中国铁路提速工程成套技术与装备



         
钱 立 新(铁道科学研究院, 北京 100081)


  摘 要: 分析了中国既有铁路提速工程的复杂性及艰难性, 重点阐述了提速关键技术的重大突破, 表现在:
(1) 研制成功160 km·h - 1~200 km·h - 1 “中华牌”具有自主知识产权的快速旅客列车及动车组, 技术性能指标
已达到国际同类产品先进水平。(2) 研制成功既有线路轨道结构关键部件, 如提速道岔, 跨区间无缝线路等。
(3) 研制成功四显示速差式信号系统及列车运行控制系统。(4) 建立提速安全管理和风险控制体系。(5) 在运输组织与管理方面的创新。(6) 在轮轨关系理论研究方面提出四项新的创见。(7) 按照系统工程原理, 研究并实施综合联调试验, 实现大系统技术集成。由于提速工程的技术创新, 我国首次在世界上实现了既有线160 km·h - 1快速列车与5 000 t 重载列车同时开行的创举, 全路每营业公里运量密度已居世界首位。由于提速关键技术的全面推广, 取得了显著的经济效益及社会效益。
  关键词: 铁路提速; 关键技术; 成套装备; 综述
  中图分类号: U292143   文献标识码: B
 收稿日期: 2002211211
 作者简介: 钱立新(1941 —) , 男, 浙江嘉兴人, 研究员。
  自1995 年铁道部作出“提高铁路繁忙干线客货列车速度”的战略决策, 经过系统的提速工程成套技术与装备的攻关研究及试验, 于1997 年至2001 年, 实施了4 次全路范围大提速, 极大地改变了铁路运输的面貌, 扩大了铁路运输在运输市场中
的竞争力。2001 年, 全路旅客列车速度超过120 km·h - 1的线路提速里程已经达到13838 km , 占繁忙干线的70 %。与1993 年相比, 全国开行的旅客列车从96615 对增加到119415 对, 货物列车由12 400 对增加到13 500 对, 全国旅客列车平均旅行速度从4811 km·h - 1 增加到61192 km·h - 1 , 技术速度从5814 km·h - 1增加到70132 km·h - 1 。
“全国铁路提速工程成套技术与装备”的攻关研究作为一项系统工程, 由121 项科研攻关课题综合集成, 而且在综合集成的过程中又进行了更深层次的关键技术攻关, 取得了不少影响较大、世界铁路界一致赞赏的创新成果, 使中国铁路传统产业和高新技术相结合, 开始实现了行业的技术跨越。
1  提速工程成套技术与装备总体组织
与管理
  中国铁路既有线基础设施标准低, 客货列车共线运行, 不同等级列车混跑, 既要求旅客列车提速到160 km·h - 1 , 又要求在繁忙干线上普遍开行5 000 t 重载列车, 提速技术复杂, 难度大, 经检索世界铁路尚无先例。在统一计划下, 实行项目管理, 建立技术总体研究组, 并按图1 组织模式实施技术创新和管理创新。
2  主要研究成果简述
  1994 年至2001 年间, 铁道部共设立121 项研究攻关课题, 内容涵盖了提速工程系统的理论研究、新型提速机车车辆、提速牵引供电技术、新型提速线路结构研究、提速桥梁评固与加固技术、提速通信信号系统研究、提速运输组织与运营管理、安全监测系统、综合联调试验、提速技术条件和规划研究等, 课题列入国家“九五”攻关计划和部重点攻关计划。主要成果如下:(1) 研制开发“中华牌”完整系列机车、客
车、动车组160 km·h - 1~200 km·h - 1新型快速机车及动车组的开发, 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。这些机车、车辆主要类型、型号和技术特点见表1 。图1  提速工程成套技术与装备研究总体组织与管理框图
