高速地面交通的现状发展及关键技术汇报

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-SPEEDGROUNDTRANSPORTATIONHSGT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%，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GDP40%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：200∽360km/h

高速磁浮：400∽450km/hHSGT

真空管道：400∽1000km/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2020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01002003004005006007008009001000速度，km/h公路水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交通（HSETT）高速地面交通（（HSGT）轨道交通(RailTransportation)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）高速铁路的关关键技术（一）大功功率驱动系统（二）提高高曲线通过能力力（三）提高高运动稳定性和和运行平稳性（四）高速速列车运行信息息化和自动化（五）空气气动力学工程（六）高速速列车试验技术术（一）大功率驱动动系统列车行车阻力为：：F0=a+bV+cV2其中：F0——每吨列车质量的阻阻力单位：N/ta——固定阻力系数，取为:11b——机械阻力系数，取为:0.11c——空气阻力系数，取为:0.0016所需功率随速度三三次方而增大080160240320400100%80%60%40%20%0%320N/t240N/t160N/t80N/t0N/t行车速度度,V,（km/h）200km/h85%空气阻力机械阻力固定阻力空气阻力接近70%空气阻力所占百分分比每吨列车质量所需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.使用直线电机牵引引提高动轴功率——改直流牵引电机为为同步或异步交流流牵引电机，实现现交-直-交传动交—直传动的局限——自重大，维修困难难。轴功率一般只能到到800kW，最大到1000kW。采用交流牵引电机机——无整流子，可做到到无维修。速度调节及控制用用VVVF等调频变频技术，实现交—直—交传动。轴功率最大可到1250-1800kW。2.增加动轴数量——由动力集中到动力力分散牵引力还取决于粘粘着重量——因为动轴轴重对轨轨道的动力作用随随速度而加剧，故故不能过大：低速可到25t，一般为21-23t，我国第一列高速列列车为19.5t，国际标准:17t。增加动轴数量比增增加动轴轴重更有有效——走向动力分散，增增加粘着重量，充充分发挥牵引及动动力制动能力。964年日本设计的0-系高速列车全为动动轴80年代法国TGV及德国ICE采用动力集中90年代法国和德国都都相继改为动力分分散。300km/h以上都应考虑采用用动力分散减轻自重比功率相同条件下下，自重越小，牵牵引功率越大日本新干线高速列列车的轴重：车辆系列0100300500制造最初年度1964198419901996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。但粘着系数随速度度提高而下降。如：V=100km/h,µ=0.2-0.3V=200km/h,µ=0.1-0.2V=300km/h,µ=0.05-0.1V=400km/h,µ=0.01-0.05故利用轮轨粘着实实现牵引最高速度度不宜超过400km/h,一般取360km/h。不是极限，是最高经济速度。采用线性电机可以以无限制地发挥牵牵引力——加拿大1987年试验成功，日本东东京12号地铁27.8公里采用线性电机机牵引，坡度度可达8%。日本地铁车辆采用用线性电机牵引可可减小隧道截面节节约地铁投资线性电机原理及应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）提高曲线通通过能力能否通过曲线是限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，限制旅客乘坐舒舒适度离心加速度＞0.1g,即超过旅客承受标标准2,限制脱轨安全性离心力加大轮轨横横向力Q，可能引起脱轨事故故脱轨系数为Q与垂向力之比，其值应＜1.0，标准：0.6获得高曲线通过能能力的途经1.加大线路曲线半径径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径和设置超高最小曲线半径，R的计算：Vk—最大通过速度，单单位为km/hh—轨道外轨超高，以以mm计。R=1500tgØ,Ø为超高角。一般铁道，h≤110mm；高速铁道，h≤180mmh欠—未被平衡的离心加加速度，换算成超超高不足度，即欠超高。