高速地面交通的现状、发展及关键技术汇报PPT（93页）

1、高速地面交通沈志云西南交通大学牵引动力国家重点实验室教授沈志云西南交通大学牵引动力国家重点实验室高速地面交通HIGH-SPEED GROUND TRANSPORTATIONHSGT沈志云西南交通大学牵引动力国家重点实验室立足科学发展，着力自主创新十六届五中全会公报： 立足科学发展，着力自主创新，完善体制机制，促进社会和谐， 开创中国特色社会主义新局面。知识疯狂增长的时代：2020年人类总知识的90%将来自今后15年的 创新，到今天为止人类所获得的全部知识将只占10%。建立创新型国家，提升竞争能力:资源型国家技术依赖型国家创新型国家科技贡献率 70%, 我国目前为 38% 科技投入占GDP 4%

2、， 我国目前为 1.5%创新类型：1 原创性创新： 科学发现和技术发明 2 系统集成性创新: 新产品开发 3 引进消化再创新: 日本1:5.7；韩国1:7.2；我国1:0.08体制机制：企业为主，产学研结合。交通运输工程迅猛发展中的支柱产业公路年投资2000亿元，铁路年投资1000亿元。汽车年产量500余万辆，年销量600余万辆。交通及与交通相关的制造业总产值占全国GDP 40%以上。成长壮大中的一级学科一级学科：交通运输工程二级学科：交通规划与管理道路与铁道工程交通信息工程与控制载运工具运用工程综合运输体系公路运输 二级公路， 交通量： 7500辆/日 一级公路， 交通量：15000辆/日

3、四车道高速公路，交通量：27500辆/日 六车道高速公路，交通量：40000辆/日铁路运输 城市轨道交通：地铁轻轨 城际铁路：区域城际铁路、全国城际铁路 高速铁路：200360km/h 高速磁浮：400450km/h HSGT 真空管道：4001000km/h水路运输海运、河运航空运输国内、国际管道运输油气、煤水不同交通方式的能耗与污染对比两种模式的综合运输体系： 美国模式 汽车 + 飞机 环保模式 轨道交通 + 汽车、飞机发展轨道交通, 构建和谐社会城市轨道交通区域城际轨道交通全国城际轨道交通全国铁路网高速铁路高速磁浮列车 高速地面交通，HSGT超高速真空管道交通构成经济区交通网的骨架202

4、0年建成： 14条新线， 8740公里 8条客运专线， 12000公里 13条单线改复线，50000公里 电气化改造， 50000公里 营业总里程： 100000公里客运专线：京-哈-大，1860公里青岛太原， 770公里北京上海，1300公里北京广州，2230公里徐州兰州，1400公里南京成都，1900公里杭州长沙， 880公里杭州宁波福州厦门深圳， 1600公里 2020年建成新线14条, 8700公里客运专线, 1.2万公里新修复线, 5万公里电气化, 5万公里营业里程, 10万公里0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 速度，km/h公路水

5、运城轨区域城际轨道全国铁路网高速铁路高速磁浮高速真空管道交通（HS ETT）高速地面交通（HSGT）轨道交通(Rail Transportation)直升飞机支线飞机干线飞机高速地面交通综合运输体系（A）高速铁路的关键技术（一） 大功率驱动系统 （二） 提高曲线通过能力（三） 提高运动稳定性和运行平稳性（四） 高速列车运行信息化和自动化（五） 空气动力学工程（六） 高速列车试验技术（一）大功率驱动系统列车行车阻力为： F0 = a + bV + cV2其中： F0 每吨列车质量的阻力 单位：N/t a 固定阻力系数， 取为: 11 b 机械阻力系数， 取为: 0.11 c 空气阻力系数， 取为

