世界高鐵技術(shù)探索

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高鐵技術(shù)顧名思義高速鐵路技術(shù)。根據(jù)國(guó)際鐵道聯(lián)盟的定義，高速鐵路是指營(yíng)運(yùn)速率達(dá)每小時(shí)200公里的鐵路系統(tǒng)(也有250公里的說(shuō)法)。適合高速鐵路的生存環(huán)境其實(shí)只有兩條基本原則：第一是人口稠密和城市密集，而且生活水準(zhǔn)較高，能夠承受高速輪軌比較昂貴的票價(jià)和多點(diǎn)?？浚诙禽^高的社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科技基礎(chǔ)，能夠保證高速輪軌的施工、運(yùn)行與維修需要。 　　高速鐵路技術(shù)除了在列車在營(yíng)運(yùn)達(dá)到速度一定標(biāo)準(zhǔn)外，車輛、路軌、操作都需要配合提升。廣義的高速鐵路技術(shù)包含使用磁懸浮技術(shù)的高速軌道運(yùn)輸系統(tǒng)。世界知名的高鐵技術(shù)主要有：新干線技術(shù)、TGV技術(shù)、ICE技術(shù)、Talgo技術(shù)、擺式列車、磁懸浮。 　　新干線技術(shù) 　　世界上首條出現(xiàn)的高速鐵路是日本的新干線，于1964年正式營(yíng)運(yùn)。日系新干線列車由川崎重工建造，行駛在東京-名古屋-京都-大阪的東海道新干線，營(yíng)運(yùn)速度超過(guò)每小時(shí)200公里。 　　當(dāng)時(shí)的東京至大阪“東海道”線僅用8年時(shí)間就收回全部投資。近年來(lái)，新干線技術(shù)不斷進(jìn)步，已經(jīng)構(gòu)成了日本國(guó)內(nèi)鐵路網(wǎng)的主干部分。新干線修建之后對(duì)于日本經(jīng)濟(jì)的拉動(dòng)也是引起世界高速鐵路建設(shè)狂潮原因之一。 　　新干線以“子彈列車”聞名。新干線于東京奧運(yùn)前夕開(kāi)始通車營(yíng)運(yùn)，第一條路線是連接?xùn)|京 　　與新大阪之間的東海道新干線。新干線的軌距屬于標(biāo)準(zhǔn)軌(1435mm)。除了迷你新干線的路段外，列車運(yùn)行車速可達(dá)到每小時(shí)270或300公里，但在進(jìn)行高速測(cè)試時(shí)，則曾創(chuàng)下每小時(shí)443公里的最高紀(jì)錄(由955系(300X)在1996年時(shí)所創(chuàng)下)。 　　日本新干線技術(shù)成熟，運(yùn)行穩(wěn)定，安全性較高，運(yùn)行47年來(lái)，還沒(méi)有發(fā)生人為致死的事故，號(hào)稱為全球最安全的高速鐵路之一。新干線的穩(wěn)定運(yùn)行全靠日本成熟的的高鐵調(diào)控制技術(shù)，列車發(fā)車間隔可以縮短至5分鐘，是世界上屈指可數(shù)的幾種適合大量運(yùn)輸?shù)母咚勹F路系統(tǒng)之一。 　　除此之外由于全部列車都采用動(dòng)力分散式設(shè)計(jì)，新干線也是世界上行駛過(guò)程最平穩(wěn)的列車之一。于2007年2月1日開(kāi)始營(yíng)運(yùn)的臺(tái)灣高速鐵路即采用新干線系統(tǒng)作為基礎(chǔ)，也是新干線技術(shù)首次向海外輸出。 　　新干線采用動(dòng)力分散的運(yùn)行方式，而不是用機(jī)車(火車頭)牽引。所謂動(dòng)力分散，就是每節(jié)車廂的車輪都安裝了驅(qū)動(dòng)裝置——電動(dòng)機(jī)，將列車的動(dòng)力分散到各節(jié)車廂。傳統(tǒng)的機(jī)車牽引方式需要依靠機(jī)車提供牽引力，是以較少的驅(qū)動(dòng)輪對(duì)帶動(dòng)整列列車行走，為了有效利用牽引功率和防止機(jī)車主動(dòng)輪空轉(zhuǎn)，就需要在機(jī)車上加上很大的重量，從而加大了對(duì)軌面的壓力，增加建設(shè)和維修成本。新干線采用動(dòng)力分散方式，以每節(jié)車廂的車軸作為驅(qū)動(dòng)，不需要沉重的機(jī)車，由此車廂的軸重便可大大減輕，不僅易于加減速和在大坡度線路上的平穩(wěn)行駛，也降低了噪音和振動(dòng)，大大提高了旅行舒適性，同時(shí)，由于降低了對(duì)軌面的壓力，既降低了建設(shè)成本，又提高了經(jīng)濟(jì)效益。 　　