轨道交通的现状及发展

❖ 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%。
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普通 电机
线性电机原理及应用
展开 线性 电机
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
定子置于轨道上 转子置于车辆上
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（二）提高曲线通过能力
能否通过曲线是限制速度的瓶颈
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
北京2广02州0，年2建230成公里
徐新州线兰14州条，, 81740000公公里里 南客京运成专都线，, 11.29万00公里
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（一）大功率驱动系统
200km/h
列车行车阻力为：
F0 = a + bV + cV2
其中：
100% 80%
空气阻力所占百分比
空气阻力接近70%
85%
320N/t
F0 ——每吨列车质量的阻力
单位：N/t
60%
a ——固定阻力系数，
取为: 11
b ——机械阻力系数，
40%
取为: 0.11
c ——空气阻力系数，
（最小300，需减速通过）
1000
（最小600，需减速通过）
准高速铁路
1400-1700
速度范围 Km/h 100-80
120-140
160-200
采用摆式列车技术后 的速度范围，Km/h
120-100
160-180
200-250
高速铁路
2500-4500
200-300
300-360
特高速铁路 6000-10000
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800 kW， 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。
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2. 增加动轴数量—— 由动力集中到动力分散
• 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。
2
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GDP 40%以上。
冲角 曲线半径方向
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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
V=80km/h
200
V=40km/h
100
0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 t (ms)
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 ±80 mm, 一般速度下的车辆仅为±20mm。
• 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/h HSGT
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 4
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：
4. 车体倾摆技术
从固定设备考虑 从移动设备考虑
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1. 加大线路曲线半径和设置超高
最小曲线半径，R 的计算：
R (m) 11.8Vk2 hh欠
Vk — 最大通过速度，单位为km/h h — 轨道外轨超高，以mm计。R =1500 tgØ, Ø为超高角。
一般铁道，h≤110 mm；高速铁道， h≤180 mm
300-400
360-500
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2. 采用径向转向架
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。
杭新州修长复沙线，, 58万80公里
杭电州气宁化波, 福州5万厦公门里
深营圳业，里程, 1106万00公公里里
7
8
9
10
高速地面交通
直升飞机
支线飞机
干线飞机
高速真空管道交通（HS ETT）
高速铁路
高速磁浮
高速地面交通（HSGT）
全国铁路网 区域城际轨道
轨道交通(Rail Transportation)
• 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
3
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
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
29
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
30
半有源主动控制系统
31
有源主动控制系统
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（四）高速列车运行信息化和自动化
高高速速地地面面交交通通
HIGH-SPEED GROUND TRANSPORTATION
HSGT
西南交通大学牵沈引动沈志力志云国云家重点实验室教授 西南交通大学牵沈引志动力云国家重点实验室
西南交通大学牵引动力国家重点实验室
1
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。
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
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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
h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 70 mm， 困难取 90 mm， 个别取 120 mm。
11.8 = 1500÷(9.81×3.62) — 单位换算中出现的系数。
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铁路按最小曲线半径的分类
分类
一般铁路
（Ⅱ级Ⅲ级铁路）
提速铁路
（Ⅰ级铁路）
最小曲线半径 m
800-600
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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。Fra Baidu bibliotek➢ 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
❖ 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。
• 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%
速度 27
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：
P,(KN)
500
400
V=250km/h
V=200km/h
300
V=160km/h V=120km/h
20%
取为: 0.0016
240N/t
空气阻力 机械阻力
160N/t 80N/t
所需功率随速度三次方而增大 0%
0
固定阻力 0N/t
80 160 240 320 400 行 车 速 度, V,（km/h）
13
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
60
机 车
120
牵 引
城轨
公路 水 运
综合运输体系
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
速度，km/h
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（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
160
210
230
250
270
300
480
500
（ 动 力 集 中（ ）动 动力 车分 组散
） 动 车 组
1
我国货物列车的实际水平
3
我国旅客列车的实际水平
5
提速列车达到的水平
9
日本0系动车组为11.5kW/t
11 日本100系动车组为11kW/t
13 德国第一代ICE-2列车为12kW/t
15 法国第一代TGV列车为15.4kW/t
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。
极 限 环 幅 值 稳定
不稳定 不稳定
VB
VA 速度
亚临界 Hopf 分叉
极
不稳定
限
环
幅
不稳定
值 稳定
V ≤ 最大运行速度
VB
VB VA
18 法国第二代TGV列车为17.9kW/t 48 法国1989年试验482.4km/h时为46.43kW/t
52 法国1990年试验515.3km/h时为52kW/t
14
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
15
1. 提高动轴功率——改直流牵引电机为同步或异步
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。
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（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。
如：
V = 100km/h, V = 200km/h, V = 300km/h,
但粘着系数随速度提高而下降。
µ=0.2-0.3 µ=0.1-0.2 µ=0.05-0.1
V = 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。
美国模式 ━━ 汽车 + 飞机 环保模式 ━━ 轨道交通 + 汽车、飞机
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发展轨道交通, 构建和谐社会
• 城市轨道交通
构成经济区交通网的骨架
• 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，HSGT
4. 超高速真空管道交通
6
2020年建成：
14条新线，
300km/h以上都应考虑采用动力分散
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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 制造最初年度
列车编组 M—动车，T—拖车
列车定员
最大轴重, t
平均轴重, t
列车总重, t 电机功率, kW 列车总功率, kW
0 1964 16M
1285 16.0 15.1 966.4 185 11840
100 1984 12M4T
1321 15.4 14.4 921.6 270 12960
300 1990 10M6T
1323 11.3 11.1 710.4 300 12000
500 1996 16M
1324 11.1 10.9 697.6 285 18240
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4. 线性电机牵引
❖ 牵引力 = 粘着系数 x 粘着重量。