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铁路运输设备,第一节 铁路运输概述第二节 铁路线路与车站第三节 铁路车辆与牵引动力第四节 铁路信号与通信设备第五节 高速铁路,第五节 高速铁路High-Speed Railway,本节要点了解世界高速铁路的发展情况及发展模式熟悉高速铁路的技术优势掌握高速铁路线路、机车车辆、通信信号、控制系统的基本特征了解磁悬浮铁路,一、绪论二、高速铁路的线路三、高速铁路的牵引动力四、高速铁路的车辆五、高速铁路的信号与控制系统六、高速铁路的通信系统七、磁悬浮铁路简介,内容提要,一.绪论,1.1兴建高速铁路是客运市场发展的必然趋势1.2世界高速铁路的发展情况及主要模式1.3高速铁路的技术优势,1.1兴建高速铁路是客运市场发展的必然趋势,1825-1950,铁路运输处于垄断地位50年代后受到了公路航空的挑战根据“旅行时间”最短的法则，在主要优势为短途运输的公路和主要优势为长途运输的航空之间，仍然为铁路留有广宽的发展空间。（见图）,高速铁路的优势距离,三种不同速度的高速列车的优势距离比较,210 km/h时，300500km 250 km/h时，250600km 300km/h时，200800km,高速铁路与公路、航空、水运等客运方式是一种既相互竞争，又相补充的关系兴建高速铁路是客运市场发展的必然趋势。,高速铁路技术是当代世界铁路的一项重大技术成就，它集中地反映了一个国家铁路牵引动力、线路结构、运行控制、运输组织和经营管理等方面的技术进步，也体现了一个国家的科技和工业水平。高速铁路在经济发达、人口密集的地区经济效益和社会效益突出。,1.2国外高速铁路的发展动态（1）,1.2国外高速铁路的发展动态（2）,自1964年日本东海道新干线以时速210公里的高速铁路投入运营以来，发达国家及一些发展中国家和地区竟相投资修建高速铁路。法、德、意、英、苏、瑞典、奥地利、西班牙、澳大利亚、美国、加拿大、巴西、南朝鲜和我国台湾等20多个国家和地区，都先后修建了高速铁路或制订了修建高速铁路计划。,1.2国外高速铁路的发展动态（3）,据不完全统计，目前全世界开行时速200km及以上的高速铁路已超过10000km。以下是几个主要国家的高速铁路发展情况,法国TGV,运行于巴黎-里昂高速铁路的TGV,更舒适的TGV,欧洲之星,Eurostar,Thalys,Thalys and Eurostar,德国ICE,ICE1高速列车,ICE2高速列车ICE3高速列车,ICE-V高速列车,日本高速新干线铁路网,100系列高速列车,0系列高速列车,200系列高速列车,300系列高速列车,400系列高速列车,500系列高速列车,E1系列高速列车,E2系列高速列车,E3系列高速列车,比利时高速铁路示意图,1.2国外高速铁路的发展动态（4）,结论日本、西欧高速铁路项目已经进入成熟发展期东欧国家铁路的规划向西欧靠拢新一轮的高速铁路建设高潮即将到来。,1.2 高速铁路发展的主要模式,高速铁路按其不同的建造和运营方式可分为三种类型:1)既有线改造提速型（法国）2)新建客、货共线型（德国）3)新建客运专用型（日本）,1.3高速铁路的技术优势,高速铁路与公路、航空相比，其主要技术优势表现在：1）速度快、旅行时间短。2）行车密度高、运量大。3）高速列车乘座舒适性好。4）土地占用面积小。5）能耗低。6）环境污染小。7)外部运输成本低。8)列车运行准点。9)安全可靠。10)不受气候影响，全天候运行。11)社会经济效益好。,能耗低,一人使用1KWh的能源，乘坐不同的交通工具所能旅行的最长距离见图1.3一1。,环境污染小,交通工具排放到大气中有害物质有碳化物，氮化物，硫化物等，而其中的CO球变暖而倍受关注。三种交通工具排放有害物质的统计资料见图1.3一2。,列车运行准点,日本新干线平均晚点不超过1min。西班牙AVE高速列车承诺晚点5min退赔全部票款。