高速列车耦合大系统动力学理论与实践(第二版)

第1章 绪论 世界高速铁路发展至今半个多世纪，全世界已建成高速铁路超过3.7万km，高速铁路将欧洲、亚洲和世界许多地区都连接了起来，欧洲和亚洲逐步成为高速铁路的发展中心，形成了以德国、法国、日本和中国高速铁路技术为代表的高速铁路技术体系[1-27]。基于不同设计理念的技术体系，各具独特优势，都在不断探寻着更高速、更安全、更舒适的高速铁路设计技术，不断发展着更先进、更高效、更优良的高速铁路装备制造技术，也不断累积着更丰富、更深刻的高速铁路系统运营经验。 高速铁路是一个庞大的系统工程，其核心是高速列车系统。高速列车系统不仅包括高速列车自身，还涵盖着高速轨道线路、高速接触网(供电系统)、通信信号等子系统，如图1.1所示。目前，德国城际特快列车(ICE)、法国高速铁路系统(TGV)、日本新干线(JR)以及中国高速铁路(CRH)，已成为高速铁路和高速列车技术发展的代名词。四国的高速铁路系统各具鲜明特点，涵盖了典型的高速列车技术。以高速列车的牵引方式为例，高速列车主要采用了两种牵引方式——动力集中和动力分散，各自以独特的优势被广泛应用于全世界的高速列车中；以高速轨道线路技术为例，目前铺设的线路主要包括有砟轨道和无砟轨道两种形式，有砟轨道的低噪声特性和无砟轨道的高平顺性都深受设计者的喜爱，设计者在尽情发挥优势的同时不断进行技术升级，规避这两种形式铁路各自的弊端；以高速接触网技术为例，因其悬挂方式的不同，形成了简单链型悬挂、弹性链型悬挂和复链型悬挂三种结构，它们都在为提高受流质量而不断优化发展。 图1.1 高速列车系统 1.1 中国高速铁路的发展和技术特点 1.1.1 中国高速铁路的发展 中国的高速铁路建设始于20世纪，秦沈客运专线是中国**条铁路客运专线，全长404km。秦沈客运专线是中国铁路里程碑式的建筑，它是中国自己研究、设计、施工的时速200km的**条快速铁路客运专线，并预留250km/h的提速条件。秦沈客运专线于1999年8月16日全面开工建设，2003年10月12日正式开通运营。 铁路作为中国国民经济的大动脉，长期以来，其运营速度的低下和路网规模的稀少都影响着中国的发展和百姓的出行。进入21世纪，发展高速铁路逐渐成为共识，2004年1月国务院发布了《中长期铁路网规划》，明确了中国铁路网中长期建设目标，计划到2020年，时速200km及以上的高速客运专线1.2万km以上[28]。2008年经国务院批准调整到1.8万km，包括“四纵四横”客运专线以及长三角、珠三角和环渤海三个城际客运系统[29]，构建了庞大的高速铁路发展计划。其中“四纵四横”客运专线具体如下。 四纵：北京—上海高速铁路(京沪高速铁路)、北京—武汉—广州—深圳(香港)高速铁路(京港客运专线)、北京—沈阳—哈尔滨(大连)高速铁路(京哈客运专线)、上海—杭州—宁波—福州—深圳高速铁路(杭福深客运专线)。 四横：青岛—石家庄—太原高速铁路(青太客运专线)、徐州—郑州—兰州高速铁路(徐兰客运专线)、上海—南京—武汉—重庆—成都高速铁路(沪汉蓉快速客运通道)、上海—杭州—南昌—长沙—昆明高速铁路(沪昆高速铁路)。 2016年6月29日，国务院原则批准了“八纵八横”《中长期铁路网规划》(图1.2)。在原规划“四纵四横”主骨架的基础上，增加客流支撑、标准适宜、发展需要的高速铁路，同时充分利用既有铁路，到2030年形成以“八纵八横”主通道为骨架、区域连接线衔接、城际铁路补充的高速铁路网。这次规划还明确划分了高速铁路网建设标准，高速铁路主通道规划新增项目原则采用时速250km及以上标准(地形地质及气候条件复杂困难地区可以适当降低)，其中沿线人口城镇稠密、经济比较发达、贯通特大城市的铁路可采用时速350km标准。区域铁路连接线原则采用时速250km及以下标准，城际铁路原则采用时速200km及以下标准。 “八纵”通道包括沿海通道、京沪通道、京港(台)通道、京哈—京港澳通道、呼南通道、京昆通道、包(银)海通道、兰(西)广通道，“八横”通道包括绥满通道、京兰通道、青银通道、陆桥通道、沿江通道、沪昆通道、厦渝通道、广昆通道。