轨道交通的现状及发展

高速地面交通沈志云西南交通大学牵引动力国家重点实验室教授沈志云西南交通大学牵引动力国家重点实验室高速地面交通HIGH-SPEEDGROUNDTRANSPORTATIONHSGT沈志云西南交通大学牵引动力国家重点实验室立足科学发展，着力自主创新•十六届五中全会公报：立足科学发展，着力自主创新，完善体制机制，促进社会和谐，开创中国特色社会主义新局面。•知识疯狂增长的时代：2020年人类总知识的90%将来自今后15年的创新，到今天为止人类所获得的全部知识将只占10%。•建立创新型国家，提升竞争能力:–资源型国家–技术依赖型国家–创新型国家━━科技贡献率≥70%,我国目前为38%科技投入占GDP≥4%，我国目前为1.5%•创新类型：1原创性创新：科学发现和技术发明2系统集成性创新:新产品开发3引进消化再创新:日本━1:5.7；韩国━1:7.2；我国━1:0.08•体制机制：企业为主，产学研结合。交通运输工程•迅猛发展中的支柱产业公路年投资2000亿元，铁路年投资1000亿元。汽车年产量500余万辆，年销量600余万辆。交通及与交通相关的制造业总产值占全国GDP40%以上。•成长壮大中的一级学科一级学科：交通运输工程二级学科：1.交通规划与管理2.道路与铁道工程3.交通信息工程与控制4.载运工具运用工程综合运输体系•公路运输━━二级公路，交通量：7500辆/日一级公路，交通量：15000辆/日四车道高速公路，交通量：27500辆/日六车道高速公路，交通量：40000辆/日•铁路运输━━城市轨道交通：地铁．轻轨城际铁路：区域城际铁路、全国城际铁路高速铁路：200∽360km/h高速磁浮：400∽450km/hHSGT真空管道：400∽1000km/h•水路运输━海运、河运•航空运输━国内、国际•管道运输━油气、煤水不同交通方式的能耗与污染对比两种模式的综合运输体系：美国模式━━汽车+飞机环保模式━━轨道交通+汽车、飞机发展轨道交通,构建和谐社会•城市轨道交通•区域城际轨道交通•全国城际轨道交通1.全国铁路网2.高速铁路3.高速磁浮列车高速地面交通，HSGT4.超高速真空管道交通构成经济区交通网的骨架2020年建成：14条新线，8740公里8条客运专线，12000公里13条单线改复线，50000公里电气化改造，50000公里营业总里程：100000公里客运专线：京-哈-大，1860公里青岛太原，770公里北京上海，1300公里北京广州，2230公里徐州兰州，1400公里南京成都，1900公里杭州长沙，880公里杭州宁波福州厦门深圳，1600公里2020年建成新线14条,8700公里客运专线,1.2万公里新修复线,5万公里电气化,5万公里营业里程,10万公里01002003004005006007008009001000速度，km/h公路水运城轨区域城际轨道全国铁路网高速铁路高速磁浮高速真空管道交通（HSETT）高速地面交通（HSGT）轨道交通(RailTransportation)直升飞机支线飞机干线飞机高速地面交通综合运输体系（A）高速铁路的关键技术（一）大功率驱动系统（二）提高曲线通过能力（三）提高运动稳定性和运行平稳性（四）高速列车运行信息化和自动化（五）空气动力学工程（六）高速列车试验技术（一）大功率驱动系统列车行车阻力为：F0=a+bV+cV2其中：F0——每吨列车质量的阻力单位：N/ta——固定阻力系数，取为:11b——机械阻力系数，取为:0.11c——空气阻力系数，取为:0.0016所需功率随速度三次方而增大080160240320400100%80%60%40%20%0%320N/t240N/t160N/t80N/t0N/t行车速度,V,（km/h）200km/h85%空气阻力机械阻力固定阻力空气阻力接近70%空气阻力所占百分比每吨列车质量所需要的牵引功率行车速度Km/h比功率kW/t实际参考值601我国货物列车的实际水平1203我国旅客列车的实际水平1605提速列车达到的水平2109日本0系动车组为11.5kW/t23011日本100系动车组为11kW/t25013德国第一代ICE-2列车为12kW/t27015法国第一代TGV列车为15.4kW/t30018法国第二代TGV列车为17.9kW/t48048法国1989年试验482.4km/h时为46.43kW/t50052法国1990年试验515.3km/h时为52kW/t机车牵引（动力集中）动车组（动力分散）动车组实现大功率驱动的途径1.