法国,小结,从发达国家的高速铁路建设可知，兴建高速铁路是客运市场发展的必然趋势，高速铁路以其运距和技术优势，在市场中占据了一席之地，为铁路发展开辟了一条新路。,二.高速铁路的线路,线形变化平缓的线路平纵断面高速铁路的环境保护与列车风的影响及对策高速铁路轨道技术监测与维修、养护与管理小结,2.1线路平纵断面（平缓）,大幅度提高平面最小曲线半径标准平缓过渡的缓和曲线增长夹直线、圆曲线最小长度增大竖曲线半径世界上已建及在建、筹建中高速铁路线路平纵断面设计标准,2.2高速铁路的环境保护与列车风的影响及对策,噪声及其防治高速铁路的其他污染问题与对策列车风的影响与对策,噪声与列车速度的关系,各国铁路对躁声的规定值,高速铁路对环境污染的种类及其产生源,2.2.3 列车风的影响与对策,列车风对线路两侧的影响 列车高速运行时，列车风对线路两侧会产生一定压力，对沿线人员及建筑物造成一定的危害。高速铁路线路两侧修筑的隔音墙，列车风对高架桥维修通路的影响 当高速列车通过高架桥时会产生较大的列车风和列车风压。它将从生理上和心理上影响人身安全。轨道中心线间的距离为3.3米至3.6米，不足此数者，须增设避车台。,2.2.3 列车风的影响与对策,列车风对列车会车的影响 两个列车在双线上会车时,它们的头部产生的空气压力波(列车凤)相互作用在对方的侧面，可能会产生危险。高速复线的线路间距，按最高速度的不同，应在4.2米以上，可使列车或旅客免受列车风的危害。隧道内列车风的影响 高速列车在隧道内的空气动力作用要比在露天环境中强烈的多。合理地布置隧道中的通风井，可以使隧道内的空气压力变化减少达50%,2.3 高速铁路轨道技术监测与维修、养护与管理,高速铁路线路的维修养护与管理在工作内容及方法和常规线路有所区别高速铁路轨道设备磨损较快,更新周期短,轨道设备的运送、组装等都采用工厂化、机械化施工方式对轨道的管理，除正常磨耗、锈蚀等一般性检查外，还要用钢轨擦伤检查车和超声波探伤机进行周密检查,小结,在高速铁路上,，随着列车运行速度的提高，要求线路的建筑标准也越高为了适应高速运行和繁重运输任务的要求，必须加强线路的检测、监视和维修养护工作，采用先进的设备，以保证线路的质量和行车安全。振动和噪声以及由此而产生的污染与危害是高速列车运行带来的一个突出的也是比较复杂的问题。减轻和控制由此而产生的公害，将关系到高速铁路的发展前景。,三.高速铁路的牵引动力,高速铁路的电力传动动力车车体走行部制动牵引供电系统高速列车的牵引动力小结,3.1高速铁路的电力传动,高速列车牵引动力的核心技术是交直交变流技术采用交流电机时，网上的单相交流电经变压、整流之后，还必须通过逆变器变成三相交流电，才能作为交流电机的驱动电流。通过对交流电电压和频率的控制和调整，再由直流变三相交流。,3.2 动力车车体,车体结构轻量化 车体外形要符合空气动力性能的要求,3.3 走行部,客车转向架动力转向架,客车转向架,稳定性舒适性曲线通过性能轻量化动力转向架的牵引电机悬挂和传动技术,对于高速客车转向架的主要技术要求归纳为：,3.3.2 动力转向架,动力转向架和拖车（客车）转向架的最大区别在于要产生和传递牵引力和动力制动力。根据牵引电机悬挂方式的不同可将转向架分为“架悬式”、“体悬式”、“半体悬式”,3.4 制动,高速列车制动特点制动方式高速列车复合制动系统制动距离制动时的乘客舒适性制动系统的可靠性和安全性,3.4.1高速列车制动特点,高速列车的制动与常速列车的制动，原理相同。但由于高速列车的速度很高，动能很大，要在规定的时间和距离内将这些动能消耗或吸收，用常速列车的单一闸瓦制动方式是无法达到的。因此，高速列车的制动必需采用综合方式，即多种制动协调使用，方能获得较好的效果。,3.4.2 制动方式,摩擦制动:1)闸瓦制动（又称踏面制动）2)盘型制动 3)摩擦式电磁轨道制动 动力制动 1)电阻制动 2)再生制动 3)电磁涡流制动,部分高速列车制动方式一览表,3.4.4 制动距离,控制制动距离，保证制动时乘客的舒适性，保证制动系统的可靠性。列车的制动距离与列车的速度和制动方式有关。