在“八纵八横”主通道的基础上，规划布局高速铁路区域连接线，目的是进一步完善路网，扩大高速铁路覆盖。在优先利用高速铁路、普速铁路开行城际列车服务城际功能的同时，规划建设支撑和引领新型城镇化发展、有效连接大中城市与中心城镇、服务通勤功能的城市群城际客运铁路。 到2018年底，中国共生产高速动车组3313列(8辆编组的标准列)，每天投入运行的高速动车组5400余列，高速列车的生产和运营数量世界之*；中国投入运营的高速铁路超过2.9万km，到2020年超过3.0万km，高速铁路里程为世界之*。其中举世瞩目的京沪高速铁路全长1318km，其中桥梁长度约1140km，占正线长度的86.5%，采用整体道床的无砟轨道结构，设计时速350km，是世界上建设标准*高的高速铁路。 图1.2 “八纵八横”的国家高铁网格示意图 1.1.2 中国高速铁路的技术特点 1. 线路 中国高速铁路线路一般为复线(图1.3)，时速300km及以上的高速铁路线间距为5m，线路坡度小于2%，*小曲线半径为7000m。为了提高线路的平顺性，避免沉降，一般采用高架桥结构，通过高架形式，实现跨江河、跃沟壑，提高线路的平顺性。因此，在选线和线路平纵断面设计时，可以充分考虑列车高速通过时的动力学性能，避免初期建设的高速铁路高速列车行驶时出现“过山车”式颠簸感。 图1.3 中国高速铁路的高架线路　　 2. 轨道 中国的高速铁路轨道大多采用具有高平顺性和稳定性的无砟轨道，中国之前缺乏轨道板制造技术，因此选择引进外国技术及自主研发来发展无砟轨道技术。2004年9月，中国先于遂渝线使用自主无砟轨道技术，兴建全长13.16km的无砟轨道试验段，至2007年建造完成并通过动车组时速232km的线路试验，测试的各项数据都在设计和安全标准之内。 为了发展350km/h高速列车，中国从德国引进无砟轨道技术，选择与博格(Max B?gl)、睿铁(Rail ONE)及旭普林(Züblin)等公司合作，其中京津城际铁路和京沪高速铁路使用了博格式轨道板，武广客运专线则使用睿铁的Rheda 2000无砟轨道技术，郑西客运专线使用旭普林技术。另外还引进了日本新干线的无砟轨道技术，应用在哈大线。中国把不同款式的高速轨道板以型号分类，例如，将基于日本新干线的轨道板称为CRTSⅠ型板式无砟轨道；将基于德国博格的轨道板称为CRTSⅡ型板式无砟轨道；将基于旭普林的轨道板称为CRTSⅡ型双块式无砟轨道；将中国自主研制的新型轨道板称为CRTS Ⅲ型板式无砟轨道，其于2009年11月首次亮相，成功应用于成灌快速铁路。 通过超过2.5万km的不同结构类型高速铁路运营和试验，中国不仅掌握了不同类型轨道的设计、制造、施工和维护技术，更重要的是掌握了不同类型无砟轨道特性，形成了系列化的中国高速铁路轨道标准体系。 为了减少线路不平顺对高速运行列车的扰动，中国高速铁路建设对线路平顺性提出更高的要求，不仅全线采用无缝钢轨，在钢轨不平顺方面，安装钢轨的轨道板制造精度是0.1mm，安装的轨距允许误差为±1mm，高度误差小于2mm，沿轨向的误差小于2mm，扭曲误差小于2mm，水平向误差小于1mm。钢轨采用材料为U71MnK、单位长度密度为60kg/m的长钢轨，钢轨的轧制长度为100m。为了实现高速通过，应用了高速道岔，确保高速列车可以正线350km/h和侧线120～250km/h的速度通过。 3. 隧道 中国既有线路的隧道面积一般在64m2左右，由于隧道面积直接影响列车通过隧道时的空气阻力和气密性要求，因此中国高速铁路的隧道截面面积为100m2，具有缓冲结构的入口，甚至设置了辅助隧道井，以改善列车通过隧道时的空气动力学性能。 4. 列车控制系统 中国高速铁路的先进性不仅是高速度，还有高密度，列车运行实现了高速化和公交化。中国根据铁路发展需要，发展CTCS系列列车控制系统，其中CTCS-2基于应答器和轨道电路信息传输，列车驾驶员凭车载信号行车，已应用于200～250km/h线路。CTCS-3基于无线信息传输，列车驾驶员凭车载信号行车，用于300～350km/h线路。 从兼容性考虑，CTCS-3级列控系统可以叠加在CTCS-2级列控系统上，反之CTCS-2可作为CTCS-3的后备系统。