[工学]高速和重载

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高速铁路与重载运输\n世界高速铁路的发展动态速度是具有时间性的相对概念，不同历史时期由于具有不同的科技水平和技术装备，形成不同的速度标准。速度是现代交通运输的命脉，铁路发展不断探索提速的可能性。时间国家机车类型速度(km/h)时间国家机车类型速度(km/h)19世纪末英、法蒸汽1451893美国内燃1811903德国电力2101930德国内燃2301955法国电力3311988德国ICE406.91990法国TGV-A515.31993日本STAR21425\n一、发展概况分类：世界高速铁路：Vmax>200km/h旅行速度>150km/h快速铁路：Vmax=140~160km/h长速铁路：Vmax=120km/h我国准高速铁路：Vmax=160km/h快速铁路：Vmax=140km/h1、第一次世界大战前2、两次大战中间3、二次大战后\n二、发展前景（一）经济速度（二）粘着铁路的极限速度（三）气垫车（四）磁浮车常导体吸引式磁浮车超导体相斥式磁浮车（五）管道磁浮\n三、高速铁路的技术经济特征（一）优越性速度快、旅行时间短行车密度高、运能大舒适性好占地少能耗低环境污染小社会效益高效率和效益好列车运行准点安全可靠\n（二）高速铁路的技术条件最大坡度最小曲线半径线间距离各类工程的长度比重\n（三）超高速铁路技术空气阻力值的计算公式线路车辆行车配套设施及维护工程造价分析\n1.空气阻力值的计算公式D＝0.5pcdv2A(cdp+λl/d)p——空气密度(公斤／立方米)cd——空气阻力系数V——列车速度(米／秒)A——列车断面(平方米)cdp——列车压力阻力系数λ——列车侧面气动摩擦指数l——列车长度(米)d——列车气动直径(米)\n2.线上建筑物超高速铁路的线路，在平原和丘陵地区，主要由高架桥组成。高架桥一般为箱形断面，跨度为30—50米简支钢筋混凝土梁，列车行驶在“箱内”——箱内的隔版有洞口，互相连通。梁与梁之间采用可伸缩的专用连接件使其密封。为使梁体有足够的气密性，箱型梁内部贴一层薄钢版。箱形梁宜采用城市地铁限界，如有可能，也可采用东京地铁12号线上的小断面结构，以节省投资。当线路需要跨越大江大河时，可采用钢桁梁，在桁架内拼装箱型管道。在一些地方，可采用明挖法修建浅埋隧道；在山区，也可修建山岭隧道。\n3.车辆由于超高速铁路的列车是在低真空管道内行驶，其气密性要求很高。但是，由于列车无转向架，车体轻；更由于列车运行阻力极小，车体的重量已不是设计中主要考虑的问题。可用轻钢结构而不是铝合金结构制造车体。实现车体本身的气密性。车箱无窗户；两车箱之间连接处的气密性也不难达到。保证气密性唯一困难的地方是车门。根据车体内外压力差(车内为常压)，车门应设计成向内开启——然占用了一定空间，由于内外压差的作用，车门周边可以相互贴紧，形成基本不漏气。车箱内设置能循环的空气调节装置。新鲜空气和废气都经过压缩贮存钢瓶内。就是说，最好不让废气排入隧道内。\n4.行车超高速铁路以行驶客车为主，也可行驶专为这种超高速铁路设计的、牵引重量与客车相同的快运货物列车。旅客列车可分为由起点站直达终点站的直达快车及普通列车。由于列车的制动与现行高速铁路不同，其制动距离和所需时间，是由旅客的舒适度控制。一般来说，列车以3.5米／秒2做匀加(减)速运行，都能习惯。超高速列车可以利用其控制系统实现启动和停车的精确控制。\n5.配套设施及维护超高速铁路是一个自成体系的客货运输综合体系。除线路、车辆(动车组)、牵引供电、通信信号等设施外，还必须设置一定数量的无人值守中间泵站、全线可视监控系统、全线结构物状态监测系统等，以确保超高速列车安全可靠地运行。