高速列车及其速度目标值的探讨

第24卷,第5期 中国铁道科学Vol 124N o 15

2003年10月 CH INA RAILWAY SCIENCE

October,2003

文章编号:1001-4632(2003)05-0001-08

高速列车及其速度目标值的探讨

马 大 炜

(铁道科学研究院,北京 100081)

摘 要:根据铁路运输高速化的发展趋势,初步分析了旅行速度、票价、运输管理、高速列车等因素和速度目标值的关系。提出高速列车是影响速度目标值的关键问题。从高速列车的牵引、能耗、制动能力和噪音方面对轮轨方式和磁悬浮方式的高速列车按不同速度目标值进行分析比较。以正在设计中的京沪高速铁路为例,在京沪高速列车运行仿真研究的基础上,按直达方式和沿线停站方式,对不同速度目标值的地面干线运输系统其旅行时间和能耗的经济问题进行简要的计算对比。提出选择我国高速铁路速度目标值的建议。 关键词:高速列车;牵引;制动;能耗;速度目标值 中图分类号:U238 文献标识码:A

收稿日期:2003-05-27

作者简介:马大炜(1943)),男,江苏苏州人,研究员。 基金项目:铁道科学研究院研发中心项目(TY1694)

1 高速铁路速度目标值的选择

速度目标值是运输系统最重要的技术参数,也是高速铁路赖以不断发展并在与其他旅客运输系统的竞争中显示其优越性的基本条件。最高试验速度是铁路高速化技术水平的反映,速度目标值则是高速铁路实际运营的最高速度,因此除技术上的可行性以外,选择速度目标值时还必须充分考虑实际应用的合理性和可靠性问题。根据国外高速铁路发展的经验和趋势,选择速度目标值的主要因素如下。111 不同速度目标值的优势范围

地面交通系统的旅行速度不仅和最高运行速度即速度目标值有关,还取决于运输组织模式(如停站次数和时间)和旅行距离。因此高速铁路的优势范围一般是中长距离的旅客运输,速度目标值越高就越能在长距离和直达运输中发挥其优势。反之对于300km 以下的近距离或短区间运行,旅客非铁路旅行时间和列车起停附加时分、停站时间在总旅行时间中的比例较大,速度目标值对旅行速度的影响较小。

112 不同速度目标值的票价和旅客支付能力由于速度目标值不同,必然影响高速铁路的各种固定设施技术标准和造价的不同,加上移动设备特别是机车车辆或动车组的购置费,导致人均公里

旅行费用或票价水平的重大差别。因此必须考虑随

速度增长导致的票价增长幅度,并结合客流构成,从旅客的支付能力及时间价值出发对高速铁路的速度目标值进行选取。根据铁道第三勘察设计院对京沪高速铁路的运行率估算为0132元/人公里(300km #h -1目标值),较中速的0120元/人公里增加60%,但仍远低于民航票价,并能将京沪旅行时间由14h 缩短一半以上(5h~6h),所以具有重大的实际意义。另一方面通过对500km #h -1目标值磁悬浮方案(德国常导方式)的分析表明,京沪长大干线的运价率约为0162元/人公里,即运价增加近一倍接近于民航票价,而直达旅行时间仅较300km #h -1轮轨方式缩短约115h,因此即使在技术上可行,从旅客支付能力和时间价值的经济性而言是不可取的。

113 速度目标值和高速铁路运营管理的关系高速铁路的运营管理包括运输组织和养护维修等各方面,是一个复杂的系统工程问题,在这方面轮轨方式的高速铁路已有国外高速铁路和国内铁路的大量经验可供参考,磁悬浮方式的高速铁路则在技术上尚未完全成熟。20世纪80年代英国伯明翰机场磁悬浮铁路营业线的/下马0就提供了一个磁悬浮方式不便养护维修的反面实例,在长大干线上更存在着和既有铁路不能兼容等重大的运营管理问题。对于轮轨方式,也有速度目标值对运营管理的

