中国铁路提速的技术难点

专业知识分享版使命：加速中国职业化进程中国铁路提速技术已达到国际先进水平，取得的一系列技术成果保证了提适列车的运行安全，加快了铁路产业整体的升级，促进了铁路全行业跨越式发展，本文阐述了中国铁路提速的技术难点，介绍了提速工程6方面的关键技术攻关成果。对国内提造装备主要技术性能指标与国外同类技术成果进行了比较。1997午4月1日铁道部宣布全国铁路实施第-次大提速以来，繁忙干线上的旅客列车的最高运行速度从原来的110km/h提高到160km／h，有些线路最高可达200km/h。截至2002年，全国铁路提速的总里程已达13838km。提速后形成了以北京、上海、广州为中心的3个提速行动圈，在离这3个中心500km旅程内，当天可往返；1500km旅程内，夕发朝至；2000~1500km的旅程，24h左右即可到达。新型提速机车已推广1290台，快速车厢3741辆，新型提速道岔8453组，超长无缝线路5449km，新型轨枕608万根，加固桥梁1484座，四显示自动闭塞延展里程4000km，新型机车信号6809台，平交改立交道口1907处，封闭栅栏5132km。这些技术成果大面积推广，保证了提速列车的运行安全，加快了铁路产业整体的升级，促进了铁路全行业跨越式发展。p铁路提速工程的实施取得了巨大的经济效益。全国铁路的客运量及客运周转量在提速后迅速增长(图1，2)，在旅客运价率不变的前提下，1997-2000年铁专业知识分享版使命：加速中国职业化进程路客运收入以平均每年33.1亿元的幅度递增，与提速前的1996年相比，总计4年内客运增收了306亿元，货运收入也大幅度增加。铁路全行业于1999年实现了扭亏转盈的战略目标，比预期提前了1年。中国铁路提速工程成套技术与装备荣获2002年度国家科技进步一等奖。1中国铁路提速的技术难点在中国既有铁路上实施提速具有非常大的难度，主要体现在2个方面：(1)中国所有的既有铁路设计速度均在120km/h以下，而且是客货共线运行、不同等级列车混跑。因此线路平纵断面标准低，弯道多，曲线半径偏小，道岔标准低，桥梁承裁能力不足，要将列车速度提高到140~160km／h，又不能进行全面改造，无疑是一个大难题。同时，提速后不同等级列车之间速差的加大，会降低列车密度。降低线路的运输能力，这村运输能力本来就十分紧张的中国铁路，是难以接受的。(2)中国铁路线上，提速目标是将旅客列车速度提高到160km/h，同时普遍开行5000t重载货物列车，并保持运输高密度，这在国际上尚无先例。在确定提速战略前，铁道部曾向国际铁路联盟(UIC)专家及国际重载铁路协会(IHHA)专家清教，他们回答是没有任何经验。理由很简单，正如国际上著名的铁路专家，日本高速铁路设计负责人之一冈田宏博士所说：在同一线路上开行高速列车和重载列车，就如同让油水共处-样，是一件十分困难的事情。因为重载列车对轨道产生极大的破坏力，导致轨道不断变形，而高速列车却对轨道平顺要求的精度非常高，要保证两者的正常运行，必须拥有高度的设计、维修和管理技术。2对提速工程6方面关键技术进行攻关中国铁路提速工程成套技术与装备的攻关首先必须依靠自力更生。因为即使国际上有成套技术装备可以引进，但按中国铁路提速的要求，要在几年内提供上万组新型道岔，几千辆新型机车车辆等，如此人数量的装备要依靠从国外引进，在时间上也无法保证兑现，更何况国外成熟的产品也可能不适应中国铁路特有的复杂运输条件。1995年铁道部成立了全路提速科技领导小组，同时，确定具有综合研究实力的铁道科学研究院承担项目攻关的总体；联合有关企业、铁路局、专业知识分享版使命：加速中国职业化进程院校共34个单位共同对提速工程6方面的关键技术进行攻关。2.1提出轮轨关系理论的新创见并取得实验验证提速列车运行安全的根本问题就是在中国铁路具体的线路工况下，确保列车提速后不会脱轨。