隨著半導(dǎo)體技術(shù)的迅速發(fā)展和應(yīng)用，新干線列車的制動(dòng)系統(tǒng)由原來(lái)的空氣制動(dòng)改為電-空聯(lián)合制動(dòng)與再生制動(dòng)，使用再生制動(dòng)的列車在制動(dòng)時(shí)會(huì)將電機(jī)的接線反接，這時(shí)電動(dòng)機(jī)就變成了發(fā)電機(jī)，將列車制動(dòng)時(shí)的巨大動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，發(fā)出的電能通過(guò)轉(zhuǎn)換以后可回饋牽引電網(wǎng)進(jìn)行重新利用，從而可節(jié)省能源。同時(shí)，列車的電氣控制系統(tǒng)由GTO控制(逆變器控制)轉(zhuǎn)向了更先進(jìn)的VVVF控制(交流電變頻控制)，進(jìn)一步提高了運(yùn)行效率，節(jié)省了耗電。 　　最早的新干線“0”系列開(kāi)通于1964年，1999年后，全部轉(zhuǎn)交JR西日本，在山陽(yáng)新干線(岡山～博多南間)執(zhí)行站站停車的“回聲”班次。由于機(jī)械壽命和經(jīng)濟(jì)性的原因，所執(zhí)行的定期班次已于2008年11月30日正式退役。而其執(zhí)行的班次由后續(xù)車型100系繼承。 TGV技術(shù) 　　TGV列車最早的原形是TGV001。它以燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力，在1972年11月8日創(chuàng)造了時(shí)速318公里的世界紀(jì)錄。這種車在試驗(yàn)中曾175次跑出超過(guò)300公里的時(shí)速。新型TGV取得了出人意料的成功，打敗了巴黎到里昂的航空運(yùn)輸業(yè)，很快就盈利了，僅僅用十年的時(shí)間就完全抵償了其自身的營(yíng)建成本。面對(duì)這一成功，法國(guó)政府開(kāi)始看好這一新系統(tǒng)，并為進(jìn)一步開(kāi)發(fā)高速路網(wǎng)提供了支持。TGV已經(jīng)成為法國(guó)的高技術(shù)象征。 　　TGV計(jì)劃開(kāi)始于20世紀(jì)60年代。當(dāng)時(shí)，法國(guó)國(guó)家鐵路局(SNCF)認(rèn)識(shí)到，要與日益增長(zhǎng)的私家車和快捷的空中交通競(jìng)爭(zhēng)，他們除了提供快捷的速度外，別無(wú)他法。最初，這項(xiàng)計(jì)劃被認(rèn)為是走上了技術(shù)的“死胡同”。 　　當(dāng)時(shí)的業(yè)內(nèi)人士以為，鋼制輪軌系的技術(shù)已經(jīng)研究到底了，應(yīng)該是轉(zhuǎn)移到磁懸浮或噴氣動(dòng)力式研究的時(shí)候了，因此，這項(xiàng)計(jì)劃在一開(kāi)始沒(méi)有得到任何政府投資。SNCF對(duì)TGV的構(gòu)想是在列車保持兼容現(xiàn)有鐵路設(shè)施的條件下開(kāi)發(fā)高速鐵路系統(tǒng)。這樣做，有利于最大程度利用現(xiàn)行的鐵道，特別是城市中心的鐵路設(shè)施。如果在這些城市中心新建高速火車系統(tǒng)，如火車站等，代價(jià)是讓人無(wú)法接受的。另一個(gè)好處是在現(xiàn)行鐵路的基礎(chǔ)上，用TGV列車達(dá)到部分高速鐵路的目標(biāo)，逐漸改進(jìn)現(xiàn)有鐵道系統(tǒng)，一步一步地實(shí)現(xiàn)鐵路高速化。至今，TGV已有數(shù)代，每一代有好幾種車型。 　　TGV高速列車提供了新型更快捷的出行方式。如巴黎和法國(guó)東部20個(gè)目的地之間更好更快捷的直達(dá)服務(wù)。(斯特拉斯堡、南錫、梅斯以及10個(gè)國(guó)際城市，諸如，法蘭克福、盧森堡、斯圖加特和蘇黎世。)包括法國(guó)的東部、巴黎大區(qū)、以及法國(guó)的北部、西部和西南部。很大程度上減少了旅途所需時(shí)間。2010年法國(guó)報(bào)紙有新聞表明下一代的AGV2將有兩種版本：動(dòng)力分散和動(dòng)力集中式，后者特供SNCF，相信是出于維護(hù)成本及經(jīng)濟(jì)效益上的考量而做出的決定。 　　ICE技術(shù) 　　德國(guó)的ICE則是目前高速鐵路中起步最晚的項(xiàng)目。