三次，运行8h32min，平均直达速度达101.6km/h；东海岸铁路伦敦至亚伯丁距离842km，用蒸汽机车牵引总重105t的客车，运行8h40min，平均直达速度97km/h。

1902年美国纽约中央铁路和宾州铁路在纽约至芝加哥的平行干线上层开竞争，全程均运行24h，前者走行1550km，平均直达速度为64.5km/h，后者走行1460km，平均直达速度为61.0km/h。

　　蒸汽机车运行50～60km/h后，需停站给水；英美国两国的铁路公司为了减少停站次数，曾采用水槽给水；机车在行进中放下挡板将轨道中间水槽中的水铲人机车。

英国还曾采用两列车同速并行，进行不停车的邮包装卸。

（二）两次世界大战之间

　　第一次世界大战中，西欧各国受战争影响，铁路行车速度发展势头有所降低；战后的30年代，由于内燃牵引的采用和铁路公司间的竞争，铁路行车速度再度大幅度增加。

　　蒸汽牵引的铁路，30年代中期，美国圣太菲铁路公司在南方干线上，在325.9km的距离内达到134.8km/h的速度；1936年德国在柏林汉堡间达到200km/h的最高速度；1928年伦敦东北铁路的苏格兰飞人号创造了由伦敦到爱丁堡630km不停车的运行纪录，直到1958年英国每天还有26列蒸汽牵引的列车利用水槽上水，在360～480km间不停车运行。

　　内燃牵引的铁路，1934年美国中央太平洋铁路由内燃机车牵引5节客车，最高速度达193km/h,在204km距离内平均速度达148km/h；德国的内燃动车组在柏林—汉诺威—哈姆间，最高速度达160km/h，平均速度为132～134km/h。

（三）第二次世界大战后

　　第二次世界大战期间，欧洲各国铁路受战争破坏，行车速度大幅度降低，直到50年代中期才恢复到战前水平。

最高速度一般为140km/h左右，个别达到160km/h；旅行速度少数电力、内燃牵引达到120～135km/h左右，蒸汽牵引达到110km/h。

　　第二次世界大战后，高速公路和民用航空逐渐兴起，铁路运输业客货运量日减，营业亏损，一度被称为“夕阳产业”。

高速铁路为了和高速公路、民用航空竞争，才逐步发展起来。

　　日本在50年代后期筹建高速铁路，1964年10月东京到新大阪长度为515km的东海道新干线通车。

1965年光号列车最高速度为210km/h，中间停站两次，旅行时间为3h10min，旅行速度为162.8km/h。

由东京到大阪，市中心间的旅途时间铁路和航空差不多，而铁路票价较低，发车间隔时间短，大批航空旅客被吸引到铁路上，铁路客运量逐年增加，盈利递升，1975年每天开行132对旅客列车，运送43万旅客，年利润高达1818亿日元（折合人民币12．35亿元）。

日本东海道新干线的建成运营，为世界铁路摆脱困境开辟了道路，世界各国纷纷仿效。

　　日本的高速铁路发展很快，1975年建成了554km由大阪至博多（福冈）的山阳新干线，1982年建成了270km由大宫至新泻的上越新干线，1985年建成了493km由上野至盛冈的东北新干线。

包括山阳新干线共四条，总长度达1836km，四条高速线相互衔接，采用电力动车组，最高速度已逐步提高到220～275km/h。

1973年日本曾规划再修建五条高速铁路，总长度达1440km，正逐步实施中。

　　法国的高速技术比较成熟，力图在最高速度上超过日本，1983年建成巴黎至里昂417km的东南干线，1990年建成巴黎至勒芒和图尔总长282km的大西洋干线，1993年建成巴黎—里尔—加莱333km的北部干线，1994又将东南干线延伸至瓦朗斯，长121km；1996年建成巴黎环线104km，共建成高速铁路1257km。

