-
2
高速铁路与高速列车
2.1
高速铁路的发展
自
?
20
?
世纪
?
40
?
年代开始，铁路受到了公路和航空的竞争。随着高速公路的发展，铁路的优势逐
渐减小，长距离上更不能同航空竞争，因此不少人认为铁路已是一个夕阳企业，在某些国家铁路甚
至处于萎缩状态。
196
4
年日本东海道新干线的运营，在铁路的发展史上，无疑是一个新的里程碑。它的成功吹
响
了铁道技术革命的号角。日本第一列
0
系列高速列车以
?
210
?
km
/
h
的成功运行，
成为高速列车研制的
典范。日本新干线的成功，不单显示其运量大、投资省、污染小的优
点，更充分地发挥了高速又不
失安全的特点。
从运输的角度看，人们关心的不单是速度，更关注的是从出发到目的地的时间，即所谓门对门
的时间。因此一个运输工具不单注意本身速度提高、节约旅途时间，还应千方百计缩短其
辅助时间。
例如旅客到车站的时间、候车的时间等。
为了缩短旅途时间，必须提高运输工具的速度。
随着铁路技术的发展，运输需求的提高，铁路在不断地提高运行速度，因此高速的概念也随<
/p>
着不断地更新。以往把运行速度在
?
20
0
?
km
/
h
?
以上的铁路称之谓高速铁路。而《欧洲高速铁路联网
高速列车技术条件》中，对公共交通的高速要领规定为：对新建线路为
?
300
?
km
/
h
，对旧线（可能
经
现
代
化
改
造
）
为
?
220
?
km
/
h
，
在
这
种
速
度
时
一
列
在
平
直
线
上
行
驶
的
动
车
组
< br>的
后
备
加
速
度
为
?
0
.05
?
m
/
s
2
。
从这一
规定看到，在高速铁路的概念中，不单规定了速度，还规定了高速列车在最高速运行时
必
需的加速能力。
日本新干线的成功，推动了高速铁路技术的发
展。
1981
年法国的
?
TGV
?
东南线投入运行，最高运
< br>行速度为
270
?
km
/
h
，
1989
年
?
TGV
?
大西洋线将速度提高到
?
300
?
km
/
h
。德国的
ICE
（
Inter
city Express
）
特快列车于
?
1991
?
年
?
6
?
月投入使用，运营速度达到
?
250
?
k
m
/
h
。至今开行
?
200
?
km
< br>/
h
?
以上高速列车的国
家已有日本、法国、德国、英国、意大利、瑞典、俄罗斯、瑞士、奥地利、比利时、西班牙、丹
麦
等国。近
40
年的运行经验证明，它
在高速、大运量、安全、经济等方面与公路、航空的竞争中，取
25
59
得了绝对优势。因此世界各国竞相建设高速铁路，并联网
运行。目前美国、加拿大、澳大利亚、印
度、韩国和中国的台
湾省等国家和地区，也相继积极建设和规划高速铁路。欧洲则筹建国际高速铁
路网。高速
铁路的崛起和成功，开创了铁路运输的新时代。
目
前
，
全
世
界
高
速
铁
路
至
?
1998
?
年
底
已
有
约
?
4
?
400
?
km
< br>，
其
中
日
本
新
干
线
?
1
?
952
?
km
，
法
国<
/p>
?
TGV
?
1<
/p>
?
282
?
km
，德国
ICE
?
427
?
km
，意大利
ETR
?
237
?
km
，西班牙
AVE
?
471
?
km
。
各国都制订了高速铁路的规划：
19
71
?
年日本通过了新干线整备法，规划修建
< br>?
7
?
100
< br>?
km
?
的新干线
路网。欧洲铁路联盟制订了
?
2010
年“泛欧高速网络”规划。准备新建
?
12
?
500
?
km
?
高速铁路线，完成
14
?
000
?
km
< br>改建提速线路；建设总长达
?
2
?
500
?
km
?
的联络线。
铁道部
对我国的高速铁路已有规划，并对各项技术进行研究及论证。在近期内规划修建一条北
京
至上海的高速铁路，以缓解华东、华北地区走廊的运输压力。该铁路除行驶高速列车外，还行驶
< br>过境的中速旅客列车，以实现与原京沪线的客货分流，提高铁路的运能。京沪高速铁路按
< br>?
350
?
km
/
h
?
速度设计，近期高速列
车的运营最高速度为
?
300
?
km
/
h
。除京沪铁
路外，
1999
?
年已动工修建秦沈（
秦
皇岛—沈阳）
高速客运专线，
200
3
年投入运营，
最高运行速度为
?
250
?
km
/<
/p>
h
。
与京沪高速铁路接轨后，
形成了至东北地区的快速运输通道。在秦沈线上有一段速度为
300
?
km
/
h
的试验段，长
66.8
?
km
。此
外为解决铁路的运能，准备将旅客列车和货物列车分
流，将京广线变为客运专线，京九线为货运专
线。将京广线的列车速度提高到
?
160
?
km
/
h
。
为我国高速铁路技术和研制顺利进行，已对广深线（广州—深圳）进行改造。广深线原设计为
160
?
km
/
h
?
的准高速铁路，其中有一段速度
为
?
200
?
km
/
h
的试验段，改造后可进行
?
250
?
km<
/p>
/
h
速度的试
验
。目前广深线采用摆式列车后，最高速度已达到
?
200
?
km
/
h
。
从上可见，我国高速铁路的建设正
在积极进行中，不久的将来，我国也将有高速铁路投入营
运。
2.1.1
高速铁路的优点和特征
从上看
到，自日本新干线投入运营至今，
30
多年来，高速铁路迅猛发
展，其根本原因是由高速
铁路的优点和特征所决定的。高速铁路的优点有下列几点。
1.