超高速铁路的日常维护是在低真空状态下进行，当某一地段的线路，甚至构筑物可能出现大的问题需要“大修”或更换时，可把两节专用车驶入管道内，从内部把某一段隔开，放入空气，在正常状态下进行作业。\n6.工程造价分折高速铁路造价高主要不在土建方面，而在各种引进设备和车辆购置。超高速铁路的造价又要比现代高速铁路高一些，主要由于线路全部高架或部分高架、部分在地下，如果说，日本的新干线70%高架和位于隧道内，那么，超高速铁路权增加30%高架桥或隧道。而且，由于列车荷载轻，并且适当地减少限界(日本东京地铁12号线采用小断面隧道——内径43米)，桥梁单位长度的圬工量与现行高速铁路的桥梁单位长度圬工量增加不会很大。\n总结从以上六个方面可知，超高速铁路并不涉及现代科学技术(工程技术)不能解决的难题，通过广泛的研究试验、精心设计、精心施工，是可以实现的。就是说，超高速铁路无论在理论上还是在实践上都是可行的。\n超高速铁路—磁悬浮铁路列车最高运行速度超过350km/h的铁路称为超高速铁路。目前一般认为轮轨接触型铁路的实用最高速度为350km/h左右，故欲使列车达到更高的运行速度，不能依靠传统的轮轨接触方式，而要依靠其他的牵引方式来降低列车运行阻力。为此国际上曾研制过气垫列车等新型的铁路运输工具，但目前比较成熟的超高速铁路技术仍然为磁悬浮铁路技术。\n磁悬浮铁路目前分为中低速磁悬浮和高速磁悬浮两种类型，列车最高运行速度超过350km/h的磁悬浮铁路应该成为超高速磁悬浮。目前中美两国正在研制磁悬浮飞机，其最高运行速度为500km/h。这种磁悬浮飞机也应该称作超高速磁悬浮铁路。超高速铁路—磁悬浮铁路\n各种铁路的优势范围旅客总出行时间优势距离优势运行速度在中国全国范围内实现一日往返\n（一）旅客总出行时间旅客出行的总出行时间等于旅行时间与附加时间之和。旅客的旅行时间是指旅客在所讨论的主要运输工具上的纯旅行时间。旅客出行的附加时间为旅客总出行时间与旅行时间的差值，主要包括在一次出行中花费在其它运输工具上的时间。粗略计算，旅客出行的附加时间高速公路为零，高速铁路为1.0h，航空为2.5小时（上飞机前1.5h，下飞机后1.0h）。\n（二）优势距离优势距离小汽车的优势距离飞机的优势距离磁悬浮铁路的优势距离高速铁路的优势距离快速铁路的优势距离\n（二）优势距离定义：优势距离是指某种交通运输方式在某一种运行速度条件下，与其他交通运输方式或其他运行速度相比，使乘客的总旅行时间最短的运送距离。一般情况下是指一定的距离范围。当小汽车、飞机的运行速度固定而列车的运行速度变化时，根据旅客总的旅行时间，可得出3种交通运输工具优势距离范围。\n优势距离图\n优势距离表(km)列车速度(km/h)小汽车(V=200km/h)铁路飞机(V=700km/h)179.536236220030042025023058330020078835018310504001711400450164189050015826255501543850\n说明上述的优势距离只是根据旅客出行时间最短确定的，没有考虑工程造价、票价等经济因素，也没有考虑旅客舒适程度、服务质量等方面的因素。乘客在选择交通工具时还要考虑其他因素：配有卧铺车厢的夕发朝至列车很受欢迎，即使列车运行时间比飞机多几个小时，由于避免了乘飞机需要提前一天到达、另外花钱租住旅馆等弊端，乘客一般会选择火车而不选择飞机。考虑这些因素之后，铁路的优势距离还会提高。\n（三）优势运行速度优势运行速度铁路优势运行速度的下限值磁悬浮铁路最高运行速度的下限值磁悬浮铁路填补了高速铁路与航空之间的速度断档\n1.优势运行速度优势运行速度是指某一种交通运输工具在一定的运输距离内使得总出行时间最小的运行速度。