6、: 0.0016所需功率随速度三次方而增大0 80 160 240 320 400100%80%60%40%20%0%320N/t240N/t160N/t80N/t0N/t行 车 速 度, V,（km/h）200km/h85%空气阻力机械阻力固定阻力空气阻力接近70%空气阻力所占百分比每吨列车质量所需要的牵引功率行车速度Km/h比功率kW/t实际参考值601我国货物列车的实际水平1203我国旅客列车的实际水平1605提速列车达到的水平2109日本0系动车组为11.5kW/t23011日本100系动车组为11kW/t25013德国第一代ICE-2列车为12kW/t27015法国第一代TGV列车为

7、15.4kW/t30018法国第二代TGV列车为17.9kW/t48048法国1989年试验482.4km/h时为46.43kW/t50052法国1990年试验515.3km/h时为52kW/t机车牵引（动力集中）动车组 （动力分散）动车组实现大功率驱动的途径 提高动轴功率 增加动轴数量 减轻自重4. 使用直线电机牵引提高动轴功率改直流牵引电机为同步或异步交流牵引电机，实现交-直-交传动交直传动的局限自重大，维修困难。 轴功率一般只能到800 kW， 最大到1000kW。采用交流牵引电机无整流子，可做到无维修。 速度调节及控制用VVVF等调频变 频技术，实现交直交传动。 轴功率最大可到1250

8、-1800kW。2. 增加动轴数量 由动力集中到动力分散牵引力还取决于粘着重量因为动轴轴重对轨道的动力作用随速度而加剧，故不能过大： 低速可到25t，一般为21-23t， 我国第一列高速列车为19.5t， 国际标准: 17t。增加动轴数量比增加动轴轴重更有效走向动力分散，增加粘着重量，充分发挥牵引及动力制动能力。 964年日本设计的0-系高速列车全为动轴 80年代法国TGV及德国ICE采用动力集中 90年代法国和德国都相继改为动力分散。 300km/h以上都应考虑采用动力分散减轻自重比功率相同条件下，自重越小，牵引功率越大日本新干线高速列车的轴重：车辆系列0100300500制造最初年度196

9、4198419901996列车编组M动车，T拖车16M12M4T10M6T16M列车定员1285132113231324最大轴重, t16.015.411.311.1平均轴重, t15.114.411.110.9 列车总重, t966.4921.6710.4697.6电机功率, kW185270300285列车总功率, kW11840129601200018240线性电机牵引牵引力 = 粘着系数 x 粘着重量。 但粘着系数随速度提高而下降。 如： V = 100km/h, =0.2-0.3 V = 200km/h, =0.1-0.2 V = 300km/h, =0.05-0.1 V = 400

10、km/h, =0.01-0.05 故利用轮轨粘着实现牵引最高速度不宜超过400km/h, 一般取360km/h。不是极限，是最高经济速度。采用线性电机可以无限制地发挥牵引力加拿大1987年 试验成功，日本东京12号地铁27.8公里采用线性电机牵引， 坡度可达8%。日本地铁车辆采用线性电机牵引可减小隧道截面节约地铁投资线性电机原理及应用普通电机展开线性电机 定子置于轨道上 转子置于车辆上 （二）提高曲线通过能力 能否通过曲线是限制速度的瓶颈 离心加速度 = 速度V的平方线路曲线半径R 后果：1，限制旅客乘坐舒适度 离心加速度0.1g , 即超过旅客承受标准 2, 限制脱轨安全性 离心力加大轮轨横

11、向力Q， 可能引起脱轨事故 脱轨系数为Q与垂向力之比， 其值应1.0，标准：0.6 获得高曲线通过能力的途经1. 加大线路曲线半径2. 设置超高3. 采用径向转向架4. 车体倾摆技术 从固定设备考虑从移动设备考虑加大线路曲线半径和设置超高 最小曲线半径，R 的计算： Vk 最大通过速度，单位为km/h h 轨道外轨超高，以mm计。R =1500 tg, 为超高角。 一般铁道，h110 mm；高速铁道， h180 mm h欠 未被平衡的离心加速度，换算成超高不足度， 即欠超高。 一般取 70 mm， 困难取 90 mm， 个别取 120 mm。 11.8 = 1500(9.813.62) 单位换