在高速线上开行TGV列车，最高速度已达270～300km／h。

TGV列车还延伸运行于普通干线，以方便旅客减少换乘。

高速铁路投入运营后，吸引了大量客流，财务状况良好。

　　德国1991年已建成汉诺威至维尔茨堡327km和曼海姆至斯图加特99km的两条客货共线的高速铁路。

正在建设的还有汉诺威至柏林264km和科隆至法兰克福216km两条高速线。

高速铁路上开行ICE列车，最高速度达到250～280km/h。

　　1973年国际铁路联盟公布了欧洲高速铁路建设指导性计划，提出把各国的高速铁路联接起来。

路网总长度为40000km，有改建也有新建，共包括22条干线。

意大利1992年已建成罗马至佛罗伦萨262km的高速铁路，并正在修建罗马至那波利220km的高速铁路，最高速为250km/h、300km/h。

西班牙1992年已建成马德里至塞维利亚471km的高速铁路，并正在修建马德里至巴塞罗那605km的高速铁路，最高速度为300krn/h。

英国、比利时、俄罗斯等国家都计划兴修时速250km以上的高速铁路。

　　韩国正在修建汉城至釜山409km、最高速度为300km/h的高速铁路。

我国台湾省也开工兴修了台北至高雄3401nn、设计速度350h山h的高速铁路。

一向对高速铁路不太积极的美国铁路客运公司（Amtrak）也于1996年3月郑重宣布，要在华盛顿—纽约—波士顿的东北走廊干线上，购买高速动车组和电力机车，以实现240km/h的最高速度。

　　目前世界上已建成的高速铁路约4300km，时速达到200kmh以上的铁路已超过1万km。

高速行车的铁路可概括为三种类型。

一为客运专线型，如日本、法国的高速铁路；二为客货共线型，如德国和意大利的高速铁路；三为客货共线摆式列车型，在既有铁路上开行摆式列车以实现高速，如瑞典、意大利、西班牙、英国、日本等国的部分干线。

发展前景

（一）高速铁路的经济速度

　　西欧各国在筹建高速铁路之初，都对其经济速度进行过研究，所谓经济速度即高速铁路盈利最高的速度。

　　提高速度可以节省旅途时间，但速度越高，因停车而增加的加减速附加时分就越长，所能节省的旅行时间相对减少，图18—1是法国东南干线的研究结果，△T为最高时速每提高50km所能节省的旅途时分。

图18-1最高速度与旅行时分关系曲线　　

最高时速增大，因旅行时间缩短所创造的价值可用旅客小时数乘以平均工时价值衡量；同时因旅行时间缩短，可吸引更多旅客乘车，从而增加铁路的收入和盈利。

　　但最高时速增大，则因建筑标准提高、技术装备先进，必然使铁路投资增加。

同时，对线路和机辆的维修质量要求提高；大量的能量消耗于空气阻力，又必然使运营费用增加，运输成本提高。

　　70年代前后，西欧各国根据本国的具体情况，研究出各自的经济速度。

英国为230km/h，法国为280～300km/h，德国为270km/h，国际铁路联盟（InternationalUnionofRailways）的研究结果则是300km/h。

经济速度对各国拟定高速铁路的最高速度有指导作用，一般最高速度要略高于经济速度。

（二）粘着铁路的极限速度

　　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。

因为牵引力受轮轨粘着条件的限制，牵引力与机车（或动力车）粘着重量的比值不能大于轮轨间的粘着系数，而粘着系数则随速度的提高而降低。

70年代研究，当速度提高到300km/h以上时，粘着系数可能降低为0.03～0.05，也就是说机车

图18-2极限速度示意图

（或动力车）能产生的最大牵引力，仅为其本身重量的3%～5%。

同时，当速度提高时，空气阻力加大，其值与速度平方成正比。

据原西德研究，当速度达300km/h以上时，空气阻力要消耗机车功率95%。

因速度提高时牵引力减小，而阻力增大，当两者相等时的速度即为极限速度，如图18—2所示。

　　国外早期研究，一般认为粘着铁路的极限速度约为350km/h。

随着机车转向架构造的改善，并采用交流电机驱动，以及轨道结构的加强和轮轨材质的提高，粘着系数增大；随着高速列车流线型程度的提高，空气阻力相应减小，极限速度也将随着科技进步而有所增大。

