高速铁路关键技术.ppt

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1、高速铁路关键技术概论,钱 清 泉 院 士,2023/9/29,2,主要内容,我国交通运输发展的重要性轨道交通发展概述高速铁路发展概述高速铁路关键技术 桥隧 力学和钢轨 道岔 信号 接触网,路基 无渣轨道 高速列车 供电系统 牵引供电自动化系统,2023/9/29,3,我国交通运输发展的重要性（一）,交通运输在国民经济、社会发展和人民生活中起着重要作用，当今中国迫切需要现代化交通：1）社会稳定的需要 2）国家经济发展的重大需要 缓解运输能力不足的需要 运输成为制约国民经济发展的瓶颈 全面建设小康社会的需要 日常出行的要求提高，城市化进程加快,2023/9/29,4,我国交通运输发展的重要性（二）

2、,能源安全和环境保护的需要 据统计，我国交通运输装备消耗的石油资源占整 个石油资源的70，而汽车又占其消耗的70。3）加速产业发展和提高国际竞争力的需要 带动信息、材料、能源、制造等高新技术的进步和产业化进程 4）建立国家重新体系的需要 交通中真正的核心技术是买不来的,2023/9/29,5,不同的交通工具,轨道交通的作用在过去、现在和将来都是至关重要的。,传统火车,汽车,轮船,轨道交通,飞机,旅行者,受限,太昂贵,危险,太慢，服务差,安全、快捷,我国交通运输发展的重要性（三）,2023/9/29,6,我国交通运输发展的重要性（四）,几种交通运输模式的速度域,2023/9/29,7,我国交通运

3、输发展的重要性（四）,不同交通方式的能耗与污染对比,综合比较，轨道交通具有绿色、环保、安全、便捷、大容量、长距离等优点，国家已做出大力发展轨道交通的战略决策，在已批准的中长期铁路网规划中，确定到2020年将建设300km/h及以上的高速客运专线1.2万公里。,铁路的能耗和污染不足汽车和飞机的1/4,2023/9/29,8,轨道交通发展概述（一）,干线轨道交通,城市轨道交通,新型轨道交通,高速客运,重载货运,地 铁,轻 轨,单轨电车,郊区铁路,磁悬浮,轨道交通,不断涌现出各种新的原理,真空高速管道列车,轨道交通的分类：三大类,2023/9/29,9,轨道交通系统,线路与轨道：引导列车前进方向，同

4、时承受列车荷载并将其传至地基。,车辆：由悬挂、转向架、车厢等部分组成，是轨道交通系统中的重要组成部分。,供电系统：包括变电站、沿线供电线路、开关站及供电设备等。,控制系统：整个轨道交通系统的核心，它包括计划调度、设备监控、安全保护、维护管理以及基础信息系统等。,构成：可划分为四大要素,每一构成要素中均不断应用系列信息技术,我国轨道交通的发展概况（二）,2023/9/29,10,干线轨道交通高速客运,因此高速铁路得到快速的发展。,高速铁路的优点：,2023/9/29,11,国内外轨道交通发展现状和趋势,铁路客运高速化 1964年世界上第一条高速铁路正式运行 目前运行速度达到300km/h以上 我

5、国5次提速后，运行速度接近200km/h，与世界先进水平相比，我国高速铁路技术还存在较大差距。货运重载化和快捷化 澳大利亚、巴西、美国等，重载列车牵引质量超过 3万吨，甚至高达5万吨。我国大秦线，开通5000-10000吨级的重载列车，2004年底实现2万吨重载列车的开行。,2023/9/29,12,国内外轨道交通发展现状和趋势,城际轨道交通公交化 铁路发达国家，轨道交通公交化日益成为城际间、中心城市与卫星城市之间旅客运输的发展趋势 高速磁悬浮交通的崛起 磁悬浮列车的研究始于1932年，目前已发展了常导磁悬浮、低温超导磁悬浮和高温超导磁悬浮技术。日本低温超导磁悬浮列车创造581km/h，未商业

6、运行 上海浦东引进德国技术磁悬浮列车以430km/h运行 城市轨道交通蓬勃发展 城轨交通成为现代化城市最基本特征，纽约、巴黎、伦敦、慕尼黑、东京、莫斯科城轨里程数达到2500多公里我国:北京、上海、广州、天津、深圳、重庆、武汉、成都,2023/9/29,13,高速铁路发展概述,高速铁路是指由新一代列车提供的时速在200350km甚至更高的铁路快速运营服务。世界上最早开始高速铁路建设和运营的是日本，法国和德国等欧洲国家在高速铁路建设和运营方面取得商业上的成功。日本 1964年开始，新干线总长度达1835公里，高速列车客运量为世界之最，2000年客运周转量为712亿人公里 法国 1983年开通第一

