《世界高速铁路技术》复习题

《世界高速铁路技术》复习思考题 1)高速铁路的速度分级 从速度看,目前己开行的高速列车的最高运行速度可以划分为三个等级: 1.第一速度级最高运行速度为200-250公里/小时 2.第二速度级最高运行速度为250-300公里/小时 3.第三速度级最高运行速度为300公里/小时 2)日本新干线铁路的技术特点: 高速铁路开发之先驱,在技术、安全、效益上说明了高速铁路的可行性,带动了世界各国高速铁路技术的发展。 线路中桥隧比重不断增加,线路不断提高 建立试验段,通过试验研究解决技术关键,除大量的理论研究与分析,室内试验,各种模式试验外,运行大量的现场试验研究,获取宝贵的经验来指导全线建设。 涌现了大量高速列车新技术,高速列车采用了动力分散的新技术,同时,在降低轴重,全面提高列车性能的方面作了大量工作,使列车的技术性能越来越好。由全钢结构变成铝合金结构,重量下降较多,走行部(转向架)采用了大量的减重技术,如空心车轴铸铝合金齿轮箱体、浮动夹钳式制动装置。 列车运行密度高、定员多、旅客输送量大。运行密度:在6:00-24:00的运行时间内,每小时15对,日双向列车密度285列/天,最高达到:316列/天达到较高的水平。 良好的安全性能。建立了安全可靠的列车安全保证体系,是新干线运行40年来没有造成一例旅客伤亡事件的基本保证。服务设施良好、换乘方便。 3)日本新干线的主要技术进步 日本的新干线诞生于40年前,其后随着信息技术和电气技术的整体进步,为实现大运量高密度运行、提高安全性能及减少维护费用基本目的,新干线先后做过7次大的设计变更,应用了大批新技术,从技术整体来看与40年前相比有了“质的”飞跃。主要表现为: 提高了行车速度; 应用了强电半导体技术及“交流感应电机”; 采用了新车体材料及设计降低了车体重量及轴重; 采用了电力再生制动方式降低了能耗; 完善了MARS票务系统; 从总体上说,新干线技术已十分成熟,代表了轮式铁路发展方向,并且由于具有自重轻,易于将来进一步提速的特点,具有明显的先进性。 4)日本高速列车运行安全的主要措施 (1)采用速度控制系统(ATC) ATC列车速度控制系统是以设备优先对列车进行自动减速控制的系统,在ATC信号指示速度以下时,列车的操纵靠司机制动进行,当速度超过ATC信号指示速度时则由ATC装置自动进行制动,列车速度降到ATC信号指示速度以下时自动缓解制动。日本ATC信号指示速度为30km/h 。 (2)对直接控制列车运转的装置和设备都在研制设计和应用过程中考虑故障安全问题。 (3)在新干线沿线设置自然灾害报警系统,当自然灾害袭来时通过切断新干线供电电源或经ATC 列车自动控制系统控制列车减速运行。 (4)全线立交封闭、方便迅速的紧急联络系统、科学的设备人员管理和严格的培训教育。 5)高速铁路的经济评估 建设一条高速铁路投资巨大,建成后能否赢利,能否以较快的速度回收投资,以及它对整个社会经济发展的推动作用究竟如何是一个首先应该考虑的大问题。经济评估应该从直接效益与间接效益两个方面进行。直接效益是建设的高速铁路系统是否具有很好的收益性,能否成为赢利的高速交通系统、回收投资的速度任何等方面。而高速铁路间接效益的考察内容则包括: 1 对沿线经济及经济整体发展的贡献; 时间经济价值,高速的移动系统可创造大量的时间经济价值; 环境效益,高速铁路是一种对环境负荷小的运输工具,可从能耗、噪音、交通事故等方面,通过折合成金额的来进行评价;建设投资对当时经济的直接拉动效益; 对科技发展带来的长期效益,高速铁路技术是集各种技术大成的新技术集合体,其技术涉及了电源电力、材料、信息及控制、高精度土木工程、防震等众多领域。