中國(guó)高速列車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)發(fā)展綜述

胡洪銀

摘要：中國(guó)鐵路工業(yè)的迅猛不僅震驚了世界，而且促進(jìn)了全球高速鐵路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。本文回顧了中國(guó)高速鐵路的發(fā)展，介紹了其鐵路網(wǎng)規(guī)劃、建設(shè)進(jìn)度和運(yùn)行狀況。合理研究動(dòng)力學(xué)非常重要，包括設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)和基本要求測(cè)試功能，綜合跟蹤網(wǎng)絡(luò)及其耦合系統(tǒng)影響列車系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，如流量，受電弓-接觸網(wǎng)和電流-電流采集系統(tǒng)。為高速鐵路研究發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

Abstract： The rapidity of China's railway industry not only shocked the world， but also promoted the development of the global high-speed railway industry. This article reviews the development of China's high-speed railway， and introduces its railway network planning， construction progress， and operating status. It is very important to study dynamics reasonably， including designing technical indicators and basic requirements testing functions， comprehensive tracking network and its coupling system affect the dynamic performance of the train system， such as flow， pantograph-catenary and current-current acquisition system. Lay the foundation for the research and development of high-speed railway.

關(guān)鍵詞：中國(guó)高速列車;車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué);系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能

Key words： chinese high-speed train;vehicle system dynamics;system dynamic performance

0? 引言

中國(guó)鐵路事業(yè)的發(fā)展不僅僅是一個(gè)驚喜，而且對(duì)全世界的工業(yè)發(fā)展起到不可忽略的作用。自2004年中國(guó)成立以來(lái)引進(jìn)高速列車技術(shù)，推出9000公里鐵路網(wǎng)雄心勃勃的建設(shè)規(guī)劃已經(jīng)完成并投入運(yùn)行。直到2012年6月，現(xiàn)在有700多列高速列車開(kāi)通了，服務(wù)每天運(yùn)行1500次。高速鐵路工業(yè)已成為中國(guó)制造業(yè)引人注目的主題工業(yè)，是現(xiàn)代鐵路的重要組成部分事業(yè)和公共交通的首選[1]。

1? 中國(guó)的高速鐵路的發(fā)展規(guī)劃和現(xiàn)狀

1.1 中國(guó)高速鐵路發(fā)展史

鐵路長(zhǎng)期以來(lái)一直是中國(guó)的主要?jiǎng)用}。有利于經(jīng)濟(jì)發(fā)展，但另一方面，由于低速和稀缺的網(wǎng)絡(luò)也造成了瓶頸，這制約了進(jìn)一步發(fā)展公共交通。進(jìn)入二十一世紀(jì)如何開(kāi)拓高速鐵路及其發(fā)展?jié)摿σ阎鸩桨l(fā)揮獲得公眾共識(shí)。2004年1月，鐵路局在鐵路建設(shè)收費(fèi)揭開(kāi)了鐵路網(wǎng)規(guī)劃的中長(zhǎng)期序幕，TEM規(guī)劃200公里以上客運(yùn)專線到2020年達(dá)到12000公里[1]。同樣的數(shù)字是2008年修正至1800公里[2]。相關(guān)機(jī)構(gòu)大規(guī)模的建筑網(wǎng)絡(luò)包括“四縱四橫”，高速旅客三條城際鐵路網(wǎng)覆蓋長(zhǎng)江三角洲、珠江三角洲和環(huán)渤海。這個(gè)四縱四橫高速鐵路網(wǎng)—中國(guó)鐵路專線藍(lán)圖，如圖1所示。

在2012年，總共有3500公里的高速線路是預(yù)計(jì)將開(kāi)放服務(wù)，包括哈爾濱至大連北京至石家莊線，石家莊至武漢線，天津至秦皇島線、寧波-杭州線杭寧線。同時(shí)，1143公里的城際公路鐵路線路將準(zhǔn)備投入運(yùn)營(yíng)，其中包括連接北京的線路。去天津、成都到都江堰、上海到寧波、南昌到九江、廣州到株洲，還有海南東環(huán)城際鐵路。