提高动轴功率2.增加动轴数量3.减轻自重4.使用直线电机牵引1.提高动轴功率——改直流牵引电机为同步或异步交流牵引电机，实现交-直-交传动交—直传动的局限——自重大，维修困难。轴功率一般只能到800kW，最大到1000kW。采用交流牵引电机——无整流子，可做到无维修。速度调节及控制用VVVF等调频变频技术，实现交—直—交传动。轴功率最大可到1250-1800kW。2.增加动轴数量——由动力集中到动力分散牵引力还取决于粘着重量——因为动轴轴重对轨道的动力作用随速度而加剧，故不能过大：低速可到25t，一般为21-23t，我国第一列高速列车为19.5t，国际标准:17t。增加动轴数量比增加动轴轴重更有效——走向动力分散，增加粘着重量，充分发挥牵引及动力制动能力。964年日本设计的0-系高速列车全为动轴80年代法国TGV及德国ICE采用动力集中90年代法国和德国都相继改为动力分散。300km/h以上都应考虑采用动力分散3.减轻自重比功率相同条件下，自重越小，牵引功率越大日本新干线高速列车的轴重：车辆系列0100300500制造最初年度1964198419901996列车编组M—动车，T—拖车16M12M4T10M6T16M列车定员1285132113231324最大轴重,t16.015.411.311.1平均轴重,t15.114.411.110.9列车总重,t966.4921.6710.4697.6电机功率,kW185270300285列车总功率,kW118401296012000182404.线性电机牵引牵引力=粘着系数x粘着重量。但粘着系数随速度提高而下降。如：V=100km/h,µ=0.2-0.3V=200km/h,µ=0.1-0.2V=300km/h,µ=0.05-0.1V=400km/h,µ=0.01-0.05故利用轮轨粘着实现牵引最高速度不宜超过400km/h,一般取360km/h。不是极限，是最高经济速度。采用线性电机可以无限制地发挥牵引力——加拿大1987年试验成功，日本东京12号地铁27.8公里采用线性电机牵引，坡度可达8%。日本地铁车辆采用线性电机牵引可减小隧道截面节约地铁投资线性电机原理及应用普通电机展开线性电机定子置于轨道上转子置于车辆上（二）提高曲线通过能力能否通过曲线是限制速度的瓶颈离心加速度=速度V的平方÷线路曲线半径R后果：1，限制旅客乘坐舒适度离心加速度＞0.1g,即超过旅客承受标准2,限制脱轨安全性离心力加大轮轨横向力Q，可能引起脱轨事故脱轨系数为Q与垂向力之比，其值应＜1.0，标准：0.6获得高曲线通过能力的途经1.加大线路曲线半径2.设置超高3.采用径向转向架4.车体倾摆技术从固定设备考虑从移动设备考虑1.加大线路曲线半径和设置超高最小曲线半径，R的计算：Vk—最大通过速度，单位为km/hh—轨道外轨超高，以mm计。R=1500tgØ,Ø为超高角。一般铁道，h≤110mm；高速铁道，h≤180mmh欠—未被平衡的离心加速度，换算成超高不足度，即欠超高。一般取70mm，困难取90mm，个别取120mm。11.8=1500÷(9.81×3.62)—单位换算中出现的系数。