7、条现代化高速铁路，现已建成1281公里，高速列车TGV运行速度为300350km/h，最高试验速 度为515.3km/h 德国 1985年开始研究ICE高速列车，1991年投入运营，有高速铁路700多公里，高速列车最高运行速度达330km/h,2023/9/29,14,我国和世界铁路最高运营速度和试验速度的增加对比,2023/9/29,15,我国对高速铁路的规划,在“十五”期间，国家加大了对铁路的投资力度，国家修建新线6000公里，复线3000公里，地方铁路1000公里；总投资3500亿。将筹建京沪高速铁路；将在全国建立“八纵八横”铁路网主骨架，形成以北京、上海、广州为中心的提速客运网，做到：

8、300500 公里范围内实现“朝发夕至”12001500 公里范围内实现“夕发朝至”20002500 公里内实现“一日到达”高速列车的运行速度达到200300 km/h，试验速度将达到350 km/h以上。“十一五”期间，国家将建9800公里高速客运专线铁路。,2023/9/29,16,我国客运专线及城际铁路的发展规划简介,“四纵”客运专线 北京-上海客运专线；北京-武汉-广州-深圳客运专线；北京-沈阳-哈尔滨(大连)客运专线；杭州-宁波-福州-深圳客运专线“四横”客运专线徐州-郑州-兰州客运专线；杭州-南昌-长沙客运专线；青岛-石家庄-太原客运专线；南京-武汉-重庆-成都客运专线三个城际客运

9、系统 环渤海地区、长江三角洲地区、珠江三角洲地区,高速铁路隧道的关键技术,隧道的空气动力学效应与隧道设计 隧道仰拱及铺底的设计 隧道工挖技术 大跨铁路隧道塌方预防 隧道防排水 特长隧道的地质工作,2023/9/29,18,隧道的空气动力学效应与隧道设计,空气动力学效应：隧道内压力波动、出口微气压波、隧道内行车阻力等随列车速度和阻塞比增大而增大。隧道空气动力学的研究成果为高速铁路隧道设计参数的选择和列车外形、结构强度的设计提供了重要的依据。,2023/9/29,19,缓解和消减空气动力学效应负面影响的措施合理加大隧道净空断面改善列车形状、加大车辆密封性选择合理的道床类型修建竖井和横洞等研究微压波

10、和洞口缓冲结构列车速度低于300km/h：不需设置洞口缓冲结构需预留洞口缓冲结构,中国在高速铁路隧道空气动力学方向进行的研究,2023/9/29,20,隧道仰拱及铺底设计,总体目标 保证隧道基底质量，避免基底“翻浆冒泥”现象。关键技术实施仰拱铺底的限裂设计设计隧道基底特殊部位改进传统仰拱铺底工艺,2023/9/29,21,隧道工挖技术,注重施工方法选择的多样性 特长隧道：TBM法中长或短隧道：矿山法特长大断面隧道：宜采用小直径TBM(直径34 m)加钻爆法扩大利用辅助坑道实现长隧短打高速铁路特长、长隧道较多，为了工期和消防救援以及维护管理的需要,需要通过辅助坑道来实现长隧短打合理确定开挖进度指

11、标,2023/9/29,22,大跨铁路隧道塌方预防,选择合理的大跨铁路隧道支护手段 及时封闭断面选择合理的大跨隧道衬砌时机建立量测体系实现信息反馈推广无尺量测技术,2023/9/29,23,隧道的防排水,防排水设计是高速铁路隧道的设计的基础防水方法为“以堵为主,限量排放”防水技术选择合理的防水材料 充分考虑辅助导坑防排水 合理设置中心水沟引进分区防水技术 对软弱围岩地段,预制排水沟纳入设计重视支护背后注浆技术,2023/9/29,24,特长隧道的地质工作,重视和加强勘察设计阶段的地质工作重视地质钻孔，特别是特殊地质地层分界的定位做好设计阶段的地质勘察工作掌握地层构造的三维技术和掌握高精度的地层

12、物性技术建立分层次的施工阶段地质预报工作根据隧道长度、工程地质的特性和地质灾害情况来确定所应采取的地质预报方法对长隧道、地质灾害地段隧道、大地电磁异常区要重点开展地质预报根据目标要求,采取多种预报手段相结合的综合超前预报方法,高速铁路桥的关键技术,桥梁结构高性能混凝土 桥梁架设设备,2023/9/29,26,桥梁结构,桥梁结构不同于普通I级铁路的特殊要求由于一次性铺设跨区间无缝线路,考虑桥上线路的安全,为了使钢轨受力不超过规定值,桥梁下部结构的纵向水平刚度必须要满足一定的限值。为了满足列车运行平稳和旅客乘坐舒适度的要求,桥跨结构的纵横向刚度要求较一般铁路有较大的提高。为了保证线路的平顺性和高速

13、行驶列车的安全与舒适,对桥梁的结构形式、桥与路之间的刚度平稳过渡、桥梁结构的工后沉降等,需要更加严格的要求。以上因素引起桥梁结构形式的变化,对于桥梁工程的施工组织和施工工艺都需要新的要求,这些施工要求反过来影响了桥梁的结构形式。,2023/9/29,27,桥梁新的结构形式,张法预应力混凝土箱形简支梁 配式双向预应力混凝土T 形简支梁 钢筋混凝土刚构连续梁 钢与混凝土结合连续梁 钢筋混凝土矩形双柱式桥墩 钢筋混凝土圆形双柱式桥墩 钢筋混凝土圆端形板式桥墩双线错置钢筋混凝土圆形桥墩 钢筋混凝土耳墙式桥台,2023/9/29,28,新的桥梁结构形式研究,进一步丰富桥梁结构形式 开发一些适合于特殊工点