旅行时间短
上面指
出，任何一种运输工具的旅行时间，应为总旅行时间。总旅行时间应包括到达运输工具
站
点的辅助时间，即从走出家门到乘坐飞机、铁路列车或汽车到达高速公路，再从飞机、铁路列车
< br>或高速公路到达目的地的辅助时间。飞机场远离城市，办理登机手续繁琐，待机时间长；高速公路
起点一般设在城市边缘，出口处常堵塞；而铁路车站则处在城市中心，进站乘车非常方便。分析三
种运输方式的总旅行时间表明，
300
?
km
?
以下的运距，高速公路具有竞
争力；
1
?
000
?
km
?
以上的运距，
航空具有吸引力；而高速铁路在
150
～
1
?
300
?
km
?
的运距中，具有相当的竞争力和极大的吸
引力，是高
速铁路的优势区。
2.
运量大
48
26
目前高速列车最大载客量可达到
1
?
300
?
人／列以上，开行密度可达到
?
11
?
列／小时。
按照
16
?
小时／日
< br>运营计算，每天可以运送旅客
?
20
?
万余人。目前航班最大的飞机可乘坐
?
< br>300
～
400
?
人／架，两地飞行
按
20
架
／日计，每日只运送旅客
7
?
000<
/p>
～
8
?
000<
/p>
人。
3.
土地占用面积小
双线铁
路用地宽
?
13.7
?
m
，
6
?
车道高速公路用地宽
?
37.5
?
m
，要完成一条高速铁路相同的运量，高
速公路要
8
车道。
法国对
TGV
高速铁路土地所占面积的统计
，法国东南线
?
TGV-PSE
?
长
400
?
多
km
，占地面积仅为
戴高乐机场的
80
%
?
左右。
4.
能源消耗低
以航空、公路、高速铁路三种运输方式比较，一人使用
?
1
?
kWh
能源，其旅行
的最长距离分别为
1.1
、
1.7
、
5.0
?
km<
/p>
。即高速铁路人公里燃料消耗为汽车的
2
/
3
，飞机的
2
/
9
。
5.
对环境污染小
从环境保护的角度看，高速列车使用的是
电力牵引，对城市不造成任
何污染。况且可以
用核电和水电，
不会产生任何有害气体。
图
?
2.1
?
为各种不同运输方式的污染比较。
此外，
高速铁路的噪声也比公路小。另外
在高速铁路沿线安装隔音墙时，使得所产生噪
声的影响大大低于公路。
6.
安全可靠
1964
年日本开通新干线，
30
多年以来安全输送旅客
30
多亿人次，欧洲高速铁路已安全运送旅
???
NO
2
图
2.1
各种不同运输方式每人
·
km
所产生的
污染比较
（
高速铁路为
?
1
）
27
59
客
5
亿
人次，除
1998
年德国
ICE
发生一次事故外，未发生旅客死亡事故。据统计，全世界公路交通
事故
每年死亡
?
25
～
30
?
万人；
1994
年，飞机坠毁
47
架，
1
?
385
?
人
丧生。
7.
运行准时，不受气候影响
由于装
备了现代化的列车运行控制系统，保证列车在各种气候条件下的安全正点运行。日本新
干
线平均晚点不超过
?
1
?
min
，西班牙
AVE
高速
列车承诺晚点
?
5
?
< br>min
?
退赔全部票款。
8.
社会效益好
高速列车系统的发展有益于地区或城市房地产开发和就业机会的增长。
在修建高速铁路的过程中，不论是机车车辆还是基础设施建设都是一种投资过程，这无疑
都有
益于当地经济发展。法国曾估算过：在一个投资
?
10
?
亿法郎（约
?<
/p>
16
?
亿人民币）高速铁路项目中，每<
/p>
年可创造
?
3
?
500
?
个就业机会。其中不包括因这
?
3
?
500
?
人购买和消费所带来的就业机会。
2.1.2
高速铁路的参数
高速铁
路的运营特点是运行速度高，
因而对高速铁路提出了新的要求。
表
?
2.1
?
为几条高速铁路的
参数，从表中参数，我们可以得出以下几个特点。
表
2.1
项
目
最小曲线半径
m
最大坡道
竖曲线半径
m
铁道中心距
m
基本轨道构造
最大超高
mm
欠超高
mm
TGV-PSE
3
?
200
35
‰
25
?
000
4.2
道碴轨道
180
90
?
(
个别
130)
TGV-A
4
?
000
25
‰
16
?
000
4.2
道碴轨道
180
90
东
海
道
新
干
线
2
?
500
20
‰
10
?
000
4.2
道碴轨道
< br>200
?
(
建时
180)
90
?
(
建时
60)
东北、上越
新干线
2
?
500
20
‰
10
?
000
4.2
道碴轨道
180
60
?
(
一段
30)
曼海姆—斯图加特
汉诺威—维尔茨堡
1
?
700 (
个别
5
?
100)
12.5
‰
25
?
000
4.7
道碴轨道
150
60
京
沪
线
7
?
000 (
个别
5
?
600)
12
‰
25
?
000
5.0
150
80
1.
选用大曲线半径
列车在
曲线上行驶时，车辆将产生离心力，该力与列车的速度平方成正比，与线路的曲线半径
48
28
成反比。为部分抵偿这一离心力，在铺设钢轨时，曲线区段外侧的钢轨比内侧钢轨要高，称为超高。
但列车并不是总以最高速度运行，因而铁路的超高也不按最大值铺设，不足部分称为欠超高。欠超< /p>
高部分未抵偿的离心力，由轮对和钢轨间的约束来平衡。在小曲线半径时，高速行驶的列车
将对钢
轨产生很大的侧压力。因此为将该压力降到允许值以下，高速铁路常采用较大的曲
线半径。不得已
时，只好降低列车速度。
常规铁路的曲线半径通常在
?