日本由于新干线的开发带动了这些学科领域的发展,使得日本的交通综合技术领先于世界,其长远效益不可低估。 6)磁悬浮技术的要点及系统的特点 磁悬浮列车包含有两项基本技术,一项是使列车悬浮起来的电磁系统,另一项是用于牵引的直线电动机。 磁悬浮的优势 速度高,常导磁悬浮可达400—500公里/小时,超导磁悬浮可达500—600公里/小时。轮轨高速的最高运营速度一般认为不宜超过400公里/小时。磁悬浮的高速度使其在1000至1500公里的距离范围可与航空竞争。 能耗低,据德国资料,在300公里/小时的速度下,磁悬浮比ICE3高速轮轨能耗少28%。 维修少,磁悬浮列车属于无磨损运行,要维修的主要是电气设备。随着电子工业的发展,器件可靠性将不断提高。 磁悬浮的劣势 (1)风险大,在工程应用中没有实例可供借鉴,所以风险很大。德国建成的31.5公里长的试验线,原计划投资1.5亿马克,后来包括研究经费在内,竟追加至7.8亿马克。柏林—汉堡线1997年预算为89亿马克,第二年就追加10%,达到98亿马克。1999年重新核算表明,起码还要增加30亿马克。造价昂贵及没有经济效益是导致该工程下马的直接原因。1998年8月,在全程270 公里的悉尼—堪培拉线竞标中,德国提出的磁悬浮,投标价格比法国的TGV高速轮轨还要低,但澳大利亚出于对风险的考虑,最后还是选择了TGV高速轮轨技术。 (2)不兼容,无法与既有铁路联网是磁悬浮的另一大劣势,这使它只能适用于点对点的直通客流。 (3)此外磁悬浮还有运量小、不便扩容、难于进入市中心等缺点。 7)高速铁路运输组织模式 高速铁路的运输组织模式因各国的具体国情、路情而不同,并与客货运量及其结构、运输能力的利用、线路、机车车辆、通信信号和控制系统等技术设备有关。概括起来,高速铁路的运输组织三种模式: 只开行高速旅客列车的; 开行高速和中速旅客列车的; 旅客列车和货物列车混用的。 除了新建高速客运专线以外,在欧洲一些国家也有利用既有铁路开行高速旅客列车的,为此采用了几种不同的措施: 重点改造平、纵断面条件较好的既有线以开行高速旅客列车,如德国、俄国等在这方面均有成功经验; 修建高标准的新线与既有线接轨运营,如意大利罗马至佛罗伦萨问的高速铁路约有l0处与既有线接轨,组织客货列车共线运营; 对既有线略加改造,采用自动倾摆式车体,以提高旅客列车通过曲线段的行车速度,如英国及瑞典等所采用的摆式车组。在高速客运专线上只开行高速旅客列车,涉及的因素较为单纯,主要是根据计划客运量确定旅客列车的对数及编成辆数、列车的最小间隔时间、开行方案,按照列车的运行时间、途中的停车站及其时分、通过车站的时间等,编制出列车运行图并付诸实施即可。 在高速线上开行高速及中速旅客列车,其优点是; 有利于充分利用高速铁路的运能,吸引更多的客流,满足不同需求旅客的需要; 有利于与相邻的原有铁路干线实行客、货分线运行,加强并提高相邻铁路干线的货物输送能力; 有利于实现高速铁路客运的均衡运输,在客流高峰时期以开行高速旅客列车为主,非高峰时期以开行中速旅客列车为主,以提高高速铁路的利用率。 8)高速铁路运输组织的原则: 确定高速铁路的运输组织模式,不但涉及到与既有线的分工,还牵涉到高速铁路的线路设计、车站布局、信号制式、运输能力和经济效益等。因此,高速铁路运输组织的原则是: 切实保证行车与人身安全; 不同列车之间运行速度的差值不能过大; 充分发挥列车运行速度高的优势,列车停站次数不要过多; 充分利用既有线的客运设备,以减少高速线路的投资, 充分发挥高速铁路的运输能力,尽可能多的腾出既有线的运力,以满足运量增长的需求和改善运输环境,提高经济效益;考虑客流特点,方便旅客,提高服务质量。 