14、（如斜交道路、沟渠较多和道路群较多的工点）的桥涵结构研究一些更适宜于斜交河流的桥墩形式，减少阻水面积研究简支箱梁设计和检测 适当提高箱梁设计预应力度进一步研究箱梁的抗裂性计算办法研究更加科学经济的检测办法优化设计刚构连续梁及钢混结合连续梁,2023/9/29,29,高性能混凝土,高性能混凝土是在传统混凝土中加入适量的超细矿物掺合料，如硅灰、超细粉煤灰和磨细矿渣等,并掺入适宜的高效复合减水剂,采用低水胶比配制而成。高性能混凝土应用于高速铁路桥梁工程是技术发展的必然趋势 具有优良的抗压、抗折和抗拉等力学性能 具有很好的抗渗、抗冻、抗碳化和抗化学侵蚀等耐久性能,2023/9/29,30,桥梁架设设备

15、,桥梁架设设备是架设的关键,架设设备的架设能力制约着桥梁结构型式的发展。国外高速铁路发展较早,架桥设备的发展较快,种类亦多。设计过的架桥机架设能力在20850吨,走行方式有迈步式、悬臂式、桁架铰接式、导梁式以及运架一体式。运梁方式有轮轨式及轮胎式。架设设备需要自主创新，以减少对国外设备的依赖性,降低工程造价。架设设备应朝着大跨度、大吨位和机械化的方向发展,以满足架设大吨位桥梁类型(至少32m 双线箱梁)的需要。架设设备需要研制开发先简支后连续的工艺,提出工艺原则和验收标准。,2023/9/29,31,JQ 600型架桥机,JQ 600型架桥机全貌,研制单位：武汉机械研究所使用范围：20、24m

16、双线箱梁 走行方式：迈步式 架设吨位/t：600 外型尺寸/m：57.4512.3014.42 支腿横向间距/m：5.95 运梁车类型：TE/600 轮胎式运梁车 轮胎总数：40 运梁车轴数：20 运梁车轴重/t：34 运梁车纵向最小轴距/m：1.8 运梁车横向两组轴距/m：5.3,2023/9/29,32,JQ600下导梁式架桥机,JQ600下导梁式架桥机全貌,研制单位：铁道部大桥工程局研制使用范围：20、24m双线箱梁走行方式：下导梁式 架设吨位/t：600外型尺寸/m：60153 支腿横向间距/m：6.4运梁车类型：论轨式运梁车 轮胎总数：64 运梁车轴数：32 运梁车轴重/t：22 运

17、梁车纵向最小轴距/m：1.0 运梁车横向两组轴距/m：4.0,2023/9/29,33,DF450型双悬臂桁架式架桥机,DF450型双悬臂桁架式架桥机全貌,研制单位：大方实业公司研制使用范围：20、24或32m 单线箱梁 走行方式：迈步式 架设吨位/t：450 外型尺寸/m：68.68.99.8 支腿横向间距/m：腹板中心线上 运梁车类型：轮胎式运梁车 轮胎总数：112 运梁车轴数：28 运梁车轴重/t：19.3 运梁车纵向最小轴距/m：1.55运梁车横向两组轴距/m：4.45,2023/9/29,34,SPJ450/32 拼装式架桥机,SPJ450/32 拼装式架桥机全貌,研制单位：石家庄铁

18、道学院研制使用范围：24、32m单线箱梁 走行方式：悬臂走行式 架设吨位/t：450 外型尺寸/m：8015.210.8 支腿横向间距/m：腹板中心上 运梁车类型：轮胎式运梁车 轮胎总数：144 运梁车轴数：18 运梁车轴重/t：37.4 运梁车纵向最小轴距/m：1.55 运梁车横向两组轴距/m：4.59,2023/9/29,35,高速铁路路基,路基是轨道结构的基础，高平顺性、高稳定性和刚度连续均匀变化的路基是确保轨道高平顺性的前提条件。最早修建的日本东海道新干线,由于路基的严重下沉,19651975 年间中断行车200 多次,列车平均运行速度降到100110 km/h 大大低于设计时速 22

19、0 km/h。为使列车安全、高速、舒适运行，并尽可能地减少养护维修工作量，严格控制路基变形和工后沉降十分重要。,2023/9/29,36,路基设计的关键技术,严格控制路基的工后沉降 严格控制路基的不均匀沉降严格控制路基刚度及其纵向变化的连续均匀性,2023/9/29,37,路基的工后沉降（一）,工后沉降是指路堤建成后铺轨时的路基剩余沉降，主要包括路基本体沉降和地基沉降。当路基沉降量偏大或沉降速率过大时，势必要造成轨道养护维修工作量的增大，一条经常维修的线路是很难保证其安全性。因此，路基的工后沉降量应越小越好，经综合技术经济比选确定,京沪客运通道路基工后沉降限值为5 cm 国外高速铁路的建设经验

