世界高鐵技術(shù)探索

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高鐵技術(shù)顧名思義高速鐵路技術(shù)。根據(jù)國際鐵道聯(lián)盟的定義，高速鐵路是指營運速率達(dá)每小時200公里的鐵路系統(tǒng)(也有250公里的說法)。適合高速鐵路的生存環(huán)境其實只有兩條基本原則：第一是人口稠密和城市密集，而且生活水準(zhǔn)較高，能夠承受高速輪軌比較昂貴的票價和多點?？?，第二是較高的社會經(jīng)濟(jì)和科技基礎(chǔ)，能夠保證高速輪軌的施工、運行與維修需要。 　　高速鐵路技術(shù)除了在列車在營運達(dá)到速度一定標(biāo)準(zhǔn)外，車輛、路軌、操作都需要配合提升。廣義的高速鐵路技術(shù)包含使用磁懸浮技術(shù)的高速軌道運輸系統(tǒng)。世界知名的高鐵技術(shù)主要有：新干線技術(shù)、TGV技術(shù)、ICE技術(shù)、Talgo技術(shù)、擺式列車、磁懸浮。 　　新干線技術(shù) 　　世界上首條出現(xiàn)的高速鐵路是日本的新干線，于1964年正式營運。日系新干線列車由川崎重工建造，行駛在東京-名古屋-京都-大阪的東海道新干線，營運速度超過每小時200公里。 　　當(dāng)時的東京至大阪“東海道”線僅用8年時間就收回全部投資。近年來，新干線技術(shù)不斷進(jìn)步，已經(jīng)構(gòu)成了日本國內(nèi)鐵路網(wǎng)的主干部分。新干線修建之后對于日本經(jīng)濟(jì)的拉動也是引起世界高速鐵路建設(shè)狂潮原因之一。 　　新干線以“子彈列車”聞名。新干線于東京奧運前夕開始通車營運，第一條路線是連接?xùn)|京 　　與新大阪之間的東海道新干線。新干線的軌距屬于標(biāo)準(zhǔn)軌(1435mm)。除了迷你新干線的路段外，列車運行車速可達(dá)到每小時270或300公里，但在進(jìn)行高速測試時，則曾創(chuàng)下每小時443公里的最高紀(jì)錄(由955系(300X)在1996年時所創(chuàng)下)。 　　日本新干線技術(shù)成熟，運行穩(wěn)定，安全性較高，運行47年來，還沒有發(fā)生人為致死的事故，號稱為全球最安全的高速鐵路之一。新干線的穩(wěn)定運行全靠日本成熟的的高鐵調(diào)控制技術(shù)，列車發(fā)車間隔可以縮短至5分鐘，是世界上屈指可數(shù)的幾種適合大量運輸?shù)母咚勹F路系統(tǒng)之一。 　　除此之外由于全部列車都采用動力分散式設(shè)計，新干線也是世界上行駛過程最平穩(wěn)的列車之一。于2007年2月1日開始營運的臺灣高速鐵路即采用新干線系統(tǒng)作為基礎(chǔ)，也是新干線技術(shù)首次向海外輸出。 　　新干線采用動力分散的運行方式，而不是用機(jī)車(火車頭)牽引。所謂動力分散，就是每節(jié)車廂的車輪都安裝了驅(qū)動裝置——電動機(jī)，將列車的動力分散到各節(jié)車廂。傳統(tǒng)的機(jī)車牽引方式需要依靠機(jī)車提供牽引力，是以較少的驅(qū)動輪對帶動整列列車行走，為了有效利用牽引功率和防止機(jī)車主動輪空轉(zhuǎn)，就需要在機(jī)車上加上很大的重量，從而加大了對軌面的壓力，增加建設(shè)和維修成本。新干線采用動力分散方式，以每節(jié)車廂的車軸作為驅(qū)動，不需要沉重的機(jī)車，由此車廂的軸重便可大大減輕，不僅易于加減速和在大坡度線路上的平穩(wěn)行駛，也降低了噪音和振動，大大提高了旅行舒適性，同時，由于降低了對軌面的壓力，既降低了建設(shè)成本，又提高了經(jīng)濟(jì)效益。 　　