12、算中出现的系数。 铁路按最小曲线半径的分类分 类最小曲线半径m速度范围Km/h采用摆式列车技术后的速度范围，Km/h一般铁路（级级铁路）800-600（最小300，需减速通过）100-80120-100提速铁路（级铁路）1000（最小600，需减速通过）120-140160-180准高速铁路1400-1700160-200200-250高速铁路2500-4500200-300300-360特高速铁路6000-10000300-400360-5002. 采用径向转向架冲角自由轮对能自动回到径向位置 故具有弱约束轮对的转向架 就是径向转向架刚性转向架前轮对以巨大冲角 冲向钢轨，产生很大轮轨力径向转

13、向架轮对保持径向位置 冲角为零，轮缘力为零各轮 对以其横向蠕滑力平均承受 轮轨力，称为蠕滑导向，可 大大改善通过曲线时的轮轨 受力状况。曲线半径方向3. 车体倾摆技术原理车体内倾，利用 重力分量平衡一部分离 心加速度，犹如附加超 高，可改善高速过曲线 时的乘座舒适度。难点根据曲线半径及 列车前进速度，实时控 制车体倾摆的角度。注意车体倾摆并不降 低轮轨力(系统的外力)。 故应同时采用径向转向 架。实施1，瑞典X-2000 已在广深线运行。 2，我国研制的 准高速摆式列车，将在成渝线运用。 （三）提高运动稳定性和运行平稳性两个不同的范畴运动稳定性系统的固有属性， 取决于系统参数。运行平稳性系统对

14、外干扰的响应， 与外干扰的强度密切相关。蛇行失稳临界速度轮对因踏面锥度而蛇行 既是保证正常工作的最聪明设计， 又是造成蛇行失稳的原因。线性蛇行失稳临界速度，VA 作为线性系统的运动不稳定性， 在无激励下蛇行运动加剧的速度非线性蛇行失稳临界速度，VB 作为线性系统的运动不稳定性， 由极限环的稳定性所决定。 V最大运行速度 VB亚临界 Hopf 分叉极限环幅值极限环幅值速度速度VA VAVBVB稳定稳定不稳定不稳定不稳定不稳定运行平稳性指标动态响应随速度而加剧 例如：轮轨力但乘坐舒适度不能降低 即加速度响应在高速下应 保持在常速下的水平 例如：由加速度响应计算的 横向、垂向平稳性指标W仍 应符合规

15、定的标准，即： Wx 2.5 ; Wy 2.5 故高速车辆必需具有更好的动力性能 例如：具有更柔软的悬挂特性:二系横向悬挂刚度减小到0.15MN/mm, 车体与转向架间的自由间隙加大到80 mm, 一般速度下的车辆仅为20mm。V=250km/hV=200km/hV=160km/hV=120km/hV=80km/hV=40km/h 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 t (ms)5004003002001000P,(KN)运行平稳性和运动稳定性的要求是矛盾的平稳性要求柔性悬挂，稳定性要求加大刚度。径向曲线通过要求轮对弱弹性定位， 稳定性要求加大轮对定位刚度。解决矛盾的途经：精心设计，

16、折衷要求，优化悬挂参数受限制；采用可控参数技术，如： 1，无源主动控制抗侧滚扭杆，抗蛇行阻尼， 变参数定位，迫导向转向架等 2，有源主动控制车体可控傾摆，二系横向主动 悬挂，轮对摇头角主动控制，流变阻尼等车体横向振动的控制无控制时振 幅超过 10mm加以控制后 可使振幅 限制在 10mm以内半有源主动控制系统有源主动控制系统（四）高速列车运行信息化和自动化COM-CTC-ATC控制系统高速下行车，通常的道旁色灯信号无法使用必须采用机车内显示的信号一般为允许的速度，如日本新干线采用的COMTRAC-CTC-ATC系统日本新干线高速铁路的综合调度所COMTRAC(Computer-Aided Tr

