中国高速铁路：我国铁路提速实现时空缩短

1.提速,中国铁路高速化的起点

速度是铁路发展的关键因素。从20世纪后期开始,世界发达国家铁路以牵引动力革新为发端,依靠科技进步不断提高列车速度,速度纪录一再被刷新。伴随着铁路速度的提高和高速铁路网的建设,铁路市场竞争能力显著加强,运量逐渐回升,铁路在世界范围内重新崛起。然而在中国,由于公路和民航的迅猛发展,铁路所占运输市场份额却持续下滑,面临严峻的挑战。为了顺应世界铁路科技发展的大趋势,为了应对交通运输市场的激烈竞争,中国铁路必须在提高速度上有所作为,为建设高速铁路进行技术储备。

要想提高列车速度必须使铁路技术装备、工程技术水平、试验能力、管理组织相应提高到一个新水平,这就需要选择一条线路进行先期试验。经过研究分析,决定选择在广州至深圳间建设一条准高速铁路。1994年12月22日,广深准高速铁路建成通车,成为中国铁路提速工程的起步点,在组织攻关、设计、施工、试验、运营等方面积累了丰富经验,为实施繁忙干线大面积提速打下了较好的技术基础。

“九五”以来的大规模提速,向全社会展示了铁路的新形象,实现了经济和社会效益双丰收,充分证明提速是增强铁路市场竞争力的有效手段,是加快铁路技术创新步伐的推进器,是拉动铁路整体工作水平的强大动力。铁道部随后制定了《“十五”期间铁路提速规划》,《规划》提出:通过2001、2003、2005年的3次大规模提速,到“十五”末期,初步建成以北京、上海、广州为中心,连接全国主要城市的全路快速客运网,总里程达16000公里;客运专线旅客列车最高时速达到200公里及以上,繁忙干线旅客列车最高时速普遍达到160公里,部分干线旅客列车最高时速达到120公里及以上;主要干线城市间旅客列车运程在500公里左右的实现“朝发夕归”,1200公里左右的实现“夕发朝至”,2000公里左右的实现“一日到达”。

2.铁路提速准备

1995年6月28日,铁道部决定在既有干线上进行提速试验,为未来大面积提速进行技术准备。从1995年到1997年,先后在沪宁线、京秦线、沈山线和郑武线上进行了4次大规模提速试验,取得了大量科学数据,考验了技术装备的可靠性,完善、充实了安全监测系统,提出了一整套保证提速安全的评估参数。

1996年4月1日,在沪宁线上首次开出了最高时速140公里的“先行号”快速列车,从上海到南京的303公里路程,运行时间由原来4小时缩短为2小时48分;1996年7月1日在京秦线上开行了最高时速140公里的“北戴河号”快速列车,北京到北戴河的277公里路程,运行时间由原来3小时38分缩短为2小时30分。1996年10月8日在北京至大连间开行了首列长距离快速旅客列车,全程1138公里,运行时间由原来16小时15分缩短为11小时58分。

1996年,铁道部决定在铁道科学研究院东郊环行试验基地进行时速200公里列车运行试验。1997年1月5日,试验列车由改进后的韶山8型电力机车牵引,第一次突破了时速200公里大关,达到212.6公里。1998年6月在郑(州)武(昌)线再次进行高速运行综合试验,试验列车最高时速达到240公里。

铁路提速技术装备开发是一个庞大的系统工程,包括机车、车辆、通信、信号、轨道结构、路基、供电设施、安全装备等多个子系统。为此,铁道部研究确定了各项技术装备的开发目标,制定了长期的开发计划,组织有关科研院所、工厂、高校、运输企业等几十家单位,并与路外科研单位广泛协作,对铁路提速技术装备进行了持续多年的大规模开发。

通过多年坚持不懈的努力,铁路先后成功研制出时速160公里的东风11型内燃机车和韶山8型、韶山9型大功率电力机车;25型快速客车系列;时速180公里的“新曙光号”、“神州号”内燃动车组,时速200公里的“大白鲨号”、“先锋号”电动车组;开发了具有速度分级控制功能的信号系统和适应不同速度重量的道岔系统和轨道结构,建立了线路养护维修体系,使铁路装备水平一步一个台阶地不断提高。

3.铁路4次大面积提速

提速技术装备开发和提速试验的成功,使中国铁路线路、桥梁、隧道、机车、车辆、通信信号等技术装备水平有了较大幅度的提高,提速的条件已经具备。从1997年到2001年,铁道部先后实施了4次大面积提速调图。