（三）气垫车

　　粘着铁路很难实现500km/h的最高速度，为此需研制新的运输工具。

本世纪60～70年代，最早着手研制的是气垫车。

　　气垫车一般用燃气轮作动力产生高压喷气，在导轨与车辆间形成气垫使车辆浮起，并用喷气机驱动车辆前进，英法两国研制十年，制成试验车。

法国试验的飞行列车，车长26m，质量20t，可载客80人，用530kW的燃气轮机产生气垫，用2956kW的动力驱动，在18km长的高架轨道试验线上试运转时，最高时速达422km。

1974年能源危机时，为紧缩开支，且因喷气机污染环境、噪音太大，取消了研究计划。

　　前苏联、美国都曾对气垫车进行过研究，未取得显著成就而停顿。

70年代起，技术先进的国家，都先后停止了气垫车的进一步探索，转而研制磁浮车。

（四）磁浮车

　　磁浮车有两种类型，一为常导体吸引式磁浮车，一为超导体相斥式磁浮车，两种磁浮车技术都日臻成熟。

　　1、常导体吸引式磁浮车

　　常导磁浮车的车辆跨座在导轨之上，车上安装的集电设备向供电轨供电，导轨相应部位安装感应轨，利用两轨间磁场的吸引力将车辆吸起l0mm左右，然后利用线性电动机驱动车辆前进。

这种磁浮车因需外部供电，故速度受一定限制。

　　美国1974年8月曾在普通轨道中心加铺铝感应轨，用线性电动机驱动，起动时用喷气机驱动，最高时速达410km。

　　英国伯明翰在机场到铁路车站间0.4km距离内，建成了磁浮高架线路，并正式投入商业运行。

由于距离太短，最高时速限制为50km，全程需时1.5min。

每辆车载客40人，每小时可运送旅客1500人。

　　我国西南交大经多年研究，于90年代初试制出载人磁浮车，1997年与四川省合作，拟在都江堰市青城山下修建2.0km长的常导磁浮线，采用单线高架结构，最大坡度为60‰，平均坡度约30‰，最小曲线半径300m，磁浮车构造速度为100km/h，运行最高速度为60km/h。

1998年已进入实施阶段。

图18—3为磁浮车示意图。

图18-3　常导磁浮车示意图

　　德国已研制出向地面功能件供电的常导磁浮车，其行车速度可不受取流设备的限制；1983年用两辆磁浮车，载客200人，试验速度达400km/h。

最近计划修建柏林汉堡间292km的磁浮线，最高速度为450～500km/h，预计2005年建成，总投资约98亿马克。

　　2、超导体相斥式磁浮车

　　超导磁浮车的车辆跨座在导轨上，车上装置超导电磁线圈，超导体线圈一般由铌钛合金制成，浸入-268.8℃的氮溶液中，线圈电阻即接近于零，一旦有电流通过，即可持续通电，不需再供电。

车下导轨相应部位也安装线圈，当车辆通过时，导轨上的线圈产生感应电流，出现磁场。

超导体线圈的磁场与导轨上线圈的磁场产生相斥力，可使车辆浮起100mm左右，适合于高速运行。

仍采用线性电动机驱动车辆前进。

　　日本1979年12月在宫崎县7km长的试验线上，实现了517km的最高时速，持续时间5s，运行距离0.7km，其余6.3km用于加减速。

试验车长13.5m、宽3.8m、高2.7m、质量约10t，磁浮力为100kN，驱动力为44kN，每吨车辆具有4400N之推力。

1980年又对磁浮车的车型和导轨进行了改进，1982年进行载人运行，最高时速达262km，1987年2月最高时速达375km和408km，磁浮技术已接近实用阶段。