列车紧急制动距离随行车速度以高于1次方的比例增加，300km/h的高速列车以紧急制动、0.8常用制动系数和0.5常用制动系数制动停车，其制动距离分别为4500、5200和7700m，相当与长度为1500m的闭塞区间分别为3、4、6个。即使采用四显示信号也不能满足在两个闭塞区的停车的要求，因此，高速列车的制动必须采用包括空气制动（踏面制动和盘形制动）、动力制动和非粘着制动（磁轨制动和涡流制动）在内的复合制动方式，以提供强大的制动力。,旅客列车的制动距离限制(m),小结,高速牵引动力是实现高速列车的重要技术关键之一。高速牵引动力本身又涉及许多方面的新技术：要实现计现有机车更大的牵引功率及牵引力的新型动力装置和传动装置；牵引动力的配置已不能局限于传统的机车牵引方式，而采用分散的或相对集中的动车组方式；高速条件下新的制动技术；高速电力牵引时的受电技术；适应高速列车要求的车体及走行部的结构以及减少空气的阻力的新的外形设计等。这些都是发展高速牵引动力必须解决的具体技术问题。,四.高速铁路的车辆,高速列车的车体高速铁路的牵引缓冲装置高速铁路的制动装置小结,4.1高速列车的车体,车体结构轻量化流线型外形提高气密性提高隔声性能防火措施,日本100系和300系车辆重量比较,4.1.2 流线型外形,减少列车运行阻力，车体结构设计应最大可能的减少列车运行阻力。进一步减少能耗，列车阻力是速度的二次函数，列车速度提高后空气阻力非常突出，当速度提高到30Qkmh时，空气阻力的占总阻力的8590。,4.1.3 提高气密性,车体气密性要求，当高速列车通过隧道或两列高速列车交会特别是在隧道内会车时，车外气压在短时间内会产生很大的压力波动，这种压力波动大小几乎与列车运行速度的平方成正比地增加，如果车体结构不完全密封，车外的压力波会迅速地传至车内，使车内的压力产主较大的波动，旅客会感觉到声浪冲击耳膜的感觉，令人难人忍受，因而影响了旅客的舒适性，提高车体的气密性是发展高速列车的一项关键技术。,100系列高速列车内部,ICE3一等车内部,ICE1-2一等车内部,TGV一等车内部,TGV二等车内部,4.2 高速铁路的牵引缓冲装置,高速旅客列车要求车钩的纵向间隙小，风管、电气线路能自动对接；缓冲器容量适当，柔性较好；整个系统的重量要轻,4.3高速铁路的制动装置,高速客车的制动方式充分利用和改善粘着高速客车的基础制动装置,高速客车在设计制造中必须重点解决以下技术问题：研制在高速运行条件下动力性能良好的转向架优良的制动系统车体结构轻量化，并具有良好的空气动力性能此外，还有控制噪声、提高气密性、强化防火措施和空气调节设施等等,5.高速铁路的信号与控制系统,概述高速铁路列车运行自动化系统的构成及功能高速铁路行车指挥自动化系统的构成及功能小结,5.1高速铁路信号与控制系统的基本组成,列车自动控制系统(ATCS),行车指挥自动化系统(ATS-Automatic Train Supervision),列车运行自动化,列车制动防护(ATP-Automatic Train Protection),列车自动驾驶(ATO-Automatic Train Operation),列车自动控制系统框图,5.2 高速铁路行车指挥自动化系统的构成及功能,构成高速铁路行车指挥系统的基本思路：取消分散安装再线路两侧传统的信号设备，将列车运行指挥控制中心集中与地面的高度中心。在调度中心控制范围内，有车载计算机辅助司机操纵列车运行。,调度中心计算机自动跟踪列车运行并向列车传递运行计划与控制命令。调度员监督计算机的工作并给予必要的辅助调度。利用有线与无线的数据传输网络为调度中心与列车之间进行双向信息传递。调度中心计算机在调度中心运行过程中，向车站各分机分区、分时地下达列车运行计划。各车站的控制分机根据中心计算机的运行计划，直接控制现场的有关连锁设备与进路。,指挥中心微机数据网,列车自动控制系统示意图,微机连锁系统框图,5.3高速铁路列车运行自动化系 统的构成及功能,系统的构成无绝缘多信息轨道电路点式查询应答器微机化列车自动控制设备高速铁路区间闭塞设备的过渡方案,5.3.1 系统的构成,5.3.2 无绝缘多信息轨道电路,5.3.2 无绝缘多信息轨道电路,小结,高速铁路的信号与控制系统，是高速列车安全、高密度运行的基本保证。