世界高铁技术探索

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高铁技术顾名思义高速铁路技术。根据国际铁道联盟的定义，高速铁路是指营运速率达每小时200公里的铁路系统(也有250公里的说法)。适合高速铁路的生存环境其实只有两条基本原则：第一是人口稠密和城市密集，而且生活水准较高，能够承受高速轮轨比较昂贵的票价和多点停靠，第二是较高的社会经济和科技基础，能够保证高速轮轨的施工、运行与维修需要。 　　高速铁路技术除了在列车在营运达到速度一定标准外，车辆、路轨、操作都需要配合提升。广义的高速铁路技术包含使用磁悬浮技术的高速轨道运输系统。世界知名的高铁技术主要有：新干线技术、TGV技术、ICE技术、Talgo技术、摆式列车、磁悬浮。 　　新干线技术 　　世界上首条出现的高速铁路是日本的新干线，于1964年正式营运。日系新干线列车由川崎重工建造，行驶在东京-名古屋-京都-大阪的东海道新干线，营运速度超过每小时200公里。 　　当时的东京至大阪“东海道”线仅用8年时间就收回全部投资。近年来，新干线技术不断进步，已经构成了日本国内铁路网的主干部分。新干线修建之后对于日本经济的拉动也是引起世界高速铁路建设狂潮原因之一。 　　新干线以“子弹列车”闻名。新干线于东京奥运前夕开始通车营运，第一条路线是连接东京 　　与新大阪之间的东海道新干线。新干线的轨距属于标准轨(1435mm)。除了迷你新干线的路段外，列车运行车速可达到每小时270或300公里，但在进行高速测试时，则曾创下每小时443公里的最高纪录(由955系(300X)在1996年时所创下)。 　　日本新干线技术成熟，运行稳定，安全性较高，运行47年来，还没有发生人为致死的事故，号称为全球最安全的高速铁路之一。新干线的稳定运行全靠日本成熟的的高铁调控制技术，列车发车间隔可以缩短至5分钟，是世界上屈指可数的几种适合大量运输的高速铁路系统之一。 　　除此之外由于全部列车都采用动力分散式设计，新干线也是世界上行驶过程最平稳的列车之一。于2007年2月1日开始营运的台湾高速铁路即采用新干线系统作为基础，也是新干线技术首次向海外输出。 　　新干线采用动力分散的运行方式，而不是用机车(火车头)牵引。所谓动力分散，就是每节车厢的车轮都安装了驱动装置——电动机，将列车的动力分散到各节车厢。传统的机车牵引方式需要依靠机车提供牵引力，是以较少的驱动轮对带动整列列车行走，为了有效利用牵引功率和防止机车主动轮空转，就需要在机车上加上很大的重量，从而加大了对轨面的压力，增加建设和维修成本。新干线采用动力分散方式，以每节车厢的车轴作为驱动，不需要沉重的机车，由此车厢的轴重便可大大减轻，不仅易于加减速和在大坡度线路上的平稳行驶，也降低了噪音和振动，大大提高了旅行舒适性，同时，由于降低了对轨面的压力，既降低了建设成本，又提高了经济效益。 　　随着半导体技术的迅速发展和应用，新干线列车的制动系统由原来的空气制动改为电-空联合制动与再生制动，使用再生制动的列车在制动时会将电机的接线反接，这时电动机就变成了发电机，将列车制动时的巨大动能转化为电能，发出的电能通过转换以后可回馈牵引电网进行重新利用，从而可节省能源。同时，列车的电气控制系统由GTO控制(逆变器控制)转向了更先进的VVVF控制(交流电变频控制)，进一步提高了运行效率，节省了耗电。 　　最早的新干线“0”系列开通于1964年，1999年后，全部转交JR西日本，在山阳新干线(冈山～博多南间)执行站站停车的“回声”班次。由于机械寿命和经济性的原因，所执行的定期班次已于2008年11月30日正式退役。而其执行的班次由后续车型100系继承。 TGV技术 　　TGV列车最早的原形是TGV001。