ICE(InterCityExpress的簡(jiǎn)稱)的研究開(kāi)始于1979年，其內(nèi)部制造原理和制式與法國(guó)TGV有很大相似之處，目前的最高時(shí)速是1988年創(chuàng)下的409公里。因此現(xiàn)在德國(guó)與法國(guó)政府正在設(shè)計(jì)進(jìn)行鐵路對(duì)接，用各自的技術(shù)完成歐洲大陸上最大的兩個(gè)國(guó)家鐵路網(wǎng)的貫通。 　　ICE起步較晚和進(jìn)展比較落后的一個(gè)重要原因是德國(guó)人在高速輪軌和磁懸浮的兩線作戰(zhàn)。由于磁懸浮在設(shè)計(jì)理念上的先天優(yōu)勢(shì)(沒(méi)有固態(tài)摩擦)，德國(guó)的常導(dǎo)高速磁懸浮一直是其鐵路方面科研的重點(diǎn)。磁懸浮的設(shè)計(jì)理念與傳統(tǒng)意義上的輪軌完全不同，因此當(dāng)法國(guó)的TGV順利投入運(yùn)行，而且速度不亞于當(dāng)時(shí)的磁懸浮時(shí)，德國(guó)人才開(kāi)始在高速輪軌方面奮起直追，但是至今仍與法國(guó)TGV技術(shù)有不小的差距。 　　ICE的全稱是InterCityExpress，即城際快車。德國(guó)的高速鐵路利用了原有線路，所以火車平均速度不是很快(相對(duì)法日而言)，德國(guó)傳統(tǒng)鐵路營(yíng)運(yùn)時(shí)速原來(lái)就有200公里，在1991年配合漢諾威-烏茲堡間全長(zhǎng)327公里和曼海姆-斯圖加特107公里高速鐵路竣工，ICE高速列車開(kāi)始進(jìn)行商業(yè)運(yùn)轉(zhuǎn)，其最高營(yíng)運(yùn)時(shí)速可達(dá)280公里。 　　德國(guó)鐵道在1979年試制成第一輛ICE機(jī)車。1982年德國(guó)高速鐵路計(jì)劃開(kāi)始實(shí)施。1985年首次試車，以317時(shí)速公里打破德國(guó)鐵路記錄，1988年創(chuàng)造了時(shí)速406.9公里的記錄，在當(dāng)時(shí)堪稱世界第一。1990年一臺(tái)機(jī)車拖13輛車廂的ICE列車開(kāi)始在烏茲堡到福爾茲之間的高速鐵路試運(yùn)行，最高時(shí)速為310公里。 Talgo技術(shù) 　　用于未來(lái)西班牙高速鐵路商業(yè)運(yùn)營(yíng)的Talgo350型準(zhǔn)軌高速列車由1臺(tái)動(dòng)力車頭和6輛Talgo車輛組成。動(dòng)力車頭采用了最新的空氣動(dòng)力學(xué)知識(shí)，安裝了基于列車通信網(wǎng)絡(luò)TCN的電子控制裝置，集成了輔助逆變器的IGBT變流器和半彈性架支式懸掛的橫向傳動(dòng)裝置。 　　擺式列車 　　擺式列車是一種車體轉(zhuǎn)彎時(shí)可以側(cè)向擺動(dòng)的列車。擺式列車能夠在普通路軌上的彎曲路段高速駛過(guò)而無(wú)需減速。從國(guó)際趨勢(shì)來(lái)看，擺式列車很有可能是一種在大規(guī)模成熟鐵路網(wǎng)基礎(chǔ)上完成提速，而且性價(jià)比較高的高速鐵路技術(shù)。 　　德國(guó)、意大利和瑞典是最早進(jìn)行擺式列車試驗(yàn)的國(guó)家，1997年以來(lái)擺式列車因?yàn)閮r(jià)格便宜和制造工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，尤其是能夠充分利用現(xiàn)有線路，不必鋪設(shè)全新的鐵路網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)，而逐漸能夠在高速列車的競(jìng)爭(zhēng)上與高速輪軌和磁懸浮分庭抗禮。 　　擺式列車可在極舒適和安全條件下，行駛到每小時(shí)250公里。大幅度削減乘客離心加速度，復(fù)雜精密的多向懸乘系統(tǒng)，以及高科技隔音、加壓和空調(diào)系統(tǒng)使擺式列車具有環(huán)境概念設(shè)計(jì)的列車有著最高的舒適度。并且，擺式列車不但不需要另外新建軌道，對(duì)現(xiàn)有的軌道損害也較小。因?yàn)闆](méi)有額外的施工建設(shè)，不僅節(jié)省投資，而且擺式列車對(duì)環(huán)境的影響也最小。 　　