17、affic Control)列车自动控制系统 ATCDC-ATC地面稠密大气层中高速运行的主要障碍是空气阻力和气动噪音序号空气动力学问题相关问题空气动力学工程1空气阻力运行能耗大功率牵引(见前述)2列车风站台人员安全性站台安全距离3会车压力波安全性、舒适性线间距4横风下的气动特性强风下运行安全性提高倾覆稳定性5隧道内压力的波动车内环境,车体强度车体密封6隧道微气压波隧道断面, 形状大截面隧道7气动噪声车内及沿线环境列车隔音, 列车降噪8受电弓的气动特性受电效率及质量高速受电弓高速列车运行中头车表面压力波分布 Cp = P 测点压力，Pa P-参考压力，即未受扰动的 来流静压力， Pa -空气密

18、度，kg/m3 V-来流风速，m/s 横座标为沿车长分布 的测点纵座标为无量刚空气 动压系数 CP ：距车底70mm距轨面180mm最大会车压力波决定高速铁路线间距空气压力波造成车窗破裂，提高对列车气密性的要求。 最大值应控制在 1.82.2 kPa 之间净间距 Y 与会 车压力波的 关系线间距 = 净间距 + 车宽常规铁路 4.0m德国高速铁路 4.7m我国京沪高速铁路拟选 4.7m日本新干线 4.2 4.3m法国高速铁路 4.3 4.5m高速铁路对隧道的特殊要求隧道内和隧道口气压变化5-11kPa隧道截面面积: 隧道口:一般铁路 30m2 成喇叭型日本新干线 64m2 德国高速 94m2

19、京沪拟选 100m2 5-11kPa高速车辆车体气密性标准车内压力的变化 每秒不大于200Pa车厢密封性能试验车厢密闭后加压，观察 压力下降的速度。标准：由 400mmH2O降到100mmH2O的时间不得少于 50秒日本和德国都采用 这一标准。车厢内68dB85dB25m1m噪声标准隔音降噪达到噪声标准线路试验许昌试验段-达到240km/h(1998年6月24日).秦沈客运专线试验段-已达292-330km/h（2002年）环行道试验铁道科学研究院北京东郊环行道-1400m半径， 可作180km/h曲线试验，最高达到213km/h。高速机车车辆滚动振动试验台四方车辆研究所滚动振动相分离的车辆试

20、验台， 纯滚动试验最高可达400km/h, 已达392km /h.西南交大牵引动力实验室于1988-1995年研制成功 滚动振动相结合的动态模拟试验台，可达450km/h（六） 高速列车试验新技术高速列车运行的动态模拟试验 国內唯一具有运行模拟功能的只有牵引动力国家重点实验室的机车车辆整车滚动振动试验台特点：非线性失稳临界速度-国际上首次得到全参数曲线通过性能模拟-国內外唯一具有此功能反演轨道谱-国际上首次开发全尺寸轮轨滚动接触力学试验-国际开创性试验三维多点可控加载疲劳试验-国內唯一能做此试验 为此获得1999年国家科技进步一等奖机车车辆整车滚动振动试验台 大型试验过程的总体控制技术是国内外

21、类似试验台总控台上显示监视信号最多的创造机车车辆线路运行的动态环境滚动模拟前进速度，400-450km/h振动模拟轨道垂向横向不平顺激扰滚 振 结 合，分 别 激 振日本高速铁路的发展7条新干线总长度达到：2139.9km日本500系高速列车日本700系高速列车由中日本铁路和西日本铁路共同研制，1999年春投入使用，270-285km/h。日本高速技术360新干线E9542005/6/24日宣布: 开发成功360km/h高速列车法国高速铁路的发展动力集中TGV-PSE, 426km, 1981TGV-A, 284km, 1989TGV-R, 104km, 1994TGV-R,2N,333km,