表1  我国提速机车、客车、动车组类型、技术特点一览表
序号机客车类别类型主要技术特点
1 快速机车
SS9 型电力机车
SS7D 型电力机车
DF4DZ 型内燃机车
空心轴六连杆弹性传动的三轴转向架或二轴转向架; 车头型流线型及车体轻
量化; 机车采用微机控制装置和逻辑控制单元相结合的方式; 牵引电机采用
性能良好, 全叠片结构, 双H 绝缘, 持续功率达到900 kW或530 kW的大功
率脉流电机, 电力机车采用大容量变压器; 实现了六轴电力机车变压器与平
波电抗器及滤波电抗器一体化; 机车采用双管制动系统, 增加机车电制动的
功率及列车电空制动联合制动功能。
2 快速客车
25K型
高软卧、软卧、硬卧、餐车
硬座、双层客车
采用CW22C , 206KP , 209HS 型快速转向架; 采用大功率盘型制动、电空制
动、电子防滑器; 采用橡胶风挡, 集中供电、空调、采暖; 高档装修; 车钩
采用15C 型、15H 型、G1 型缓冲器。
3
快速动车组
动力集中
DDJ1 型大白鲨号电动车组
NZJ1 型新曙光号内燃双层动
车组
NZJ2 型神州号内燃双层动车

北亚号内燃液力动车组
庐山号内燃液力动车组
唐山号内燃电传动动车组
动力
分散
春城号电动车组
设计速度200 km·h - 1的全悬挂式单侧齿轮双侧六连杆轮对空心轴弹性传动的
动力转向架; 客车无摇枕、无摇动台、无旁承的三无转向架, 采用轻型轮对,
小滚柱轴承, H 型箱型断面焊接构架, 空气弹簧二系悬挂。大功率盘型制动
装置及TFX Ⅱ型电子防滑器, 性能指标达到200 km·h - 1速度下紧急制动距离
小于1 800 m 的国际标准。
轴重不超过2215 t , 采用Longwords 网络通信技术与远距离重联控制技术, 同
时开发研制柴油机电子喷射系统, 600 V 直流供电系统, 流线型车头, 新设
备安装配套, 空调系统采用新布局, 起动加速度性能好, 平面布置合理。
采用鼓型断面, 轻量化车体结构及长细比大的流线头型; 无木结构车体内装
结构设计; 采用动力性能好的无摇枕转向架, 大挠度空气弹簧, 鼓型齿轮联
轴节驱动, 盘形制动装置, Z 型双拉杆牵引变压器; 采用高阻抗、轻量化卧
式变压器; 具有空电混合制动控制功能的制动系统, 有效利用列车电制动,
降低基础只动装置的机械磨耗, 实现节能及环保要求。
第1 期               中国铁路提速工程成套技术与装备139
(2) 关键性轨道部件的研制与线路、桥梁、接触网改造技术通过联合攻关, 开发了一批具有自主知识产权的关键性轨道部件, 如提速道岔、跨区间无缝线路、Ⅲ型混凝土轨枕扣件等, 建立了线路养护维修体系, 在少投入原则下使既有线路最高运行速度达到160 km·h - 1~200 km·h - 1 。主要成果见表2 。(3) 提速四显示信号系统及车载信号设备研制开发了提速四显示信号系统及列车运行控制系统, 确保提速后运输密度不仅不降低, 还能适度增长, 在技术性能上独具特色。(4) 提速列车安全监测系统系统由提速列车运行安全快速监测系统、GJ24快速轨检车、轨道弹性检查车等构成。主要设备及技术特点见表3 。
表2  提速关键性轨道部件与线路、桥梁、接触网改造技术
序号项目名称  技术特点  
1 60 kg·m- 1钢轨12 号提速道岔
线形满足道岔中心及辙叉理论交点位置不动要求, 直向运行条件与国际先进的提速道岔
相当, 转换杆件全部置于钢岔内, 便于机械养维作业; 尖轨采用60AT 钢轨制造, 尖轨
尖端藏尖式设计, 长心轨采用轨底长肢旋转90°形成凸缘结构; 采用外锁闭转换装置; 道
岔内钢轨设置轨底坡适应与区间钢轨的焊接。
2
铺设整区间无缝线路或跨区间
无缝线路
胶接绝缘接头由钢轨、夹板、高强度螺栓和绝缘材料组成, 采用具有足够抗剪强度、扯
