高速铁路概述课件.pptx
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1、高速铁路概述高速铁路技术是当今世界铁路的一项重大技术成就,它集中反映了一个国家铁路牵引动力、线路结构、高速运行控制、高速运输组织和经营管理等方面的技术进步,也体现了一个国家的科技和工业水平。高速铁路的相关概念9.1.11970年5月,日本在第71号法律全国新干线铁路整备法中规定:“列车在主要区间能以200 km/h以上速度运行的干线铁道称为高速铁路。”这是世界上第一个以国家法律条文的形式给高速铁路下的定义。1985年5月,联合国欧洲经济委员会在日内瓦签署的国际铁路干线协议中规定高速铁路的列车运行速度为:新建客运列车专用型高速铁路速度为 300 km/h,新建客货运列车混用型高速铁路速度为250
2、 km/h。1986年1月,国际铁路联盟秘书长勃莱(J.Bouley)认为,高速列车最高运行速度至少应达到200 km/h。因此,国际上目前公认列车最高运行速度达到200 km/h及以上的铁路为高速铁路。我国学术界认为,新建铁路列车最高运行时速不小于250 km,改建铁路列车最高运行时速不小于200 km,可称为高速铁路;时速为160200 km的铁路称为快速铁路;高速铁路、城际轨道交通、城市客运铁路、以客运为主适量兼顾货运的铁路均为铁路客运专线。目前,世界上有三种类型的高速铁路:一是既有线客货混运型,最高运行速度为 200 km/h,如俄罗斯、英国的高速铁路;二是新建客货混运型,最高运行速度
3、为250 km/h,如德国、意大利的高速铁路;三是新建客运专线型,最高运行速度可达300 km/h及以上,如日本、法国、德国、西班牙、韩国的高速铁路。高速列车按动力配置方式可分为动力分散型高速列车和动力集中型高速列车,按转向架的形式可分为铰接式高速列车和独立式高速列车。比较典型的如日本各系高速列车属于动力分散型高速列车,具有独立转向架;法国的TGV高速列车属于动力集中型高速列车,具有铰接式转向架;德国的ICE高速列车属于动力集中型高速列车,具有独立转向架。高速铁路的特征9.1.2高速铁路是当代高新技术的集成高速铁路是当代高新技术的集成1.在世界上,高速铁路的诞生是继航天行业之后最庞大复杂的现代
4、化系统工程。它所涉及的学科之多、专业之广已充分反映了系统的综合性。20世纪后期,科学技术蓬勃发展,迅速转化为生产力的三大技术有计算机及其应用,微电子技术、电力电子器件的实用化与遥控自控技术的成熟,新材料、复合材料的推广。高速铁路绝非依靠单一的先进技术就能成功,它是建立在这些相关领域高新技术的基础之上的综合协调、集成创新的成果。因此,高速铁路实现了高质量及高稳定的铁路基础设施、性能优越的高速列车、先进可靠的列车运行控制系统、高效的运输组织与运营管理体系等的综合集成,如图9-1所示。系统协调的科学性,则是根据铁路行业总的要求,各子系统均围绕整体统一的经营管理目标彼此相容、完整结合。图9-1高新技术
5、综合集成的高速铁路高速铁路在实施中,从规划设计开始就把各项基础设施、运载装备、通信信号、运输组织及经营管理等子系统纳入整个大系统工程之中统筹运作。为实现总体目标,高速铁路采用了多项关键技术。虽然这些新技术分别隶属于各有关的子系统,但其主要技术指标、性能参数是相互依存、相互制约的,均须经详细研究、反复论证与修订,才能保证实现大系统综合集成特性的要求,达到整个系统的合理与优化。高速度是高速铁路高新技术的核心高速度是高速铁路高新技术的核心2.不言而喻,高速铁路的速度目标值是由常规铁路发展到高速铁路最主要的区别。按照交通运输部现行的规定,列车速度的级别划分如表9-1所示。列车运行速度是属于第一层次的系
6、统目标,只有将速度目标值确定之后才能选定线路的设计参数、列车总体技术条件、列车运行控制及通信信号系统。当然,运量规模、行车密度、运输组织和成本效益等也均是第一层次的系统目标,但是在各种交通运输方式中,速度始终是技术发展的核心,是技术进步的具体体现,所以速度目标应是第一位的。自20世纪后半叶,铁路旅客列车的速度连续跃上三大台阶:60年代,第一代高速列车的速度为 230 km/h;80年代初,第二代高速列车的速度达到270 km/h;90年代,第三代高速列车的速度已达到并超过了300 km/h;21世纪初,高速列车的速度达到了350 km/h。列车最高运行速度随着时代的进步不断提高,它体现了铁路的
