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“更高速度试验列车”领跑我国高铁创新技术

放大字体  缩小字体 发布日期:2017-01-12  来源:中国交通新闻网
核心提示:为期40天的2017年春运将于1月13日拉开大幕,全国铁路预计发送旅客3.56亿人次,同比增长9.7%。近年来,我国高速铁路建设飞速发展,
     为期40天的2017年春运将于1月13日拉开大幕,全国铁路预计发送旅客3.56亿人次,同比增长9.7%。近年来,我国高速铁路建设飞速发展,已成为世界上高铁在建规模最大、运营里程最长、运营速度最高、集成能力最强的国家。在科技部和铁道部的部署下,我国高铁技术不断提高,以“更高速度试验列车”项目为代表的高铁创新技术,成为我国工业由低端向高端转变的标志,“中国高铁”在世界上的认知度逐步提升。为更好的了解我国“更高速度试验列车”的最新进展、技术难题及安全性等问题,中国知网国际出版中心举办“更高速度试验列车”前沿学术沙龙,邀请中国科学院武汉岩土力学研究所研究员、博士生导师陈善雄,中国工程院院士王梦茹,北京建筑大学副教授周素霞参与讨论。

    1. 设计时速在多少公里/小时以上的列车为高速列车?我国现运行的高铁,设计时速在多少?目前试验中的高速列车时速在多少?

    周素霞介绍,高速列车,指设计开行时速在250公里/小时以上(含预留),并且初期运营时速在200公里/小时以上的客运列车专线铁路。我国现在运行的高铁包括两个系列:设计时速在200-250公里/小时,实际跑200公里/小时;设计时速在300-350公里/小时,一般跑300公里/小时。我国试验中的高速列车台架试验速度可达605公里/小时,近期最高运行速度目标为350-400公里/小时,为目前国际上最高。法国、日本、德国、西班牙和韩国的高速列车试运行速度也都达到了350-360公里/小时。

    2. 为什么要研发高速度试验列车?

    周素霞认为,研究更高速度试验列车不仅仅是为了运营,还有其他三方面的原因。一是,在更高速度下,研究高速列车的安全性、稳定性等保障系统。二是,为基础性科学问题研究提供试验平台。三是,为新材料、新技术的应用提供验证平台,进一步丰富和完善高速列车技术体系。

    3. 更高速度试验列车需要哪些方面的技术支持?

    周素霞指出,我国更高速列车自2011年12月落成,这几年在国家科技部和铁道总公司的部署下,正在飞速发展试验中。这类列车,以更高速条件下安全、可靠运行为目标,围绕提升临界速度、牵引能力和降低阻力进行技术突破,对系统集成、头型、车体和转向架、牵引和制动系统等进行全面创新,需要空气动力学、弓网关系、牵引、制动方面的技术支持。主要有以下十大关键技术:高速交流传动技术、高性能转向架技术、复合制动技术、外形的空气动力学设计、轻量化技术、列车自动控制及故障诊断技术、车厢密封、降噪及集便排污技术、车间密接式连接技术、高速受电弓技术、倾摆式车体技术。陈善雄认为,更高速度试验列车对轨道的平顺性、稳定性提出更为苛刻的要求。这就要求线下工程,包括路基、桥梁、隧道的容许变形量非常微小,动态响应向高频段发展。需要解决的技术支持问题主要有:一是,更高频段动荷载作用下线下工程动态响应规律和灾变机理;二是,建设期,线下工程微小变形的控制技术,从线下工程结构形式、施工填筑技术、评估技术等方面实现微沉降;三是,运营期,线下工程微变形病害识别、健康诊断与预警技术。这些技术难题是对工程技术能力和水平的综合考验。

    4. 如何保证高速列车的安全?

    周素霞指出,在如此高速度下,列车的行车安全是重中之重。为了保证高速列车的安全,各种制式的列车控制系统应运而生,列车运行控制系统是高速列车运行安全的重要保证。该系统由车载子系统及地面子系统两部分组成,通过信号的交互,实现对列车速度、目标间隔的控制,以及对列车环境状况的监督和状态的检测。此外,高速列车会定期进行常规检查,通过对车体各系统的检查,及时发现并解决问题。

    5. 现在已修好的高铁线路能否承受更高速度的列车运营?

    陈善雄指出,现在已修好的高铁线路是按照一定的标准修建的,往往留有安全储备和一定提速的空间。在理想条件下,实际可承受的运行速度比设计时速更高。因此,现在已修好的高铁线路,在满足高平顺性时,是可以承受更高速度的列车运营的。但是,提速幅度还需要根据轨道的平顺性、稳定性来确定。实际工程中,每一条线路都存在一些特殊路段,如软土路基、膨胀土路基、岩溶隧道等,使得线下工程沉降变形难以得到有效控制。由于列车与轨道的相互作用,势必会引起轨道几何形位的不断变化,轨道出现几何不平顺,影响列车快速行驶的舒适性和安全性,这类路段则不能满足更高速度列车运行的要求。因此,现已修好的高铁线路能否承受更高速度的列车运营需进行专门的评估。

    6. 修建更高速度列车线路对自然条件有什么要求?

