干货详解高速铁路七大技术体系

1、干货详解高速铁路七大技术体系2016-05-08转自RT轨道交通地铁二三事导读本文介绍高速铁路七大技术体系。高速铁路从技术体 系上讲大致可以分为这样一个板块：公路工程，牵引供 电、运行控制与通信、高速列车、客运服务、综合维修、 安全防灾和应急处理、工务工程。1、工务工程工务工程 一般包括轨道结构、路基、桥梁、隧道、房建工程等各个 子系统，我国铁路建设在公路工程方面主要依靠技术创 新。我们国家的高速铁路一般采用全线高架、无砟轨道、 高速道和超长无缝钢轨等技术。京津城际采用CRTS-II型板 式无渣轨道结构，6.5米轨道板纵向连接，专业化制造，加 工机施工安装精度高。运营一年表明，无砟轨道京都高稳

2、 定性好，刚组均匀。我们的无缝线路，采用60公斤/米、 100米定尺、U71Muk高性能钢轨。现场焊接、弹性扣件、 轨温锁定技术。跨区间超长无缝路线。高速道岔。大号码高速道岔，直向通过速度350km/h，侧向通过速度 120-250km/h。中国高铁技术适应复杂地形。日本国土 面积小，铁路所跨越的地区气候和地质条件比较类似。而 中国国土面积大，地形复杂，横跨多个不同的气候和地质 区域，因此在高铁的实际建设中完全照搬引进日法德的技 术显然行不通，技术必须进行创新。因此，作为应对复杂 地形方面，贯穿辽阔国土面积的中国高铁，在设计上自然 有更多的实际经验，技术上也比日本具有更多的优势。 铁道部总工程

3、师何华武就指出，中国京津、武广、郑西高 速铁路非常典型：京津城际是软土路基，武广高铁是岩溶 路基，郑西高铁是黄土湿陷性路基，这样的地质条件下建 铁路，尤其是建高速铁路，需要处理好地基以及路基的填 入技术。而日本、法国、德国都没有这样的地质条件。“中国的综合能力超过他们。”许克亮表示：“如果说中国的？ 线上？（主要指机车）是走引进、消化、吸收?之路，那么线 下工程（主要指土建）则是由中国人自己创造的一个完整 系统的标准。中国高铁经过的地方地质难度较大，要穿越 水下60米深的浏阳河，还要从70多米高的地方跨越山谷 等，地质的难度，决定了中国高铁的线下功夫。”2、牵引供电由电力、接触网、变电、供电、

4、远动等构成。夕卜 电110kv/22Okv接入变电所，通过接触网为高速列车供 电。A2627.5kv的AT供电方式，供电距离60km,比直供延 长1倍。通过SCADA系统实现远程监测、控制与调节、实 现保护、控制一体化和越区供电。我国高铁采取综合接地、防雷、融冰雪技术。自动过分相，端点过分相：利用列车惯性通过无电区。时速250公里的线路采用 这个技术。我们在时速350公里的线路上采用了不断电过 分相技术，通过地面和车载装置，实现列车瞬间通过无电 区的系统控制，切换时间0.3秒左右，高速列车动力丢失 少，长距离运行节能效果非常明显，大幅压缩运行时分。 高速接触网，在明线、隧道、桥梁和不同气候条件

5、等复杂 工程下，时速350公里，采用简单链型、弹性连型悬挂技 术，研发高强高导接触网导线。保证接触网与受电弓匹配 良好、受流稳定。武广客运专线接触网采用弹性缝型悬挂 方式，实现时速350公里双弓稳定受流，为世界首创。尤其是高速电气化铁路牵引供电系统的主体设备接触网， 已经开始实现关键零部件的国产化。3、列车运行控制列控系统是确保列车行车安全的控制系统，我国采用的 “中国列车运行控制系统”（CTCS）。CTCS-1级，人控优 先，超速防护，普速铁路。CTCS-2级，机控制优先，基于 轨道电路+应答器的地对车单向信息传递，250km/h客专， 5分钟追踪。CTCS-3级：疾控，基于无限数据传输平台

6、 （GSM-R）车地双向列控信息传递。350km/h客专，3分 钟追踪；CTCS-4级，移动闭塞或虚拟闭塞。另 外，武广高铁的冽控中心系统平台”发明已经向国家知识产 权局提出了专利申请。它主要是运用“二乘二取二”的冗余技术，“二乘二取二”是一种广泛应用于铁路方面的技术，具有 更高的安全性和可靠性。二乘二侧重于系统的可用性和可 靠性，二取二侧重于系统的安全性和稳定性。而在技术实 现上主要有两种方式：指令级同步和任务级同步，即系统 平台采用多层次的安全防护措施，所有的安全输出均由两 套独立、非相关的软、硬件子系统共同确定，符合故障一 安全原则，命令在输出前进行比较，检查有错误便不产生 输出。输出后