9)对高速铁路工务工程的基本要求 高速铁路线路应能保证列车技规定的最高速度,安全、平稳和不间断地运行。因此,铁路线路,不论就其整体来说,或者就其各个组成部分来说,都应当具有—定的坚固性和稳定性。 列车以一定的重量和速度在线路上行驶,车轮则不间断地给钢轨以作用力。其中,除了重力以外,还有由于弹簧结构的振动、线路上或车轮上存在着不平顺以及机车车辆在运行中未被平衡的惯性力和离心力等原因所产生的附加垂直力;由于制动和其他因素所产生的纵向水平力以及由于机车车辆摇摆和在曲线中的转动而产生的横向水平力等。 另外,铁路线路还受气象、温度等因素和地质、水文地质等条件的影响,尤其是在无缝线路上,由于温度变化而在钢轨内部会产生温度力等。 在高速铁路上,随着列车运行速度的提高,要求线路的建筑标准也越高,包括最小曲线半径、缓和曲线、外轨超高等线路平面标淮;坡度值和竖曲线等线路纵断面标准,以及高速行车对线路构造、道岔等的特定要求等。 最小曲线半径是线路平面设设计的允许选用的曲线半径最小值。有条件时应尽可能选用较大的值,这样,可以改善运营条件。节省较多的运营费用。最小曲线半径的选定主要应考虑行车速度、地形条件和机车牵引种类等因素。其中行车速度是选定最小曲线半径的主要依据。 路基的稳定性与坚固性直接关系到线路的质量、列车的正常运行及安全、特别是高速列车,运行时更需要有良好的路基基础。为保证路基状态的完好,保证线路质量和列车的安全、正常运行,路基应满足下述要求: 基面必须平顺并应有足够宽度,路基面的上方应形成与铁路限界规定相符的安全空间,不得侵入铁路建筑限界,以保证列车运行与线路作业安全的要求。 路基应具有抵御各种自然因素影响的足够的坚固性和稳定性。坚固性是指路基本体须有足够的强度,不发生超过允许的沉落;稳定性是指路基边坡和基底内保持固定的位置,不发生危及正常运营的变形; 水的活动是造成路基病害的重要原因。为保证路基的坚固和稳定,必须做好路基的排水工作; 路基的设计、施工与养护应符合经济合理的原则。 10)对高速铁路线路的作用力和其他影响因素? 作用在轨道上的力,当列车以一定的重量和速度在线路上行驶时,车轮不间断地给钢轨以作用力。这些力主要包括: 1)重力 2)转向架对线路的动作用力 3)线路上或车轮上存在着不平顺 4)机车车辆在运行中未被平衡的惯性力和离心力等原因所产生的附加作用力 5)制动和其他因素所产生的纵向水平力 6)机车车辆摇摆和在曲线中的转动而产生的横向水平力等 铁路线路还受气象、温度和地质、水文地质等条件的影响,尤其是在无缝线路上,由于温度变化而在钢轨内部会产生温度力等。 11)高速行车对桥梁设备的要求 机车车辆以较高速度通过桥时,由于振动的影响,上部结构会产生更大的应力及挠度,同时,还会使桥上轨道的几何形状发生变化。桥面在平面和纵断面方向弯曲变形过大,会导致振动加剧,影响行车安全,对旅客乘车的舒适件也会影响。这种现象,必须加以控制,并要求桥梁结构本身具有足够的强度,同时在高速行车条件下桥上轨道的几何形状能保持良好状态。 高速行车要求桥梁结构物有高度的抗挠和抗扭刚度,通常不采用柔件结构;刚构和框架结构可以减少维修工作量,且有局部损伤时也不影响整体。从受力的角度来讲,多跨连续的钢筋混凝土梁桥比较安全可靠。 同时要对铁路桥梁的冲击系数、挠度、转角等高速行车条件下桥梁的安全规范作出规定。此外,还对桥梁进行疲劳检算,对桥墩和下部结构的下沉量注意监测,增加线路维修与巡回检查次数等。 