它以燃气涡轮发动机为动力，在1972年11月8日创造了时速318公里的世界纪录。这种车在试验中曾175次跑出超过300公里的时速。新型TGV取得了出人意料的成功，打败了巴黎到里昂的航空运输业，很快就盈利了，仅仅用十年的时间就完全抵偿了其自身的营建成本。面对这一成功，法国政府开始看好这一新系统，并为进一步开发高速路网提供了支持。TGV已经成为法国的高技术象征。 　　TGV计划开始于20世纪60年代。当时，法国国家铁路局(SNCF)认识到，要与日益增长的私家车和快捷的空中交通竞争，他们除了提供快捷的速度外，别无他法。最初，这项计划被认为是走上了技术的“死胡同”。 　　当时的业内人士以为，钢制轮轨系的技术已经研究到底了，应该是转移到磁悬浮或喷气动力式研究的时候了，因此，这项计划在一开始没有得到任何政府投资。SNCF对TGV的构想是在列车保持兼容现有铁路设施的条件下开发高速铁路系统。这样做，有利于最大程度利用现行的铁道，特别是城市中心的铁路设施。如果在这些城市中心新建高速火车系统，如火车站等，代价是让人无法接受的。另一个好处是在现行铁路的基础上，用TGV列车达到部分高速铁路的目标，逐渐改进现有铁道系统，一步一步地实现铁路高速化。至今，TGV已有数代，每一代有好几种车型。 　　TGV高速列车提供了新型更快捷的出行方式。如巴黎和法国东部20个目的地之间更好更快捷的直达服务。(斯特拉斯堡、南锡、梅斯以及10个国际城市，诸如，法兰克福、卢森堡、斯图加特和苏黎世。)包括法国的东部、巴黎大区、以及法国的北部、西部和西南部。很大程度上减少了旅途所需时间。2010年法国报纸有新闻表明下一代的AGV2将有两种版本：动力分散和动力集中式，后者特供SNCF，相信是出于维护成本及经济效益上的考量而做出的决定。 　　ICE技术 　　德国的ICE则是目前高速铁路中起步最晚的项目。ICE(InterCityExpress的简称)的研究开始于1979年，其内部制造原理和制式与法国TGV有很大相似之处，目前的最高时速是1988年创下的409公里。因此现在德国与法国政府正在设计进行铁路对接，用各自的技术完成欧洲大陆上最大的两个国家铁路网的贯通。 　　ICE起步较晚和进展比较落后的一个重要原因是德国人在高速轮轨和磁悬浮的两线作战。由于磁悬浮在设计理念上的先天优势(没有固态摩擦)，德国的常导高速磁悬浮一直是其铁路方面科研的重点。磁悬浮的设计理念与传统意义上的轮轨完全不同，因此当法国的TGV顺利投入运行，而且速度不亚于当时的磁悬浮时，德国人才开始在高速轮轨方面奋起直追，但是至今仍与法国TGV技术有不小的差距。 　　ICE的全称是InterCityExpress，即城际快车。德国的高速铁路利用了原有线路，所以火车平均速度不是很快(相对法日而言)，德国传统铁路营运时速原来就有200公里，在1991年配合汉诺威-乌兹堡间全长327公里和曼海姆-斯图加特107公里高速铁路竣工，ICE高速列车开始进行商业运转，其最高营运时速可达280公里。 　　德国铁道在1979年试制成第一辆ICE机车。1982年德国高速铁路计划开始实施。1985年首次试车，以317时速公里打破德国铁路记录，1988年创造了时速406.9公里的记录，在当时堪称世界第一。1990年一台机车拖13辆车厢的ICE列车开始在乌兹堡到福尔兹之间的高速铁路试运行，最高时速为310公里。 Talgo技术 　　用于未来西班牙高速铁路商业运营的Talgo350型准轨高速列车由1台动力车头和6辆Talgo车辆组成。动力车头采用了最新的空气动力学知识，安装了基于列车通信网络TCN的电子控制装置，集成了辅助逆变器的IGBT变流器和半弹性架支式悬挂的横向传动装置。 　　摆式列车 　　摆式列车是一种车体转弯时可以侧向摆动的列车。