第一章铁路运输及其发展Word文档格式.docx
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①全部路网和设备由一家公司统一管理,如德国和意大利。
②基础设施与运营管理分开,即基础设施仍由政府投资,运营实行公司化管理,如瑞典。
(3)扩大铁路经营范围
铁路要加强在国内外市场的地位,其业务就不应只局限在铁路线路上。
目前,铁路业务一般包括:
①传统的铁路运输业务。
②铁路资产的开发。
③其它适合铁路部门开展的且又有利可图的业务。
3.轮轨高速铁路概述
1895年在英国西海岸铁路伦敦至亚伯丁(距离为868km),采用减轻牵引质量和少停站的办法(牵引质量仅为70t,途中停站3次),使直达速度达到了101.6km/h。
20世纪30年代中期,美国圣太菲铁路公司在南方干线上,在325.9km的距离内达到了134.8km/h的速度。
1936年德国在柏林至汉堡间达到了200km/h的最高速度。
1928年伦敦东北铁路的苏格兰飞人号创造了由伦敦到爱丁堡630km不停车的运行记录,直到1958年每天还有26列蒸汽机车利用水槽进行不停车上水,在360-480km间不停车运行。
1)高速铁路的产生
列车的运行速度一直是铁路竞争力的一个重要指标。
二次大战后,高速公路和民用航空发展迅速,铁路运输业客货运
量日减,营业亏损,铁路为了增强竞争力,产生了高速铁路。
根据UIC(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)。
世界上第一条高速铁路是1959年4月5日动工,1964年7月竣工,1964年10月通车的日本的东京━━大阪的东海道的新干线,最高时速为210公里,耗资3300亿日元。
东京至大阪515公里,新干线全线运行时间仅3小时10分钟,90年代它又将时速提高到270公里,进一步缩短了运行时间。
法国在1981年建成了它的第一条高速铁路,长425公里的TGV东南线,时速达270公里;
1989年长308公里的TGV大西洋线投入运行,时速为300公里。
2)高速铁路的特点
高速铁路与其他运输方式相比,具有独特的技术优势:
速度快:
从节约总旅行时间来看,在距离200-1000公里范围内优于高速公路和飞机。
运能大:
高速铁路和四车道高速公路单方向昼夜输送旅客人数之比为1:
0.2。
舒适度和安全度:
既有高速铁路在运营中很少发生伤亡事故,且旅客乘坐舒适。
能耗低:
如以普通铁路每人每公里的能耗为1,则高速铁路为1.42;
公共汽车为1.45;
小汽车为8.2;
飞机为7.44。
占地:
高速铁路比高速公路占地少,四车道高速公路占地宽26米,双线铁路占地宽20米。
环境保护:
高速铁路一般采用电力牵引,基本无空气污染,如考虑火电厂污物排放量,则高速铁路、小汽车、飞机的二氧化碳排放量之比为1:
3.0:
4.1。
运价:
在国外,高速铁路的票价一般为飞机的2/3。
投资效益:
日、法、德等国的普速铁路都亏损,唯独高速铁路盈利,投资回收期为10年左右。
我国与其他国家有所不同,高铁的投资效益并不好,有数字为证:
京津高铁从2008年8月1日至2009年9月底,营业额为11亿元出头,而成本支出超过18亿元,亏损额超过7亿元。
其主要原因为运量不足,仅为设计能力的70%左右。
中国经济网2010年7月22日报道:
7月20日,江苏苏州,在沪宁城际高速铁路从苏州始发到上海虹桥站的一列和谐号动车组火车上,有的车厢只有一名旅客或者数名旅客,更有车厢没有旅客。
