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