12)高速铁路的轨道维修和养护 由于列车不间断地运行以及自然界和人为的作用,往往使高速铁路线路发生各种变形或损坏。为了确保列车能在技规定的最高速度安全、平稳、不间断地运行,以及延长线路各部分的使用寿命、必须加强对线路的养护维修和监测,保证线路设备经常处于完好状态。尤其是对高速铁路线路,各国都更加重视对线路的管理和检查。 高速铁路需要有相应的轨道维修养护。虽然维修养护工作基本上还是可分为线路大修与日常维修,但是其内容及工作方法,却和常规线路有所区别。 高速线路维修与养护的特点: (1)高速铁路轨道设备磨损较快,更新周期短,轨道设备的运送、组装等都要采用工厂化、机械化施工方式。 (2)由于采用了无缝线路和板式轨道,其使用寿命和维修周期大致相近,便于大修计划的安排与实施。 13)高速铁路噪声的产生和防治 车辆在轨道上运行时发出的各种声音,主要来源产车上设备及地面设备。一般认为:铁路噪声主要由转动音(滚动噪声)、建筑物音(建筑物噪声)、集电系音(集电系噪声)、车辆空力音(车辆空气动力噪声)等组成。这些噪声产生后,还会通过车体传到车内,形成车内噪声,对车上工作人员及旅客带来危害。 车内噪声的产生与防治: 车内噪声是车轮在钢轨上高速滚动产生的滚动噪声,通过周围的空气,由车体缝隙,尤其是通过转向架附近的地板处传入车内。同时,声能激动车体外壳,使车内地板、墙板、车窗等产生振动,并向车内辐射。试验表明,车辆客室内噪声的主要频率范围在630—1250赫兹之间。 车内噪声的防治措施:采用固定车窗;整个车体采用轻型复合密封结构;外板采用大尺寸挤压铝合金板材;在内外墙板间,内外顶板间,尤其地板夹层间;充填高性能的隔音材料;在车底以下近50%的面积贴附吸音材料,以吸收车下声能,同时安装内贴有吸音材料的车辆裙板;车内全部采用空调,安装双层玻璃车窗等方法。 轮轨噪声的产生和防治 轮轨噪声是钢轨和车轮振动发出的声音,是高速铁路的主要噪声源,治理的重点。轮轨噪声的产生来自三个方面:①车轮通过轨缝、道岔以及车轮擦伤后在钢轨上滚动时产生的冲击声;②车轮、钢轨面粗糙引起的振动轰鸣声;③车轮通过小半径曲线时,由于挤压外轨产生摩擦以及车轮在钢轨上滑动而产生的噪声。防治轮轨噪声的措施:线路方面,尽量采用大半径曲线;铺设无缝线路和可动心轨道岔,对钢轨及时进行研磨和修补,以保持钢轨表面的平滑度。为了减轻由于钢轨振动传给轨枕、道床或桥梁等所产生的一次噪声,在钢轨和轨枕下增加弹性防振垫,在有碴道床中,在道碴与路基间插入弹性道床垫,在板式轨道中,在轨枕板与路基间填充防振垫,在板式道床周围铺上道碴,在轨面上覆盖吸音材料等。在车辆方面,采用了合理的车辆结构:包括①采用轻型复合结构;②安装空气弹簧转向架,以减少纵向振动和横向滑动;③采用盘形制动、磁轨制动;④在车体上安装裙板,车体吸音材料,以减少车内噪音和向路旁的幅射等措施;⑤安装空转、滑行控制系统,控制车轮空转和打滑,从而有效地消除尖叫声,并减少车轮擦伤等 (3)建筑物噪音的防治: 建筑物噪音主要是由于车轮与钢轨间的振动,经由轨道传向建筑物而产生的第二次振动声。它与噪音传播经路条件密切相关。遮挡由钢轨传来的振动是目前的主要对策其办法有两种: 轨道旁设隔音墙,内贴吸音材料。隔音墙的种类很多,最初多为直立式后来采用了效果更好的L式、向外倾斜式。隔音墙设置在距轨道中心3.5米左右,高约2米,一般用混凝土、砖石、塑料或复合材料建成。若在隔音墙内侧(向轨道而)贴吸音材料,外侧贴隔音材料,减噪效果更为显著。 采用防振消音结构的轨道,在道碴轨道上装隔音道床垫等。 (4)集电系统音的产生与防治: 凡出自机车受电弓引发的声音,统称集电系音。