1997年4月1日零时,中国铁路开始实施第一次大面积提速并全面调整列车运行图。全国铁路以沈阳、北京、上海、武汉等大城市为中心,在京广、京沪、京哈三大干线开行了最高时速达140公里、旅行时速在90公里以上的40对快速列车,同时提高了其他旅客列车的运行速度,并首次开行了78列“夕发朝至”列车。当年铁路旅客周转量完成3543亿人公里,为年计划的107.4%,比1996年增加了223亿人公里,增长6.7%。客运收入完成261亿元,比1996年增长10.1%。

1998年10月1日零时,以京广、京沪、京哈三大干线为主的中国铁路第二次大面积提速调图开始实施。提速后,快速列车最高运行时速达到160公里,非提速区段快速列车最高时速达到120公里。广深线利用摆式列车,最高运行时速达到了200公里。快速列车增至80对,增加了40对。“夕发朝至”列车由64列增加到228列。

为缩短东、西部之间时空距离,2000年10月21日零时,中国铁路第三次大面积提速在陇海、兰新、京九、浙赣线顺利实施。其中陇海、兰新线提速线路里程达到了3410.8公里。北京西一乌鲁木齐的T69/70次列车全程旅行时间47小时52分,比1997年提速前压缩19小时36分。上海一乌鲁木齐T53/54次列车全程旅行时间比1997年提速前压缩22小时58分。

至此,中国铁路京广、京沪、京哈、京九线四条纵贯南北的大动脉和陇海、兰新线,浙赣线两条横跨东西的大干线全面实现了提速,初步形成了覆盖全国主要地区的“四纵两横”提速网络。

2001年10月21日零时,中国铁路第四次大面积提速调图开始实施,重点区段为京九线、武昌一成都(汉丹、襄渝、达成)、京广线南段、浙赣线和哈大线。这次提速延展里程4434公里。部分重点列车旅行时间进一步压缩,北京一广州T15/16次旅行时间压缩了1小时18分;北京一杭州T31/32次旅行时间压缩了20分;北京一深圳T107/108次旅行时间压缩了5小时51分;武昌一成都T246/247次旅行时间压缩了5小时36分;大连一哈尔滨T261/T262次旅行时间压缩了2小时30分。经过这次提速后,中国铁路提速网络进一步完善,提速范围进一步扩大,铁路提速总里程达到13000公里,提速网络覆盖了全国大部分省区。

4.中国需要高速铁路

交通运输各业中,从单位运量的能源消耗、对环境资源的占用、对环境质量的保护、对自然环境的适应以及运营安全等方面来综合分析,铁路的优势是最明显的。因此,欧洲各发达国家在经历了一段曲折以后从可持续发展角度重新审视和修订其运输政策,把重点逐步移回铁路,其策略中重要的一个环节就是规划及发展高速铁路。即使在铁路客运极不发育的美国也已制定颁布了发展高速铁路的地面高速运输法律。据了解,当前世界上已有6个国家新建成高速铁路4600余公里,正在新建高速铁路的有11个国家和地区的15条线路,总延长3000余公里。规划新建高速铁路的有12个国家的31条铁路,总延长接近8000公里。(www.xing528.com)

采用何种技术体系建设京沪高速铁路,各方面有不同意见,有的专家建议京沪高速铁路可以先在既有铁路上开行摆式列车提高速度,过渡到修建磁悬浮高速铁路,以实现技术上的跨越。对于这个问题,中国工程院机械与运载工程学部曾于1998年列专题进行研究咨询,经过近30位两院院士和专家讨论,认为磁悬浮虽在技术上具有一些优势,但也存在不少缺点。最主要的问题是与既有铁路网不能兼容。轮轨高速铁路是以既有铁路网为依托发展的,所以高速铁路的运用效益比较好,如法国新建高速铁路仅1300公里,而TGV高速列车服务范围可达5700公里;德国新建高速铁路仅700公里,而ICE高速列车可服务4000公里。摆式列车技术的确在欧洲不少国家甚至美国有较快的发展。在运输量不大、运输能力有富裕、客运需求较高的线路上,摆式列车可以在曲线地段提高速度约30%。