隨著半導(dǎo)體技術(shù)的迅速發(fā)展和應(yīng)用，新干線列車的制動系統(tǒng)由原來的空氣制動改為電-空聯(lián)合制動與再生制動，使用再生制動的列車在制動時會將電機(jī)的接線反接，這時電動機(jī)就變成了發(fā)電機(jī)，將列車制動時的巨大動能轉(zhuǎn)化為電能，發(fā)出的電能通過轉(zhuǎn)換以后可回饋牽引電網(wǎng)進(jìn)行重新利用，從而可節(jié)省能源。同時，列車的電氣控制系統(tǒng)由GTO控制(逆變器控制)轉(zhuǎn)向了更先進(jìn)的VVVF控制(交流電變頻控制)，進(jìn)一步提高了運行效率，節(jié)省了耗電。 　　最早的新干線“0”系列開通于1964年，1999年后，全部轉(zhuǎn)交JR西日本，在山陽新干線(岡山～博多南間)執(zhí)行站站停車的“回聲”班次。由于機(jī)械壽命和經(jīng)濟(jì)性的原因，所執(zhí)行的定期班次已于2008年11月30日正式退役。而其執(zhí)行的班次由后續(xù)車型100系繼承。 TGV技術(shù) 　　TGV列車最早的原形是TGV001。它以燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)為動力，在1972年11月8日創(chuàng)造了時速318公里的世界紀(jì)錄。這種車在試驗中曾175次跑出超過300公里的時速。新型TGV取得了出人意料的成功，打敗了巴黎到里昂的航空運輸業(yè)，很快就盈利了，僅僅用十年的時間就完全抵償了其自身的營建成本。面對這一成功，法國政府開始看好這一新系統(tǒng)，并為進(jìn)一步開發(fā)高速路網(wǎng)提供了支持。TGV已經(jīng)成為法國的高技術(shù)象征。 　　TGV計劃開始于20世紀(jì)60年代。當(dāng)時，法國國家鐵路局(SNCF)認(rèn)識到，要與日益增長的私家車和快捷的空中交通競爭，他們除了提供快捷的速度外，別無他法。最初，這項計劃被認(rèn)為是走上了技術(shù)的“死胡同”。 　　當(dāng)時的業(yè)內(nèi)人士以為，鋼制輪軌系的技術(shù)已經(jīng)研究到底了，應(yīng)該是轉(zhuǎn)移到磁懸浮或噴氣動力式研究的時候了，因此，這項計劃在一開始沒有得到任何政府投資。SNCF對TGV的構(gòu)想是在列車保持兼容現(xiàn)有鐵路設(shè)施的條件下開發(fā)高速鐵路系統(tǒng)。這樣做，有利于最大程度利用現(xiàn)行的鐵道，特別是城市中心的鐵路設(shè)施。如果在這些城市中心新建高速火車系統(tǒng)，如火車站等，代價是讓人無法接受的。另一個好處是在現(xiàn)行鐵路的基礎(chǔ)上，用TGV列車達(dá)到部分高速鐵路的目標(biāo)，逐漸改進(jìn)現(xiàn)有鐵道系統(tǒng)，一步一步地實現(xiàn)鐵路高速化。至今，TGV已有數(shù)代，每一代有好幾種車型。 　　TGV高速列車提供了新型更快捷的出行方式。如巴黎和法國東部20個目的地之間更好更快捷的直達(dá)服務(wù)。(斯特拉斯堡、南錫、梅斯以及10個國際城市，諸如，法蘭克福、盧森堡、斯圖加特和蘇黎世。)包括法國的東部、巴黎大區(qū)、以及法國的北部、西部和西南部。很大程度上減少了旅途所需時間。2010年法國報紙有新聞表明下一代的AGV2將有兩種版本：動力分散和動力集中式，后者特供SNCF，相信是出于維護(hù)成本及經(jīng)濟(jì)效益上的考量而做出的決定。 　　