一般般取70mm，困难取90mm，个别取120mm。11.8=1500÷(9.81×3.62)—单位换算中出现的的系数。铁路按最小曲线半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（Ⅱ级Ⅲ级铁路）800-600（最小300，需减速通过）100-80120-100提速铁路（Ⅰ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—能自动回到径向位位置故具有弱约束轮对对的转向架就是径向转向架刚性转向架—前轮对以巨大冲角角冲向钢轨，产生很很大轮轨力径向转向架—轮对保持径向位置置冲角为零，轮缘力力为零各轮对以其横向蠕滑力力平均承受轮轨力，称为蠕滑滑导向，可大大改善通过曲线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部分离心加速度，犹如附附加超高，可改善高速过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，实实时控制车体倾摆的角度度。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，，将在成渝线运用用。（三）提高运动稳稳定性和运行平稳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—系统对外干扰的响响应，与外干扰的强度密密切相关。蛇行失稳临界速度度轮对因踏面锥度而而蛇行既是保证正常工作作的最聪明设计，，又是造成蛇行失稳稳的原因。线性蛇行失稳临界界速度，VA作为线性系统的运运动不稳定性，在无激励下蛇行运运动加剧的速度非线性蛇行失稳临临界速度，VB作为线性系统的运运动不稳定性，由极限环的稳定性性所决定。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VAVAVBVB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而加剧例如：轮轨力但乘坐舒适度不能能降低即加速度响应在高高速下应保持在常速下的水水平例如：由加速度响响应计算的横向、垂向平稳性指标W仍应符合规定的标准准，即：Wx≤2.5;Wy≤2.5故高速车辆必需具具有更好的动力性性能例如：具有更柔软软的悬挂特性:二系横向悬挂刚度度减小到0.15MN/mm,车体与转向架间的的自由间隙加大到到±80mm,一般速度下的车辆辆仅为±20mm。V=250km/hV=200km/hV=160km/hV=120km/hV=80km/hV=40km/h012345678910t(ms)5004003002001000P,(KN)运行平稳性和运动动稳定性的要求是是矛盾的平稳性要求柔性悬悬挂，稳定性要求求加大刚度。径向曲线通过要求求轮对弱弹性定位位，稳定性要求加大轮轮对定位刚度。解决矛盾的途经：：精心设计，折衷要要求，优化悬挂参参数——受限制；采用可控参数技术术，如：1，无源主动控制——抗侧滚扭杆，抗蛇蛇行阻尼，变参数定位，迫导导向转向架等2，有源主动控制——车体可控傾摆，二二系横向主动悬挂，轮对摇头角角主动控制，流变变阻尼等车体横向振动的控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统（四）高速列车运行行信息化和自动化化COM-CTC-ATC控制系统高速下行车，通常常的道旁色灯信号号无法使用必须采用机车内显显示的信号一般为为允许的速度，如如日本新干线采用用的COMTRAC-CTC-ATC系统日本新新干线线高速速铁路路的综综合调调度所所COMTRAC(Computer-AidedTrafficControl)列车自自动控控制系系统ATCDC-ATC地面稠稠密大大气层层中高高速运运行的的主要障障碍是是空气阻阻力和气动噪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列车运运行中中头车车表面面压力波波分布Cp=P––测点压压力，，PaP∞-参考压压力，，即未未受扰扰动的的来流静静压力力，Paρ--空气密密度，，kg/m3V∞-来流风风速，，m/s横座标为为沿车车长分分布的测点点纵座标标为无无量刚刚空气气动压系系数CP：距车底底70mm距轨面面180mm最大会会车压力波波决定定高速速铁路线线间距距空气压压力波波造成成车窗窗破裂裂，提提高对对列车车气密密性的的要求求。最大值值应控控制在在1.8～2.2kPa之间净间距距Y与会车压力力波的的关系线间距距=净间距距+车宽常规铁铁路4.0m德国高高速铁铁路4.7m我国京京沪高高速铁铁路拟拟选4.7m日本新新干线线4.24.3m法国高高速铁铁路4.34.5m高速铁铁路对对隧道道的特特殊要要求隧道内内和隧隧道口口气压压变化化5-11kPa隧道截截面面面积:隧道口口:一般铁铁路30m2成喇叭叭型日本新新干线线64m2德国高高速94m2京沪拟拟选100m25-11kPa高速车车辆车车体气气密性性标准准车内压力的的变化化——每秒不不大于于200Pa车厢密密封性性能试试验——车厢密密闭后后加压压，观观察压力下下降的的速度度。