离强度和韧性的胶粘剂进行胶接。建立梁轨相互作用的纵向力计算方法, 研究解决在大
跨度混凝土连续梁桥上铺设无缝线路的问题。提出钢轨折断原位修复技术。
3 Ⅲ型轨枕和弹性扣件
枕下和枕中承载力比Ⅱ型枕提高43 %和65 % , 长度2 600 mm , 可减少7 %道床应力: 扣
件采用Ⅱ型、Ⅲ型弹条扣件与轨枕配套。
4 既有线路技术改造
提出最大超高、允许欠超高、允许过超高、缓和曲线超高时变率、夹直线和夹圆线最小
长度标准。
5 既有线桥梁的安全评估与加固
全国既有线桥梁普查, 采用车2桥耦合作用理论仿真计算, 对43 座典型桥梁进行动力测
试, 提出混凝土梁、上承式、下承式钢桁梁、上承式钢板梁提速标准或加固标准, 加固
措施。
6 电气化线路接触网的技术改造
接触网设计参数理论研究和改进; 接触网零部件广泛采用新材料、新结构; 使用无交叉
线岔, 采用接触网2受电弓受流性能测试技术。
表3  提速列车安全监测系统项目与主要技术特点
序号项目名称  主要技术特点  
1 列车运行安全快速监测系统
连续式测量测力轮对, 采用单周期双桥路正弦合成法, 同时参与工作的有8 个以上测试
电桥, 与震动加速度传感器、位移计、速度传感器同步进行数据采集。实时计算机采集
分析系统。
2 GJ24 快速轨检车
采用惯性基准原理, 应用半导体激光器和伺服跟踪控制技术测量轨距; 陀螺传感器和加
速度补偿技术测量水平和高低、水平、轨向; 配置车载双微机系统, 实现实时采集与处
理, 自动完成数据合成。
3 轨道弹性检查车
采用两套相同弦长的弦作为临时过渡基线的方法, 利用轮重差异准确测量出路桥过渡段、
道口区、道岔轨道弹性变化梯度。
(5) 运输组织管理
通过提速线路通过能力, 提速线路列车速度、密度、重量合理匹配等课题研究, 提出了客货列车合理匹配速度值和发展目标值。实现了全国旅客列车运行图自动编制。在编制运行图过程中, 改进了运输产品结构, 调整了生产布局, 优化了资源配置, 实现了从“计划图”向“市场图”和“效益图”的转变。在繁忙干线上, 提高了货物列车牵引重量, 减少了货车开行对数, 多开行“夕发朝至”的精品提速客车, 调整了货车发出时间及线路, 有效增加了列车密度。建立了提速安全管理和风险控制体系, 实现了管理创新。
(6) 轮轨关系理论研究新见解在轮轨关系理论研究方面, 提出动力学分析的敏感波长组合不平顺方法, 成功运用于研制新型机车车辆的动力学参数; 提出机车车辆非线形横向运动稳定性理论, 采用数值分叉方法, 开发了NLSA分析程序, 在多种提速机车车辆和动车组的设计以及多次重要实验的预分析中得到运用; 研究提速与高速条件下轮轨滚动接触理论, 改进并发展了Kalker 的滚动接触理论, 建立了函数型摩擦定律下的轮轨滚动接触理论, 为提速和高速机车车辆动力学分析提供了依据; 研究磨耗型踏面理论, 提出提速与高速机车车辆采用经过优化的磨耗型踏面后,140 中 国 铁 道 科 学    第24 卷既可以降低轮轨磨耗, 又可以实现满意的运动稳定性临界速度。
(7) 综合联调试验研究
综合联调试验分三个步骤: 重要部件或整车试验室试验, 铁科院东郊环行试验基地初步综合联调试验; 繁忙干线现场所有系统综合联调试验, 通过综合联调试验真正实现了大系统的技术集成; 分别在沪宁、京秦、沈山、郑武等既有繁忙干线上实施了五次大规模综合联调试验, 最高试验速度达240km·h - 1 。其界面参数复杂性、试验方案难度、测试数据数量规模及安全保障程度均居国际前列。
3  我国提速装备主要性能技术指标与
国外同类技术成果比较
  成果的比较见表4 。
表4  提速装备主要技术性能指标与国外同类技术成果对比
序号攻关项目主要技术指标   国际同类技术的先进指标  
1
160 km·h - 1~200 km·h - 1