以铁道科学研究院项目研究组为主，联合有关院所的专家一起对线路与列车相互作用的动力学理论进行科学的探索，其目标是以中国既有铁路在5000t重载列车运行条件下的线路工况为基础，进行轮轨关系的理论研究，以期取得研究成果，直接指导提速机车车辆的动力学悬挂参数设计和既有线线路结构改造。轮轨关系理论研究的新成果包含的内容为以下4个方面：(1)动力学分析的敏感波长组合不平顺方法。采用这种方法可以对每一种被研究的机车车辆在线路高低。方向、水平偏差等不平顺的单独作用下，分析其轮轨力、脱轨系数、振动加速度等动力学指标随不平顺波长的变化情况，确定各种不平顺的敏感波长，然后对敏感波长的不平顺进行组合，研究在组合不平顺作用下机车车辆的动力学行为。(2)机车车辆非线性横向运动稳定性理论及数值分叉方法。该研究考虑了轮轨接触几何学非线性、弹性滑动饱和非线性、悬挂刚度和阻尼非线性以及电机转矩等的影响，引入了分析机车车辆横向稳定性的一组判别原则，采用亚临界Hopf分又速度和脱轨速度描绘出机车车辆横向稳定性的完整图像。(3)应用函数型摩擦系数改进和发展了Kalker滚动接触理论。该研究克服了基于库仑摩擦定律的轮轨滚动接触理论在速度较高时误差较大的问题，在速度较高时提高了动力学分析精度。(4)采用三次样条函数法确定轮轨几何关系，应用优化的磨耗型踏面与机车车辆悬挂参数、结构参数相结合，提高稳定性临界速度。上述理论的正确性在提速机车车辆设计与试验中均得到了实验验证，见表1，表2。专业知识分享版使命：加速中国职业化进程轮轨关系理论研究成果在提速研究中有其特殊重要的意义。根据既有线路在重载列车运行条件下，线路养护条件可以达到的不平顺控制标准，计算分析捉速机车、客车及动车组所必须具备的悬挂系统参数，而根据这些设计参数设计研制的提速列车在既有线路上试验时，所得到的动力学性能结果与分析计算值比较吻合。这为研制开发适应既有线路条件的提速列车创造了有利条件，具有创新意义。2.2研制开发中华牌完整系列的提速机车160~200km／h新型快速机车、客车及动车组的开发，适应了中国既有线路的平纵断面条件，是提速工程中最耀眼的创新成果。通过轮轨关系的理论研究与线路试验，根据全路提速的需求，全国10余家大型机车车辆制造企业在铁道科学研究院等单位配合下，相继研制出一批新型的快速机车车辆，填补了我国机车车辆产品系列的空白。在短短7~8年时间内，新型的快速机车(SS9型电力机车，SS7D型电力机车，DF4Dz型内燃机车等)；快速客车(25K型高包软卧车、软卧车，硬卧车、餐车、硬座车、双层客车入快速动车组(大白鲨号电动车组，新曙光号内燃双层动车组，神州号内燃双层动车组，北亚号内燃液力动车组，春城号电动车组等)纷纷问世并相继投入运营。这些快速列车与动车组最高运行速度达到160~200km／h，在转向架、制动、牵引3个重要技术领域均有重大技术创新。新型转向架采用了优化的悬挂参数及空心轴六连杆弹性传动，其稳定性与平稳性指标优良；采用了新型大功率盘形制动及电子防滑器，紧急制动距离等重要制动指标达到国际先进水平；采用了不等分三段相控整流桥及串励脉流牵引电机等新技术，在牵引起动力及变压器总容量等重要牵引指标上有重大突破，这些指标均达到国际同类产品先进水平。2.3关键性轨道部件的研制与线路、桥梁，接触网改造技术专业知识分享版使命：加速中国职业化进程由于既有线路不可能进行大规模的改造，因此提速工程的总体战略是采用新型高稳定性能的机车车辆来适应既有线路结构。但是线路结构方面仍有3大关键问题必须解决：一是既有的道岔由于存在有害空间，对提速列车将产生危险的动力激扰，必须更换；二是短钢轨的接头将产生周期性激扰，严重影响提速列车舒适性；最后是小半径曲线的地段不适应提速。针对这些问题项目组攻关开发了一批具有自主知识产权的关键性轨道部件，如12号提速道岔，跨区间无缝线路，Ⅲ型混凝土轨枕和弹性扣件等。这些部件研制具有大的难度，为避免现场更换提速道岔而引起站场大规模改造，提速道岔线型设计必须保持道岔中心及辙叉理论交点位置不动，以便在外形长度基本不变情况下更换既有的道岔，为此提速道岔采用了藏尖式尖轨尖端设计，跟部设限位器，并创造性地将60AT钢轨的轨底长吱热加工旋转90度，形成凸缘，用于心轨一动转换杆件的安装。