标准：：由400mmH2O降到100mmH2O的时间间不得得少于于50秒日本和和德国国都采采用这一标标准。。车厢内内≯68dB≯85dB25m1m噪声标标准隔音降降噪达达到噪噪声标标准线路试试验许昌试试验段段---达到240km/h(1998年6月24日).秦沈客客运专专线试试验段段---已达292-330km/h（2002年）环行道道试验验铁道科科学研研究院院北京京东郊郊环行行道---1400m半径，，可作180km/h曲线试试验，，最高高达到到213km/h。高速机机车车车辆滚滚动振振动试试验台台四方车车辆研研究所所滚动动振动动相分分离的的车辆辆试验验台，，纯滚动动试验验最高高可达达400km/h,已达392km/h.西南交交大牵牵引动动力实实验室室于1988-1995年研制制成功功滚动振振动相相结合合的动动态模模拟试试验台台，可达达450km/h（六））高高速列列车试试验新新技术术高速列车运运行的动态态模拟拟试验验国內唯唯一具具有运行模模拟功功能的只有有牵引动动力国国家重重点实实验室室的机车车车辆整整车滚滚动振振动试试验台台特点：：非线性性失稳稳临界界速度度---国际上上首次次得到到全参数数曲线线通过过性能能模拟拟---国內外外唯一一具有有此功功能反演轨轨道谱谱---国际上上首次次开发发全尺寸寸轮轨轨滚动动接触触力学学试验验---国际开开创性性试验验三维多多点可可控加加载疲疲劳试试验---国內唯唯一能能做此此试验验为此获获得1999年国家家科技技进步步一等等奖机车车车辆整整车滚滚动振振动试试验台台大型试试验过过程的的总体体控制制技术术是国内内外类类似试试验台台总控控台上上显示示监视视信号号最多多的创造机机车车车辆线线路运运行的的动态态环境境滚动——模拟前前进速速度，，400-450km/h振动——模拟轨轨道垂垂向横横向不不平顺顺激扰扰滚振振结结合合，分分别别激激振振日本高高速铁铁路的的发展展7条新干干线总总长度度达到到：2139.9km日本500系高速速列车车日本700系高速速列车车由中日日本铁铁路和和西日日本铁铁路共共同研研制，，1999年春投投入使使用，，270-285km/h。日本高高速技技术360新干线线E9542005/6/24日宣布布:开发成成功360km/h高速列列车法国高高速铁铁路的发展展动力集集中TGV-PSE,426km,1981TGV-A,284km,1989TGV-R,104km,1994TGV-R,2N,333km,1996动力分分散AGV,360km/h,2002法国TGV-2N高速列列车最高运运行速速度：：360km/h。2001年3月在1000km距离间间创造造了长距离离旅行行速度度的世世界纪纪录：：302km/h。德国高高速铁铁路的发展展高速铁铁路:汉维线线,1991,327km曼斯线线,1991,105km波法线线,2001,200km高速列列车动力集集中ICE-V,1988,409.6km/hICE-I,1991,280km/hICE-2,1996,300km/h,动力分分散ICE-3,1999,350km/h,4M/4T新轮轨高高速铁路路2002年8月通车原磁浮计计划线2000年3月撤消柏林汉堡动力分散散式的ICE-31999年投入运运营并出出口荷兰兰第四代ICE正在开发发之中俄罗斯高高速铁路路的发展展莫斯科—圣彼得堡堡高速干干线和神鹰号高高速列车车俄罗斯神神鹰号高高速列车车在作试试验运行行（1999年）最高速度度每小时时350公里90年代以来来我国自主主研究开开发了一一系列用于提速速和高速速铁路的的动车组140km/h内燃动车车组140公里“晋晋龙”号号内燃动动车组160公里/小时内燃燃动车组组180公里时速速“神州州”号內內燃动车车组2000年10月18日首次驶驶出北京京站1999年9月戚厂与与浦厂联联合研制制，10月投入京京津线运运营。总功率3480kW,双层，二二动十拖拖，定员员1440人，试验验速度达达到210.8km/h。180公里“新新曙光””号内燃燃动车组组1999年8月戚厂与与浦厂联联合研制制，10月投入沪沪宁线运运营。总功率5520kW,双层，二二动九拖拖，定员员1440人，试验验速度达达到198km/h。305km/h蓝箭号动动力车试试验到400km/h“大白鲨鲨”交直直传动电电动车组组1999年5月株电厂厂，长客客厂，四四方厂，，浦镇厂厂联合生生产。广广深线运运用。速度200km/h，试验到223.6km/h。一动六拖拖，轴功功率1000kW，总功率4000kW时速：200公里时速200km/h四动两拖拖，4800kW，定员424人2001年5月在牵引引动力国国家重点点实验室室滚动振振动试验验台试验达到到：350km/h2001年11月在广深深线试验验达：249.5km/h2002年9月在在秦沈线线试验达达：295km/h国家高技技术产业业化项目目270km/h高速列车车产业化化由株电，，长春，，四方，，大同四四厂联合合研制样车一律律由牵引引动力国国家重点点实验室室试验2002年9月23日全部样车车通过滚滚动振动动试验台台试验运行模拟拟试验：达到350km/h稳定性试试验：达到400km/h2003年在秦沈沈线做线路试验验，达到322.8km/h到2005年已试验验运行55万公里，，返厂分分解检查查，全部部合格现已批准准生产5列，投入入商业运运营。