快速机车车辆及动车组
最高运营速度200 km·h - 1
机车持续功率4 800 kW
起动牵引力286 kN
主变压器容量8 668 kVA
最大脱轨系数0141
最大轮重减载率0159
紧急制动距离1 800 m (200 km·h - 1)
制动盘吸收能量812 MJ
防滑器反应时间011 s
列车阻力系数0147 v 2
200 km·h - 1  德国IC
4 775 kW 瑞士Re4/ 4
300 kN 瑞士Re4/ 4
7 316 kVA 瑞士Re4/ 4
0142 瑞典X2000
0159 瑞典X2000
1 800 m 德国克诺尔
714 MJ 德国克诺尔
011 s 德国克诺尔
01493 v 2 德国ICE2
2
160 km·h - 1~200 km·h - 1
线路轨道结构及部件
提速道岔h ≤90 mm , a ≤0165 m·s - 2 〗h ≤90 mm , a ≤0165 m·s - 2
直向容许速度200 km·h - 1 200 km·h - 1 , 德国12 # 道岔
轨底长肢结构, 翼轨模锻特种断面国际首创
无缝线路钢轨胶接接头剪切强度> 4 200 kN 剪切强度> 3 700 kN (美国)
桥上无缝线路最大跨度72 m 桥上最大跨度40 m (法国)
沪宁线跨区间无缝线路长303 km 日本青函隧道跨区间无缝线路长
5318 km
3
提速四显示信号系统
及列车运行控制系统
四显示信号系统与原有三显示信号系统兼用,
只改动5 %~10 %通过信号机
ZLSK型列车运行控制系统人机联控, 信号与超
防一体化, 三色点阵显示。
国际创新
与法国TGV 列车控制系统相当水

4 提速列车安全监测系统
提速列车安全快速监测系统10 秒内安全参数实
时显示记录
轨道弹性检查车采用两套弦测法原理, 检测速
度40 km·h - 1
德国, 瑞典安全监测系统不能快
速实时显示记录
国际创新
 
5 轮轨关系理论研究
11 动力学分析敏感波长组合不平顺法
21 机车车辆非线性横向稳定性
31 提速高速条件下轮轨滚动接触理论
41 磨耗型踏面与悬挂参数相结合理论
经检索国际上未见早于此发表
4  中国铁路提速的创新点
(1) 在繁忙干线上既开行160 km·h - 1最高速度的提速列车, 又开行了5 000 t 以上重载列车,
这在国际铁路界从无先例, 是国际首创。(2) 提速前后全路客车平均旅行速度提高25 % , 重载列车全面开行, “速度、密度、重量”三要素共同提高, 全路每营业公里的运量密度已达3 045 万吨公里, 居世界首位。(3) 在安全环境十分艰难条件下, 实现了提速安全管理和风险控制体系。大面积提速六年多来,没有发生过一起因提速而直接引发的行车事故, 安全状况居国际前列。
5  结束语
  全国铁路四次大规模提速, 共推广提速机车1 290 台, 提速客车3 741 辆, 更换提速道岔8 453组, 铺设跨区间无缝线路5 449 km , 更换新型轨枕608 万根, ??。提速技术与装备已得到大批量推广应用, 加快了铁路产业整体技术的升级, 促进了铁路全行业跨越式发展。全国铁路提速工程在技术创新基础上取得了显第1 期 中国铁路提速工程成套技术与装备141著的经济效益和社会效益。自1997 年第一次大提速以来, 每年铁路客票平均收入以3311 亿元速度递增。1997 年至2000 年, 提速后的全路客票收入与提速前1996 年相比, 总计4 年内增收了306 亿
元。货运收入也大幅度增加。提速所取得的社会效益更为显著, 每年旅客所节约的旅行时间的价值是无法估计的。由于提速工程采用高新技术改造铁路的传统产业, 为我国传统
产业的改造提供了良好的典范, 带动了我国相关产业的发展, 推进了我国资源节约型的绿色交通运输体系的建立。

来源:中国铁道科学