1
?
000
?
m
?
左右，个别地段甚至低于
?
500
?
m
，比表
?
2.1
?
中所列数值要小<
/p>
得多。
2.
选用大坡道
由于高
速铁路采用了很大的曲线半径，这样一来，在困难地段势必大大增加线路的投资。采用
大
坡道就可缓解这一问题。
此外，高速铁路必须是封闭的，与
其他交通必须采用立交，因此在城市车站的引入线区段，有
时因地形、建筑物等的影响，
必须采用大坡道。
选用大坡道是减小隧道长度和数量
的重要手段。在高速铁路中，当两列高速列车在隧道中交会
时，有很大的压力波产生（见
后面高速列车的空气动力学问题）
，为减小压力波效应，必须加大两铁
< br>路线的间距并增大隧道的断面积。因而高速铁路隧道的投资是相当可观的。例如法国的
?
TGV-PSE
线
路的投资比日
本东海道干线要低得多，其原因就是加大坡道、减少隧道。
选用大
坡道后，为保证坡道上列车的运行速度，就必须增大列车动力的功率。因而高速铁路往
往
以机车的动力投资来减少线路的投资。
29
59
3.
选用大的竖曲线半径
高速铁
路采用较大的超高值，列车行驶在竖曲线上时，如果竖曲线半径过小，则同一转向架的
4
个车轮中，有可能只有
3
个车轮与钢轨
接触，采用大的竖曲线半径就可避免这一点。
竖曲线
半径的影响与曲线半径一样，由于离心力的作用对钢轨产生附加的负荷，只不过后者是
影
响钢轨的侧压力，而前者是影响钢轨的垂向压力。该力与列车速度的平方成正比，与竖曲线半径
< br>成反比，压力过大会破坏线路，压力过小列车会丧失运行的稳定性。
4.
轨道中心距
我国双线铁路在正线上的线间中心距不小于
?
4
?
m
，
高
速铁路的线间中心距一般取较大的值，
而且
速度越高，线间距越
大。其原因有二：其一，两车高速交会时，因空气动力学的影响，对列车产生
向内的侧压
力，影响列车运行的稳定性，在大气侧风叠加时，甚至会产生列车的倾覆；其二，两车
交
会时，列车车内有较大的压力变化，影响旅客乘坐的舒适性，产生人耳的痛感。
5.
最大超高与欠超高
线路的超高如前所述是为了补偿曲线上的惯性力。超高的数值与该曲线区段的曲线半径有关。
高速铁路由于车速高，超高和欠超高比常规铁路大。此外列车在曲线上并不都是按最高速
度运行，
可缓行，也可能通过中速过境客车，所以总是按有欠超高来铺设线路。
2.1.3
高速铁路是一个大系统
目前世
界上修建高速铁路有两种方针：一种是线路适应机车车辆的要求，即铺设专用的高速铁
路
，如日本、法国、德国等，一般为大运量、国土较大的地区；另一种是机车车辆适应线路的要求，
即对现行线路只进行适当改造，采用摆式列车来提高运行速度。采用此方针的国家，主要是地形复
杂、运量较小的国家，以瑞典的
X2000
摆
式列车为代表。
这两种发展模式对我国来说都具有
开发的意义，例如华东地区，人口集中且工农业发达，现有
48
30
铁路已不能满足要求，要求修建新线，这时修建高速铁路更为合理。对我国既有山区铁路，因地形
复杂，修建高速铁路投资过大，可用摆式列车以提高列车速度。
上述两种方式都是通过列车与铁路的其他部门发生关系。高速铁路由于投资大、技术要求高，
所以应该从大系统的角度予以考虑。它们间的关系有如下几种。
1.
列车与线路、桥梁、隧道的关系
关键是降低高速列车对线路、桥梁的动力作用，而动力作用又与动力车、车辆的转向架结构、
轴重、簧下部分质量有关。此外，列车速度与隧道的断面积及列车的头形和密闭性有关。
2.
动力车受流与接触网供电的关系
列车高
速行驶时，受电弓的追随性与受流质量不单与受电弓的性能有关，还与接触网的结构形
式
、导线的张力和质量有关。此外，机车的电传动方式又影响牵引变电所的功率因数、谐波电流分
< br>量的大小以及谐波电流频谱的分布。
3.
高速列车的环境污染
高速列
车在高速运行时会产生多种频率的噪声，它们有轮轨的撞击声、高速运行时气流的摩擦
声
、受电弓的高频涡流声等。这些噪声对铁路沿线居民造成噪声污染。除设法降低声源强度外，在
< br>城市人口密集地区还应设置隔音墙。
除噪声
污染外，受电弓和接触导线的电火花，对无线电、电视等产生干扰。动力车的变流设备
产
生的谐波电流对通信设备和信号设备也会产生干扰。
4.
高速列车与信号设施的关系
信号设
施用于指挥和控制列车运行，它对提高通过能力，保证运行安全有着至关重要的作用。
高
速铁路往往采用先进的信号技术，以提高行车安全。
高速列
车的车载计算机和列车调度中心的计算机联网，相互间交换信息，对列车进行监控，司
机
仅实行监督任务，或实现无人自动驾驶。这一控制系统称之为列车运行控制系统（
ATC
）
。
31
59
列车运行控制系统按自动化的程度不同分为：列车超速保护（
ATP
）
、列车自动驾驶（
ATO
）
、列
车自动监控（
AT
S
）
。
从上述
各方面看到，铁路上的多种设施都通过高速列车互相关联着，而且互相影响。各专业间
的
紧密关系，促使我们必须通过系统工程的角度来考虑问题，决不能强调某一点而忽视其他方面。
< br>
列车运行速度提高后，高速铁路运行的安全性比常规铁路要求
更高，只有安全才会保证效益。
新干线和
TGV
、
ICE
?