例如，乘坐磁悬浮铁路旅行1400km所对应的优势运行速度为400～550km/h，旅行420km时为200~550km/h。\n2.铁路优势运行速度的下限值在快速铁路（120km/h至200km/h）的速度范围内，小汽车与飞机的速度线有一个交点，所对应的旅行距离为362km、旅行时间为3.02h，此时所对应的列车的运行速度约为180km/h。该点是一个临界点，在所讨论的情况下，当列车的运行速度小于180km/h时，乘坐火车的旅客总出行时间都比小汽车长，铁路不具有优势；只有列车的运行速度高于180km/h并且旅行距离大于362km时铁路才具有优势。因此，在所讨论的条件下，铁路优势运营速度的下限值应该是180km/h。\n3.磁悬浮铁路最高运行速度的下限值磁悬浮铁路的优势速度范围，在所讨论的条件下可以扩展为180～550km/h。由于目前时速300km的高速铁路技术已经成熟，并且磁悬浮铁路在工程经济、乘客换乘方便等方面不如高速铁路，故对于长距离的旅客运输而言，磁悬浮铁路的最高运行速度的下限值定为350km/h比较合适。\n4.磁悬浮铁路填补了高速铁路与航空之间的速度断档在350km/h的运行速度之下，公路和铁路的运行速度是连贯的，从公路、高速公路、常速铁路、快速铁路到高速铁路，之间没有速度断档。飞机的地面速度取700km/h，这在国内航空运输中是比较合适的。这样在高速铁路与航空运输之间目前就明显地存在一个速度断档，这从综合交通运输体系的角度来看是有缺陷的。目前磁悬浮铁路的最高试验速度为552km/h，设计的最高运行速度为500km/h。因此目前的磁悬浮铁路起码可以补充350~500km/h范围之内的速度空档。将来运行速度可以填补余下的500~700km/h的速度断档，而且有可能超过飞机的飞行速度。\n（四）在中国全国范围内实现一日往返目前中国铁路一日到达的距离范围为2000km左右。若磁悬浮列车运行速度的按500km/h考虑，磁悬浮直达列车半日到达的距离为5750km，将覆盖中国全国的范围。按现有铁路线里程计算，中国省会城市之间的最大距离为5062km（哈尔滨至乌鲁木齐）。时速500km的磁悬浮铁路，直达列车在这两个城市间运行只需要11小时。而目前两个城市之间特快列车的运行时间为37个小时。\n（四）在中国全国范围内实现一日往返考虑将来在一些中途大站停车等因素，磁悬浮列车的运行时间会增加一些，但同时由于磁悬浮铁路的实际运行线要比既有铁路线会缩短，故实际运行时间会在12小时以内。因此将来依靠磁悬浮铁路，可以在中国全国的范围内实现当天往返的目标。这将使铁路的竞争力大幅度提高。将来在磁悬浮铁路成网以后，人们的长距离出行有可能将主要依靠磁悬浮铁路。\n三高速铁路的发展传统铁路面临严峻的考验高速铁路发展阶段高速铁路发展过程各国高速铁路里程高速铁路模式\n（一）传统铁路面临严峻考验1825年之前为水运时期1825年至上世纪三十年代为铁路时期列车的速度提高缓慢，V旅＝60-70km/h铁路N少,I长,T站长,T旅长,失去竞争力\n不同方式旅客周转量在市场中的份额\n（二）高速铁路发展阶段第一代:V=200-250km/h,轮轨粘着制日本东海道新干线,1964年,V=210km/h第二代:V=250-400(350)km/h,轮轨粘着制上越新干线(260),北陆新干线(270),京沪\n第三代:V=400(350)-550km/h,磁悬浮试验速度:德国440km/h,日本550km/hMLX-01磁悬浮高速列车\n第四代:V=2000-3000km/h,磁悬浮高架低真空管道,空气10-20%,未来10年第五代:V=22,500km/h,真空磁悬浮纽约至洛杉矶只需半小时,为设想\n对“未来地铁”的原理进行的简化-第四代管道内真空度由完全真空变为低度真空，保留10—20%的空气，即将常温时的空气密度1.2kg/m3降为0.12-0.24kg/m3。