22、 1996动力分散AGV, 360km/h, 2002法国TGV-2N高速列车最高运行速度：360km/h。2001年3月在1000km 距离间创造了 长距离旅行速度的世界纪录：302km/h。 德国高速铁路的发展高速铁路:汉维线,1991,327km曼斯线,1991,105km波法线,2001,200km高速列车 动力集中ICE-V, 1988, 409.6km/hICE-I, 1991, 280km/hICE-2, 1996, 300km/h, 动力分散ICE-3, 1999, 350km/h, 4M/4T 新轮轨高速铁路2002年8月通车原磁浮计划线2000年3月撤消柏林汉堡动力分散式的

23、ICE-31999年投入运营并出口荷兰第四代ICE正在开发之中俄罗斯高速铁路的发展莫斯科圣彼得堡高速干线 和 神鹰号高速列车俄罗斯神鹰号高速列车在作试验运行（1999年）最高速度每小时350公里90年代以来我国自主研究开发了一系列用于提速和高速铁路的动车组140km/h内燃动车组140公里“晋龙”号内燃动车组160公里/小时内燃动车组180公里时速“神州”号內燃动车组2000年10月18日首次驶出北京站1999年9月戚厂与浦厂联合研制，10月投入京津线运营。总功率3480kW, 双层，二动十拖，定员1440人，试验速度达到210.8km/h。180公里“新曙光”号内燃动车组1999年8月戚厂与

24、浦厂联合研制，10月投入沪宁线运营。总功率5520kW,双层，二动九拖，定员1440人，试验速度达到198km/h。305km/h蓝箭号动力车试验到400km/h“大白鲨”交直传动电动车组1999年5月株电厂，长客厂，四方厂，浦镇厂联合生产。广深线运用。速度200km/h，试验到223.6km/h。一动六拖，轴功率1000kW，总功率4000kW时速：200公里时速 200km/h四动两拖，4800kW，定员424人 2001年5月在牵引动力国家重点实验室滚动振动试验台 试验达到： 350km/h 2001年11月在广深线试验达： 249.5km/h 2002年9月 在秦沈线试验达： 295k

25、m/h国家高技术产业化项目270 km/h高速列车产业化由株电，长春，四方，大同四厂联合研制样车一律由牵引动力国家重点实验室试验2002年9月23日全部样车通过滚动振动试验台试验运行模拟试验：达到350 km/h 稳定性试验：达到400 km/h2003年在秦沈线做线路试验，达到322.8 km/h到2005年已试验运行55万公里，返厂分解检查，全部合格现已批准生产5列，投入商业运营。（B）高速磁浮列车按磁力分: EMS 电磁式，吸力式 EDS 电动式，斥力式按磁场分: 电磁，用电动磁铁 永磁，用工业永磁体按定子分: 短定子定子（轨道）为次级 长定子定子（轨道）为初级按速度分: 低速 50-1

26、00km/h 中速 100-300km/h 高速 400-500km/h按材料分: 常导 超导低温超导高温超导日本常导短定字磁浮列车HSST日本HSST试验样车1978年滑板导向磁铁机械式安全制动悬浮磁铁及牵引电机励磁（车辆侧-转子）滑轮导向及制动用轨铁芯定子绕组(导向)常导电磁铁(悬浮和牵引) （轨道侧-长定子）德国常导长定子磁浮列车工作原理54m25m 悬浮高度：8-10mm导向间隙：8- 10mm 德国TR07常导长定子磁浮列车TR08在上海浦东进行商业试运行低温超导磁浮列车原理日本MLX01号超导长定子高速磁浮列车试验速度: 553.5 km/m, 会车试验速度1000.0 km/h悬