20、证明，路基本体沉降约为路基填土高度的0.11%0.12%，且能在建成1 年内完成。秦沈客运专线的建设也证明了以上结论。因此，在目前路基本体填筑标准的条件下，控制高速铁路路基工后沉降的关键是控制地基沉降。,2023/9/29,38,路基的工后沉降（二）,确定合理的地基加固处理措施并切实达到质量标准是保证基础工程设计和施工质量的关键。这项工作要从勘测抓起，要把对地基条件的认识，尤其是对土的压缩与变形特征的认识提高到重要位置上，要把土的物理力学指标、沉降计算公式、施工工艺等落到实处，要在处理上把可靠性与经济性结合起来，要把传统措施与新结构、新材料、新工艺结合起来，达到降低工程造价又实现稳固可靠的双重

21、目的。,2023/9/29,39,路基的不均匀沉降,在100 m范围内的路基不均匀沉降，将直接造成幅值较大的轨道长波高低不平顺。更短范围内的路基不均匀沉降，将直接造成路基的稳固和安全。必须严格控制路基的不均匀沉降。,2023/9/29,40,路基刚度及其纵向变化的连续均匀性,路基刚度与列车的安全、平稳、舒适运行及轨道的维修工作量密切相关。相对低刚度的路基，列车运行振动频率较低，行车相对平稳；而相对高刚度的路基，列车振动频率较高，舒适度稍差，但易于保持轨道的稳定性，减小轨道维修工作量，也有利于通过过渡段，实现路基、桥梁(或涵洞)等轨道下部结构刚度的纵向均匀性变化。纵向刚度均匀性变化是高速铁路路基

22、设计和施工的关键，更是高速列车舒适运营的关键，直接危及行车安全和乘车舒适性。对轨道基础竖向刚度出现突变的分界处，由于各结构物刚度的不同，列车会产生剧烈的跳动，必须设置过渡段，以提高路基刚度的连续性。,2023/9/29,41,国外路基沉降的相关规定,法国提出工后沉降应小于2cm，并且在最后一次捣固和运行第一列高速列车之前，沉降应完全稳定。德国认为在列车开始运行后，路基工后总沉降不应大于1cm，每年沉降总量不应超过2mm，并应避免在短距离内发生不均匀沉降，在桥台附近不应有任何不均匀沉降。日本在第一条高速铁路以后，工后总沉降已按3cm 控制，对使用连续梁和无碴轨道的地段，工后沉降的控制更为严格。,

23、2023/9/29,42,我国路基沉降的相关规定,我国“高速铁路设计暂行规定”规定路基工后总沉降量为10 cm，沉降速率小于3 cm/年，桥台台尾过渡段路基工后沉降不大于5 cm，基本沿用日本建设第一条高速铁路时的标准。通过各方面专家的努力，在“暂规”修改时才将以上相应标准修改为5 cm、2 cm/年、3 cm，对“暂规”而言，这是个进步，但对高速铁路而言，这个标准还需验证。,钢轨关键技术,钢轨的重要性高速铁路对钢轨的要求钢轨技术发展钢轨的技术标准选轨标准钢轨的力学问题轮轨滚动接触疲劳轮轨噪声轨道力学,2023/9/29,44,钢轨的重要性,钢轨是轮轨式高速铁路的重要组成部分，在极其复杂的受力

24、条件下工作钢轨状态的好坏直接影响行车安全，因此对钢轨质量有极其苛刻的要求钢轨有些性能之间是矛盾的，要综合比较才能达到合理选择钢轨的目的,2023/9/29,45,高速铁路对钢轨的要求,高的纯净度 材质高洁净有利于提高其抗疲劳性能，保证运行安全性严格的外形尺寸 可以减少表面接触疲劳伤损，延长钢轨的使用寿命高度的平顺性 保证高速列车运行的平稳性和旅客的舒适性的重要保证,2023/9/29,46,钢轨技术发展,加强关键性能 钢轨技术发展的重点是提高钢轨的强度，耐磨性和抗冲击性能。开发新型优质钢材 为了提高钢轨的耐磨性和抗疲劳性，各国都在开发新型优质钢材。目前世界上高强度钢轨研究的重点是“贝氏体”钢轨

25、，其耐磨性比普通钢轨高25%。同时还能提高在提速、高速线路上抵抗接触疲劳损伤的能力，以减少钢轨打磨费用，同时贝氏体钢轨可用于制作道岔中的尖轨和辙叉以大幅度延长道岔的使用寿命超长无缝钢轨 减少焊接接头的数量，有效的减少噪声、提高钢轨的使用寿命,2023/9/29,47,我国钢轨目前执行的标准比较复杂国标20世纪60年代和80年代两次发布铁标铁道部在20世纪90年代发布新铁标 铁道路在2003年发布铁标国标共存近期将维持国标和铁路行业标准并存的局面新国标整合现有钢轨标准，形成一部完整的国家强制性标准,钢轨的技术标准,2023/9/29,48,选轨标准,铁道部重新划分对钢轨的技术要求,时速在200k