擺式列車發(fā)展方案是采取模組式轉(zhuǎn)向架，動(dòng)力和輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)，和中空擠壓式鋁型材加工的概念。動(dòng)力可以采用柴油引擎(電力或油壓式)，或多伏電力馬達(dá)，也可以安裝各種冷暖氣設(shè)備，可以在任何氣候條件下行駛。所有系統(tǒng)都配有電氣、電子以及輔助系統(tǒng)，符合嚴(yán)格的國(guó)際慣用安全標(biāo)準(zhǔn)。 　　擺式列車有兩種剎車系統(tǒng)，速度在每小時(shí)250公里到45公里時(shí)用的是電動(dòng)及氣壓式系統(tǒng)，速度在每小時(shí)45公里以下用的是氣壓式圓盤剎車裝置。未了避免不同的車輪與軌道作用力而產(chǎn)生不同的剎車距離，擺式列車還有一個(gè)裝有感應(yīng)點(diǎn)的止滑裝置。 磁懸浮技術(shù) 　　磁懸浮技術(shù)的研究源于德國(guó)，早在1922年，德國(guó)工程師赫爾曼·肯佩爾就提出了電磁懸浮原理，并于1934年申請(qǐng)了磁懸浮列車的專利。1970年以后，隨著世界工業(yè)化國(guó)家經(jīng)濟(jì)實(shí)力的不斷加強(qiáng)，為提高交通運(yùn)輸能力以適應(yīng)其經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，德國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家以及中國(guó)都相繼開(kāi)始籌劃進(jìn)行磁懸浮運(yùn)輸系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。 　　磁懸浮是利用懸浮磁力使物體處于一個(gè)無(wú)摩擦、無(wú)接觸懸浮的平衡狀態(tài)，磁懸浮看起來(lái)簡(jiǎn)單，但是具體磁懸浮懸浮特性的實(shí)現(xiàn)卻經(jīng)歷了一個(gè)漫長(zhǎng)的歲月。由于磁懸浮技術(shù)原理是集電磁學(xué)、電子技術(shù)、控制工程、信號(hào)處理、機(jī)械學(xué)、動(dòng)力學(xué)為一體的典型的機(jī)電一體化高新技術(shù)。伴隨著電子技術(shù)、控制工程、信號(hào)處理元器件、電磁理論及新型電磁材料的發(fā)展和轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)的進(jìn)一步的研究，磁懸浮隨之解開(kāi)了其神秘一方面。 　　磁懸浮列車是一種靠磁懸浮力(即磁的吸力和排斥力)來(lái)推動(dòng)的列車。由于其軌道的磁力使之懸浮在空中，行走時(shí)不同于其他列車需要接觸地面，因此只受來(lái)自空氣的阻力。磁懸浮列車的最高速度可達(dá)每小時(shí)500公里以上，比輪軌高速列車的300多公里還要快。 　　利用“同性相斥，異性相吸”的原理，讓磁鐵具有抗拒地心引力的能力，使車體完全脫離軌道，懸浮在距離軌道約1厘米處，騰空行駛，創(chuàng)造了近乎“零高度”空間飛行的奇跡。世界第一條磁懸浮列車示范運(yùn)營(yíng)線——上海磁懸浮列車，建成后，從浦東龍陽(yáng)路站到浦東國(guó)際機(jī)場(chǎng)，三十多公里只需6～7分鐘。 　　上海磁懸浮列車時(shí)速430公里，一個(gè)供電區(qū)內(nèi)只能允許一輛列車運(yùn)行，軌道兩側(cè)25米處有隔離網(wǎng)，上下兩側(cè)也有防護(hù)設(shè)備。轉(zhuǎn)彎處半徑達(dá)8000米，肉眼觀察幾乎是一條直線;最小的半徑也達(dá)1300米。乘客不會(huì)有不適感。軌道全線兩邊50米范圍內(nèi)裝有目前國(guó)際上最先進(jìn)的隔離裝備。 　　磁懸浮列車需要高架，高架梁的撓度必須小于1毫米，因此，高架橋跨一般要小于25米，橋墩基礎(chǔ)要深30米以上。因此，在上海到杭州的地面上要形成一道200多公里的擋墻。此外，由于運(yùn)行動(dòng)力學(xué)的影響，軌道兩側(cè)各100米內(nèi)是不允許有其他建筑物的。 　　磁懸浮列車是21世紀(jì)理想的超級(jí)特別快車，世界各國(guó)都十分重視發(fā)展磁懸浮列車。至2012年，中國(guó)和日本、德國(guó)、英、美等國(guó)都在積極研究這種車。日本的超導(dǎo)磁懸浮列車已經(jīng)過(guò)載人試驗(yàn)，即將進(jìn)入實(shí)用階段，運(yùn)行時(shí)速可達(dá)500千米以上。