高速铁路的信号与控制系统是微机控制与数据传输于一体的综合控制与管理系统，是当代铁路适应高速运营、控制与管理而采用的新综合性高技术。,六.高速铁路的通信系统,概述有线通信无线通信数据通信与数字网图象通信信息处理系统小结,6.1概述,高速铁路通信的特点:通信应具有高可靠性，以保证列车的高速安全运行。通信应保证运营管理的高效率。通信与信号系统紧密结合，形成一个整体。通信与计算机和计算机网相结合，形成一个现代化的运营、管理、服务系统。通信应完成多种信息的传输和提供多种通信服务。多种通信方式结合形成同意的铁路通信网。,法国TGV的通信系统概况,6.2 有线通信（一）,铁路有线通信主要用来解决铁路沿线长途干线以及中途地区间信息的传输。,6.3 无线通信,固定无线通信移动无线通信 1、列车无线通信 2、防护无线通信 3、列车运行自动化系统的无线通信旅客无线通信卫星通信的应用,法国TGV大西洋线地面与列车无线通信(含数据传输网),各种通信的接口,6.4 数据通信与数字网,数据通信 1）数据交换网 2）传真交换网 3）数据传输设备数字网,6.5 图象通信,传真电报工业电视电视会议系统图象传输方式,6.6 信息处理系统,旅客系统 可视图文信息系统货物系统运输系统新干线信息管理系统,小结,通信在高速铁路的运输中起着神经系统和网络的作用。要保证指挥列车运行的各种调度指挥命令信息的传输；为旅客提供各种服务的通信；为设备维修及运营管理提供通信条件。,七.磁悬浮铁路简介,概述磁悬浮铁路的基本制式和工作原理磁悬浮铁路的车辆磁悬浮铁路的线路磁悬浮铁路的社会经济效益我国磁悬浮列车的发展前景小结,7.1 概述,与传统铁路相比，磁悬浮铁路由于消除了轮轨之间的接触，时速可达500公里以上；无废气排出和污染，有利于环境保护；由于磁悬浮系统采用导轨结构，不会发生脱轨和颠覆事故、车轮、接触导线等摩擦部件，可以省去大量的维修工作和维修费用,日本于1972年用ML100型试验车实现了60公里小时的磁悬浮运行。1975年着手修建宫崎试验线。1977年开始对倒T型导轨和跨座式ML500型试验车进行了无人驾驶的试验。1979年12月，在九州宫崎试验线上创造了517公里小时的速度记录。但因常温下的超导材料尚未出现，还未能投入商业性的载人运行。,世界磁悬浮铁路的试验与发展,七、日本MLX-01磁悬浮高速列车,新型新干线200系列（1999年3月投入使用）,德国从1968年开始研究磁浮列车。1983年在曼姆斯兰德建设了一条长32公里的试验线，已完成了载人试验。他们采用的TR06型试验车，在该线上创造412公里小时的记录；并打算进一步突破500公里小时。英国于1973年开始进行磁悬浮铁路的研究，经过20多年的研究和试验，于1984年4月，从伯明翰机场至国际车站之间开通运行了低速磁悬浮列车，平均速度为25公里小时，这是目前世界上唯一投入商业性运行的磁悬浮铁路。,世界磁悬浮铁路的试验与发展,经过了各国多年的试验以后，一般认为，短途磁浮运输速度一般为200公里小时，用于连接机场和市中心；中程磁浮运输速度为300公里/小时，适用于城市间运输；长途磁浮运输速度一般在300公里小时以上，适用于远距离运输。几年来的运行实践证明，常导磁吸式悬浮系统、直线异步电机推进的高架低速磁浮列车，适用于城市内的公共交通和郊区客运。,世界磁悬浮铁路的试验与发展,7.2 磁悬浮铁路的基本制式和工作原理,悬浮原理导向原理推进原理,悬浮原理,常导磁吸式（EMS型）是利用装在车辆两侧转向架上的常导电磁铁（悬浮电磁铁），和铺设在线路导向轨上的磁铁，在磁场作用下产生的吸引力使车辆浮起，车辆和轨面之间的间隙与吸引力的大小成反比。超导磁斥式（EDS型）此种型式在车辆底部安装超导磁体（放在液态氦贮存槽内），在轨道两侧铺设一系列铝环线圈。列车运行时，给车上线圈（超导磁体）通电流，产生强磁场，地上线圈（铝环）与之相切割，在铝环内产生感应电流。