(m)28.11欠hhVkR铁路按最小曲线半径的分类分类最小曲线半径m速度范围Km/h采用摆式列车技术后的速度范围，Km/h一般铁路（Ⅱ级Ⅲ级铁路）800-600（最小300，需减速通过）100-80120-100提速铁路（Ⅰ级铁路）1000（最小600，需减速通过）120-140160-180准高速铁路1400-1700160-200200-250高速铁路2500-4500200-300300-360特高速铁路6000-10000300-400360-5002.采用径向转向架冲角自由轮对—能自动回到径向位置故具有弱约束轮对的转向架就是径向转向架刚性转向架—前轮对以巨大冲角冲向钢轨，产生很大轮轨力径向转向架—轮对保持径向位置冲角为零，轮缘力为零各轮对以其横向蠕滑力平均承受轮轨力，称为蠕滑导向，可大大改善通过曲线时的轮轨受力状况。曲线半径方向3.车体倾摆技术原理—车体内倾，利用重力分量平衡一部分离心加速度，犹如附加超高，可改善高速过曲线时的乘座舒适度。难点—根据曲线半径及列车前进速度，实时控制车体倾摆的角度。注意—车体倾摆并不降低轮轨力(系统的外力)。故应同时采用径向转向架。实施—1，瑞典X-2000已在广深线运行。2，我国研制的准高速摆式列车，将在成渝线运用。（三）提高运动稳定性和运行平稳性两个不同的范畴运动稳定性—系统的固有属性，取决于系统参数。运行平稳性—系统对外干扰的响应，与外干扰的强度密切相关。蛇行失稳临界速度轮对因踏面锥度而蛇行既是保证正常工作的最聪明设计，又是造成蛇行失稳的原因。线性蛇行失稳临界速度，VA作为线性系统的运动不稳定性，在无激励下蛇行运动加剧的速度非线性蛇行失稳临界速度，VB作为线性系统的运动不稳定性，由极限环的稳定性所决定。V最大运行速度≤VB亚临界Hopf分叉极限环幅值极限环幅值速度速度VAVAVBVB稳定稳定不稳定不稳定不稳定不稳定运行平稳性指标动态响应随速度而加剧例如：轮轨力但乘坐舒适度不能降低即加速度响应在高速下应保持在常速下的水平例如：由加速度响应计算的横向、垂向平稳性指标W仍应符合规定的标准，即：Wx≤2.5;Wy≤2.5故高速车辆必需具有更好的动力性能例如：具有更柔软的悬挂特性:二系横向悬挂刚度减小到0.15MN/mm,车体与转向架间的自由间隙加大到±80mm,一般速度下的车辆仅为±20mm。V=250km/hV=200km/hV=160km/hV=120km/hV=80km/hV=40km/h012345678910t(ms)5004003002001000P,(KN)运行平稳性和运动稳定性的要求是矛盾的平稳性要求柔性悬挂，稳定性要求加大刚度。径向曲线通过要求轮对弱弹性定位，稳定性要求加大轮对定位刚度。解决矛盾的途经：精心设计，折衷要求，优化悬挂参数——受限制；采用可控参数技术，如：1，无源主动控制——抗侧滚扭杆，抗蛇行阻尼，变参数定位，迫导向转向架等2，有源主动控制——车体可控傾摆，二系横向主动悬挂，轮对摇头角主动控制，流变阻尼等车体横向振动的控制无控制时振幅超过10mm加以控制后可使振幅限制在10mm以内半有源主动控制系统有源主动控制系统（四）高速列车运行信息化和自动化COM-CTC-ATC控制系统高速下行车，通常的道旁色灯信号无法使用必须采用机车内显示的信号一般为允许的速度，如日本新干线采用的COMTRAC-CTC-ATC系统日本新干线高速铁路的综合调度所COMTRAC(Computer-AidedTrafficControl)列车自动控制系统ATCDC-ATC地面稠密大气层中高速运行的主要障碍是空气阻力和气动噪音序号空气动力学问题相关问题空气动力学工程1空气阻力运行能耗大功率牵引(见前述)2列车风站台人员安全性站台安全距离3会车压力波安全性、舒适性线间距4横风下的气动特性强风下运行安全性提高倾覆稳定性5隧道内压力的波动车内环境,车体强度车体密封6隧道微气压波隧道断面,形状大截面隧道7气动噪声车内及沿线环境列车隔音,列车降噪8受电弓的气动特性受电效率及质量高速受电弓高速列车运行中头车表面压力波分布Cp=P–测点压力，PaP∞-参考压力，即未受扰动的来流静压力，Paρ--空气密度，kg/m3V∞-来流风速，m/s221VPP横座标为沿车