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高速铁路章节
第1章高速铁路概述
学习目标
1.掌握高速铁路的概念、产生及发展。
2.掌握高速铁路的主要技术经济特点。
3.熟悉我国高速铁路的规划与建设。
4.了解中国发展需要高速铁路的意义。
导入案例
高速铁路——改变了出行方式和社会运输模式。
高速铁路是当代世界铁路的一项重大技术成就,它集中地反映了一个国家的铁路牵引动力、线路结构、运行控制、运输组织和经营管理等方面技术进步,体现了一个国家的科技和工业综合水平。
随着人民物质文化生活水平的不断提高,人们对出行的运输服务质量需求将会越来越高,方便快捷、环境舒适、安全可靠、服务良好以及各种个性化服务。
高速铁路的发展大大提高了我国运输与交通方面经济效益。
那么究竟什么是高速铁路呢?
高速铁路究竟给社会经济和人类出行带来哪些方面的利益?
第一节高速铁路的产生和发展
1、高速铁路的概念
1970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200km/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将高速铁路的列车最高运行速度规定为:
客运专线300km/h,客货混线250km/h。
1986年1月,国际铁路联盟秘书长勃莱认为,高速列车最高运行速度至少应达到200km/h。
因此,目前国际上公认列车最高运行速度达到200km/h及其以上的铁路为高速铁路。
随着科学技术的发展和客观条件的变化,有关高速铁路的定义将会不断更新。
因此,高速铁路是一个既具有专业性又具有国际性和时代性的概念。
随着高铁不断发展变化,世界上对铁路速度进行了等级区分如下图:
(见图1-1)
图1-1
2、高速铁路的产生
1825年,英国修建了世界上第一条铁路。
铁路运输的特点:
运量大、可靠性高、全天候。
1903年10月27日,德国用电动机车首创运行时速达到210km/h;1955年3月,法国刷新了高速铁路的记录,用两台电力机车牵引三辆客车实验运行时速达到了331km/h;1964年日本东海道新干线成功运营;1981年法国建成了最高时速为270km/h。
提高列车速度是铁路赖以生存和适应社会经济发展的唯一出路。
20时期80年代,随着世界性的能源危机、环境污染等问题的愈演愈烈,使各国政府又想起了铁路的优点,与此同时,随着有关高速铁路的一系列新技术、新工艺、新设备的研究取得新突破和发展,以及各国铁路运输管理体制改革的深人,世界铁路开始进入“第二发展期”速铁路的大爆发时期。
三、高速铁路的发展
高速铁路是现代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力、线路结构、车辆技术、制造工艺、
列车运行控制、运输组织等方面的发展和进步。
在日本,高速铁路被誉为日本“经济起飞的脊梁”。
在台湾,2003年,台北--高雄(345km/h)
在韩国,2004年,汉城--釜山(300km/h)
在欧洲,高速铁路建设始于法国。
四、世界高速铁路的发展阶段
1.初期阶段:
1964--1990年(见图1-2)
日本的东海道、山阳、上越、东北新干线;全部修建新线,旅客列车专用
法国的东南TGV线、大西洋TVG线;部分旧线改造,旅客列车专用
意大利的罗马--佛罗伦萨线批;
德国的汉诺威--维尔茨堡线;全部修建新线,旅客列车与货物列车的线路混用
推动了高速铁路的第一次建设高潮。
图1-2
2.第二阶段1990--1998年(见图1-3)
西班牙、法国、日本、比利时、德国在这一时期分别又建成了新的高速铁路线路。
在这一时期高速铁路表现出了新的特征。
(1)已经建成高速铁路的国家进入了高速铁路网规划和建设的年代;
(2)不仅仅是铁路部门的需要,高速铁路成为了地区之间相互联系的政治上的需求;
(3)需要发展无污染的高速铁路;
(4)出现了国内和跨越国界的高速铁路网。
高速铁路建设的第二次高潮。
图1-3
3.第三阶段:
1998--2005年(见图1-4)
此阶段将高速铁路的发展定为世界高速铁路发展的第三次高潮。
这次高潮波及到亚洲、北美、澳洲以及整个欧洲。
参与第三次高速铁路建设的各个国家与前两次高速铁路建不同,其特征主要表现为:
(1)初期已经拟定了修建高速铁路的全国规划:
(2)虽然所需资金较大,但从各方面分析考虑,得到了各国政府的支持;
(3)促进和平发展,欧洲国家将建设高速铁路列为一项政治任务;
(4)出现了多种形式融资的局面;
(5)技术创新正向相关领域的发展。
图1-4
第二节高速铁路的主要技术经济特点
铁路运输包括机车车辆、线路桥隧、通信信号、牵引供电、运输组织及安全保障等系统。
只有将这些系统有机地组织在一起,相互配合,相互协调,且技术上相互匹配,才能使铁路运输顺利进行。
因此,人们常说,铁路是一个集中统一指挥下的“大联动机”。
而高速铁路正是在这样一个传统的轮轨交通工具的基础之上,广泛运用现代高新技术发展起来的产物。
高速铁路技术是当代世界铁路的一项重大成就,受到世界各国的普遍欢迎并得以快速发展,它集中反映了一个国家铁路的牵引力、线路结构、运行控制、运输组织和经营管理等方面的经济水平,也体现了一个国家的科技和工业水平。
高速铁路不仅克服了普通铁路速度低的缺点,而且在经济发达、人口密集地区,经济效益和社会效益突出。
与航空、公路相比,高速铁路的主要技术经济优势表现在:
1.速度快;速度是高速铁路技术的核心也是其主要技术经济优势所在。
髙速铁路是陆上运行距离最长、运行速度最高的交通运输方式。
2.行车密度高、运量大;高速铁路继承了铁路作为大众运输工具的基本特征,高速铁路的运能远远大于航空运输,且一般也大于高速公路。
3.乘车舒适度高;随着人们物质生活水平的不断提高,出行舒适状况已成为人们选择出行交通运输方式的重要条件之一。
高速铁路线路平顺、稳定、曲线半径大,列车运行平稳,震动和摆动幅度都很小。
4.土地占用面积小;我国高速铁路多采取高架形式,故可以大大减少对耕地的占用和杜绝平面交叉道口的交通事故以及对环境的负面影响。
5.能耗低;能耗高低是评价交通运输方式优劣的重要经济技术指标之一,随着水电、太阳能、风能和核电等新型能源的发展,高速铁路在能源消耗方面的优势更加突出。
这也是在当今石油等能源紧张的情况下,世界各国选择发展高速铁路的重要原因之一。
6.环境污染小;由于高速铁路实现了电气化,使铁路基本消除了粉尘、油烟和其他废气污染。
7.外部运输成本低;运输的高低在一定程度上是制约某种交通运输方式能否得到迅速发展的重要因素之一。
高速铁路的运输成本虽然大大高于普通铁路,但并不比飞机和高速公路髙。
8.列车运行准点高;列车守时准点,大大提高了我国运输与交通方面经济效益,为人们出行带来了许多便利。
9.安全性好;安全始终是人们出行选择交通运输方式的首要因素。
由于高速铁路采用全封闭、自动化运行方式,且有一系列完善的安全保障体系,如先进的ACT列车速度控制系统,能自动控制列车运行速度、调整列车运行间隔,按照列车允许的行车速度,使列车自动减速或停车,故其安全可靠性大大高于其他交通工具。
10.受气候影响小;高铁受空气和环境影响相对于飞机和高速公路较小许多。
11.社会经济效益好;交通堵塞和事故给各国国民经济带来巨大损失的已成为一个世界性的难题,每年用于处理髙速公路堵塞和公路交通事故的费用分别占国民生产总值的2.9%和2.5%。
而修建高速铁路的直接经济效益却是非常明显。
第三节我国发展高速铁路规划和建设
高速铁路代表了当代世界铁路发展的大趋势,是20世纪交通运输发展的重大成就,我国作为一个地域宽阔、人口众多、能源相对匮乏的发展中国家,大力发展高速铁路是推动国民经济又好又快发展的明智选择。
1997年4月1日以来进行了6次大面积提速。
我国发展高速运输的几种方式:
对既有线进行改造,提高行车速度;对繁忙区段进行重大改造,适合客货并运;客运量大的干线,修建客运专线。
2007年10月,国务院常务会议批准了《综合交通网中长期发展规划》,确定到2020年我国铁路营业里程达到12万km,其中时速200km及以上的客运专线达到1.6万km以上,时速300km以上的客运专线达到7000km。
1、我国发展高速铁路的必要性
1:
高速铁路是我国经济及社会发展的需要
近年来,我国居民出行已经开始从单纯的探亲访友向旅游等消费性需求方向转变,从过去仅仅满足“走得了”向“走得快”“走得好”的高品质运输的方向转变。