到2012年底，高速鐵路總長(zhǎng)超過(guò)7500公里。將開(kāi)始運(yùn)作，使中國(guó)成為第一大國(guó)世界上最大的高速鐵路里程[3]。從這個(gè)鐵路網(wǎng)出發(fā)，京滬線單線橋梁跨度約1318公里全線1140公里占86.5%，采用整體式無(wú)碴軌道技術(shù)。這條線路的軌道床及其設(shè)計(jì)速度可以達(dá)到350公里/小時(shí)。京滬線是高速線之一。

除了興建新線路外，中國(guó)還在修建樞紐站和將現(xiàn)有干線升級(jí)為提高運(yùn)行速度線路，改善運(yùn)行條件。雙線鐵路施工及電氣化現(xiàn)有線路已投入使用，以滿足要求。到2007年，正在修復(fù)現(xiàn)有非運(yùn)行的高速線路運(yùn)行速度超過(guò)200km/h，長(zhǎng)度達(dá)到6003km，其中行駛速度超過(guò)250公里/小時(shí)的線路的長(zhǎng)度是846公里。重建改造現(xiàn)有鐵路線，使之成為高速高效的交通方式正在成為中國(guó)的專長(zhǎng)之一。

1.2 高速鐵路技術(shù)

1.2.1 磁道

具有高平滑度和穩(wěn)定性的無(wú)壓載軌道是主要用于中國(guó)的高速鐵路。在早期缺乏先進(jìn)的板坯制造技術(shù)，中國(guó)的工程師們首先選擇借鑒國(guó)外成熟的技術(shù)，然后根據(jù)中國(guó)的具體情況發(fā)展起來(lái)。2004年，自主研發(fā)的板式軌道技術(shù)首次問(wèn)世。

為了促進(jìn)350km/h高速列車發(fā)展，中國(guó)進(jìn)口來(lái)自德國(guó)公司的無(wú)碴跟蹤技術(shù)，包括MaxBgl、RAIL.One、Züblin等等。MaxBgl軌道在京津城際線運(yùn)用，上海高速鐵RHEDA2000無(wú)碴軌道在武廣客運(yùn)專線使用。中國(guó)工程師將不同軌道分成若干類別，如來(lái)自日本的新干線軌道（Shinkansen）被標(biāo)記為CRTSI，來(lái)自Max Bgl軌道作為平板CRTS II，來(lái)自Züblin的軌道作為雙塊CRTSⅡ，中國(guó)開(kāi)發(fā)的新型軌道被稱為CRTS III[4];2009年11月首次發(fā)布并成功應(yīng)用于成都—都江堰城際鐵路線。

1.2.2 列車控制系統(tǒng)

中國(guó)高速鐵路的發(fā)展不僅僅在其高速，而且其高密度的運(yùn)輸與高速方便的完美結(jié)合。中國(guó)鐵路根據(jù)具體情況，在CTCS系列控制系統(tǒng)又開(kāi)發(fā)了CTCS-2，其中CTCS-2已得到應(yīng)用。200-250公里/小時(shí)線路和300-300公里公里/小時(shí)線路采用CTCS-3350。CTCS-2通過(guò)應(yīng)答器和軌道電路所傳送的信息采取行動(dòng)，CTCS-3通過(guò)無(wú)線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)起作用。通過(guò)這兩個(gè)系統(tǒng)，司機(jī)能夠操作火車機(jī)車信號(hào)。

1.2.3 牽引供電系統(tǒng)

單相交流27.5kV/50Hz電源系統(tǒng)適用于中國(guó)的火車。對(duì)于高速列車，2×27.5kV/50Hz自動(dòng)變壓器更常用于距離大約50公里的變電站之間。第一條城際客運(yùn)專線設(shè)計(jì)速度350km/h。提高受電弓-接觸網(wǎng)受流質(zhì)量，同時(shí)，提高了接觸線的張力。尤指滿足在350km/h的速度時(shí)，懸鏈線選擇剛性懸鏈線。