运行的经验说明，
高速列车具有极高的可靠性和安全性，这也是高速铁路得到
迅速发展的原因之一。
另外在最高运行速度的选择上，根据国情的不同而不同。例如
德国的中小城市多，大城市少，
城市间的距离短，列车经常处于起动、加速和制动状态，
最高运行速度对节省运行时间的意义不大，
选用
?
270
?
km
/
h
?
的较高速度。又如法国，人口主要集中于三个
大城市（巴黎、利昂、马赛）
，城市间
距离较远，因此最高运行
速度较高。
从上可知，高速铁路最高速度的选定必须从综合角度予以考虑。
2.1.4
高速铁路的运营模式
由于国
情不同，各国高速铁路的运营模式也各不相同，这与它们的城市分布、客货运量的大小、
乘客的文化水平及素质有关。
日本的新干线采用了工频
?
25
?
kV
?
供电的高速列车和标准轨距。同时日本还存在大量的直流
制机车和
20
?
kV
?
的交—直机车，而且有不少非标准轨距的铁路。因此日本新干线制式
与其他线
路是不相容的。新干线上的车辆只能在新干线上运行，旅客从既有线到新干线只
有采用换乘的
48
32
办法。从日本的客运量看，设计成专用的客运专线是合理的。
因为没有其他低速列车进入新干
线，这样可以按固定的时间间隔发车，没有列车的追尾和
避让问题，可以最大限度地发挥新干
线的运输能力。
法国的几条高速铁路与常规铁路由于采用相同的电流制式（北部地区）和轨距，为方便旅客不
要换乘，
采用了高速列车下低速线的办法；
在南方采用直流
?
1
?
500
?
V
?
电流制地区，
则采用多流制列车。
这样既保证了高
速铁路运能的发挥，又方便了旅客。由于法国铁路是以客运为主，这样安排是适合
法国国
情的。
德国的城间高速列车（
ICE
）一般在白天运行，晚上高速线则承担货运任务，即货运列车晚上上
高
速线运行。因此，采用高速列车不下低速线的运营模式。德国铁路路网发达，南来北往的列车很
< br>多，而且间隔很短，换乘方便。
西欧国
家准备将高速铁路联成路网，这时高速列车必须适应各国电流制式及信号制式，即出现
多
电流制高速列车和安装通用的
ATC
装置。
2.2
高速列车的现状
我们如
果以传统的说法将速度超过
?
200
?
km
/
h
?<
/p>
的列车称为高速列车，那么高速列车也可以
使用常用的机车来牵引
。近年生产的高速机车有
ADtranz
公司生产的
Loc2000
，其最高速度为
?
230
?
km
/
h
；由西门子和克劳斯—马菲公司生产的
EuroS
printer
机车最高速度均超过
?
220
?
km
/
h
；
其他如
S252
机车等，最高速度均超过
?
200
?
km
/
h
。用这些机车牵引客车，列车速度都可以超过
?
200
?
km
/
h
。但它们与高速列车的概念还是有区别的。首先高速列车设计时，就把它与高速铁
33
59
路的其他部门融为一体，有更高的可靠性、舒适性，特别
是安全性。此外列车的编组在设计时
就已规定，而不是常用机车那样，根据线路情况进行
编组。而且高速列车的动力车与车辆间有
更紧密的关系。因此从广义上讲，运行速度超过
某一速度的列车就是高速列车，这种观念是有
欠缺的。
2.2.1
几种典型的高速列车
自日本
东海道干线投入运行至今，高速铁路已有
30
多年的历史，高速
列车也出现了多种形式，
按其本国的国情在发展。
30
?
年来，科学技术特别是变流技术、计算机技术的发展，使得交流传动技
术得到普及，因此高速列车的模式也不断变化。
表
?
2.2
?
为国外几种高速列车的主要技术参数。
从
表
?
2.2
?
我们可以看到几个特点。
1.
动力集中和动力分散
我们可
以看到欧洲各国主要采用动力集中方式。所谓动力集中是将动力布置于两端的车辆
（动力
车）或与头车相近的转向架上，中间拖车不布置动力装置。这种方式，称之谓动力集中方
式。
日本的高速列车则将动力配置在大部分车辆上，甚至全部为动
力车，这种方式称动力分散方
式。
图
2.2
表示了
300
系、
TGV-A
、
ICE
三种车型的动力配置方式。
动力配
置方式的选取与各国铁路系统的特点、工业发展水平以及具体的线路条件有关。各种方
48
34
式有各自的优势。
35
59
48
36
员
定
及
置
配
力
动
的
E
C
I
、
A
V
-
G
< br>T
、
系
0
0
3
2
.