集电系音包括:①伴随受电弓沿接触导线的滑动心引发的机械振动声②由于受电弓脱弓时产生的电弧声③整个受电弓发出的风切音。其中电弧声噪声最大,有时瞬间可达100分贝。 减轻集电系噪声的措施:①缩小了接触网上的吊弦间距(把原来的10米、5米改为7米、3.5米),以减少脱弓现象。②治本的方法则是改进受电弓的机械构造,将受电弓的两点接触改为多点接触,同时采用轻型高张力接触导线.使吊弦间弧度减少,安装受电弓罩等,使受电弓离线频率大大降低。 (5)车辆空气气流噪声的防治: 在高速铁路上行驶的车辆,会使接触车体表面的空气层受到不规则强作用力,从而产生了车辆空气气流噪声。减轻车辆空气气流噪声的措施:高速列车的车辆头部通常采用流线型,并尽对能减少车体断面尺寸,门窗及车端部一切外露表面尽量避免有凹凸部分,以及提高车辆表面的光滑程度,从而减少车体空气作用力的影响。 14)高速牵引动力涉及的新技术 发展高速牵引动力必需解决的具体技术问题: 1)要实现比现有机车更大的牵引功率及牵引力的新型动力装置和传动装置; 2)牵引动力的配置己不能局限于传统的机车牵引方式,而要采用分散的或相对集中的动车组方式; 3)高速条件下新的制动技术; 4)高速电力牵引时的受电技术; 5)适应高速行车要求的车体及走行部的结构以及减少空气阻力的新的外形 设计等等。 15)高速列车空气阻力主要的组成部分: 在高速运行条件下,空气阻力已成为动力车总阻力中最主要的一部分。空气阻力主要由以下几部分组成: (1)动力车前、后端所受的空气阻力; (2)装在动力车车顶的部件所受的空气阻力,主要是受电弓所受的空气阻力; (3)走行部所受的空气阻力,主要是转向架及其他表面不光滑的设备所受的空气阻力; (4)动力车车体底板区所受的空气摩擦阻力; (5)车体外表面与空气的摩擦阻力。 16)高速列车电力牵引的受电特点: 1)高速列车的行车速度较常速列车高得多,因化受电弓沿接触间导线移动的速度大大加快。这就使接触网与受电的波动特性发生变化,从而对受电产生影响; 2)高速列车在高速运行时所受的空气阻力远较常速列车大得多,空气动力也是影响高速受电的一个重要因素; 3)高速列车所需的牵引功率较常速列车大得多,若采用多弓受电必然会增加阻力、加大噪声,并引起接触网的波动干扰,因而受电弓的数量不能太多,这就需要解决受电弓从接触网大功率受电的问题。 17)动力车的电传动方式: 按照电传动装置所采用的牵引电动机的类型,电传动方式可分为两大类: (1)以直流(或脉流)牵引电动机为动力的直流电传动方式; (2)以交流牵引电动机为动力的交流电传动方式。 交流电传动方式又根据采用的同步或异步牵引电动机的不同分为交流同步电传动方式和交流异步电传动方式。 早期投入运用的高速列车大部分采用直流电传动方式。但随着大功率可控硅变流技术的发展,使三相交流传功技术得到了实际应用,从而相继出现了交流同步传动方式、交流异步传动方式,这是科技进步的必然趋势。 18)交流电传动的特点: 交流电传动是以交流牵引电动机为动力的一种电传动方式。交流牵引电动机包括:单相整流子牵引电动机、三相同步牵引电动机、三相异步牵引电动机。它们之中,无换向器的交流牵引电动机与直流牵引电动机相比具有功率大、转速高、体积小、重量轻、成本低、结构简单、运用可靠、维修方便等优点。 这种传动方式的特点是单相交流电源不经中间直流环节,直接变换为频率可调的三相交流电,供给同步或异步牵引电动机这种传动方式的主要优点: 1)电流从逆变器的—个支路转换到另一个支路是利用同步牵引电动机产生的电动势自然实现的; 2)电流源逆变器仅由6个晶闸管支路组成,结构简单; 3)采用的强制换向器的结构也非常简单,重量也轻;