26、m/h以下的客货混运铁路钢轨 使用4375kg/m热轧钢轨时速在200-300km/h的客运专线 使用250km/h60kg/m钢轨时速在300km/h以上的客运专线顶级钢轨 使用350km/h60kg/m钢轨,2023/9/29,49,钢轨的力学问题,我国从现在到2020年，将是高速重载铁路和城市轨道交通发展的高峰时期。虽然它们的优越性不可否认，但有许多关键技术问题有待进一步解决，其中与轮轨相关的力学问题主要有：轮轨滚动接触疲劳高速列车速度高、动车组轴重轻，钢轨垂直和水平磨耗都比较小，钢轨表面的接触疲劳为主要伤损脱轨机理的研究限制速度提高的因素之一是脱轨安全的保证轨道力学问题轨道工程结构动态

27、特性，决定着车辆安全、舒适性和车辆/轨道结构使用寿命,2023/9/29,50,轮轨滚动接触疲劳,轮轨磨损破坏现象主要为轮轨接触表面剥离、压溃、龟裂、波浪形磨损、轮缘磨损和钢轨侧磨及断裂等，这些破坏现象和很多因素有关，有些破坏现象的机理至今尚未搞清楚，对有些问题的破坏机理认识不统一,2023/9/29,51,轮轨滚动接触疲劳,轮轨滚动接触疲劳是铁路运输的老问题，主要发生在曲线段、接头处、道岔处。人们采取各种方法和措施来阻止和减少它，如发展新材料、优化轨型面匹配来减少轮轨之间的疲劳铁路客货量的增大和速度的提高，轮轨磨擦变得越来越严重。我国现在每年因更换和维修破坏轮轨，大约花费80多亿人民币。它不

28、仅大大增加了铁路的运营成本，而且直接危害行车的安全。,2023/9/29,52,高速铁路在列车行驶速度低于300km/h时，轮轨噪音占主要部分。轮轨噪音辐射出的轮轨噪声可以归纳为如下三类：,高频尖叫声轮轨之间蠕滑引起冲击噪声轮轨表面波浪型磨耗、擦伤、轨道弹性不均匀和轮对过轨缝和道岔处，引起轮轨冲击振动而产生的噪声滚动噪声主要是轮轨接触表面粗糙度、轮轴偏心和擦伤等引起,轮轨噪声,2023/9/29,53,轨道力学,轨道支撑并约束车辆的运行，决定着车辆安全、舒适性。列车过道岔时，轮对和轨道之间发生强烈的冲击，导致车轮和道岔段上钢轨磨损高速铁路道岔部位严重地限制了列车的行车速度在桥梁和隧道端点刚度不

29、均匀，会导致强烈振动，甚至脱轨。,无碴轨道关键技术,概况 结构及特点 关键技术 需要解决的问题,2023/9/29,55,无碴轨道是以混凝土或沥青混合料等取代散粒道碴道床而组成的轨道结构型式 无碴轨道成为世界各国高速铁路轨道结构的首选良好的轨道稳定性、平顺性和耐久性减小桥梁二期恒载和降低隧道净空道床整洁美观，消除列车运行时道碴飞溅和粉化 初期相对较大的建设投资也能在运营中得到回报,无碴轨道,2023/9/29,56,国外无碴轨道概况,从60年代开始，高速铁路无碴轨道结构在日本、德国、英国、意大利等国家得到了广泛应用：,日本板式轨道 德国Rheda型无碴轨道弹性支承块式无碴轨道其它结构型式的无碴

30、轨道：英国PACT型、法国 VSB型、意大利IPA型,2023/9/29,57,我国无碴轨道现状,国内无碴轨道的研究始于20世纪60年代,与国外研究几乎同步至90年代中期,京沪高速铁路可行性研究的推进使无碴轨道在我国重新得以关注“九五”国家科技攻关专题“高速铁路无碴轨道设计参数的研究”，提出了适用于高速铁路桥梁、隧道中的三种无碴轨道型式（长枕埋入式、弹性支撑块式和大板式）,2023/9/29,58,三种无碴轨道结构及特点,长枕埋入式 由横向穿孔轨枕、道床板、底座等构件组成，结构耐久可靠，初期投资相对较小，可修复。弹性支撑块式 由弹性支撑块、道床板、底座等构件组成，该结构减震、降噪性能好，结构简

31、单，初期投资较大，可修复。板式轨道 由预制轨道板、凸形挡台、底座等构件组成，轨道高度低、自重轻，现场组装量少，需专门制造施工设备。初期投资大，可修复。,2023/9/29,59,无碴轨道结构设计,为满足高速列车在无碴轨道线路上运行的安全性、舒适性要求,最大限度地实现线路少维修,无碴轨道的设计除在结构强度、横向稳定性方面应考虑足够的安全储备外,应高度重视无碴轨道各组成部分的耐久性、减振性以及实现线路高平顺性和时变均匀性等。结构强度横向稳定性线路的平顺性和刚度均匀性减振性耐久性,2023/9/29,60,无碴轨道的下部基础,桥梁主要问题：桥梁徐变上拱控制措施：设计方面适当增加梁高，以提高梁的刚度;