沪宁城际高速铁路7月1日正式开通运营,动车组开行对数达到了91对,因为价格的原因影响到上座率。
有经济学家(牛刀2010-7-23博客)指出:
“我们应该根据国力民情,掌握投资节奏,不可过分透支国力,搞这种投资大跃进,去争当消化他国过剩产能的全球第一,却让本国的投资产能全面过剩,吸干了老百姓的一点可怜的财富。
从目前情况看,任何国家在建设高铁的问题上都是量力而行的。
”
3)高速铁路的模式
高速铁路的修建模式主要有下列几种:
日本新干线模式:
日本普速铁路铁路是轨距为1067的窄轨铁路,新干线一律采用标准轨距,全部修建新线,旅客列车专用,并采用较小的坡度。
法国TGV模式:
大部分修新线,采用较大坡度以降低工程造价,旅客列车专用。
法国TGV的最大优势在于传统轮轨领域的技术领先。
1996年,欧盟各国的国有铁路公司经联合协商后确定采用法国技术作为全欧高速火车的技术标准。
因此TGV技术被出口至韩国、西班牙和澳大利亚等国,是被运用最广泛的高速轮轨技术。
德国ICE模式:
全部修建新线,客货混用。
英国APT模式:
既不修建新线,也不对旧线进行大量改造,采用摆式车体组成动车组;
客货混用。
4)我国的高速铁路
京津城际是真正意义上的我国首条高速铁路,京津城际是京沪高铁的试验段,是中国建成和完善高速铁路技术的标志。
京津高速铁路工程于2005年7月4日开工建设,总投资133.24亿元。
2008年8月1日投入运营。
京津城际高速铁路由北京南站始发,终点站为天津站,正线全长113.54千米,其中约86%为高架线路。
京津高速铁路是中国第一条时速300公里以上城际高速铁路,是中国首条高速铁路客运专线。
我国高速铁路规划
为满足快速增长的旅客运输需求,建立省会城市及大中城市间的
快速客运通道,规划“四纵四横”铁路快速客运通道以及三个城际快速客运系统。
建设客运专线1.2万公里以上,客车速度目标值达到每小时200公里及以上。
1、“四纵”客运专线:
(1)北京~上海客运专线,贯通京津至长江三角洲东部沿海经济发达地区;
(2)北京~武汉~广州~深圳客运专线,连接华北和华南地区;
(3)北京沈阳~哈尔滨(大连)客运专线,连接东北和关内地区;
(4)杭州~宁波~福州~深圳客运专线,连接长江、珠江三角洲和东南沿海地区。
2、“四横”客运专线:
(1)徐州~郑州~兰州客运专线,连接西北和华东地区;
(2)杭州~南昌~长沙客运专线,连接华中和华东地区;
(3)青岛~石家庄~太原客运专线,连接华北和华东地区;
(4)南京~武汉~重庆~成都客运专线,连接西南和华东地区。
3、三个城际客运系统
环渤海地区、长江三角洲地区、珠江三角洲地区城际客运系统,覆盖区域内主要城镇。
4.磁悬浮铁路概述
磁悬浮列车有两种类型,一为常导体吸引式磁浮车,一为超导体相斥式磁浮车。
世界上第一条也是唯一的一条投入实际运营的磁悬浮铁路建在我国的上海,从上海浦东机场到浦东龙阳路站,该线路之后将延伸到浙江杭州。
该段铁路长三十多公里,需行驶6-7分钟,列车的运行速度为430公里/小时,列车共有九节车厢,可坐959人,每小时发车12列,双向运量将达2.3万人。
按每天运行18小时计算,最大年运量可达1.5亿人次。
1)磁悬浮列车的腾空原理:
磁悬浮列车是利用磁铁“异性相吸”原理设计的,它是一种吸力悬浮系统,是利用安装在列车两侧转向架上的悬浮电磁铁,和铺设在轨道上的磁铁,在磁场作用下产生的排斥力使车辆浮起来的,列车与轨道间的间隙约为1.0厘米左右。