列车时速由22500公里降低为2000-3000公里；把“地下铁道”改成主要以高架桥为主要形式，以降低工程造价。经过了这些简化之后，在充分利用当代科技成果的基础上大力开展试验研究，未来10年以后，这种超高速铁路很可能成为现实。\n低真空管道式超高速铁路-第五代70年代末，美国一家咨询公司设计了一种称为“行星号”的未来地下铁道，理论时速可达22500公里，这种超高速列车不但可以获得极高的速度，而且其运营费比普通铁路便宜90%，比飞机便宜95%。这是一种理想型的超高速铁路，限于现代科技水平，“未来地铁”还难以实现。而且在当今世界上，把列车提高到那样高的速度也没有这种必要性\n（三）高速铁路发展过程1903年10月德国电动车试验速度210km/h1955年3月法国试验速度331km/h1964年10日本东海道新干线,V=210km/h1981年法国建成TGV东南线,V=270km/h1990年5月法国创造了513.5km/h的最高时速1991年德国高速铁路,V=280km/h意大利(1988),英国(1989),西班牙(1988年,摆式列车)等国家先后建成高速铁路\n（四）各国高速铁路里程\n（五）高速铁路模式日本新干线:全部修新线,旅客列车专用,动力分散型,独立转向架日本400系列高速列车\n法国TGV:部分新线,部分旧线,客车专用,动力集中型,铰接式转向架\n德国ICE:新线,旅客列车与货物列车混用,动力集中型,独立转向架\n英国APT:既有线,摆式动车组,客货混用同时也采用动车组\n四、高速铁路规划日本新干线法国TGV网德国ICE网欧洲高速铁路网各国在建及规划的高速铁路里程\n（一）日本新干线总规模7000km,一日到达目前5条1952km,计划5条1440km,规划12条3500km\n\n目前1282km规划新建2300km既有线改建为高速铁路4700km（二）法国TGV网\n目前427kmV=200的既有线1230kmV>250的新线270km路网总计1900km（三）德国ICE网\n（四）欧洲高速铁路网欧共体2010年规划,本世纪初,路网达到3万km,V>=250km/h新建0.9万km新线改建1.0万km既有线1.1万km联络线和支线由15条干线连接欧洲16个国家的主要城市\n五、高速铁路线路高标准的平纵断面条件合理的轨道结构高质量的铁路路基\n京沪高速铁路一、京沪高速铁路的技术决策（一）运输模式1、与既有线的分工提高客运速度，缩短京沪大通道的时间增大客货运能力，适应经济发展的需要2、运输组织方式中速车上线跨线换乘高速车下线\n（二）速度目标值运营速度：初期：高速列车250~300km/h中速列车140km/h争取160km/h远期：高速列车350km/h土建设计速度：350km/h机车构造速度：稍大于运营速度（三）机车车辆与牵引模式牵引模式：动力集中机车车辆：国产与国外购入\n二、京沪高速铁路的线路标准（一）线路纵断面标准（二）线路平面标准（三）轨道结构与路基宽度三、工程情况\n重载运输采用单机、双机或多机牵引的大功率内燃或电力机车，增加货物列车编组辆数，大幅度提高牵引吨数。牵引吨数大，行车密度小以美国为代表。多机牵引超重列车单元列车牵引吨数小，行车密度大以西欧各国、日本为代表牵引吨数大，行车密度大前苏联为代表组合列车、超长列车\n我国铁路的重载列车发展原因：可以有效的增加运输能力，又能降低运输成本，提高经济效益。发展背景：大宗货运提供了可靠的货源基础电力、内燃机车有了长足的发展在工务工程方面为发展重载运输积极创造条件发展模式：1、组合式重载列车2、单元重载列车3、整列式重载列车