7、也会检查，保证不产生错误输出。基于以上的控制系统，武广高铁在32公里范围内互通信息数 据，并自动保持14公里的安全车距，如果车距小于14公 里，调度中心会给动车发出指令，后车便可自动根据与前 车的距离来调整车速。“C3系统在武广高铁的成功运用，关键在于我们实现了两大创新：一个是系统集成创 新，一个是引进消化吸收再创新。我们参照了一些国外的 相关标准，但整个C3系统，包括标准规范体系，系统机构 的研发，系统结果的测试，系统产品的制造，施工安装联 调联试等，都是完全由中国人自己完成的。”通号集团C3 攻关实施组组长、研究设计院总工程师、集团副总工程师 张苑如实阐述“中国创造”四个字。C3的核心技术

8、在于应用 无线传输方式控制列车运行。其中有两个关键设备，一个 在地面，一个在车上。地面的叫RBC系统，中文名字叫无 线闭塞中心系统。RBC的功能就是让列车“该走的时候走，该停的时候停”；车上的叫ATP系统，中文名字叫列车超速防护系统，功能就是连续不间断地对列车实行速度监督， 实现超速防护。时速350公里高速动车列车如果瞬间刹车制动，需要减速滑行6500米。通过C3系统的控 制，武广高铁全线运营的高速列车在武汉调度中心的RBC 系统监控下，通过RBC系统的控制指令和车载ATP的控 制，能确保每辆列车自身不超速并使前后两个列车之间保 持安全行车距离。因C3攻关被评为全国劳模的张苑说，C3级列控系统

9、技术创主要有四大点：首次通过无线 通信的方式实现了对长大距离范围内时速350公里列车的 安全可靠运行控制；完成了列控系统C2/C3控车模式集 成；创建了全速、全景综合设计集成平台和一整套测试验 证方法；构建了完整的技术标准体系。铁道部党组书记、部长刘志军2009年国庆期间检查武广高铁时指 出：武广高铁科技含量最高的技术是C3列控系统。为适应铁路重载运输的需求，南车株机公司通过技术创新 和研究，在机车同步操纵技术、大功率交流传动机车技术 取得突破性进展，在世界上首次实现机车无线同步操纵技 术与GSM-R技术结合，大幅度提升了重载铁路的运输能 力。以和谐1型大功率交流传动机车担当的大秦铁路是世 界

10、上年运量最高的重载铁路，为加快发展我国及世界铁路 重载运输提供了成功范例。4、高速列车 高速列车高 速列车是高速铁路的核心技术之一，也是世界各国在高速 铁路当中竞争的制高点。高速列车由45000个零部件组 成，工程中分为九大关键技术。包括集成技术，目前能够 掌握集成技术的德国、法国、日本、韩国。二是车体制 造。三是牵引系统，牵引系统是高铁竞争的核心、之一，主 要由变压器九变流器、牵引控制、电机几个不同的部分组 成。高速列车所有的用电设备和运动器件都采用传感器进 行实时的监控。高速转向架，高速列车的转向架是列车技 术的核心也是轮轨技术的核心。高速专项架的结构功能， 高速列车技术的核心，具有承载、

11、导向、减震、牵引及制 动等功能。传统意义上的火车头已经看不见了，转向架技 术创新点主要在于抑制它的蛇行运动，由于车轮的反面很 锥形，需要良好的工作曲线，锥形的爬点就形成了固有的 刺激震动，这也是转向架能跑多高速度的核心。还有脱轨 安全性。我们在研究高速列车转向架轮轨安全的时候做了 一个突破性的测试，世界各国高速铁路和它的普速铁路是 不相吻的，也就是说它不做跨线运行的技术准备，所以大 多数国家，包括日本，它的轮轨匹配都是按照高速线和普 速线来设计。我们国家高速铁路和现在了路网形成跨线， 这个路网的效应就会非常的好，我们在设计我们国家的轮 轨匹配的时候采用了特有方案，这个方案比德国的明显 好，不仅

12、可以满足本线运行，而且还可以实现跨线运行，这项技术我们在本国和多国申报了专利。高速转向架，我 们希望有较高的临界速度，比如时速350公里高速列车转 向架理论上是490公里，在西南交通大学做到了 410公 里，最后的实验没有做下去，只做到了410公里。为了验 证我们高速转向架的性能，我们用了 180多天在京津城际 对高速转向架做了大量在线试验。在高速的条件下，启动 升力、交会启动激扰对轮重减载率、轮轴横向力等安全性 指标的影响进行了测试，实验的结果在394公里的时候脱 轨系数只有0.3，轮轴横向力最大有17.5千米，平稳型指标 小于2.0，安全性指标和舒适性指标都最大。又是在头头相 交、头尾相交