32、施工方面尽量采用较低的水泥用量和水灰比，尽量延长梁体张拉完毕至无碴轨道铺设的时间间隔隧道主要问题：基底、水害处理控制措施：根据隧道围岩级别、地下水状况,选择合理的隧道衬砌结构，特别注意隧道的地质水文情况,2023/9/29,61,为保证高速列车运行的安全性和平稳性、提高乘坐舒适性,桥台、隧道基础与路基衔接处应设置一定长度的过渡段。设置原则：控制桥台、隧道基础与过渡段路基的工后沉降,减小过渡衔接处的轨面弯折角。,过渡段,2023/9/29,62,制定与国际接轨的技术标准 无碴轨道技术要求很高，必须借鉴EN（欧洲工业标准）等国际标准拟定我国铁路无碴轨道的技术标准采用先进工装和工艺 我国混凝土轨枕生

33、产厂家与无碴轨道的要求相差甚远要通过无碴轨道的推广，组织对传统产业的改造，实现企业升级,我国无碴轨道建设需要进一步做好的工作,道岔关键技术,高速道岔主要性能指标道岔的关键技术国外高速铁路道岔概况我国秦沈铁路道岔,2023/9/29,64,道岔是铁路轨道连接的重要设备，直接关系到铁路运输的效率和行车安全。道岔的性能直接影响铁路运输能力及旅客列车在该路段的行车速度及旅客乘坐舒适度。,道岔,2023/9/29,65,直向、侧向速度 道岔是轨道中结构最为复杂、养护维修工作量最大的部件，是列车提速的关键因素之一。旅客的舒适性 道岔的设计,必须把旅客的舒适性放在首位,以舒适性指标作为设计的控制因素。安全性

34、 道岔的安全性包括满足结构强度、稳定性、振动特性、轮轨相互作用力、脱轨系数等。,高速道岔主要性能指标,2023/9/29,66,数量多 我国目前道岔总数已超过10万组，其中单开道岔约占95。寿命短 道岔主要部件使用寿命短，如整铸辙叉的使用寿命约为6080MT通过总重。限速 道岔限制列车的过轨速度。结构复杂 单开道岔主要由转辙器、辙叉及护轨、连接部分和岔枕组成，每部分结构都比较复杂安全性低 列车通过道岔时，行车安全性较低,我国道岔的特点,2023/9/29,67,高速铁路道岔关键技术,几何设计 道岔和交叉渡线的几何设计要考虑降低磨耗，经济实用。动力学性能 对基本轨与尖轨的接触面要进行动力学性能优

35、化，以减少磨耗，对钢轨的轨底坡给予相应的考虑。转换设备的适应性和可靠性 采用减免维修工作量的转辙机，其转辙系统有优良的完好率和可靠性。可动部件 减少移动部件必要的涂油润滑。,2023/9/29,68,国外高速铁路道岔概况,日本 不设区间渡线（车站的渡线无高速列车侧向通过的要求）法国 车站少、区间渡线多，高速线间或高速与既有线的连接采用tg0.0154道岔。德国 铁路客货混运。,2023/9/29,69,2023/9/29,70,2023/9/29,71,我国秦沈铁路道岔,我国秦沈客运专线设计速度为200km/h，部分基础设施预留提速至250 km/h。根据速度和运输组织要求,决定采用18号和3

36、8号可动心轨辙叉单开道岔。经过研究、设计、试制、试铺、试验五个阶段的工作,特别是直向以250km/h三次综合试验,证明其能够满足旅客列车,侧向38号道岔(渡线)以140km/h通过时,满足安全性和舒适性的要求。,2023/9/29,72,秦沈铁路18号和38号道岔主要技术性能指标,动能损失0.5km2/h2 未被平衡离心加速度a 0.5m/s2 未被平衡离心加速度时变率 0.4m/s3夹直线长度L 0.4v,困难条件下不小于20m 18号道岔侧股平面线型采用单圆曲线,38号道岔侧股平面线型采用圆曲线+三次抛物线速度直向250km/h,侧向18号道岔80km/h、38号道岔140km/h,202

37、3/9/29,73,18号和38号道岔主要参数,2023/9/29,74,18号和38号道岔主要结构特征,钢轨件全部采用60 kg/m PD3 钢轨制造 采用型弹条扣件尖轨为藏尖式结构 心轨为组合式 为提高翼轨强度,满足电务转换空间要求,研制了特种断面翼轨 道岔侧股设H 型护轨,采用50 kg/m 标准轨制造 18 号道岔尖轨设置三个牵引点,心轨设置两个牵引点 道岔绝缘接头为胶结结构,2023/9/29,75,秦沈客运专线道岔技术上的突破,道岔平面线型设计 采用抛物线线型，可直接连接而不用设夹直线。可动心轨辙叉翼轨结构 采用锻压成型的特种断面翼轨,实现了翼轨控制截面与区间线路钢轨等强的目标。转