为了保证这种悬浮的可靠性和列车运行的平稳,必须精确地控制电磁铁中的电流,这样才能使磁场保持稳定的强度和悬浮力,使列车与轨道之间始终保持1厘米的间隙,这个间隙是使用气隙传感器来反馈的。
2)磁悬浮列车前进的动力:
磁悬浮列车的驱动,和电动机的原理一模一样。
我们可以把磁悬浮列车及轨道想象成一台电动机,在通常的电动机里,“定子”是一圆筒形的电磁体,磁悬浮列车的定子就是轨道上的电磁体,“转子”就是磁悬浮列车的车体。
带电的车体在电磁体所产生的磁场的作用下,列车就会像电动机里的“转子”一样被推动。
轮轨高速铁路的造价每公里超过一亿元,磁悬浮高速铁路造价在每公里四亿元左右。
3)磁悬浮列车的特点
(1)能源消耗小
由于采用无接触技术,因而没有摩擦损失;
长定子直线电机效率高,磁浮车的自重小,行驶空气阻力小。
与公路交通或航空交通相比,磁悬浮高速列车的能耗效率比系数要高3-5倍。
(2)噪音低
当磁悬浮高速列车以200公里/小时的速度行驶时,几乎听不到什么声音;
它可以在城市和人口稠密区悄无声息地“飘浮”穿越,因为它所采用的无接触技术既不会产生滚动噪音,也不会产生发动机噪音。
当以更高的速度行驶时会出现空气噪声。
磁悬浮高速列车即使以300公里/小时的速度行驶时,所产生的噪音与时速80公里左右的轻轨差不多;
即便它的速度达到400公里/小时,噪音也要比速度要慢许多的传统轮轨小。
(3)占地少
由于磁悬浮高速列车具有较高的爬坡能力(10%,而一般铁路为4%)和较小的弯曲半径(速度300公里/小时,磁悬浮高速列车为1950米,传统铁路为3200米),因而其线路对地形的适应性非常灵活,也可以最大限度地利用已有的道路、铁路路堤和供电线路。
所以,铺设磁悬浮高速轨道不需要大规模地改变自然环境,并且能够较好地保护原始的地形地貌。
此外,高架轨道下面的土地还可以继续利用(例如用于耕作、放牧等)。
(4)磁场的强度低
磁悬浮高速列车磁场的影响非常小,与地球磁场差不多。
电吹风,烤箱,电炉或者电视机周围磁场的强度都比磁悬浮高速列车里的磁场强度大得多。
(5)不会产生强大的汽流
当磁悬浮列车通过时,它会产生最小的气流。
由于磁悬浮高速列车经过空气动力学优化,在它以380公里/小时的速度驶过时,在距离列车2米左右的位置上只觉得有一股轻微的风流。
在高架轨道下,当列车驶过时感觉不到气流的产生。
即使在地面轨道上,当列车以330公里/小时的速度驶过时,也只是感觉到一股风的气流。
(6)基本上不影响野生动物的生存
与公路和一般轮轨不同,磁悬浮高架轨道不会妨碍野生动物、两栖动物和小动物的通行。
即使是地面轨道,由于轨道梁与地面仍有一定的空间,因此也可以让小动物通过。
(7)运营费高
中国科学院院士、铁路专家王梦恕抱怨说,据他掌握的资料,投资120亿元建设的30公里磁悬浮示范线,到现在光换设备就花了将近10亿元。
巨额的运营成本,不到两成的客流,让上海磁悬浮交通公司每年都在以5亿-7亿元的速度亏本。
目前资产负70多亿元。
(《时代周报》2009年2月26日)
我国也在积极开展磁悬浮铁路的研究,如西南交大和国防科大已造出磁悬浮列车的样车,2008年4月8日,我国首辆高速磁浮国产车在成都实现交付。
该样车由中航工业成都飞机工业(集团)有限公司制造,每小时可达500公里,标志着该企业已经具备了磁浮车辆国产化设计、整车集成和制造能力。
5.重载铁路概述
重载运输适宜于诸如煤炭、矿石等大宗货物的长距离集中运输,在美国、加拿大、澳大利亚、南非、巴西、俄罗斯和中国等一些幅员辽阔、资源丰富的国家发展尤为迅速。