13、、尾尾相交的时候稳定性非常高，这为京沪 高速再提高一点做了很好的铺垫和准备。车体技术我们国家高速列车的车体设计结构优几个特点，采用了薄壁 木筒型铝合金焊接结构。鼓型宽车体3.3m。我们用了2年 多时间，在我们国家三个企业全部实现了国产化。我们的 技术难点是宽车体、轻量化、复杂交变载荷工况下，解决 的技术难题：结构强度、模态匹配、减震降噪、减少阻 力。车体主要的考核指标是气动性能，列车在交会和过隧 道的时候，在列车的周边会形成很大的阻压，我们国家实 行的气动强度指标是正负4000帕，在各种阻力都做了不同 速度下的单车过隧道，双向过隧道的实验，气动强度是不 够的。但是京沪高速，我们希望通过泰山这段

14、22个连续的 隧道，气动强度更好一点，新一代的高速列车把气动强度 的指标提高到正负6000帕。 高速列车除了有很好的安全 性还要有很好的舒适型，振动和噪音控制得当，列车的振 动主要来自两个方面，一方面是气体与车体的摩擦产生的 振动和噪音，二是线路的不平顺产生的噪音，后者产生的 噪音对车不仅有舒适型的影响还有安全性的影响。可以看 出来，线路的阻振的波长与车体的模态匹配很好，因此很 多同志，包括国外的同仁（日本人、德国人）坐了京津城 际，认为我们在减震和降噪方面做得要比他们好。比如我 们时速350公里的头车的噪音可以做到68个分贝，中国高 速列车降噪措施主要在噪声源的控制，车轮采用降噪的涂 料，车

15、与车之间的连接使它更加平滑等等。车体的设计 减少运行阻力，是一个很重要的技术工作。京津城际我们 做了大量的实验以后，对我们目前的二型车和三型车在高 速运行条件下的运行阻力，特别是车头的阻力和车身的阻 力做了详细的分析。这张图显示京沪高速新一代高速列车 的头型设计（见图），我们做了四个头型，一号、二号、三 号、十四号。目前，世界上高速列车的头型发展有两个趋 势，以德国和法国为代表的，他们目前一般都在做回型头 型，这种头型运行阻力较大，但是噪音较小。日本做成蛇 行，运行阻力较小，但是噪音很高。我们是把两种技术做 了一定的融合，京沪高速会采用一号方案，二号作为储备，14号方案用于时速500公里的实验

16、列车，这个车明年 年底也要下线。牵引传动系统我国高速列车采用交直交、 动力分散牵引传动方式。关键技术：轻量化、大客量变压 器。大功率变流器、1GBT模块。轻量化牵引电机、传动装 置。输出一个可以控制电压和频率的交流电，刺激电机运 行，带动高速运转。在制动的时候，列车强大的惯性，动 能转变成电能反馈回来。如果忽略空气的运行阻力和摩擦 阻力，动能速度在50公里以上有98%可以再次利用。电一 空复合制动高速列车的制动系统采用电一空复合制动。在 高速的情况下，首先采用电制动，当时速达到50公里采用 摩擦制动。同时达到列车的精确制动。到紧急制动的时候 电制动和摩擦制动同时进行。关键技术：电-空匹配控制。

17、 防滑控制。大容量摩擦副。粘着与减速度匹配。350公里/ 时制动距离 武广客运专线大量采用了自主研发的先进的 减震性轨道技术，其中包括了重型无缝钢轨、新型扣件、 弹性轨枕以及吸音材料制成的声障屏、吸声式隔音窗等新 材料新设备，列车通过时的噪音大大降低。在1月11日召开的国家科学技术奖励大会上，中国南车青岛四方机 车车辆股份有限公司的“CRH2型高速动车组转向架”，荣获 国家科学技术进步一等奖。CRH2型高速动车组转向架的研 制开发过程中，申请了大批专利。据介绍，转向架是高速 动车组的走行装置，具有承载、减震、导向、牵引、制动等重要功能，决定了列车运行速度和运行品质，是高速动 车组的核心技术。C

18、RH2在高速转向架动力学等多方面实现 了技术创新，成功解决了高速条件下列车抗线路激扰、抗 蛇形运动失稳、抗高速脱轨等关键技术难题，并实现了我 国铁路动车组在既有线和高速铁路的兼容运行，整体技术 达到国际先进水平。在第六次铁路既有线大提速中，这一 成果应用于京广、京沪等9条共计6000多公里的主要干 线，以及京津城际高铁动车组、武广高铁动车组、世界首 创的长大编组卧铺动车组等。这一技术成果应用的高速动 车组累计运营里程已超过9000万公里，累计运送旅客1.23 亿人次。 除了使用CRH2型高速动车组转向架，武广高铁 采用的CRH3型动车组列车系统创新了大断面宽车体、高速 轮轨、高速受流、高速制动