27、浮高度 100mm山梨试验线高温超导磁悬浮实验车原理常规永磁体屏蔽电流高温超导体镜象磁体常规永磁体高温超导体原理：利用常规永磁体的磁场 在高温超导体中引起 屏蔽电流实现悬浮。导向：由高温超导体钉扎中心 对永磁导轨磁力线的 钉扎作用实现导向。钉扎中心中国高温超导磁悬浮实验车西南交通大学磁浮列车研究中心全部采用国产高温超导体块材，薄底（3毫米）方形液氮低温容器工作时间大于6小时。在车体自重（空载）时的悬浮高度35毫米，承载5人时的悬浮高度大于20毫米。该车导向力大、悬浮刚度较好，加速度1米/秒2，整车在长15.5米的钕铁硼永磁导轨上自动运行十分平稳。磁浮飞机（MAGPLANE）原理：永磁体置于车上

28、，轨道为弧形铝板， 车辆在车轮上推进，达到一定速度后， 铝板切割磁力线产生涡流磁场，极性与永磁场相同， 提供斥力，将车浮起。100-150mm车箱轮对永久磁铁铝板优点：结构简单悬浮高度大(150mm)速度高(500-600km/h)成本低美国麻省理工的发明专利，只做小模型试验 （C）高速真空管道交通系统High-Speed Evacuate Tube Transportation超高速是21世纪地面高速交通的需求石油短缺将使民航成为一般人难于享用的奢侈品环保要求电气化的轨道交通。随着社会经济的发展，人们渴望超高速。真空（或低压）管道是地面交通达到超高速的 唯一途经否则无法超越400km/h的警

29、戒线。 30-50年后真空管道将是不可回避的选择真空管道高速交通一直是人类的美丽梦想1922年德国工程师赫尔曼.肯培尔(Hermann Kemper)提出磁浮列车原理,1934年获得此项发明专利.肯培尔当时的设想: “在抽成接近真空的密闭隧道中运行磁浮列车,速度可达每小时1800公里”.瑞士低压隧道磁浮列车 SWISSMETRO 气压： 0.1 atm 隧道内径： 5.0m 列车外经： 3.2m 遮挡系数： 0.43 速度:600 km/h美国ETT高真空管道磁浮车 Evacuated Tube Transportation 真空度: 0.000001atm，百万分之一大气压, 可实现几乎无阻

30、力运行 加速之能量可在制动时回收“宇宙航船贴地飞”比飞机还快的低压隧道磁浮列车 AMERICANMETRO 与SWISSMETRO类似. 速度想达到1000mph,即1600km/h. 真空管道高速交通的关键技术1，真空（低压）管道（A）全程隧道还是架空管道？ 主要是建设成本问题。全程隧道几乎不可能，采用新材料、新工艺建设架空管道，成本不会过高。摘自网站 PRT Maglev, G.J. Suppes真空管道高速交通的关键技术（B）在管道全长内制造低压所需能量据G.J. Suppes 对PRT的计算：采用80%效率的风机，将80km长管道 抽成：0.2, 0.1, 0.01, 0.001 at

31、m 大气压的低真空， 需要：3.6, 5.6, 8.4, 9.2 GJ 百万兆焦的能量 1 GJ = 278千瓦小时换算成每人公里为 225575 焦耳，即(66160)x10 千瓦小时每人公里能耗 度电！在管道全长内维持低压所需能量由两部分组成：补充运营中的损耗，如旅客上下等；补充空气漏泻造成的损耗由于与构造密切相关，尚无计算方法，但不会超过全管道制造真空所需之能量（C）站台设想（SWISSMETRO0） 站台低压部分 站台及人行通道 的正常气压部分（D）无移动部件的道叉 (ETT),()2，驱动装置 采用直线电机的电磁驱动，已形成共识。 1，短定子感应电机 LIM 管道构造简单，但需车上供电，难实现高速可用于模型试验 2，长定子同步电机 LSM 可实现600-1000km/h高速度。3，悬浮导向装置有多种选择（A）常导磁悬浮，如瑞士的SWISSMETRO。1 无接触受电装置层 2 隧道