无线闭塞中心或无线通信故障时，CTCS-2级列控系统控制列车运行。由于采用了先进的列车控制系统，目前中国高速铁路的列车运行*小间隔设计为3min，实际应用一般在5min左右。 5. 牵引供电系统 中国铁路的供电制式是单相交流27.5kV/50Hz，高速铁路普遍采用自耦变压器(auto transformer，AT)供电模式，供电臂长50km左右。中国铁路传统的接触网系统是简单悬挂方式，中国**条设计时速350km的京津城际客运专线也是采用简单悬挂。为了进一步提高弓网受流性能，特别是满足时速350km下的双弓受流，逐步采用了接触网刚度一致性更高的弹性链型悬挂方式，而且接触线张力提高到30kN左右。 1.1.3 中国高速列车的发展 中国的高速列车研究始于20世纪末，*终在21世纪初研制出中国**列高速列车“中华之星”(图1.4)。“中华之星”高速动车组是拥有自主知识产权的高速电力动车组，设计时速为270km，是采用交流传动系统、动力集中型的动车组，采用2动9拖的列车编组方式，满座载726名旅客。2002年11月27日，“中华之星”高速动车组冲刺试验创造了*高速度321.5km/h，为当时“中国铁路**速”。 图1.4 “中华之星”高速动车组 为了发展更高速度和更加先进的高速列车技术，国务院提出发展高速列车的“引进先进技术，联合设计生产，打造中国品牌”的指导方针。据此，铁道部拉开了高速动车组“引进消化吸收再创新”工程，分别在2004年从阿尔斯通(Alstom)、庞巴迪(Bombardier)和川崎重工(TYO)引进了时速200km等级的动车组，在2006年从西门子(Siemens)引进了时速300km等级的动车组。 高速动车组需满足长距离、大运量、高密度、旅行时间短等运输需求，对设计、制造、运营和维修都提出很高的要求。为了实现高速动车组的国产化及自主创新，铁道部组织全国的优势力量进行关键技术攻关。高速列车的关键技术主要包括如下九个方面：动车组总成(即系统集成)、车体、转向架、牵引变压器、牵引变流器、牵引电机、牵引控制、列车控制网络系统、制动系统。另外，还确定了十项配套技术，包括空调系统、集便装置、车门、车窗、风挡、钩缓装置、受电弓、辅助供电系统、车内装饰和座椅。 通过引进技术的消化吸收和适应性创新研究，不仅实现了高速动车组的国产化，而且实现了高速列车的自主创新。从目前来看，动车组已形成两大速度系列、两大品牌、十个品种的基本格局。两大速度系列为时速300～350km系列和时速200～250km系列，十个品种目前为“和谐号”品牌的CRH1(与庞巴迪合作，在中国生产)、CRH2(引进川崎重工技术)、CHR3(引进西门子技术)、CRH5(引进阿尔斯通技术)、CRH6(自主创新)以及再创新的新一代高速列车CRH380A、CRH380B、CRH380D(与庞巴迪合作，在中国生产)八个品种，“复兴号”品牌的中国标准动车组CR400AF和CR400BF两个品种(图1.5)。 图1.5 “复兴号”中国标准动车组 下面以自主研发的更高速度试验列车为例，介绍其技术特征和技术参数。该动车组是由中国中车青岛四方机车车辆股份有限公司自主研发的高速试验列车，其目的是在更快的速度范围内，针对高速列车的安全性、可靠性等方面开展前瞻性、基础性、理论性研究。主要围绕以下三个科学目标： (1)提供高速列车安全性研究技术平台。安全性是高速列车技术发展的决定性指标。希望通过探索更高速度条件下高速列车的运行稳定性、结构强度、车-线-网匹配关系等安全保障系统，进一步提高安全冗余，以更好地指导商业运营列车的工程实践和工程运用。 (2)提供基础性科学问题研究试验平台。以更高速度试验列车为基础，在更宽、更高的速度范围内进行高速列车前瞻性基础理论的研究，揭示高速列车动力学行为、特征和规律，对进一步强化产学研用的研究体系、建立可持续发展的创新环境提供有力保障。 (3)提供新材料、新技术的应用验证平台。通过各种新材料、新技术的应用研究和测试，进一步丰富和完善高速列车技术体系，以保持我国高速列车技术可持续发展，加快人才队伍培养，完善标准体系。