2
图
37
59
日本的高速列车是动力分散式的典型。分析其形成的原因有以
下几方面：
①
日本原有铁路路基松软，当时为满足高速运行对线路作用的要求，只能采用传统的轴重较轻<
/p>
的电动车组形式。
②
日本高速铁路规划始于
1957
年，受当时工业水平的限制，不可能制造出单轴功率大、轻量
化的高速列车，只能将大的总功率分散到全列车各轴上。
③
日本高速铁路的站间距离短，起动
、制动频繁。其工作条件与地铁、近郊列车相近。而且日
本在发展高速铁路前，就普遍采
用电动车组，积累了多年的动力分散式动车组的制造、运用和维修
的经验。国内已形成动
力分散式的运行体制，在此基础上发展高速铁路采用动力分散式动力配置是
合乎国情的。
④
日本发
展高速铁路时，对轮轨间的粘着理论还缺乏充分的研究，加上当时的技术水平所限，
还没
有高效的空转—滑行防护装置。在粘着利用较差的情况下，为保证所需的制动力和牵引力，只
能选用多动轴的动力分散形式。
因此，
日本第一代高速列车
0
系列电动车组采用全动车编组。
欧洲各国发展高速列车约迟后于日本
20
年。主要采用动力集中式，究其原因有以下几点：
①
20
世纪
80
年代初期，工业技术水平已大大提高。电力电子技术、自动
控制理论及基础工业
的发展，为发展单轴功率大且粘着利用好的动力集中式高速列车创造
了条件。
②
欧洲各国原有铁路路基比较坚固，允许机车车辆轴重大，是发展动力集中式的有利条件。加<
/p>
上吸取了日本高速铁路的经验教训，对轮轨粘着及动力学等基础理论有了较充分的研究，为
动力集
48
38
中式高速列车提供了理论依据。
③
欧洲各国原有铁路系统以传统的机
车牵引为主，电力机车占的比例较大，而且有的电力机车
速度已达
?
200
?
km
/
h
的水平，因而在此基础上发展高速铁路采用动力集中式
是很自然的事。
④
欧洲各国的电流制不同，而且国土较小，跨国运输是常有的。如用动力分散式，则各动力单<
/p>
元均要适用于多种电流制，设计和制造均很困难。
总之，欧洲各国在原有国内铁路技术的基础上，采用列车头尾各有一台动力车，动力设备集中
在动力车内，中间为拖车。如果动力不够，靠近动力车的拖车转向架亦可装有牵引电动机
。这种动
力布置方式实质上是传统电力机车牵引方式的变形，称为动力集中式电动车组。
法国的
TGV
即为这
种方式，并取得了
成功。
法国
TGV
令人瞩目的成果使世界各国竞相仿效，把动力集中式作为高速列车发展方向。如意大
利原
先采用的
ETR450
高速列车为动力分散式，现在改用动力集
中式的
ETR500
高速列车。总之，欧
洲各国和美国较多采用动力集中式。
但是，
我们必须记住，动力分散和动力集中的优点是相对的。线路条件的变更，两种方式是
可以
转化的。譬如在线路坡道大的地区，为保证粘着力，必须增加动轴数，以保证粘着质量达到
足够值。典型的如德国的
?
ICE3
?
高速列车，运行线路坡道为
40
?<
/p>
‰
，要求轴重为
?
17
?
t
，最高速度为
?
330
?
km
/
h
。无论从粘着重量，还是从每动轴功率考虑，
采用一半为动力车，一半为拖车的方案
较为合理。
此外，异步电动机的无维修性，以及变流器可靠性提高，维修费用的大为降低，也为动力分散
39
59
创造了条件。
2.
高速列车都采用电力牵引
由于高速列车的功率大，轴重轻，内燃牵引已不能适应要求，故高速列车无一例外均采用电力
牵引。
3.
电传动方式的变更
从表<
/p>
2.2
中可以看出，早期的高速列车均采用直流传动。由于变流技
术的发展，近期生产的高速
列车采用了交流传动，而且采用异步电动机牵引。
2.2.2
高速列车的试验速度
随着高
速列车运行速度的提高，要求用更高的试验速度来检验列车的各种参数。
随着高速铁路技术的发展，最高运行速度的纪录也不断被突破。日本最近研制出的
?
300
?
系列动
车的最高运行速度提高到
?
270
?
km
/
h
。法国
?
1981
?
年运行的
?
TGV-PSE
< br>?
列车最高运行速度
为
?
270
?
km
/
h
，
1989
?<
/p>
年
?
TGV-A
?
将最高运行速
度提高到
?
300
?
km
/
h
，
近期计划的
?
TGV-N
?
列车
速度又提高到
?
350
?
km
/
h
。德国的
?
ICE
列车最
高运行
速度为
?
250
?
km
/
h
，
ICE3
为
330
?
km
/
h
。
< br>
图
2.3
轮轨接触技术速度的发展
高速列车试验速度的纪录也不断被刷新。德国的
ICE
列车于
?
1988<
/p>
?
年
?
5
?
月创造了
?
406
.9
?
km
/
h
?
的
纪录，法国的
< br>?
TGV-A
?
列车于
?
1990
?
年
?
5
?
月创造了
?
515.3
?
k
m
/
h
?
的最
高纪录。这意味着轮轨系统的高速
48
40
列车的运行速度将突破
?
350
?
km
/
h
。
图
?
2.3
?
为各国铁路速度纪录的变化情况。
2.3
高速列车的阻力和功率
2.3.1
高速列车的阻力及空气阻力
从第<
/p>
?
1
?
章我们知
道列车的阻力有运行基本阻力、坡道阻力、曲线阻力和起动阻力等。基本运行
阻力是指列
车在平直道上的列车阻力，主要来源于机械阻力及空气阻力。由于空气阻力与列车的速
度
平方成正比，当列车高速运行时，这部分阻力显著增大。
一般地，空气阻力可用下式表示
D
?
1
?
C
d
v
2
A
(2.1)
2
但是列车是细长比很大的物体，长度方向，列车表面与空气的
摩擦阻力必须考虑，当列车长度
不可忽略时，空气阻力系数
C<
/p>
d
就要分头部和侧面两部分，用下式表示
D
?
1
?
L
?
?
?
C
dp
?
?
?
v
2
A
(2.2)
2
?
d
?
式中，
ρ
为空气密度；
A
为列车横截面面积；
?