摆式列车能够在普通路轨上的弯曲路段高速驶过而无需减速。从国际趋势来看，摆式列车很有可能是一种在大规模成熟铁路网基础上完成提速，而且性价比较高的高速铁路技术。 　　德国、意大利和瑞典是最早进行摆式列车试验的国家，1997年以来摆式列车因为价格便宜和制造工艺相对简单，尤其是能够充分利用现有线路，不必铺设全新的铁路网络的优势，而逐渐能够在高速列车的竞争上与高速轮轨和磁悬浮分庭抗礼。 　　摆式列车可在极舒适和安全条件下，行驶到每小时250公里。大幅度削减乘客离心加速度，复杂精密的多向悬乘系统，以及高科技隔音、加压和空调系统使摆式列车具有环境概念设计的列车有着最高的舒适度。并且，摆式列车不但不需要另外新建轨道，对现有的轨道损害也较小。因为没有额外的施工建设，不仅节省投资，而且摆式列车对环境的影响也最小。 　　摆式列车发展方案是采取模组式转向架，动力和辅助系统设计，和中空挤压式铝型材加工的概念。动力可以采用柴油引擎(电力或油压式)，或多伏电力马达，也可以安装各种冷暖气设备，可以在任何气候条件下行驶。所有系统都配有电气、电子以及辅助系统，符合严格的国际惯用安全标准。 　　摆式列车有两种刹车系统，速度在每小时250公里到45公里时用的是电动及气压式系统，速度在每小时45公里以下用的是气压式圆盘刹车装置。未了避免不同的车轮与轨道作用力而产生不同的刹车距离，摆式列车还有一个装有感应点的止滑装置。 磁悬浮技术 　　磁悬浮技术的研究源于德国，早在1922年，德国工程师赫尔曼·肯佩尔就提出了电磁悬浮原理，并于1934年申请了磁悬浮列车的专利。1970年以后，随着世界工业化国家经济实力的不断加强，为提高交通运输能力以适应其经济发展的需要，德国、日本等发达国家以及中国都相继开始筹划进行磁悬浮运输系统的开发。 　　磁悬浮是利用悬浮磁力使物体处于一个无摩擦、无接触悬浮的平衡状态，磁悬浮看起来简单，但是具体磁悬浮悬浮特性的实现却经历了一个漫长的岁月。由于磁悬浮技术原理是集电磁学、电子技术、控制工程、信号处理、机械学、动力学为一体的典型的机电一体化高新技术。伴随着电子技术、控制工程、信号处理元器件、电磁理论及新型电磁材料的发展和转子动力学的进一步的研究，磁悬浮随之解开了其神秘一方面。 　　磁悬浮列车是一种靠磁悬浮力(即磁的吸力和排斥力)来推动的列车。由于其轨道的磁力使之悬浮在空中，行走时不同于其他列车需要接触地面，因此只受来自空气的阻力。磁悬浮列车的最高速度可达每小时500公里以上，比轮轨高速列车的300多公里还要快。 　　利用“同性相斥，异性相吸”的原理，让磁铁具有抗拒地心引力的能力，使车体完全脱离轨道，悬浮在距离轨道约1厘米处，腾空行驶，创造了近乎“零高度”空间飞行的奇迹。世界第一条磁悬浮列车示范运营线——上海磁悬浮列车，建成后，从浦东龙阳路站到浦东国际机场，三十多公里只需6～7分钟。 　　上海磁悬浮列车时速430公里，一个供电区内只能允许一辆列车运行，轨道两侧25米处有隔离网，上下两侧也有防护设备。转弯处半径达8000米，肉眼观察几乎是一条直线;最小的半径也达1300米。乘客不会有不适感。轨道全线两边50米范围内装有目前国际上最先进的隔离装备。 　　磁悬浮列车需要高架，高架梁的挠度必须小于1毫米，因此，高架桥跨一般要小于25米，桥墩基础要深30米以上。因此，在上海到杭州的地面上要形成一道200多公里的挡墙。此外，由于运行动力学的影响，轨道两侧各100米内是不允许有其他建筑物的。 　　磁悬浮列车是21世纪理想的超级特别快车，世界各国都十分重视发展磁悬浮列车。至2012年，中国和日本、德国、英、美等国都在积极研究这种车。日本的超导磁悬浮列车已经过载人试验，即将进入实用阶段，运行时速可达500千米以上。