2? 高速列車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究

中國(guó)迅速而又成功地發(fā)展高速鐵路工業(yè)與高速列車研究和技術(shù)創(chuàng)新一樣重要。良好的動(dòng)力學(xué)研究對(duì)于列車高速高品質(zhì)性能與安全運(yùn)行，包括車輛設(shè)計(jì)等關(guān)鍵因素有很大影響，運(yùn)營(yíng)和維護(hù)解決方案，軌道網(wǎng)絡(luò)的整合及耦合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)影響列車系統(tǒng)的性能，如氣流、受電弓-接觸網(wǎng)和電源-電流收集系統(tǒng)。

隨著速度的增加，兩者之間的相互作用越來(lái)越大，火車和鐵軌、懸鏈線和氣流是明顯增強(qiáng)。軌道上的不規(guī)則性產(chǎn)生高速列車的最大干擾。水平線軌道縱斷面參數(shù)影響列車乘坐舒適性的重要因素。在高速列車中，氣流不僅會(huì)產(chǎn)生空氣阻力，對(duì)車輛性能也造成干擾，甚至當(dāng)危及行車安全情況時(shí)失去控制。在受電弓-接觸網(wǎng)系統(tǒng)，他們的行動(dòng)受到車頂振動(dòng)與周圍氣流擾動(dòng)影響，受電弓和懸鏈線將不再自激。這由列車本身的動(dòng)力學(xué)特性決定（包括受電弓），但也受軌道系統(tǒng)、氣流和懸鏈線系統(tǒng)干擾影響。

基于軌道車輛的接觸網(wǎng)-氣流-機(jī)電系統(tǒng)的車輛受電弓耦合系統(tǒng)如圖2所示。該系統(tǒng)包括會(huì)產(chǎn)生直接影響列車運(yùn)行行為及其動(dòng)力學(xué)特性的各種因素，如軌道、受電弓和懸鏈線、氣流等，電源和信號(hào)系統(tǒng)[5]。

動(dòng)力學(xué)研究貫穿于高速列車的設(shè)計(jì)、應(yīng)用與維護(hù)。其首要任務(wù)是優(yōu)化設(shè)計(jì)。動(dòng)力學(xué)研究應(yīng)該考慮列車運(yùn)行中的各種邊界條件，包括懸鏈線結(jié)構(gòu)和參數(shù)、軌道結(jié)構(gòu)以及參數(shù)、氣流方向和速度。其核心目標(biāo)是穩(wěn)定性、乘坐舒適性、安全性和可靠性以及經(jīng)濟(jì)性（抗拖曳和再生制動(dòng)）和環(huán)境友好（噪音）[6]。在實(shí)際工程建設(shè)中，主要任務(wù)是提高臨界轉(zhuǎn)速，同時(shí)減小振動(dòng)，空氣動(dòng)阻力，并改善車輪和軌道之間兩者之間的相互作用，以及受電弓和懸鏈線之間相互影響，這些目標(biāo)正是高速動(dòng)力學(xué)研究的目標(biāo)[7]。

3? 提出問(wèn)題

近幾年來(lái)，我國(guó)高鐵技術(shù)迅猛發(fā)展，已經(jīng)遙遙領(lǐng)先全世界。目前，我國(guó)高速列車運(yùn)行速度已經(jīng)提高到了世界軌道交通商業(yè)運(yùn)營(yíng)速度的空白區(qū)，隨著高速列車的速度一點(diǎn)點(diǎn)的提高，我們面臨的難題更是成倍增長(zhǎng)，所以關(guān)于半主動(dòng)懸掛系統(tǒng)列車提出問(wèn)題。過(guò)去關(guān)于半主動(dòng)懸掛系統(tǒng)的研究大多都集中在平穩(wěn)性改善方面上，然而高速條件下不但要關(guān)注平穩(wěn)性的改善，更應(yīng)該首先關(guān)注半主動(dòng)懸掛列車的穩(wěn)定性問(wèn)題。

4? 結(jié)論

高速發(fā)展與進(jìn)一步創(chuàng)新鐵路將永遠(yuǎn)建立在堅(jiān)實(shí)的理論研究基礎(chǔ)之上。為此，作者致力于將傳統(tǒng)的車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論擴(kuò)展到更高更完整的層次，包括軌道、受電弓-接觸網(wǎng)、電源、氣流等。

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