38、换设备 用可动心轨钩型外锁机构替代提速道岔拉板转换与燕尾外锁闭机构。,高速列车关键技术,高速列车所处的动态环境 高速列车的关键技术,2023/9/29,77,高速列车所处的动态环境,高速列车区别于普通列车根本点，在于其所处的特殊动态环境。随着列车速度的提高，动态环境急剧恶化牵引动力的要求猛增制作功率要求更大横向动力作用加剧垂向轮轨动力作用加剧高速受流问题复杂化空气动力作用加剧,2023/9/29,78,牵引动力的要求猛增,列车空气阻力随速度平方而上升。高速行车是否可能首先决定于有没有足够大的牵引动力来克服巨大的行车阻力。按每吨列车质量所分摊的牵引功率计算，其增长情况见下表:,2023/9/29

39、,79,制动功率要求更大,高速行车的第二个必要条件是能准确停车,尤其在紧急情况下,应能在一定距离内停车。众所周知,列车动能同速度平方成正比,而且高速运行时,黏着系数和闸瓦摩擦系数急剧下降。所以,常规制动已远远不能满足要求。为此要采用多种制动方式,如电阻制动、再生制动、磁轨制动、涡流制动等。闸瓦制动也要使用制动盘。,2023/9/29,80,横向动力作用加剧,横向蛇行失稳临界速度要求提高。这常成为高速列车研制中的一大障碍。通过曲线时的离心加速度随速度平方而上 升。因此，随着速度的提高，最小线路曲线半径必须加大。通过曲线所允许的最高速度可按简化公式V max=(4 5)计算，其值列于下表:,202

40、3/9/29,81,允许通过曲线,2023/9/29,82,垂向轮轨动力作用加剧,机车车辆对轨道的垂向动力作用用高频轮轨力(P 1)和低频轮轨力(P 2)来衡量。一定轴重下P 1和P 2随速度的变化见下表:,2023/9/29,83,高速受流问题复杂化,高速电动车组需要强大的电流，经过受电弓从接触网受流。速度提高以后，弓网两个系统之间必须有良好的跟随性才能保证接触，否则就会因离线而发生电火花，烧损导线。磨损问题对于高速受流也更显重要。高速下的空气动力作用，也使弓网间的相互作用复杂化。,2023/9/29,84,空气动力作用加剧,列车运行的空气阻力随速度的平方而上升。高速车辆外形应有特殊结构。高

41、速度带来的其它问题，如噪声、安全、控制等，都使高速机车车辆必须具有区别于普通机车车辆的结构。两列车相向行驶时，相对速度提高一倍。列车外形的流线型设计牵涉到计算空气动力学的许多领域。两列车相向行驶时,相对速度提高一倍,达到500 700 km/h。这将引起很强的气压冲击波。,2023/9/29,85,高速列车的关键技术,研制能在上述如此严峻动态环境下运行的列车，需要运用多种高新技术，解决一系列高速列车特有的问题。高速大功率动力车的研制高性能低自重高速客车的研制高速列车空气动力学工程,2023/9/29,86,高速大功率动力车的研制,为减少维修和改善乘坐环境，应尽可能使用较少动轴。采用交-直-交传

42、动，动力集中制式单轴功率可达1250kW，动力分散制式一般用到600kW。驱动系统必须精心设计，减少簧下质量和克服驱动系统的再生振动是关键。电阻制动和再生制动应有足够的功率。全列车的制动控制是一个新课题。列车信息及控制系统必须彻底更新。动力车或控制头车的流线型外形设计。,2023/9/29,87,高性能低自重高速客车的研制,车辆是一个高维强非线性系统，应采取措施保证其运动稳定性。空气弹簧、盘形制动等则是最低要求。为了解决运动稳定性和运行平稳性之间的矛盾，要应用多体系统动力学及控制这一新兴学科的最新成就，并采用整车模拟试验等高新技术，进行设计优化。为了最大限度降低自重并提高服务水平，客车车体及设

43、备的轻量化非常重要。,2023/9/29,88,高速列车空气动力学工程,列车贴地运行引起强烈的地面效应。以大细长比和复杂地面效应为特征的高速列车空气动力学，是一个相对独立的学科分支。列车头型的选择,车体密封的要求，气动压力的作用和空气阻力、气动噪声的降低等，都是与高速列车空气动力学密切相关的，可以统称为高速列车空气动力学工程。高速列车在隧道中运行时，其气动效应较明线强烈得多，它是典型的非恒定、非等熵、可压缩和有限域的流动问题.,高速列车信号关键技术,信号基础设备 调度指挥系统 车站联锁系统 自动闭塞 列车运行控制,2023/9/29,90,信号基础设备,信号基础器件由电磁式向电子、微处理器元器