高速铁路的技术体系虽然与传统铁路一样同为轮轨技术,但是随着速度的提高,其基础设施、固定设备和移动设备都发生了质的变化。因此,高速铁路的工程投资是会比传统铁路要大,但世界上运营高速铁路的国家经验证明,绝大多数高速铁路建成后是赢利的,少数初期运量不大的铁路曾经收益不佳,但随着运量的逐步增加,经营情况已大有好转,否则这些国家也不会继续新建高速铁路。

早日建成我国第一条高速铁路,必将有利于国家交通运输结构的合理布局,有力地支持可持续发展战略的实施,有利于北京举办2008年奥运会,而且与西部大开发也将相得益彰。

5.让火车飞起来——谈磁悬浮列车

磁浮列车从严格意义上说,是介乎于火车和飞机之间的一种特别的运输工具。说它是火车,它不靠车轮在地上跑;说它是飞机,它不靠翅膀在空中飞。它是依靠磁体的吸引力或排斥力浮在轨道上运行的列车,因此,人们习惯把它纳入陆上有轨交通系统。

磁浮列车的研究和试验已经有四十多年的历史,但是复杂的技术和高额的投资以及一系列相关问题的悬而未决,使它至今难以推广普及。不过,可以肯定,随着科学技术和经济的发展,磁浮列车将会成为未来交通的新宠。

目前世界上的磁浮列车大致为两种:一种以德国为代表,利用磁体吸引力的电磁悬浮;一种以日本为代表,利用磁体排斥力的电动悬浮。我们都有这样的经验,当两块磁铁放在一起,会出现同性(正极与正极或负极与负极)相斥,异性(正极与负极)相吸的现象,磁浮列车就是利用这个原理设计制造的。相吸式是把电磁铁安装在车体上,通电后产生电磁力与导轨道相吸引而使列车悬浮,再用直线电动机牵引列车前进。相斥式则是在列车上安装超导磁体,轨道上安装悬浮线圈,超导磁体与地面线圈之间感应产生强大磁力使列车悬浮,再用直线电动机牵引列车前进。

磁浮列车正因为浮在空中,没有轮轨接触,它的优越性就充分显示出来了。第一,高速度。浮在空中便没有了摩擦力,从理论上讲,速度是无限制的。第二,低振动、低噪声。与地面脱离接触,振动和噪声大大降低。第三,少维修。没有运动部件,没有磨擦损耗,维修量也就很少。第四,安全可靠。不存在脱轨更不会翻车。第五,无污染。不烧煤、不烧油,电力驱动能源清洁。

6.德国磁浮列车技术与上海磁浮列车

德国是世界上最早研究磁浮列车的国家。1922年,德国人赫尔曼·肯佩尔提出了电磁悬浮原理,1934年公布了磁浮列车专利,从20世纪60年代开始,德国进行实际研究工作并确定不采用超导磁体而应用常规电磁技术,也就是电磁悬浮。电磁悬浮的特点是采用常规磁铁、工程易于实现、所耗能量较低、可以设计为高速也可以设计为低速、始终悬浮无需辅助轮、车辆及设备构造相对简单。但电磁悬浮的不足之处是只悬浮10~15毫米高度,所以对线路精度的要求相当高。

1979年,在汉堡举行的国际交通展览会上,展出了第一辆磁浮列车并做运行表演。人们第一次领略到磁浮列车快速、低噪、平稳的优点。其后,德国修建了一个既有高架也有地面路轨的长达31.5公里哑铃式的磁浮试验回路,列车空载最高时速达到450公里,载客时速420公里,平均时速度也有300公里。这条试验线已历经大风大雪的考验,安全运行了15年,累计67万公里的里程,也经历过长达1000公里以上连续运行的多次考验。有80万人次参观过这一试验线,有26.3万人次乘坐过这种磁浮列车。乘坐舒适,无振动,噪声小,急转弯时也感觉不到离心力。运行时能在12秒内换道岔,改变运行方向。在时速300公里时,噪声是78~80分贝,时速是420公里时,是90分贝,如下降到200公里/小时,那末和城市中一辆小轿车运行的噪声差不多。

上海成为第一个品尝磁浮铁路这个“螃蟹”的城市。2001年3月1日,中国第一条磁浮列车示范运营线工程在上海浦东新区动工兴建。总投资为89亿元人民币的上海磁浮快速列车干线,西起上海地铁2号线的龙阳站,东至浦东国际机场,正线长约30公里,上下行折返运行,全线设两个车站。设计最大时速达430公里,单向行驶时间为8分钟。按设计水平,9节车厢可坐乘客959人,每小时发车12列,按每天运行18小时计,年客运量可达1.5亿人次。2002年12月31日上海磁浮列车示范运营线建成通车。