　　日本还计划修建东京大阪间最高时速500km的磁浮干线，为U形导轨，侧壁悬浮方式。

估计造价不会高于新干线，而能耗仅为飞机的60%。

1996年在山梨县修建18.4km新的试验线，其中隧道总长16km，最小曲线半径为8000m，最大坡度为40‰，复线线间距为5.8m。

制造了MLX-01号超导磁浮列车，两端头车长28m，中间车一辆长21.6m，列车宽2.8m、高2.65m。

列车长度为77.6m，重量为80t，可载客146人。

为减轻重量，车体采用铝合金的筒形结构，具有流线形外形、客室密闭。

最高试验速度达到550km/h。

当速度小于100km/h时，用胶轮支承车体运行，速度大于100km/h，车体浮起与轨道保持100mm间隙，停车时将胶轮放下，利用盘形制动使列车停止。

（五）管道磁浮

　　地面高速运输要克服巨大的空气阻力，当速度超过500km/h后，空气阻力将非常大，所以产生了管道磁浮线路的设想。

将磁浮车系统置于空气稀薄的管道中，时速就几乎可以无限制地提高。

美国兰德公司设想一种管道高速运输系统，预计在21世纪可能成为现实。

　　该设想的轮廓是：

由纽约到洛杉矶修建一条长3950km的横贯美国东西的地下隧道，隧道内抽成相当于1‰个大气压的真空，将磁浮系统安装在隧道内，悬浮力和驱动力都由超导电磁形成。

速度受3950km的加速与减速距离限制，3950km的一半用于加速，一半用于减速，中间速度最高为22500km/h。

即令采用中速13000km/h，平均速度为6750km/h，由纽约到洛杉机也只要36min30s的旅行时间。

隧道当然不宜转弯，转弯时曲线半径需达700～800km。

80年代估算，隧道造价要1850亿元，包括磁浮系统总费用约需2500亿美元。

高速铁路的技术经济特征

高速铁路的优越性

高速铁路具有运能大、速度快、能耗省、污染小、占地少、安全性高、经济效益好等优点，和高速公路、民用航空对比有如下特征。

1、运能大。

高速客运专线双向年输送能力可达1.2亿人以上，高于高速公路；日本东海道新干线1975年运送旅客达1.57亿人。

2、速度快。

高速铁路的旅行速度约为高速公路的2～3倍。

从节省旅途时间角度看，高速铁路的经济距离约在200～1000km之间。

国外研究，若高速铁路的最高速度达250～300km/h，考虑各种运输方式包括市内交通所用时间在内的旅途时间，则高速铁路与长途汽车比，优势距离大于85km；与小汽车比，优势距离大于200km；与民用航空比，优势距离小于1000km。

3、能耗省。

据日本统计，每人公里的能耗量：

高速铁路：

长途汽车：

小汽车：

民用航空为1﹕1.02﹕5.77﹕5.23；高速铁路仅为小汽车和民用航空的五、六分之一。

4、污染小。

交通运输污染环境主要是废气和噪声。

高速铁路若采用电力牵引，则没有废气污染。

噪声污染因仅为一条线，波及范围不大，还可修建隔音墙减少其危害程度。

汽车与飞机的噪声波及范围大，高速公路的废气是社会的一大公害。

5、占地少。

四车道的高速公路路面宽26m，一个立交桥占地13.3

左右，而高速铁路路基面宽度仅约13.0m，为高速公路的一半。

一个大型飞机场，包括跑道、滑行道、停机坪、候机大楼及其他设施，占地约20

，面积大，又多为市郊良田。

6、安全性高。

德国统计，每百万人公里的伤亡人数比例，高速铁路为1时，公路为24，航空为0.8。

日本的新干线安全性高，其事故率仅为公路的1/1570，为航空的1/63。

同时高速铁路舒适性最好，最准时且全天候运行，而民航则受大雾、雷雨等天气影响。

7、经济效益好。

高速铁路的造价低于高速公路，完成相同的旅客周转量，高速铁路的机车车辆购置费远低于小汽车的购置费。

高速铁路能吸引大量客流，经济效益都比较高。

日本东海道新干线和法国东南干线都是运营不到十年，所获盈利就超过了包括借贷资金利息在内的全部投资。

根据国际铁路协会（IRCA）和国际铁路联盟（UIC）研究，就欧洲而言，在既有线客、货能力已经饱和的条件下，双向年客运量达到和超过l000万人时，修建高速客运专线是有利的。