44、件发展，广泛采用检测及故障诊断技术，提高信号装置的运行可靠性。道岔控制方式由直流向交流控制转变，发展外锁闭道岔，减少道岔维护的工作量。我国研制的ZD9（J）、ZYJ7 型等转辙机与 交流转辙机S700K、EBISWITCH 等国外道岔转换设备仍有一定的差距。,2023/9/29,91,调度指挥系统,以铁路调度管理信息系统(DMIS)为平台以调度集中(CTC)为核心以行车指挥自动化为目标 构建我国铁路现代化的运输调度指挥管理系统。,2023/9/29,92,CTC系统总体构成图,2023/9/29,93,CTC规划原则,在已建DMIS的区段，以DMIS为基础建设CTC；在未建DMIS的区段，新建

45、CTC同时具备DMIS的全部功能考虑装备CTC的新建、改建铁路，车站联锁设备应全部采用计算机联锁；并具有区间信息采集功能对于半自动闭塞区段，应同步装备区间检查设备，实现自动站间闭塞。调度员与司机的语音、数据通信系统是实现CTC的重要基础。在主要干线建设CTC的区段，应同步规划建设GSM-R铁路移动通信系统；在其它条件艰苦、运量较小的区段，可采用目前无线列调系统补强方案,2023/9/29,94,CTC规划目标,全路20042020年总体规划建设CTC共51,495公里规划范围包括：近期规划共计13,163公里，1385个车站中长期规划中客运专线约12,000公里完善路网布局及西部开发性新线约1

46、6,000公里其它主要干线及条件艰苦、运输需要的线路约10,332公里,2023/9/29,95,自动闭塞分区划分,实现有形化到无形化的转变，确保列车运行安全和列车追踪间隔时间的计算，列车运行安全的验证和列车追踪间隔时间的计算工作量将更加繁重，就目前的设计工具而言，尚无法满足计算要求。,2023/9/29,96,新一代自动闭塞技术特征,无绝缘：取消钢轨绝缘多信息：信息量必须足够，包括进站、出站道岔号码的信息，区分不同的道岔号码，赋予明确的速度含义四显示：预告运行前方3 个闭塞分区的状况，以两个闭塞分区的长度满足一个列车全制动距离双方向：在一线故障或封锁的情况下提供双方向运行的条件数字化：不仅对

47、移频信号的处理要数字化，而且轨道电路中传送的是数字编码信息带超防,2023/9/29,97,列车运行控制系统,由ATS（自动停车装置）向ATP（自动列车防护）转变，发展适合我国高速铁路的ATC（列车速度自动控制）系统由分级速度控制实现一次制动模式 制动模式曲线示意图,2023/9/29,98,日本高速铁路综合调度COSMOS系统,COSMOS(计算机综合管理系统)将CTC（集中控制）、COMTRAC（计算机辅助运行管理系统）、SMIS（新干线信息管理系统）统一起来，加入运输计划、维修作业管理、车辆基地作业管理等内容，形成的综合管理系统。,2023/9/29,99,COSMOS系统的整体概要,设

48、备,运输计划,车辆管理,维护业务管理,电力系统控制,站内,运行管理,集中信息,运输计划设备管理计算机,车辆管理计算机,维护业务服务器,电力系统控制计算机,运行管理计算机,集中信息管理,高速数字线路,高速数字线路,运转区所服务器,运转报告终端,分公司终端,车辆管理服务器,维护区终端,原有远程控制装置分局,站内作业终端基地,车站PRC装置 旅客指南装置 运行信息终端,原有地区调度计算机,设备管理终端,运输计划终端,车辆管理终端,维护业务,电力系统,运行管理终端,集中信息,COSMOS 系统构成图,管理终端,管理终端,中央网络,2023/9/29,100,COSMOS的系统结构,2023/9/29,

49、101,提供最适于高速高密度运行具有实践经验的运行管理技术,实现了运行计划,维护计划,在线信息等统一管理的综合系统,系统化范围向车站车辆基地维护区的大幅度扩大,信息服务的提高,以区域广范围大的自律分散思想为基础的车站 分散控制系统（高应答性自动控制系统)采用实时列车行走模拟的预测控制型运转整理 支援机能 确实传递时刻表的变更（指令传递机能),维护管理系统 运输计划系统 沿线监视系统 运行管理系统 电力管理系统 设备管理系统,维护计划支援系统 维护作业系统 站内进路控制系统,车载传递系统 提供事故信息 向顾客提供细致入微的指南服务,COSMOS运行管理系统的特征,接触网关键技术,高速铁路对接触网

50、的要求 接触网关键技术 接触线 无交叉线岔受电弓配套技术 电分相 运行管理,2023/9/29,103,高速铁路的特点及要求,高速铁路的特点列车速度非常快，密度与负荷特别大 受电弓的上下振动与左右晃动剧烈接触线抬升量比常速铁路高 高速铁路对接触网的要求机械结构具有稳定性和足够的弹性 在高速运行时保证电力机车正常取流设备及零件应具有很强的耐磨性和抗腐蚀能力 尽量延长设备的使用年限设备结构尽量简单 便于施工，有利于运营和维修对地绝缘好，安全可靠,2023/9/29,104,接触线,接触线的相关情况在高速运行时，如果离线，则会产生电火花、拉弧、事故大电流，从而使接触导线的温度急剧升高，磨耗工作面处于