7.日本磁浮列车研制

日本磁浮铁路的研制工作虽然比德国稍迟,但它另辟蹊径,采用超导磁浮,也就是电动悬浮。电动悬浮的特点是车辆重量轻、功率大、速度高,由于悬浮高度达100~150毫米,对线路的精度要求不高。电动悬浮最关键的问题是超导材料价格昂贵,投资规模较大。但日本认为,超导磁浮列车最有发展前途,于是坚持不懈地研究试验。当然,日本之所以要发展超导磁浮列车,地震多也是主要原因,100毫米的悬浮量,一般地震不至于影响运行。1962年日本开始进行基础研究,1972年在长220米和长480米的线路上进行运行试验。1977年7月建成1.3公里实验线,开始车辆做不浮起的低速运行试验,目的是检查施工质量,掌握制动、超导电磁铁、车辆控制装置、供电设备、信息传递装置等基本性能。1977年11月线路延长到3.1公里,开始进入中速试验阶段,车辆浮起,时速200~250公里,检查运行稳定性、车辆运动、走行阻力、供电性能以及车辆运行对环境的影响。1978年3月试验速度达到301公里/小时。1978年6月进入高速试验阶段,掌握高速运行时的各项性能,为下一阶段的超高速试验作准备。这个阶段的最高速度达到347公里/小时。1979年1月建成模拟隧道,开始试验通过隧道时隧道内外的空气阻力差、压力变化、微气压波的大小以及车体在隧道出入口的上下运动等。1978年8月全长7公里的试验线路全部完工,开始进行通过曲线和超高速运行试验。12月21日最高速度达到517公里/小时。至此,共两年半的期间,共进行3331次试验,运行里程达10778公里,基本上掌握了超导磁浮铁路的各种特性,为载人运行奠定了基础。1980年3月,日本又制定了为期三年的试验计划,改进了试验车,设计出新的MLU-001型磁浮车,其主要优点是车体高度降低,重心低走行稳定,空气阻力小;构造较简单,强度高,能承受较大的横向力;车辆的断面空间大,趋向实用等。1980年11月29日至1981年8月完成了单节车的走行试验。同年10月2日开始进行两节车联挂走行试验,走行时速为240公里,运行平稳。1982年9月2日,在宫崎县实验线进行了磁浮列车的载人运行试验。实验车由两节编组,有3人乘坐,共行驶5.9公里,最高时速达到262公里。

2000年山梨实验线磁浮列车更是创造最高时速552公里的世界新纪录。实验列车由5节车厢组成,乘客13人,总负荷为10吨重,两次行驶实验都跑出了每小时552公里的速度。实验中心负责人表示,今后将进行耐久性实验和时速在500公里情况下的错车实验。

8.中国磁浮列车研究

中国对磁浮列车技术的研究还处于初级阶段。1982年国防科技大学在国内率先开始磁悬浮技术的研究。十几年来,国防科技大学、铁道部科学研究院、西南交通大学、中国科学院电工研究所等单位通过对低速磁浮列车的悬浮、导向、推进等关键技术的基础性研究,初步掌握了低速磁浮稳定悬浮的控制技术。1989年,国防科技大学试制成长1.2米,宽和高各为0.5米,重量为110公斤的磁浮车实验模型。打开操纵开关,车体便自动悬浮起来,感应式直线电机驱动样车前进,速度为每小时36公里。1994年,西南交通大学又成功地进行了4个座位、自重4吨、悬浮高度为8毫米、时速为30公里的磁浮列车试验。此后,由铁道部科学研究院主持,长春客车厂、中国科学院电工研究所、国防科技大学共同研制的长为6.5米、宽为3米、自重4吨、内设15个座位的6吨单转向架磁浮试验车在铁科院室内磁浮实验线路上试验成功,并于1998年12月通过了铁道部科技成果鉴定。6吨单转向架磁浮试验车的研制成功,为低速常导磁悬浮列车的研究提供了技术基础,填补了我国在磁浮列车技术领域的空白。2001年1月3日,世界第一辆载人高温超导磁悬浮实验车在成都西南交通大学研制成功。该车采用国产高温超导块材,底部3毫米厚的车载薄底液氮低温容器连续工作时间大于6小时,悬浮净高23毫米,加速度1米/秒2,悬浮总重量530公斤,可载5人。