为列车侧面的流体摩擦系数；
d
为列车的流体直径；
v
为列车速度；
C
dp
为列车
的压力阻力系数；
L
为列车长度。
列车是形状复杂的物体，列车的空气阻力除与列车的横截面的面积、列车的长度有关外，还与
车辆表面的凹凸，头车头部的形状有关。详细分析，还与车体表面摩擦、转向架的形状、
车体底架
下的设备形状、受电弓及车顶设备形状、车辆联结部分的形状有关。因此很难用
公式（
2.2
）进行计
41
59
算，必须用试验方式得到。
如前所述，列车的阻力与速度之间的关系可用下式表示
W
?
A
?
Bv
?
Cv
2
(2.3)
式中，前二项是机械阻力（严格说，
Bv
项中部分为空气阻
力）
，机械阻力与速度成正比，后一项是空
气阻力，与速度平方
成正比。与第
?
1
?
< br>章不同的是，由于列车是固定编组，因而计算列车阻力时，采
用某一列车的阻力公
式。
高速列车的空气阻力分为下列几个部分。
1.
压差阻力
压差阻力主要由头部正压和尾部涡流形成的负压之间的压差产生的，它取决于尾部的外形和流
态。高速列车非常注意动力车头部和尾部形状的研究。
2.
表面摩擦阻力
这一阻力是由于空气粘性引起的作用于车体表面的剪切应力所引起的阻力。由于列车是细长形
的，长与高或宽的比特别大。因此列车与空气的“浸润”面积与列车的横截面之比一般为
50
～
100
，
对较长编组的列车则可能更大。所以列车表面摩擦阻力，约占列车总空气阻力的
26
%
～
50
%
。
欲减少列车的表面摩擦阻力，必须提高列车表面的光洁度。
3.
干扰阻力
车辆光滑表面的突出物（如车灯、手柄、转向架、车辆之间的间隙、车辆底部及顶部设备）因
扰动空气产生的阻力。
为减少
这一部分阻力，应尽量使车辆表面平整没有凸出部分，间隙加以密封，下部加外罩等。
正因各种列车的截面、形状、结构长度不同，因而在计算列车阻力时，式（
< br>2.3
）中的系数也就
不同。
48
42
图
2.4
为
TGV-A
高速列车的阻力分析图。从中我们可以看到：
①
列车阻
力随速度的增加而迅速增加。速度在
?
300
< br>?
km
/
h
?
时为
?
70
?
kN
，而
?
150
?
km
/
< br>h
?
时，为
24
?
kN
，前者为后者的
?
2.9
倍。
②
?
列车阻
力中，空气阻力在
?
300
?
km
/
h
?
时约占总阻力的
?
80
％
，因此必须千方百计地降低空气阻力。
③
空气阻力中，转向架部分和侧面部
分的空气阻力约占
?
70
％，因此在减
少空气阻力时，应首先
关注这两部分阻力的减少。
图
2.4
TGV-A
的运行阻力分析图
1
—制动盘；
2
—受
电弓；
3
—车顶；
4
< br>—前照灯；
5
—后尾形状；
<
/p>
6
—车头形状；
7
—连接部分；
8
—侧面；
9
—转向架
④
必须指出，我们常常用流线型的头部形状来减小压差阻力，以为压差阻力是空气阻力的主要<
/p>
部分，这是一种误解。从
TGV-A
的阻
力分析图中可知，在列车速度为
?
300
?
km
/
h
?
时，压差阻力仅占
空气阻力的
?
7
%
，占总阻力的
5.5
?
%
。
虽然压差阻力所占的比例并不很大，但列车头部形状还影响会车时的压力变化和幅值，影响侧
风引起的气动力、隧道阻力及气动噪声，所以对列车头尾部外形的研究必须给以充分注意
。
图
2.5
为
采用不同减阻措施后，列车阻力的变化。
43
59
图
2.5
几种列车空气阻力的比较
图中
?
ICE
?
有三种情
况：
a
）没有任何减阻装置；
b
）在两个转向架之间的车底加减阻装置；
c
）车底加完备的减阻装置，转向架加外罩，受电弓加减阻装置，封闭车厢连接处间隙
从上可知，各型列车的基本阻力组成是不同的。德国、法国、
美国、日本均用
1
∶
10
的模型在
风洞中进行试验，以求得不同部分的阻力，同时对实际车辆进行测定
，由此得到各自的列车运行基
本阻力。此外采用减阻措施后，可大大减少列车阻力，尤其
是转向架和表面摩擦阻力，在加上带流
线型的外罩后，可使阻力显著下降。
2.3.2
高速列车的功率
由第<
/p>
1
章可知，计算机车功率的公式（
1.7
1
）为
P
?
Fv
<
/p>
3
.
6
式中的牵
引力除克服基本阻力外，还应有足够的后备加速力。高速列车克服的基本阻力中的空气阻
力与速度平方成正比，因此克服空气阻力的这一部分的功率与速度立方成正比。由前可知，在列车
速度为
?
200
～
300
?
km
/
h
?
时空气阻力占基本阻力的
< br>?
70
%
～
80
%
，因而可近似地认为列车的功率差不多
也与列车速度的立方成正比。
48
44
为说明速度对功率的影响，我们用算例来加以说明。
法国
TGV-
PSE
的运行阻力公式为
W
?
3
900
?
41
v<
/p>
?
0
.
632<
/p>
v
2
(2.4)
该公式为列车长
2
?
400
?
m
，无逆风，列车总质量
?
< br>m
＝
410
?
< br>t
?
的阻力。
在速度为
?
200
?
km
/
h
?
与
?
270
?
km
/
h
?<
/p>
时，阻力计算结果为
?