1967年10月,美国诺克福西方铁路公司(N&
W,现已归入诺克福南方铁路公司)在韦尔什-朴次茅斯间250km线路上,开行了全长6500m、总重44066t的重载列车。
该列车由500辆煤车编组而成,并由6台内燃机车分别位于列车头部和中部进行牵引。
1996年5月28日,澳大利亚在纽曼山-海德兰港铁路线上,试验开行了全长5892m、总重72191t(铁矿石净重为57309t)的重载列车。
该列车由10台Dash-8内燃机车牵引540辆货车(列车编组形式为:
3台机车+135辆货车+2台机车+135辆货车+2台机车+135辆货车+2台机车+135辆货车+1台机车),试验列车平均速度为57.8km/h,最高速度达75km/h,创造了重载列车的世界记录。
由于美国铁路充分发挥了重载运输的优势,使之成为盈利的运输产业,其货运市场的份额保持在40%的水平,并有上升趋势。
此外,还有加拿大、澳大利亚、巴西和南非等国的重载铁路都取得了良好的经济效益,并在交通运输业中占有重要地位。
20世纪90年代初,我国建成第一条重载铁路大同——秦皇岛运煤专线,开行6000t重载列车,最大列车总重达10000t。
随后在京沪、京广、京哈等重要干线普遍开行了5000t重载列车。
我国铁路货运的市场占有份额达54.6%。
目前采用的重载技术有两种,一种是采用大功率机车来提高牵引重量。
另一种方法是开行组合列车,即将两列及两列以上的普通列车合并开行,从而达到提高牵引重量的目的。
6.高速铁路的发展
目前高速铁路的最高运营时速在350公里左右,1990年的第二代TGV创下时速515.3公里。
已达到粘着铁路的极限。
如要进一步提高运行速度,目前有两种方式。
6.1磁悬浮铁路
目前,日本的磁悬浮列车MLX系列,试验中的最高相对时速超过了1000公里。
德国准备修建一条柏林至汉堡的磁悬浮铁路,但还未建成;
上海浦东机场到浦东龙阳路站的磁悬浮铁路已建成运营,长约三十多公里,采用的是德国技术。
6.2“真空”列车
这是因为传统的在地面上行驶的列车行驶中会受到空气阻力,其行驶速度最高只能在600公里左右,很难再有向上大幅度突破的可能。
于是,真空列车的设想便成为消除空气对列车产生阻力的理想方案。
所谓“真空”列车,就是将列车置于一个全封闭的真空管道环境内。
据计算,“真空”列车所需的牵引力仅为传统列车的3%,而它的行驶速度却可高达每小时1200公里以上。
6.3管道磁悬浮
就是将磁悬浮铁路置于空气稀薄得管道中,其行驶速度就可以无限制地提高。
美国得兰德公司提出了如下的方案:
由纽约到洛杉矶修建一条长3950公里的横贯美国东西的地下隧道,隧道内抽成相当于1%个大气压的真空,3950公里的一半用于加速,一半用于减速,中间速度最高为22500km/h,转弯半径为700-800公里。
6.3.1我国研发时速4000公里真空管道磁悬浮列车
真空管道磁悬浮构想图
目前,人类采用的高速远程客运工具以飞机为主,民航客机的运营速度约为每小时1000公里。
对于5000公里以上的远程旅行来说,乘飞机旅行耗费的时间、经济成本惊人,并且造成了严重的环境污染。
今年爆发的冰岛火山灰危机,以及连续不断的空难事件,更让人们意识到了民航系统的缺陷。
一种最低时速4000公里、能耗不到民航客机1/10、噪音和废气污染及事故率接近于零的新型交通工具——真空管道磁悬浮列车已呼之欲出。
作为新一代磁悬浮列车,真空管道磁悬浮列车将把北京与华盛顿纳入两小时交通圈,用数小时完成环球旅行已经成为科学家近期努力的目标。