ICE技術(shù) 　　德國的ICE則是目前高速鐵路中起步最晚的項目。ICE(InterCityExpress的簡稱)的研究開始于1979年，其內(nèi)部制造原理和制式與法國TGV有很大相似之處，目前的最高時速是1988年創(chuàng)下的409公里。因此現(xiàn)在德國與法國政府正在設(shè)計進(jìn)行鐵路對接，用各自的技術(shù)完成歐洲大陸上最大的兩個國家鐵路網(wǎng)的貫通。 　　ICE起步較晚和進(jìn)展比較落后的一個重要原因是德國人在高速輪軌和磁懸浮的兩線作戰(zhàn)。由于磁懸浮在設(shè)計理念上的先天優(yōu)勢(沒有固態(tài)摩擦)，德國的常導(dǎo)高速磁懸浮一直是其鐵路方面科研的重點。磁懸浮的設(shè)計理念與傳統(tǒng)意義上的輪軌完全不同，因此當(dāng)法國的TGV順利投入運行，而且速度不亞于當(dāng)時的磁懸浮時，德國人才開始在高速輪軌方面奮起直追，但是至今仍與法國TGV技術(shù)有不小的差距。 　　ICE的全稱是InterCityExpress，即城際快車。德國的高速鐵路利用了原有線路，所以火車平均速度不是很快(相對法日而言)，德國傳統(tǒng)鐵路營運時速原來就有200公里，在1991年配合漢諾威-烏茲堡間全長327公里和曼海姆-斯圖加特107公里高速鐵路竣工，ICE高速列車開始進(jìn)行商業(yè)運轉(zhuǎn)，其最高營運時速可達(dá)280公里。 　　德國鐵道在1979年試制成第一輛ICE機(jī)車。1982年德國高速鐵路計劃開始實施。1985年首次試車，以317時速公里打破德國鐵路記錄，1988年創(chuàng)造了時速406.9公里的記錄，在當(dāng)時堪稱世界第一。1990年一臺機(jī)車拖13輛車廂的ICE列車開始在烏茲堡到福爾茲之間的高速鐵路試運行，最高時速為310公里。 Talgo技術(shù) 　　用于未來西班牙高速鐵路商業(yè)運營的Talgo350型準(zhǔn)軌高速列車由1臺動力車頭和6輛Talgo車輛組成。動力車頭采用了最新的空氣動力學(xué)知識，安裝了基于列車通信網(wǎng)絡(luò)TCN的電子控制裝置，集成了輔助逆變器的IGBT變流器和半彈性架支式懸掛的橫向傳動裝置。 　　擺式列車 　　擺式列車是一種車體轉(zhuǎn)彎時可以側(cè)向擺動的列車。擺式列車能夠在普通路軌上的彎曲路段高速駛過而無需減速。從國際趨勢來看，擺式列車很有可能是一種在大規(guī)模成熟鐵路網(wǎng)基礎(chǔ)上完成提速，而且性價比較高的高速鐵路技術(shù)。 　　德國、意大利和瑞典是最早進(jìn)行擺式列車試驗的國家，1997年以來擺式列車因為價格便宜和制造工藝相對簡單，尤其是能夠充分利用現(xiàn)有線路，不必鋪設(shè)全新的鐵路網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢，而逐漸能夠在高速列車的競爭上與高速輪軌和磁懸浮分庭抗禮。 　　擺式列車可在極舒適和安全條件下，行駛到每小時250公里。大幅度削減乘客離心加速度，復(fù)雜精密的多向懸乘系統(tǒng)，以及高科技隔音、加壓和空調(diào)系統(tǒng)使擺式列車具有環(huán)境概念設(shè)計的列車有著最高的舒適度。并且，擺式列車不但不需要另外新建軌道，對現(xiàn)有的軌道損害也較小。因為沒有額外的施工建設(shè)，不僅節(jié)省投資，而且擺式列車對環(huán)境的影響也最小。 　　