7、等级及铁路的技术发展水平。但是对社会而言,旅客出行一般并不十分关注列车的最高速度,而关心旅行时间的缩短;只有提高旅行速度才能给旅客带来实惠。要提高旅行速度不是轻而易举的,这不仅取决于列车的性能,还要看沿线的环境与条件、线路设计的优劣、配套设施是否完善、行车组织及运营管理等,所以从整个系统来分析,列车旅行速度最能反映铁路的水平。当今,世界高速铁路区段旅行速度与最高行车速度之比最高的可超过0.8。系统间的相互作用发生了质变系统间的相互作用发生了质变3.众所周知,常规铁路是一个庞大的综合系统,在长期的实践中,铁路行业的技术进步已获得科学的积累,至今已形成了技术管理规程、系列规范、各种标准、各项规定等
8、一整套可操作的法规,使具有复杂综合集成特性的铁路系统有据可循、有序运作。但由于行车速度至少提高1倍以上,从而引发铁路行业各系统及其相互关系的质变,因此过去用于常规铁路行之有效的法规不能照搬于高速铁路。高速铁路从可行性研究、规划、设计、施工、制造到运营管理,都要超前、系统地进行研究才能付诸实施。随着速度的提高,各子系统原有的规律和相互间的关系将转化为强作用而需重新认定。系统中某项参数或标准选择不慎都将引发连锁反应。例如,线路参数、路基密实度或桥梁刚度选择不合理,不仅是线路质量问题,还将影响列车运行的平稳性及可靠性,干扰运输组织和行车指挥。相反,确定列车主要参数及性能也必须考虑线路参数与控制系统方
9、案,否则最终都要制约整个系统效能的发挥。高速铁路系统之间的关系远比常规铁路复杂,所以,在筹划高速铁路之初,必须从总体上估计到这一庞大系统更加复杂的综合特性,认真研究并协调各子系统主要技术参数变异的合理范围,重视新系统的强耦联特性。系统动力学问题更加突出系统动力学问题更加突出4.高速铁路系统动力学问题包括以下几方面内容:(1)高速列车的振动与冲击问题。高速列车在线路上行驶,速度越高,发生的振动与冲击越强,致振的敏感因素越多。高速铁路的基础设施及运载装备不但应具备优良的固有特性,还必须在界面上彼此保持均匀、平顺、光滑的特征。这是建立高速铁路各子系统必须遵守的共性准则。各种速度工况下系统的动力响应,
10、突出的问题有:轮轨间接触力的变化将影响列车牵引与制动的实现、轮轨的磨损与疲劳、运行的安全指标。车-线-桥系统的动力反应将影响结构功能与列车平稳运行。弓网系统的振动将影响受电效能及安全等。动力响应是涉及高速行车技术深层次的基本问题,须认真处理。(2)高速列车运行中的惯性问题。高速列车运行中的惯性问题直接影响旅客的安全与舒适。例如,对于舒适度,人体承受振动的能力与振动频率密切相关,根据试验结果可知,人体对频率在10 Hz以下的低频振动更为敏感,此时,振动加速度达到0.1g,人就感到不舒服。列车运行加速或减速时,旅客均要承受纵向惯性力的作用,通常也以加速度衡量。列车运行加速时,由于受到牵引功率的限制
11、,一般准静态(平均)加速度值都不超过0.05g,所以加速时在正常操纵下不会给旅客带来不适感。但制动时为确保列车安全,整列车的制动功率较大,减速距离较短,如列车速度为300km/h,紧急制动距离小于3700m,其准静态(平均)减速度低于0.1g,考虑到车辆制动时动作不一致会有冲动现象发生,瞬时减速度将接近0.3g,这时旅客会感到不适,所以紧急制动只能在非常情况下使用。所以,为保证列车行驶时旅客的舒适度,必须重视运动中的惯性问题。这应从线路基本参数、列车性能及操纵技术方面予以保证。(3)高速列车空气动力学问题。列车空气阻力问题。地面交通系统都有一个难以避免的共性问题,这就是空气动力学问题。在地表大