37.4
?
kN
和
?
61.0
?
kN
。由公式
（
1.71
）计算
可得功率分别为
2
?
078
?
kW
?
和
?
4
?
575
?
kW
。由计算结果可以看到，对
TGV-PS
E
高速列车来说，速度增
加
1.35<
/p>
倍，而功率增加
2.2
倍。当速度进一步
增加时，功率将进一步增大。
我们在第
?
2.1
?
节中，定义高速列车时，曾
经说到，在平直道上应有
0.05
?
m
/
s
2
的后备
加速度，现
在我们计算一下这一部分所需的后备功率。列车的加速力为
< br>
?
F
?
m
(
1
?
?
)
a
式中，
m
＝
410
?
t
，
?
=
?
0.06
，
a
＝<
/p>
0.05
?
m
/
s
2
时
?
F
?
410
(
1
?
0
.
06
)
?
0
.
05
?
21
.
73
（
kN
）
<
/p>
在
v
max
＝<
/p>
270
?
km
/
h
时
?
Fv
21
.
73<
/p>
?
270
?
?<
/p>
1
630
（
kW
）
<
/p>
3
.
6
3
.
6
加上克服阻力的功率，
< br>列车功率应保证在
6
?
250<
/p>
?
kW
?
以上。
我们从表
?
2.2
?
中可知
?
TGV-
PSE
高速列车的
P
b
?
功率为
?
6
?
300
?
kW<
/p>
。
从上面的计算可以看出：
①
由于列车的加速力和基本运行阻力
均与列车的质量成正比，所以对高速列车来说，列车的轻
量化对减小列车的安装功率有重
大的意义。
②
随着列车速度的增加，空气阻力迅速增加，它将占基本运行阻力的主要部分，因此采用措施<
/p>
减少阻力对节省列车能耗意义重大。图
2.5
中，表明在采用减少阻力措施后，空气阻力的变化情况，
在采用完善的减阻措施后，
阻力几乎为未采取措施的一半左右。而且应该特别注意转向架和车底部
设备产生的阻力。
由表
2.2
可以计算出高速列车单位质量的电机功率。
速度
?
250
?
km
/
h
?
时所需的电机功率约为
?
10
～
45
59
2
0
?
kW
/
t
，速度
?
300
?
km
/
h
?
时为
?
16
～
22
?
kW
/
t
?
左右。
在设计高速列车时，列车的电机功率还与列车故障状态的运行有关。这一点对动力集中方式的
高速列车特别重要。因为列车在隧道中，或者大坡道上，一旦某一电机和其他设备损坏时
，要保证
高速列车能继续故障运行，即保证有足够的牵引力将列车牵引出隧道和大坡道。
典型的例子为通过
英吉利海峡隧道的
TMST
< br>高速列车。
在本章第
?
2.1
?
节关于公共交通的高速概念
中，规定了列车平直道上的后备加速度。这一规定说明什
么问题呢？这相当于规定了列车
从起动加速到最高速度的加速时间。我们知道高速铁路的最终目标是缩
短起点至终点的运
行时间，而不仅仅是其最高速度。列车在高速区是按恒功率运行的，随着速度的上
升，列
车牵引力按双曲线规律下降，而列车阻力则几乎与速度平方成正比增加，因此高速区的剩余加
速力减小。
为避免加速时间过长，
必须要有足够的储备功率
。
表
?
2.3
?
为某一列车的算例
（站间距离
?
60
?
km
，
平均速度为
?
240.8
< br>?
km
/
h
）
。从表中可知在高速列车中，列车加速时间占运行时间中相当大的部分。
表
2.3
速
度
（
km
/
h
）
速度从
0
→
300
恒
速
300
减速从
300
→
0
时
间
（
s
）
314.8
430.7
151.5
897.0
距
离
（
m
）
17
?
794
35
?
893
6
?
313
60
?
000
2.4
粘着系数、轴重
2.4.1
粘着系数
在第<
/p>
?
1
?
章中，我
们讨论了粘着系数的机理及计算公式，并且说明不同轨面状态下，粘着系数的
分布。那么
在高速列车情况下，可以采用多大的粘着系数来进行高速列车的设计呢？
48
46
粘着系数有着很大的分散性，当钢轨在干燥状态时，不会有什
么问题。可是当雨天和下雪时，
粘着系数会下降很多，而且速度越高其值越低。日本为了
提高新干线的速度，必须尽可能提高高速
区的可以使用的粘着系数。日本进行了高速情况
下粘着系数的试验，以确定粘着系数的大小。试验
结果如图
2.
6
所示。
图
2.6
200
系新干线列车的粘着系数
日本新干线高速列车采用的粘着系数按下式计算
当钢轨面干燥时
?
?
当钢轨面潮湿时
?
?
27
.
2
(2.5)
85
?
< br>v
13
.
6
(2.6)
85
?
v
新干线
列车在设计其制动系统时，采用的粘着系数，如图
2.7
所示。
为保证在制动时防止滑
行的产生，所取的值低于式（
2.6
）计算所得的数值，与图
2.6
所示进行撒
水时的粘着系数的数据
近似。
47
59
图
?
2.7
新干线列车制动时的粘着系数
日本新干线列车是采用动力分散方式，由试验可知，头车发生滑行的次数，远远大于中间车和
尾车的次数。图
2.8
为
100
系新干线列车滑行发生的次数。图中头车标号为
16
号车。
滑
行
次
数
图
?
2.8
100
?
系新干线列车的滑行发生次数
在《欧洲高速铁路联网高速列车技术条件》中规定：为了保证
充分利用粘着力，粘着系数不得
超过下列最大值：
以很低速度起动时
在
100
?
km<
/p>
/
h
时
20
%
17
%
48
48
在
200
?
km
/
h<
/p>
时
在
300
?
km
/
h<
/p>
时
13
%
??