中国在此项研究中已经走在世界前列,2007年,该项目被列为国家自然科学基金项目,由张耀平教授等专家申请的大量相关专利已被受理,一场交通运输革命已经迫在眉睫。
新磁悬浮不惧环境影响
真空管道高速交通。
简而言之,就是建造一条与外部空气隔绝的管道,将管内抽为真空后,在其中运行磁悬浮列车等交通工具,由于没有空气摩擦的阻碍,列车将运行至令人瞠目结舌的高速,大大缩短地球表面任意地点间的时空阻隔。
管道由于是密封的,因此可以在海底及气候恶劣地区运行而不受任何影响。
“两院”院士沈志云指出,任何一种地面交通工具,不管是否悬浮,商业运营速度都不宜超过每小时400公里,否则能耗大、噪音超标,难以被市场接受,这是由稠密大气层决定的。
但超高速是21世纪地面高速交通的需求,真空(或低压)管道式地面交通达到超高速的唯一途径,真空管道将是不可回避的选择。
沈志云提出,我国应将目标定位在发展每小时600-1000公里超高速地面交通,分四个阶段推行,2020-2030年实现运营。
中国科学院院士何祚庥认为:
在石油能源高度紧张的情况下,开展超高速磁悬浮列车技术的研究更具特殊意义。
他通过技术分析指出,超高速磁悬浮列车的研发,在真空度问题上并不会存在原则性困难。
理论上可达2万公里时速
所有研究者一开始就把这一运输方式的常规运行速度定位为每小时4000公里,经过技术改进,每小时6500公里是一个中期目标。
虽现在不宜提得太高,但只要磁悬浮列车改进之后,克服技术障碍,那就相当于一颗卫星。
真空管道磁悬浮列车的理论极限速度接近第一宇宙速度,要达到每小时2万公里是可以实现的。
中国目前在各国研究者中研究进度最快。
如果国家能将这项技术上升到三峡工程、长征火箭这样的国家高度,统筹资金、技术,就能在21世纪运输革命中占得先机。
带来交通运输划时代变革
真空管道磁悬浮技术的意义,类似于当初蒸汽机取代马力,将带来划时代的变革。
民航、铁路运输将被大面积取代,人类将进入更清洁、高效的旅行时代。
第二节铁路运输设备
1.铁路线路与轨道
1)铁路线路
铁路线路是由以下三大部分组成:
路基:
是承受轨道和列车荷载的基础结构物。
桥隧建筑物:
当铁路通过江河、溪沟、谷地和山岭等天然障碍物或跨越公路和其他铁路线路时,需要修建桥隧建筑物。
主要包括桥梁、涵洞、隧道。
轨道:
包括钢轨、连接零件、轨枕、道床、防爬设备及道岔。
2).铁路等级
铁路的等级不同,在线路设计中所采用的标准和装备类型也不一样。
铁路等级越高,输送能力越大、运营质量也越好,但造价也越高。
所以在进行设计时,首先要确定铁路的等级。
对常规铁路而言,铁路等级划分为三级,最高是一级,最低的是三级。
除此之外,还有高速铁路、准高速铁路和企业专用线。
3).铁路主要技术标准
修建铁路的目的就是要完成一定的客货运量,铁路的主要技术标准是确定铁路能力大小的决定因素,所以一条铁路的能力设计,实际上就是选定主要技术标准的问题。
铁路的主要技术标准有:
正线数目、限制坡度、最小曲线半径、牵引种类、机车类型、机车交路、车站分布、到发线有效长和闭塞类型。
(1)正线数目
单双线通过能力悬殊很大
单线半自动闭塞N=42-48对/天
双线自动闭塞N=144-180对/天
新建铁路一般按单线设计,只有运量特大的设计线才一次建成双线。
(2)限制坡度
限制坡度指设计线单机牵引地段允许的最大坡度。
限制坡度越大,牵引质量越小,否则越大。
限制坡度越大,对地形的适应能力越强,否则相反。
限制坡度越大,列车的运行速度越小,磨损越大,运营指标越差,运营费越高,否则相反。
(3)最小曲线半径