感应电流产生的磁场与车辆上超导磁体的磁场方向相反，两个磁场产生排斥力。当排斥力大于车辆重量时，车辆就浮起来。,磁悬浮原理比较图,导向原理,常导磁吸式的导向系统，是在车辆侧面安装一组专门用于导向的电磁铁，当车辆运行发生左右偏移时，车上的导向电磁铁与导向轨的侧面相互作用，产生一种排斥力，使车辆恢复到正常位置，和导轨侧面之间保持一定的间隙。当车辆的运行状态发生变化时，例如运行在曲线或坡道上时，控制系统通过对导向磁铁中的电流进行控制来保持这一侧向间隙，从而达到控制列车运行方向的目的。,超导磁斥式的导向系统，可以采用以下三种方式构成：在车辆上安装机械导向装置实现列车导向。在车辆上安装专用的导向超导磁体，使之与导轨侧向的地面线圈或金属带产生磁斥力，该力与列车的侧向作用力相平衡，使列车保持正确的运行方向。利用磁力进行导引的“零磁通量”导向系统。,导向原理,推进原理,磁悬浮列车由于悬浮起一定的高度，使车轮与钢轨脱离，故不能依靠它们之间的摩擦力产生牵引力使车辆前进，而是采用一种叫做直线电机的推进装置作为列车的牵引动力。直线电机是从旋转电机演变而来的，它的基本构成和作用原理与普通旋转电机类似，就如同将旋转电机沿半径方向切开展平而成。于是，其传动方式也就由旋转运动变为直线运动。,7.3 磁悬浮铁路的车辆,车辆是磁悬浮铁路的重要组成部分,是一种不与地面接触的运载工具。从此悬浮铁路产生到现在，随着时代的发展和制式的不同要求车辆了不断地更新。日本从1962年起，经过广泛深入的分析和论证，决定采用超导磁斥式悬浮系统。德国从70年代初开始研制磁悬浮列车，采用常导磁吸式。,7.4 磁悬浮铁路的线路,线路，作为磁悬浮铁路的基本组成部分和走行基础，在构造上应能满足磁悬浮列车的基本要求。因为磁悬浮列车不但在构造和原理上与传统铁路不同，而且采用不同的悬浮方式，对线路的要求也不一样。磁悬浮铁路的悬浮、导向和推进设备，无论什么型式，总有一部分安装在车辆上，而另徊糠职沧霸谙呗上，因此线路结构必须与之相适应。尤其是直线电机，对线路平面的要求是较为严格的。,7.4 磁悬浮铁路的线路,磁悬浮铁路与现代铁路一样，可以修建在路基上或类似地下铁道的隧道内，或者修建在高架桥上。采用最多的是高架式线路。磁悬浮列车施加于线路上的载荷，与传统铁路不同，并非集中荷载，而是分布荷载。因此，其桥梁设计荷载不但大大低于传统铁路，甚至低于公路。于是，磁悬浮铁路的高架桥体尺寸可以明显减小，造价也可大大降低。,磁悬浮铁路高架的横断面,U型线路结构图,磁悬浮列车导轨装置,道岔转换装置,7.5磁悬浮铁路的社会经济效益,速度高，旅行时间短对社会无公害、无污染能源消耗低故障少，维修费用低造价相对不高旅行环境舒适、经济,磁悬浮铁路与其他高速交通工具的比较,7.6我国磁悬浮列车的发展前景,我国对磁悬浮列车的研究起步较晚。但是随着国家现代化建设的发展，采用先进的磁悬浮列车运输系统，快速、安全、经济而无公害地输送旅客，已经提到日程上来。1989年3月，我国第一台磁悬浮实验车，在湖南长沙国防科技大学诞生了。该实验车长12米，宽和高均为05米，重量为110公斤，悬浮高度为3毫米。运行速度为10米秒。,7.6我国磁悬浮列车的发展前景,该实验车采用常导磁吸式控制系统，由反馈控制系统、位移传感器、电流驱动器、电磁铁、感应式直线电机及其驱动电路等组成。磁悬浮列车在我国具有广泛的应用前景：既可用于城市间运输，又可用于城市和郊区之间的运输，特别是从大城市中心至卫星城或机场间的运输；以及市内运输等方面。,小结,磁悬浮铁路是现代高速铁路技术的代表，如能在我国实现商业运营将极大的推动我国铁路事业的发展，给社会创造巨大的经济效益。我们期待着磁悬浮铁路这一未来最具有竞争力的交通工具早日在我国迈入实用性阶段。,总结,高速铁路是成熟的正在大力发展的高新技术，由于其独特的技术优势，代表了城际轨道交通的发展方向；高速铁路线路的平纵断面标准提高机车车辆车体轻量化、设计流线型通信信号、控制系统集中化、数字化磁悬浮铁路需要进一步研究与实践,