根据德、法、比利时三国研究，在既有线能力饱和的条件下，当双向年客运量大于500万人时，修建客货共线的高速铁路是有利的。

世界几条主要高速铁路的技术条件如表18—1所列。

以下简要说明最大坡度、最小曲线半径和线间距离的拟定原则。

表18—1高速铁路的技术条件

　　1、最大坡度

　　法国东南干线通过丘陵地区，采用了35‰的最大坡度12处，但长度均较短。

全线无隧道，桥梁长度仅占1.2%，工程量不大，造价是高速铁路中最低的。

设计思路是：

TGV列车的

　　总功率较大，可利用列车在坡脚的动能，配合机车牵引力，以较高速度冲上坡顶，下坡时又可利用列车位能很快加速，不致过多地增大运行时分。

因此可取得大量节省工程的、效果。

经测算，若坡脚速度为260km/h，则冲上高122m的坡顶，可采用3.5km长的35‰坡度，坡顶速度为220km/h，运行时间仅比维持260km/h等速运行多4s。

又如日本东海道新干线设计时，考虑白天走客车，晚上走货车，为了不致引起货物列车的机车电机过热，采用了15‰的最大坡度、持续长度不超过7km,坡度为20‰时、长度不超过1lan。

以后借鉴法国经验，修建的北陆新干线，虽然最大坡度仍按高速旅客列车运行需要定为15‰，但在一段20km长的距离内，采用了30‰的坡度。

九州新干线还准备采用38‰的坡度。

　　德国两条客货共线的高速铁路，最大坡度定为12.5‰，是考虑了快运货物列车牵引定数1200t、最高速度120km/h的需要。

意大利罗马—佛罗伦萨客货共线的高速铁路，最大坡度定为8.5‰，个别路段用到30‰。

由罗马向南至巴蒂帕利亚的高速铁路，因地形困难，拟采用18‰的最大坡度。

　　2、最小曲线半径

　　高速客运专线的最小曲线半径R是根据客运最高速度

以及最大超高值

和允许欠超高

，按下式算得的。

（m）

　　法国和日本的高速客运专线最大超高均为180mm，法国东南干线和大西洋干线、以及日本的东北新干线和上越新干线，其最小曲线半径均为4000m，但客运最高速度却不同，法国约300km/h，日本为260km／h，原因是体现乘车舒适度的欠超高值不同，法国取90mm，日本仅取35mm。

显见法国所定的最小曲线半径进一步提高速度的潜力不大，所以法国修建北欧干线时，将最小曲线半径取为6000m。

　　客货共线高速铁路的最小曲线半径R是根据客运最高速度

和货运最高速度

，以及允许欠超高

和允许过程超高

，按下式计算的。

（m）

德国和意大利的客货共线高速铁路，客、货运的最高速度都采用250km/h、120km/h，但最小曲线半径却分别为7000m和3000m；原因是所取的允许欠超高（体现舒适度）和允许过超高（体现轮轨磨耗程度）不同，两者之和，德国取80mm，意大利取184mm（允许欠超高和过超高各为92mm）。

两种高速铁路在大站前后速度本来就不高的路段，均可采用更小的曲线半径，如日本东海道新干线用到400m，山阳新干线用到1000m。

3、线间距离

高速铁路上对向运行的两列车相遇时，正面压力、侧面吸力都很大，线间距离不足时将危及行车安全。

线间距离与行车速度、车体宽度、列车流线型化程度等因素有关。

表18—1所列的线间距离，可保持对向列车内侧的间距：

最小为0.82m，最大为1.70m，速度越高，线间距离应越大。

客货共线铁路应和客运专线有所不同。

表列数据出入较大，应通过空气动力学的研究和风洞试验，并经过运行实践的验证，决定合理取值。

4、各类工程的长度比重

修建高速铁路的国家，国情不同，采用的技术路线不同，因之各类工程的长度比重出入较大，如表18—2所示。

表18—2高速铁路路基、桥、隧的长度比重

京沪高速铁路的技术决策

京沪高速铁路跨越河北、山东、安徽、江苏四省，联络北京、天津、上海三大直辖市，经行济南、徐州、南京等大城市；全长约1308km，较1463km的既有线缩短约155km，全线共设车站24个，平均站间距离约55km，基本走向如图18--4所示。

（一）运输模式

　　1.既有线