（B）高速磁浮浮列车按磁力分分:EMS电磁式，，吸力式式EDS电动式，，斥力式式按磁场分分:电磁，用用电动磁磁铁永磁，用用工业永永磁体按定子分分:短定子—定子（轨轨道）为为次级长定子—定子（轨轨道）为为初级按速度分分:低速—50-100km/h中速—100-300km/h高速—400-500km/h按材料分分:常导超导低温超导导高温超导导日本常导导短定字字磁浮列列车HSST日本HSST试验样车车—1978年滑板导向磁铁铁机械式安安全制动动悬浮磁铁铁及牵引引电机励励磁（车辆侧侧-转子）滑轮导向及制制动用轨轨铁芯定子子绕组(导向)常导电磁磁铁(悬浮和牵牵引)（轨道侧侧-长定子））德国常导导长定子子磁浮列列车工作作原理54m25m悬浮高度度：8-10mm导向间隙隙：8-10mm德国TR07常导长定定子磁浮浮列车TR08在上海浦浦东进行行商业试试运行低温超导导磁浮列列车原理理日本MLX01号超导长长定子高高速磁浮浮列车试验速度度:553.5km/m,会车试验验速度1000.0km/h悬浮高度度100mm山梨试验验线高温超导导磁悬浮浮实验车车原理常规永磁磁体屏蔽电流流高温超导导体镜象磁体体常规永磁磁体高温超导导体原理：利用常规规永磁体体的磁场场在高温超超导体中中引起屏蔽电流流实现悬浮。导向：由高温超超导体钉钉扎中心心对永磁导导轨磁力力线的钉扎作用用实现导向。钉扎中心心中国高温温超导磁磁悬浮实实验车西南交通通大学磁磁浮列车车研究中中心全部采用用国产高高温超导导体块材材，薄底底（3毫米）方方形液氮低温容器器工作时时间大于于6小时。在在车体自自重（空空载）时时的悬浮浮高度35毫米，承承载5人时的悬悬浮高度度大于20毫米。该该车导向向力大、、悬浮刚刚度较好好，加速速度1米/秒2，整车在在长15.5米的钕铁硼永磁导轨轨上自动动运行十十分平稳稳。磁浮飞机机（MAGPLANE）原理：永永磁体置置于车上上，轨道道为弧形形铝板，，车辆在车车轮上推推进，达达到一定定速度后后，铝板切割割磁力线线产生涡涡流磁场场，极性性与永磁磁场相同同，提供斥力力，将车车浮起。。100-150mm车箱轮对永久磁铁铁铝板优点：结构简单单悬浮高度度大(150mm)速度高(500-600km/h)成本低美国麻省省理工的的发明专专利，只只做小模模型试验验（C）高速真真空管道道交通系系统High-SpeedEvacuateTubeTransportation超高速是21世纪地面面高速交交通的需需求石油短缺缺将使民民航成为为一般人人难于享享用的奢奢侈品环保要求求电气化化的轨道道交通。。随着社会会经济的的发展，，人们渴渴望超高高速。真空（或或低压））管道是是地面交交通达到到超高速速的唯一途经经否则无法法超越400km/h的警戒线线。30-50年后真空管道道将是不可回避避的选择真空管道道高速交交通一直直是人类类的美丽丽梦想1922年德国工工程师赫赫尔曼.肯培尔(HermannKemper)提出磁浮浮列车原原理,1934年获得此此项发明明专利.肯培尔当当时的设设想:“在抽成接近真空空的密闭闭隧道中运行磁磁浮列车车,速度可达达每小时1800公里”.瑞士低压压隧道磁磁浮列车车SWISSMETRO气压：0.1atm隧道内径径：5.0m列车外经经：3.2m遮挡系数数：0.43速度:600km/h美国ETT高真空管道磁磁浮车EvacuatedTubeTransportation真空度:0.000001atm，百万分之一大大气压,可实现几乎无无阻力运行加速之能量可可在制动时回回收“宇宙航船贴地地飞”比飞机还快的的低压隧道磁浮浮列车AMERICANMETRO与SWISSMETRO类似.速度想达到1000mph,即1600km/h.真空管道高速速交通的关键键技术1，真空（低压压）管道（A）全程隧道还还是架空管道道？主要是建设成成本问题。全全程隧道几乎乎不可能，采采用新材料、、新工艺建设设架空管道，，成本不会过过高。摘自网站PRTMaglev,G.J.Suppes真空管道高速速交通的关键键技术（B）在管道全长长内制造低压压所需能量据G.J.Suppes对PRT的计算：采用用80%效率的风机，，将80km长管道抽成：0.2,0.1,0.01,0.001atm大气压的低真真空，需要：3.6,5.6,8.4,9.2GJ百万兆焦的能能量．1GJ=278千瓦小时换算成每人公里为225∽575焦耳，即(66∽160)x10－６千瓦小时每人公里能耗耗＜度度电！！在管道全长内内维持低压所所需能量由两部分组成成：Ａ－补充充运营中的损损耗，如旅客客上下等；Ｂ－补充空气气漏泻造成的的损耗．由于与构造密密切相关，尚尚无计算方法法，但不会超超过全管道制制造真空所需之能量．．（C）站台设想（（SWISSMETRO0）站台低压部分分站台及人行通通道的正常气压部部分（D）无移动部件件的道叉(ETT),()2，驱动装置采用直线电机机的电磁驱动动，已形成共共识。1，短定子感应应电机LIM管道构造简单单，但需车上上供电，难实实现高速．可用于模型试试验．2，长定子同步步电机LSM