12、气层中,交通载体所受到的空气阻力、竖向力、横向力和压力波等与速度平方成正比,速度的急剧增加是提高地面高速交通速度主要的制约因素,当高速列车时速超过200 km时就必须认真研究这一问题。为减缓空气动力的影响,通过大比例风洞模型试验及三维有限元空气动力学理论分析,筛选设计方案,做出技术经济合理选择。在一定速度下,高速列车的空气阻力及其他空气动力作用的大小取决于列车的外形、列车的截面及外表面的光滑平顺度。所以,对上述影响因素在列车的总体设计及车体设计中都必须周密处置,使整列车具有良好的气动性能。列车内部空气密封问题。由于各种气动效应的影响,高速运行的列车内外压差将增大。若列车密封性差,则必将引起车内
13、气压的变化超过一定范围,将引起人体各种不适感。所以,车窗、车门、车辆间的连接风挡都要求具有良好的密封性。线间距问题。两列相对行驶的高速列车在线路上会车时的各种空气动力作用比单列车行驶时强烈,并将影响列车运行的平稳性与车内人员的舒适感。这种影响在其他条件一定的情况下,与高速铁路的线间距成反比。高速铁路的线间距应根据车速、车宽、列车头形系数、车体密封程度、车窗玻璃承压能力等因素来考虑。如果在高速线上有各种不同类型的列车运行,应顾及性能较差列车的承受能力。隧道断面选择问题。对于有限界面的隧道而言,高速铁路的空气动力学作用将比在明线环境条件下强烈,在一定速度下,其幅值主要与隧道断面的堵塞比密切相关。所
14、以,列车速度越高,隧道断面应越大。对长隧道来说,还必须考虑隧道内空气有较通畅的导流途径以缓解其动力效应。对铁路主要子系统的基本要求更多对铁路主要子系统的基本要求更多5.(1)高速铁路的基础设施。高速铁路的基础设施是确保高速行车的基础。高速铁路与常规铁路相比最大的区别在于线路的高平顺度特性方面。高平顺度特性最终体现在轨道上,无论轨道是在路基上还是在桥梁上,也无论是何种类型的轨道,都要求它不仅在空间上具有平缓的线型,而且在时间上还必须具有稳固的高保持性。由此决定了高速铁路基础设施各主要组成部分(路基、桥梁、隧道等)的主要技术参数与技术规定,必须互相协调,使之在整体上满足高速行车在运动学、动力学、空
15、气动力学及运输质量方面的各项技术指标。所有基础设施在运营管理方面还必须具备高可靠度与可维修、少维修的条件,以利于降低成本及提高效能。(2)高速列车。高速列车是高速铁路的运输载体,是实现高速铁路功能的关键。为确保高速行车主要功能指标的实现,高速列车在车型、牵引、制动、减振、列控、检测、供电等一系列专业技术上都要取得重大突破。(3)高速铁路的运行控制、行车指挥及运营管理。高速铁路运行控制、行车指挥及运营管理各系统是确保高速铁路列车运行安全有序、发挥效率与效益的核心体系。虽然高速铁路与常规铁路相似,其主要软硬技术都由区间轨道电路、自动闭塞、车站计算机联锁等所构成的调度系统支持,但由于运行速度的大幅度
16、提高,列车密度的增加,行车组织节奏的明显加快,高速铁路的运行控制及调度系统应更加完备,运输组织与经营管理体系应更加严密。高速铁路调度指挥系统是以行车调度为核心,集动车底调度、电力调度、综合维修调度、客运服务调度、防灾安全监控为一体的综合自动化系统,该系统应能确保高速高密行车的安全与效能。高速铁路的经营管理从模式、体制到运作方法都要适应新的形势,必须结合国情与路情做出切合实际的选择,以促进高速铁路效能的发挥。高速铁路的主要技术和经济优势9.1.3高速铁路之所以受到各国政府的普遍重视,是因为它克服了普通铁路速度较低的不足,与高速公路的汽车运输和中长途航空运输相比较,在下列各项技术经济指标中具有一定
17、优势:速度快速度快1.速度是高速铁路的技术核心,也是其主要的技术经济优势所在。迄今,高速铁路是陆上运行距离最长、运行速度最快的交通运输方式。旅客出行在途中所花费的时间由三部分组成:一是由出发地(家)至始发站(港)的走行(或短途运输方式的运行)时间及等待时间;二是所乘坐的交通运输方式由发站(港)至到站(港)的旅行时间;三是由到站(港)至目的地(家)的走行(或短途运输方式运行)时间。对于不同的交通运输方式,第一部分时间和第三部分时间(以下简称附加时间)是不同的。一般坐飞机,附加时间较长,而坐汽车就比较短;但就一定距离而言,飞机的飞行时间要短于汽车的运行时间。就公路、铁路和航空而言,某种交通运输方式
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