9
%
牵引动力装置必须允许即使在不利的气候条件下也可利用这种系数。
列车所有的转向架在系统制动情况下需遵守的条件是：
200
?
km
/
h
?
以下时使用的最大粘着系数不
超过
?
13
%
，速度从
?
200
?
km
/
h
?
增至
?
300
?
km
/
h
?
时，粘着系
数的最大值线性减少到
?
9
%
。
将上述参数与日本的公式比较，欧
洲规定的粘着系数要大得多。这是因为欧洲采用动力集中方
式，防空转和防滑行的措施容
易实现，而且路基的稳定性较好。但是总的来说，粘着系数利用值越
低，空转的可能性越
小。此外动力分散方式的粘重大，有条件可以使用较小的粘着系数。
为了防止空转和滑行的产生并进行保护，目前不只是动力车上装有空转和滑行保护装置，在非
动力车上也装有滑行保护装置。
如果与
第
?
1
?
章比
较，可以发现，常规机车选用的粘着系数比高速列车的粘着系数要大得多。其
原因是高速
列车发生空转和滑行的后果要严重得多。在高速铁路上要求对轮对和钢轨的损伤进行严
格
管理，以防止过大的对线路的冲击力。
2.4.2
轴
重
从发挥动轮轴的牵引力看，我们希
望动轴的轴重大一些为好，因为动轴牵引力是轴重与粘着系
数的乘积。但从对轨道线路的
动力作用看，又希望较小的轴重。
前面我们曾经说过，日本建设新干
线时，因为日本是多火山的国家，地基比较松软，为了减少
线路建设的投资，采用了动力
分散的方式，以减轻轴重。
49
59
日本早
期的线路设施已按
?
16
?
t
?
轴重设计，因此新设计的高速列车也必须满足
这一要求。
根据联合国欧洲经济委员会（
ECE
）
1985
?
年
?
5
?<
/p>
月
?
31
?
日在日内瓦签订的欧洲国际铁路干线协议
（
AGC
）中的规定：对速度不大于
?
2
00
?
km
/
h
?
的机车，允许最大轴重为
?
22.5
?
t
；机动
轨道车和动车组
在速度不大于
?
300
?
km
/
h<
/p>
时，允许最大轴重为
?
17
?
t
。
对欧洲国际铁路干线协议（
AGC
）的规定
，德国有不同的看法，他们认为对线路的动力作用，
最大轴重并不是惟一指标。
ICE
的最大轴重虽为
?
19.4
?
t
，但其动载荷与法国的
TGV
和日本的新干线
列车处于同样的
水平。为此德国对最大轴重问题表示不同的见解。不过为保证欧洲联运的需要（法
国规定
为
?
17
?
t
）
，在国际联运列车上遵守
?
17
?
t
?
的规定。
表
?
2.4
为几种高速列车的轴重情况。
表
2.4
车
型
型
式
轴重（
t
）
16
000
系列
100
系列
动
力
分
散
15
14
动力车
16
拖车
16
300
系列
TGV
-
PSE
TGV
-
A
动
力
集
中
动力车
17
拖车
17
动力车
19.4
拖车
11.5
ICE
由表
?
2.
4
?
可以看到，对于动力分散式的高速列车来说，都选用了较小
的轴重。这是因为对动力分
散模式来说，粘着质量不成问题，而小的轴重可以减小机车对
线路的作用力，尤其对日本的软土路
基铁道，是顺理成章的。日本为减小轮轨间的作用力
，正使列车轻型化，以求得更小的轴重，如
?
300
系轻型化后，轴重减至约
?
11
< br>?
t
?
左右。
< br>
对于动力集中方式来看，欲增大粘着牵引力，总是希望增加粘
着质量。其办法是增加轴重或加
多动轴数。但轴重的增加，会增加对线路的破坏，所以轴
重增加应有一定的限度。法国国铁认为采
48
50
用动力集中是他们坚定不移的方针。
综上所
述，轴重受轮轨间作用力的限制。从发挥牵引力的角度，希望有较大的粘着质量，即动
轴
有较大的轴重或有较多的动轴。但从轮轨作用力来看，应采用较小的轴重，这样需要有较多的动
< br>轴，增加了电气设备等的数量，提高了列车的造价和维修工作量。
2.5
高速时的轮轨作用
随着列
车运行速度的不断提高，轮轨间的动态相互作用愈益加强，轮轨冲击振动问题更显突出，
其结果是轮轨作用力增大，对线路和列车造成危
害。在高速铁路实现之初，人们对这一问
题已予以
充分的重视。图
2.9
表明轮
轨动力作用力随速度呈
线性规律递增的情况，图中
P
1
为轮轨高频冲击力，
P
2
为较低频响应力。由图可见
?
P
1
的增长比
P
2<
/p>
更为
迅速。例如，当列车速度
v
由
?
80
?
km
/
h
?
提高到
图
2.9
轮轨作用力随速度的变化关系
?
160
?
km
/
h
?<
/p>
和
?
250
?<
/p>
km
/
h
时，<
/p>
P
1
?
力分别增
大
?
45
%
?
和
?
100
%
，
P
2
力增大
38
%
和
8
0
%
。由上可见，高速运行条件下轮轨间的冲击具有作用强和危
害大的特
征。轮轨间的冲击由下列几种因素产生。
1.
接头焊缝不平顺的冲击
高速铁路均采用无缝线路。它有效地抑制了轨道接头处的冲击振动，但焊接接头处仍有因焊缝
质量而出现焊缝不平顺，而造成冲击。
2.
钢轨的波状磨耗