    陈善雄介绍,更高速度的列车对线路的自然条件要求更为苛刻,需要尽可能地避开滑坡、泥石流、强风、雷暴等自然灾害频发的地段。在自然灾害频发的地区,可以研究自然灾害对更高速度列车运行的影响规律,制定相应的工程处置方案,结合防灾监测预警,使自然灾害对更高速列车运行的影响在可控范围内。周素霞指出,高速列车对天气的要求较苛刻。例如,较强的气流会影响行车速度,气流作用下的不同振动激扰形式可能对车辆结构造成影响;强降雨、强降雪也会对行车安全造成困扰,为保证行车安全就必须降低车速,甚至停运。不过,我国高铁将走进美国、印度尼西亚、俄罗斯、巴西等国家,在高寒气候条件和复杂地质条件下展现先进的高铁技术。

    7. 在土木工程、机械工程、材料工程、通信工程等领域,实现更高速列车的技术难点有哪些?

    在世界范围内,这些难题被攻克了吗?我国有哪些国际领先的技术?陈善雄介绍,在土木工程领域,实现更高速列车的技术难点有四点。一是,更高频动荷载和环境耦合作用下路基灾变机理;二是,线下工程微工后沉降的控制技术,包括工程结构优化、填料优选、填筑技术等;三是,线下工程微小变形的分析、评估技术;四是,运营期线下工程早期病害的识别、诊断和预警技术。在世界范围内,这些问题都是研究的重点,还处于探索阶段。我国在高铁路基小变形分析评估技术、弱化路基动态响应特征及灾变机理、运营期早期病害识别、健康诊断指标与标准等技术方面处于国际领先水平。王梦恕补充说,我国在隧道技术、路网规划等方面处于国际领先水平。周素霞指出,我国自主研发的CRH380系列处于世界领先水平,时速可达380公里/小时。中车集团研制的第三代轨道交通牵引技术,即永磁同步电机迁移系统,掌握完全自主知识产权,成为我国高铁制胜市场的一大战略利器。由中铁第四勘察设计院集团研发的“高铁焊接钢轨整体技术项目”居于世界前列。

    8. 高铁运行速度可以提高到350公里/小时吗?

    王梦恕认为高铁运行速度不能提高到350公里/小时,他解释了不能提速的五个原因:寿命问题。速度太高影响机车寿命。安全问题。列车速度留有余地更安全,同时要加强检测与固定。经济问题。当速度变高,阻力会变大,这时费用就升高了。制动问题。提速容易减速难,若运行时速达到350公里/小时,要提前7公里甚至十几公里开始减速。列车就会出现来不及提速就要减速的问题。路网规划问题。若要达到运行速度350公里/小时,这在路网规划上是很难实现的。整个系统,包括牵引系统、供电系统、信号系统、制动系统、轮轨系统等都要重新设计。例如,在高速情况下,两车相向300公里/小时的情况下,相当于600公里/小时的速度,这样车厢有向外张的力,车尾有吸引的力,对整体的稳定性带来危险。因此,现有的桥梁、隧道等轨道间距需要加大,是一个系统性的问题。此外,周素霞归纳出三点实现350公里/小时需要注意的问题:高速线路是基础,包括高标准的平纵断面设计、高速路基、路桥过渡段、高速铁路桥梁、高速铁路隧道、高速牵引供电系统等;高铁安全运行管理系统是高铁的神经中枢,包括高速列车速度控制系统(ATC)、列车控制系统(ETCS)、高速综合调度中心(CTC)、高铁线路检测诊断系统、自然灾害报警系统、高速列车定期检修系统等;高铁旅客服务系统,包括车站、客票预约预售系统、车站旅客指示系统、旅客信息显示系统等。

    9. 高铁上有辐射吗?王梦恕认为,高铁是封闭磁场,用电力牵引,不可能存在辐射问题。

    10. 高铁会装WIFI吗?

    王梦恕认为,在高铁上安装WiFi首先在技术上不可行,列车在高速运行下,无法保证发射、接收信号准确。其次,高铁在运行过程中,很多系统,例如自动控制系统,需要频率,如果再安装WiFi,将会带来很大的干扰,不利于安全行驶。周素霞指出,高铁运行线路具有线路长、点多、地势险的特点,经常会驶入信号盲区,造成网络无法使用的状况。在高速行驶的情况下,网络不稳,而且需要一个很强大的热点才能满足多人同时上网。此外,专人维护成本较高,这些都阻碍了高铁WiFi的发展。不过,在相关部门的努力下,这些困难逐一被克服,目前高铁WiFi正式进入测试阶段,有专家称在未来3-5年可以实现。

    11. 与更高速列车相比,磁悬浮列车有什么优点与缺点?

    周素霞介绍,磁悬浮列车通过电磁力实现列车与轨道之间无接触悬浮和导向,再利用直线电机产生的电磁力牵引列车运行。我国第一辆磁悬浮列车于2003年1月在上海运行。2015年10月,我国首条国产磁悬浮线路长沙磁悬浮线成功试跑。磁悬浮列车具有高速、低噪音、环保、经济及舒适等特点。磁悬浮列车的路轨寿命可达80年,而普通路轨只有60年。磁悬浮列车车辆的寿命是35年,轮轨列车是20-25年。磁悬浮列车的年运行维修费仅为总投资的1.2%,而轮轨列车高达4.4%。磁悬浮高速列车的运行和维修成本约是轮轨高速列车的1/4。磁悬浮列车和轮轨列车乘客票价的成本比约为1:2.8。同时,周素霞认为,磁悬浮列车存在以下缺点:一旦断电,磁悬浮列车将发生严重的安全事故无法具备大运输能力,其运输能力最大不会超过高铁的1/2 造价成本太高、能耗高信号、制动等安全可靠性还需要长期运行考核,不适用于恶劣自然条件及长距离使用,突发状况下的制动能力不可靠强磁场对人的健康、生态环境、电子产品的使用造成一定的影响。

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