中国铁路提速的关键技术_钱立新

2/2004 CHINESE RAILWAYS 11 中 国 铁 路
本刊特稿
中国铁路提速的关键技术 钱立新
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、 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
（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 分叉速度和脱 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
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—南京 全长 ３０３ ｋｍ 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 评估及加固技术，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 １６０～２００ ｋｍ／ｈ 的目标 （见表４）。 ２．４ 提速四显示信号系统及车载信 号设备
１６０～２００ ｋｍ／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（２５ Ｋ 型高包软卧车、软卧车、 硬卧车、餐车、硬座车、双层客车）； 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 １６０～２００ ｋｍ／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 （见表３）。 ２．３ 关键性轨道部件的研制与线路、 桥梁、接触网改造技术
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 ５ ０００ ｔ 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。
１６０ ｋｍ／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，这对 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 １６０ ｋｍ／ｈ，同 时普遍开行５ ０００ ｔ重载货物列车，并保 持运输高密度，这在国际上尚无先例。
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 年铁路客运收入以平均每年 ３３．１ 亿 元 的 幅 度 递 增 ，与 提 速 前 的 １ ９ ９ ６ 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
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。
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， 计算分析提速机车、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、客车、动车组
０．６６
０．４４
２００
线路试验实测 ０．６６
０．４８
轮轨横向力 ／ ｋ Ｎ
左轮 右轮
６５．４
６０．５
６９．０
６５．１
６６．７
６２．１
６４．６
６６．９
６４．１
６０．３
７８．５
７５．５
表２ 二等客车计算结果与实测结果比较
速度 ／ ｋ ｍ ·ｈ －１
分析与实测 横向力 ／ ｋ Ｎ 轮重减载率 脱轨系数
路提速工程成套技术百度文库装备”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 １２０ ｋｍ／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，桥梁承载能 力不足，要将列车速度提高到 １４０～
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，如此大数量的装备要依 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。
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
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（ Ｉ Ｈ Ｈ Ａ ） 专家请教，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，就如同让油水共处一样， 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。”
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 动闭塞信号系统是以 ８００ ｍ 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。
自 １９９７ 年 ４ 月 １ 日铁道部宣布全 国铁路实施第一次大提速以 来，繁忙干线上的旅客列车的最高运 行速度从原来的 １ １ ０ ｋ ｍ ／ ｈ 提高到 １６０ ｋｍ／ｈ，有些线路最高可达 ２００ ｋｍ／ｈ。截至 ２００２ 年，全国铁路提速 的总里程已达 １３ ８３８ ｋｍ，占全国铁 路繁忙干线总里程的 ７０％。
计算值 ５６．７６ ０．５１ ０．６４
２００
实测值 ４８．７９ ０．５４ ０．６２
计算值 ６１．６６ ０．５８ ０．６５
２１０
实测值 ６１．５６ ０．６０ ０．７６
中 国 铁 路 12 2/2004 CHINESE RAILWAYS
中国铁路提速的关键技术 钱立新
本刊特稿
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 钢轨的轨底长肢热 加工旋转 ９０°，形成凸缘，用于心轨 一动转换杆件的安装。同时采用长翼
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 ５００ ｋｍ 旅程内，当天可往返； １ ５００ ｋｍ 旅程内，“夕发朝至”；２ ０００～ ２ ５００ ｋｍ 的旅程， ２４ ｈ 左右即可到达。
新型提速机车已推广１ ２９０台，快 速车厢 ３ ７４１ 辆，新型提速道岔 ８ ４５３ 组，超长无缝线路 ５ ４４９ ｋｍ，新型轨 枕 ６０８ 万根，加固桥梁 １ ４８４ 座，四显 示自动闭塞延展里程 ４ ０００ ｋｍ，新型 机车信号 ６ ８０９ 台，平交改立交道口 １ ９０７ 处，封闭栅栏 ５ １３２ ｋｍ。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。
本刊特稿
中国铁路提速的关键技术
钱立新： 铁道科学研究院，研究员，北京，１０００８１
摘 要：中国铁路提速技术已居国际铁路领先地位，取得的一系列技术成果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。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，对国内提速装备主要技术性能指标与国外同类技术成果进行了比较。 关键词：中国铁路；提速工程；技术
由于既有线路不可能进行大规模
表１ ＳＳ８００１号机车动力学分析结果与实测结果比较
速度 ＂ ／ ｋ ｍ ·ｈ － １ 分析与实测 脱轨系数 轮重减载率
理论分析
０．６２
０．３６
１８０
线路试验实测 ０．６３
０．４９
理论分析
０．６５
０．４２
１９０
线路试验实测 ０．５８
０．４６
理论分析