今后,随着人民物质文化生活水平的不断提高,人们对出行的运输服务质量需求将会越来越高,方便快捷、环境舒适、安全可靠、服务良好以及各种个性化服务的出行消费需求都将提出来,仅靠传统的铁路运输工具难以满足这些需求,因此,加快高速铁路的建设是我国顺应时代发展要求的必然选择。
2:
高速铁路发展符合我国国情的需要
一个国家交通运输发展模式的选择,必须根据其本国的具体国情来确定。
我国的基本国情是:
人口众多,幅员辽阔,耕地匮乏,资源短缺,人均收入低,生产布局不合理,经济发展不平衡等。
因此,大力发展运力大、占地少、污染轻、安全可靠和经济舒适的交通工具,来解决大客流量的快速运输问题是我们必然选择。
如前所述,高速铁路在这些方面具有明显的比较优势,完全适合我国国情的需要。
3:
高速铁路的建设符合我国城市化发展战略的需要
未来人口和经济发展向中心城市集聚,客流中心的规模将不断扩大,需要形成连接客流中心的大运能的高速铁路作为通道,同时,方便、快捷、舒适的运输条件反过来又将促使城市的发展和城市规模的扩大。
4:
高速铁路的优势决定其在运输市场竞争中的重要地位
我国人口众多,幅员辽阔,经济相对落后,对大众客运运输工具的需求很大。
随着国民经济的持续快速的增长和人民物质文化生活水平的提高,未来我国客运量肯定会有一个大幅度的增长,而高速铁路作为大众运输工具,有安全性、运量大、速度快、全天候等特征,恰好能适应这一发展需求。
2、我国高速铁路发展的战略策划
1:
“四纵”专线
(1)北京—上海高速铁路,全长约1318公里
(2)杭州—宁波—福州—深圳客运专线,全长约1600公里
(3)北京—武汉—广州—深圳客运专线,全长约2260公里
(4)北京—沈阳—哈尔滨客运专线,全长约1700公里
2:
“四横”专线
(1)徐州—郑州—兰州客运专线,全长约1400公里
(2)杭州—南昌—长沙客运专线,全长约880公里
(3)青岛—石家庄—太原客运专线,全长约770公里
(4)上海—南京—武汉—重庆—成都客运专线,全长约2078公里(见图1-5)
图1-5
3:
城际客运系统
(1)环渤海圈铁路快速客运系统
(2)长江三角洲铁路快速客运系统
(3)珠江三角洲铁路快速客运系统
图1-6
这些规划的高速铁路已于2005年陆续开工建设,计划于2020年全面建成。
近年来,随着国家拉动内需政策的出台,高速铁路建设的步伐还在加快,预计将提前7年实现上述规划目标。
届时,我国的高速铁路客运网将辐射全国70%的50万以上人口城市,覆盖7亿人口,总里程约占世界高速铁路总量的一半。
三、我国高速铁路的发展模式
从我国现有铁路网和城市布局情况看,高速铁路的发展模式可以有以下三种。
1.繁忙干线客货分线,建设大能力客运通道
实现客货分线运输。
新建第二双线,主要承担中长途、城际间旅客运输,同时承担少量的快速货物运输(一般具有高附加值),既有线主要承担货运,同时承担少量的短途客运。
2.中心城市间建设客运专线,实现旅客运输高速化
中心城市间一般经济发达,人口稠密,客运发展潜力巨大,同时仍有少量货运。
因此,要视其发展状况合理布局,条件许可的可采取货运由其他线路承担,而一次性新建客运专线;必须承担货运的。
3.繁忙单线客货分线,全面提升旅客运输质量
对于仅次于主要客运量通道的既有单线铁路,由于大多建成时间早,技术标准低,难以适应新时期旅客运输质量要求,而且线路所经地区地形复杂,改造既有线难度又很大,且客运发展潜力巨大,可采取新建一条双线客运专线,而既有线主要用于货物运输和沿线短途客运,形成“三线模式”的客货分线运输。
第四节中国需要高速铁路
高速铁路代表了世界铁路现代化发展的大趋势,高速铁路是20世纪交通运输的重大成果,是人类的共同财富。
一、经济及社会发展的需要
1.经济快速发展,客运需求潜力巨大
2.社会节奏加快,时间价值观念加强
3.土地、能源、环境方面的压力巨大
二、客流特点适宜发展高速铁路
量大、集中、行程长
三、客货分线为发展高速铁路创造了条件
四、是贯彻可持续发展战略的体现
每章一练
1.填空题
(1)我国高速铁路速度等级划分为_____________。
(2)______年,_____用电动机车首创了试验速度的历史纪录。
(3)______年,_____创造了轨道高速铁路实验速度的世界最高纪录。
(4)城际客运系统主要分布在______。
2.问答题
(1)什么是高速铁路?