同时采用长翼轨式结构，用60AT钢轨模锻出特种断面，使道岔可靠性提高与使用寿命延长。中国提速道岔的技术已位居世界前列。跨区间无缝线路技术也已达到国际先进水平，不仅解决了理论计算方法的难题，而且解决了胶接绝缘接头强度，大跨度混凝土连续梁桥无缝线路铺设等技术难点。现在上海一南京全长303km基本上只有1根钢轨，无一接头，其长度已居世界前列。曲线区段线路参数的优化技术，桥梁安全评占及加固技术，电气化线路接触网改造技术等方面也都取得重大突破，并建立了提速线路养护维修体系，实现了最少投入原则下使既有线路最高运行速度达到160~200km／h的目标。2.4提速四显示信号系统及车载信号设备列车提速后，制动距离显著增加，司机识别信号更困难，原有的自动闭塞信号系统足以800m制动距离为依据确定闭塞分区长度，并固定埋设铁路自闭通过信号机的位置。现在既有线提速，闭塞分区长度要加长，如果要移动所有通过信号机位置，工作量之大可想而知。但中国既有线信号系统改造又有其特殊的复杂性，因为既有线的联锁、闭塞制式繁多，达几十种，提速后信号改造面临世界上最复杂的兼容问题；同时提速时信号系统改造还不能影响现有运输能力，施工时要求对既有线正常行车的影响减少到最小程度，投资还不能太大。经过多种方案比较后，终于成功地在原有三显示信号制式的基础上，研制出专业知识分享版使命：加速中国职业化进程采用四显示自动闭塞制式及列车运行控制系统的方法。既有线的通过信号机只需改动5%~10%，平均闭塞分区长度不但不增加，而且还略有减少。提速列车按四显示方式运行，对于普通客车及货车来说，将绿黄灯作绿灯对待，按三显示方式运行，运输组织上的平图能力几乎不下降。由于成功研制的四显示信号系统，与原有三显示信号系统兼用，投资少，对运输干扰小，确保了提速后运输密度不仅不降低，还能适度增长，在技术上独具特色。2.5创建提速列车安全监测系统如何保证既有线上列车提速的绝对安全，这是提速工程能否成功实施的关键所在。在总体研究时，曾进行了广泛的国际调研，希望能引进成熟的列车安全监测系统，对影响列车运行安全的参量能在10s内快速采集并显示，但调研结果是国际上并没有这样的监测系统。由于中国铁路地域广阔，条件复杂，线路状况参差不齐，而提速安全性监测要求在各种不同的线路条件下均能随机地测量线路每一点处的列车安全参数，并及时快速获得评估数据。针对这个难题，铁道科学研究院作为总体单位承担了这项攻关任务，成功地研制出3类安全监测统：(1)提速列车运行安全快速监测系统。以单周期双桥路正弦合成法连续测量测力轮对为基础，结合快速数据采集处理系统，精确地连续测量提速列车在任何线路任意点上的重要安全参数：脱轨系数、轮重减载率、轮轨横向力等，并在10s内快速显示或报警，具备超大数据量存储能力。(2)GJ-4型快速轨检车系统。采用惯性基准原理，应用半导体激光器和伺服跟踪控制技术，在140~160km／h速度下能连续动态测量轨道各项不平顺性参数，精度高，技术性能接近国际最先进的同类产品水平。(3)轨道弹性检查车，采用两套相同弦长的弦作为临时过渡基线的方法，利用轮重差异准确测量出路桥过渡段、道口区、道岔轨道的弹性变化梯度，指导线路施工与维修，为列车快速平稳运行打下良好的基础。2.6综合联调试验研究任何一个大的系统工程，最关键的环节就是系统的集成，它是通过综合联调专业知识分享版使命：加速中国职业化进程试验实现的。中国铁路提速工程的系统集成需要将上百项提速攻关项目的成果系统地集成起来，最终在繁忙干线上得到实际应用。因此，6大攻关任务中综合联调试验是最后、也是最复杂的1项攻关任务。提速的综合联调试验按3个步骤进行：重要部件或整车的试验室试验；铁科院东郊环行试验基地初步综合试验；最后是繁忙干线现场的大系统集成综合联调试验。第一次综合联调试验于1995年9月16日-10月20日在上海一南京间