19、、人机界面等关键技术，在牵 引系统、制动系统、车体空气动力学等方面的技术处于当 今世界领先地位，牵引功率达到8800千瓦，具有强劲的启 动加速和持续高速运行的能力。“高气密性轨道车辆车体”技术解决了上述不足，采用了气密隔墙结构，将头车 司机室前部与车厢部分有效隔离，分隔成完全密封的两部 分，避免在列车进行高速运行时，因车体头部所承载的空 气压力过大，造成车体密封不严的现象。此外，该车体各 大部件之间的连接部均采用满焊工艺焊接，且在车体的各 个开口走线的位置，采用了套管加堵板的结构，走线完毕后灌上密封胶，更进一步保证了车体的高密封性能。这种 车体结构不仅适用于铝合金型材的车体，也同样适用于碳 钢

20、、不锈钢车体，可用于时速200公里及以上速度等级的 动车组，目前广泛应用于CRH2系列动车组，已装用1200 余辆，总价值近30亿元。“带有热熔型减震材料的中空薄壁型材”技术解决了这个难题，采用铝合金中空薄壁挤 压型材，可以实现较高的刚度和强度设计要求；同时，因 为是减震隔音材料，所以降低震动、噪音向客室内的传 递。据了解，这项专利技术可适用于时速200公里等级及 以上的动车组车体结构，目前广泛应用于CRH2C300系 列动车组车体，及CRH2长大编组系列动车组车体，已装用 700余辆，总价值近10亿元。5、旅客服务系统大量运用了信息技术，需要给各位专家报告的是，铁路的票务 系统看似简单，实际

21、上很难。去年我们国家铁路旅客发送 人数是14亿人，中国人每人坐了一次火车。去年印度人每 人坐5次火车。日本，2008年的统计，每人每年坐轨道交 通200次。我们测算到2011-2012年，高速铁路网基本建 成以后，每年旅客发送量大约在70亿人次以上，对这样一 个大型票务系统数据平台建设，目前我们和中科院以及和 几所大学还在探讨，这是一个很大的处理系统。我们在站 车信息服务和引导服务方面也要采用大量的信息技术。6、高速铁路安全高速铁路的安全与否取决于三个要素：第 一个要素是系统本身的稳定性，第二个要素是维修的可靠 性，第三个要素是意外事故的控制。高速铁路的维修我们现在采用的是手段，一是采用现代化

22、的检测与维修设备， 这是世界上目前速度最高的综合检测设备。我们的零号列 车在检测线路、通信、讯号的时候达到250公里。每日0 点以后设置4小时左右综合维修“天窗”，这段时间不行车， 采用现代化的设施对线路进行检测。检查结束以后每天开 行之前会对开一个空载的动车组对线路进行确认。每10天 我们有综合检测车对线路的基础设施、通讯信号和牵引供 电设备进行综合的检测和诊断。7、安全防灾监控体系高速列车对侧风比较敏感，一般在每秒15米侧风条件下我 们会采用降速的办法，从350降到250。对大风、雨雪、地 震比较敏感，在异物侵限、线路沉降监测、接触网、通 信、信号检测。高速列车运行品质、轴温、防火智能检测

23、 诊断，以及全线视频监控。据许克亮介绍，为武广高铁开发的列车控制系统，代表了世界先进水平。实行 “双保险”监控，全线每隔一段距离就有一座数据接受塔，像 移动通讯一样，监测全线有无人、牲口等进入，这是无线 监控。轨道上还设有有线监控。铁轨上几毫米的变形和下 沉，都看得十分清楚。一旦前方有不速之客侵入铁路，监 控系统会立刻指令列车自动停车。在安全防灾监测系统上，高速列车对侧风比较敏感，一般在每秒15米侧风条件下会采用降速的办法，从时速350公里降到250公里。 在长达700多公里的路段上设有融雪装置，铁路冻到一定 程度，这个装置就会自动启动。武广高铁采用国产化的融 雪装置，一旦遇到极端天气，装置将自动启动，融化冰 雪。这套融雪装置即是北京中铁通电务技术开发中心发明 的专利技术“一种铁路道岔融雪电加热元件安装装置”。一名不愿透露姓名的专家认为，中国的高铁技术相对于德国、日本等有三个优势。“一是从工务工程、通 信信号、牵引供电到客车制造等方面，中国可以一揽子出 口，而这在别的国家难以做到。二是中国高铁技术层次丰 富，既可以进行250公里时速的既有线改造，也