最小曲线半径即设计线采用的曲线半径的最小值
当列车速度为定值时,半径越大,则离心力越小,对钢轨的磨损
小,列车安全性大,乘客也越感到舒适。
因此,只有大的曲线半径才适应高速列车的行驶;
曲线半径过小时,就会限制列车速度,甚至危及行车安全。
曲线半径越大,对地形的适应能力越差,工程数量也越大,但线
形质量好。
曲线半径小,工程数量小,但线路标准低,维修量大。
(4)牵引种类
蒸汽牵引:
已停产,被淘汰。
电力牵引:
发展的方向,已在我国推广。
具有效率高;
整备时间短,利用率高;
功率大,速度高,牵引力大的优点;
其缺点是独立性较差。
内燃牵引:
目前已普及,是目前和今后的主要牵引种类。
具有热效率高;
速度高,牵引力大的优点,可显著增加铁路能力。
其缺点是造价高且消耗贵重的液体燃料。
(5)机车类型
就是指机车的具体型号。
(6)机车交路
机车交路(locomotiverouting)机车固定担当运输任务的周转
区段,即机车从机务段所在站到折返段所在站之间往返运行的线路区段,也称机车牵引区段。
其长度为机车交路距离,两端的车站称为区段站。
机车交路类型
短交路:
一个往返交路由一班乘务组承担。
长交路:
一个单程交路由一班乘务组承担。
超长交路:
一个单程交路由两班乘务组承担。
机车运转方式
肩回式:
机车返回区段站均要入段整备。
循环式:
机车在相邻两个短交路内往返行驶,在区段站内机车不
摘钩,只在到发线上整备。
半循环式:
机车在两个相邻短交路内往返行驶,每循环一次入段
整备一次。
乘务制度
包乘制:
机车由固定的乘务组驾驶
轮乘制:
不同的乘务组分段轮流驾驶
机车交路距离
交路距离越长,可减小区段站数目,降低工程费用及设备投资,
提高旅行速度。
影响机车交路距离的主要因素有:
交路类型、乘务制度及列车旅
行速度。
(7)车站分布
车站分布就是合理确定车站的数目和位置。
车站分布直接决定列车在站间的往返走行时分,从而影响输送能力和通过能力。
此外,车站数目及位置对工程量也有很大的影响。
最后,车站分布影响列车的起停次数和旅行速度,对运营支出有直接影响。
(8)到发线有效长
车站到发线能停放列车而不影响相邻股道作业的最大长度。
到发线有效长决定货物列车长,而列车长又直接决定车辆数目,从而决定牵引吨数。
到发线有效长直接决定车站站坪长度,影响工程数量。
(9)闭塞方式
利用信号设备来管理列车在区间运行的方式
电气路签
每个区间设两个路签机,彼此间有电气闭锁关系。
若要取出路签,
区间必须是空的,并要征得对方同意。
每次只能取出一个路签,保证区间只有一趟列车。
半自动闭塞
每一区间两端有两个闭塞机与信号机相连。
信号机显示绿灯要满
足两个条件,一是区间空闲,二是双方车站都办理好闭塞手续。
这样方可保证区间内只有一趟列车。
自动闭塞
用信号机把区间分成若干闭塞分区,列车根据色灯信号机运行。
红灯:
表示前方区间被占用,列车要停车。
黄灯:
表示前方只有一个分区空闲,列车要减速。
绿灯:
表示前方至少有两个分区空闲,列车可按规定速度运行。
4).线路平面
线路中心线在水平面上的投影,称为铁路线路平面。
线路平面由直线和曲线组成,曲线又由圆曲线和对称布置在圆曲线两端的缓和曲线组成。
线路平面用线路平面图表示。
线路平面图上绘有线路中心线平面位置,并注明有关资料的地形图。
是铁路设计的基本文件,在各个设计阶段都要编制要求不同、特点不同
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