影响问题,特别是考虑到我国高速铁路具有高、中速列车混跑的特点,故必须满足高、中速列车在技术条件上的兼容性以及在能力利用上的适应性。例如曲线超高和曲线半径应按目标值设计,在计算区间通过能力时受到高中速列车速差的影响,而要对不同的速度组合进行比较等。

114速度目标值和高速列车的关系

高速列车的技术水平是决定速度目标值的关键问题,从各方面考虑可归纳为5个主要因素:¹牵引能力。º制动性能。»能耗。¼运行时分。½环保要求。列车为达到目标速度的能耗和克服空气阻力的能耗均基本上和速度成平方关系,因此随着列车速度的提高,所需的牵引、制动能力及能耗均将大幅增加。除了运营速度以外,还有起动和停车附加时分对旅行时间的影响,亦取决于列车的牵引和制动能力。此外,高速列车产生的空气噪声更与速度的6次~9次方成正比。上述因素是速度目标值对高速列车的主要要求,也是本文进行初步研究的主要内容。

2高速列车牵引性能计算与分析

211牵引功率

以/欧洲高速铁路网高速列车技术条件0的有关规定为例,高速列车应该满足的基本条件是在平直道上以最高速度运行时具有0105m#s-2的剩余加速度。不同高速列车的阻力和功率要求有所差异,但无论动力集中或动力分散方式,列车总功率均应包括克服基本阻力所需要的轮周牵引功率、坡道附加功率和剩余加速度所需的功率。由此可以确定列车的单位质量功率,再根据列车定员和总重的要求确定其总功率的大小。例如表1所示为按250km# h-1和300km#h-1速度目标值计算的单位质量牵引功率,表2为目前国外若干种主型高速列车有关牵引能力的基本参数,可见两者的一致性。

以日本500系动车组的阻力为例,不同速度目标值下的单位质量牵引功率要求如表3所示。

表1高速列车的单位质量牵引功率kW#t-1 v max/km#h-1i=4j a L=0105m#s-2数值250

12143¹

11113º

13144¹

1211º

\13144¹

\1211º300

18194¹

16169º

20115¹

1719º

\20115¹

\1719º注:1、¹)阻力按日本300系动力分散方式计算;

2、º)阻力按法国铰接式动力分散方式计算;

3、驱动系统效率按0195计算。

表2国外高速列车牵引参数比较表

国别车型运营速度v

m

/km#h-1

试验最高速度

/km#h-1

列车组成

列车总重

/t

列车定员

/人

总功率

/kW

单位质量功率

/kW#t-1

日本300系

500系

700系

270

300

285

3251710M6T

16M

12M4T

710

700

71314

1323

1324

1323

12000

18240

13200

1619

26106

1815

法国

T GVA

欧洲之星

韩国TGV

300

300

300

515132L10T

2L18T

2L18T

479

816

774

485

784

1000

8800

12200

13200

18137

14195

17105

德国ICE2

ICE3

280

330

1L7T

4M4T

453

454

393

415

4800

8000

1016

18118

表3高速列车的阻力和最小单位质量牵引功率kW#t-1

v/km#h-1

阻力F

/kN#t-1

克服阻力用

功率/kW#t-1

剩余加速用

功率/kW#t-1

总功率

/kW#t-1

功率比

2500111271783147111250167 3000115112158411716175110

35001197191154186231331139 4000125127189515633145210

由表3可见,350km#h-1和400km#h-1速度目标值高速列车的牵引功率要求比300km#h-1分别增加近40%和100%。

高速列车的牵引能力因列车编组方式而异,动力集中方式受到有动轴数目的限制;采用动力分散方式特别是全动车方式时可以发挥更大的牵引能力。例如日本500系列车的轴功率为285kW#轴-1,其最高运行速度为300km#h-1以上,如将轴功率进一步提高,完全可能达到400km#h-1以上。所以牵引功率并非现有轮轨方式高速列车速度目标值的制约因素。磁悬浮方式高速列车的速度目标值在理论上可达到500km#h-1的基本原理就是单位质量牵引功率的提高,而并非磁悬浮方式固有的特点。对轮轨方式和磁悬浮方式高速铁路的牵引

2中国铁道科学第24卷