擺式列車發(fā)展方案是采取模組式轉(zhuǎn)向架，動力和輔助系統(tǒng)設(shè)計，和中空擠壓式鋁型材加工的概念。動力可以采用柴油引擎(電力或油壓式)，或多伏電力馬達(dá)，也可以安裝各種冷暖氣設(shè)備，可以在任何氣候條件下行駛。所有系統(tǒng)都配有電氣、電子以及輔助系統(tǒng)，符合嚴(yán)格的國際慣用安全標(biāo)準(zhǔn)。 　　擺式列車有兩種剎車系統(tǒng)，速度在每小時250公里到45公里時用的是電動及氣壓式系統(tǒng)，速度在每小時45公里以下用的是氣壓式圓盤剎車裝置。未了避免不同的車輪與軌道作用力而產(chǎn)生不同的剎車距離，擺式列車還有一個裝有感應(yīng)點的止滑裝置。 磁懸浮技術(shù) 　　磁懸浮技術(shù)的研究源于德國，早在1922年，德國工程師赫爾曼·肯佩爾就提出了電磁懸浮原理，并于1934年申請了磁懸浮列車的專利。1970年以后，隨著世界工業(yè)化國家經(jīng)濟(jì)實力的不斷加強，為提高交通運輸能力以適應(yīng)其經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，德國、日本等發(fā)達(dá)國家以及中國都相繼開始籌劃進(jìn)行磁懸浮運輸系統(tǒng)的開發(fā)。 　　磁懸浮是利用懸浮磁力使物體處于一個無摩擦、無接觸懸浮的平衡狀態(tài)，磁懸浮看起來簡單，但是具體磁懸浮懸浮特性的實現(xiàn)卻經(jīng)歷了一個漫長的歲月。由于磁懸浮技術(shù)原理是集電磁學(xué)、電子技術(shù)、控制工程、信號處理、機(jī)械學(xué)、動力學(xué)為一體的典型的機(jī)電一體化高新技術(shù)。伴隨著電子技術(shù)、控制工程、信號處理元器件、電磁理論及新型電磁材料的發(fā)展和轉(zhuǎn)子動力學(xué)的進(jìn)一步的研究，磁懸浮隨之解開了其神秘一方面。 　　磁懸浮列車是一種靠磁懸浮力(即磁的吸力和排斥力)來推動的列車。由于其軌道的磁力使之懸浮在空中，行走時不同于其他列車需要接觸地面，因此只受來自空氣的阻力。磁懸浮列車的最高速度可達(dá)每小時500公里以上，比輪軌高速列車的300多公里還要快。 　　利用“同性相斥，異性相吸”的原理，讓磁鐵具有抗拒地心引力的能力，使車體完全脫離軌道，懸浮在距離軌道約1厘米處，騰空行駛，創(chuàng)造了近乎“零高度”空間飛行的奇跡。世界第一條磁懸浮列車示范運營線——上海磁懸浮列車，建成后，從浦東龍陽路站到浦東國際機(jī)場，三十多公里只需6～7分鐘。 　　上海磁懸浮列車時速430公里，一個供電區(qū)內(nèi)只能允許一輛列車運行，軌道兩側(cè)25米處有隔離網(wǎng)，上下兩側(cè)也有防護(hù)設(shè)備。轉(zhuǎn)彎處半徑達(dá)8000米，肉眼觀察幾乎是一條直線;最小的半徑也達(dá)1300米。乘客不會有不適感。軌道全線兩邊50米范圍內(nèi)裝有目前國際上最先進(jìn)的隔離裝備。 　　磁懸浮列車需要高架，高架梁的撓度必須小于1毫米，因此，高架橋跨一般要小于25米，橋墩基礎(chǔ)要深30米以上。因此，在上海到杭州的地面上要形成一道200多公里的擋墻。此外，由于運行動力學(xué)的影響，軌道兩側(cè)各100米內(nèi)是不允許有其他建筑物的。 　　磁懸浮列車是21世紀(jì)理想的超級特別快車，世界各國都十分重視發(fā)展磁懸浮列車。至2012年，中國和日本、德國、英、美等國都在積極研究這種車。日本的超導(dǎo)磁懸浮列車已經(jīng)過載人試驗，即將進(jìn)入實用階段，運行時速可達(dá)500千米以上。