简述发展历程。
(2)高速铁路的主要经济优势表现在哪几个方面?
(3)当今世界有哪些高速铁路模式,各有什么特点。
(4)我国客运专线四纵四横?
(5)我国为什么要发展高速铁路?
第二章高速铁路动车组
学习目标
1.熟悉动车组的概述。
2.掌握动车组的构成及特点。
3.了解动车组的运用与维修。
第1节动车组概述
中国铁路高速动车组(ChinaRailwayHigh-speed,简称CRH)。
其名称有四层含义:
一是标志中国铁路已拥有时速200km及以上动车组技术,展现了中国铁路装备现代化的重大成就;二是创立中国铁路高速动车组的自有品牌,同时与国际惯例接轨;三是表明时速200km及以上动车组的资产归铁道部,是中国铁路的自主产权;四是标志中国铁路以此为起点,进人全新的高速动车组时代。
动车组,亦称多动力单元列车,是铁路列车的一种。
它是自带动力、固定编组、两端均可操作驾驶、穿梭运行的旅客列车,是为了适应城际间高密度、短编组、公交化的客运要求而形成的一种新的轨道交通运输工具。
动车组按照配置动力类型的不同分为内燃动车组(DMU)和电力动车组(EMU),高速动车组大部分采用电力动车组的形式。
动车组是由动力车和拖车或全部动力车长期固定的连接在一起组成的车组,高速电力动车组有两种牵引动力的分布方式,分为动力集中式和动力分散式。
动力分散电动车组的优点是动力装置分布在列车不同的位置上,能够实现较大的牵引力,编灵活。
由于采用动力制动的轮对多,制动效率高,且调速性能好,制动减速度大,适合用于限速区段较多的线路。
另外,列车中若某一节动车的牵引动力发生故障对全列车的牵引指标影响不大。
动力分散的电动车组的缺点是牵引力设备的数量多,总重量大。
动力集中电动车组的优点是动力装置集中安装在2〜3节车上,检查维修比较方便,电气设备的总重量小于动力分散的电动车组。
动力集中布置的缺点是动车的轴重较大,对线路不利。
目前世界上的动车组基本都是向动力分散型发展。
第二节动车组的构成及特点
一、动车组通常以下面各部分组成;
1.车体
动车组车体分为带司机室和不带司机室车体两种。
它是容纳司机驾驶和乘客的地方,又是安装和连接其他设备和部件的基础。
动车组车体结构首先要保证结构的强度和刚度,以及高寿命的安全度和可靠性要求。
设计寿命一般为20年以上。
动车组车体结构的基本要求如下。
(1)车体承载结构采用车体全长的大型中空铝合金型材组焊而成,或采用不锈钢车体,为薄壁筒型整体承载结构。
(2)车体承载结构的底架、侧墙、车顶、端墙以及设备舱组成为一个整体。
(3)车头前端鼻部的开闭机构可以由司机室操纵。
(4)车体所用材料符合环境保护和防火的要求。
(5)车下安装设备采用吊挂安装方式,保证运用安全和安装方便。
(6)车下导流罩与侧墙圆滑过渡,在限界允许的条件下距轨面的距离尽可能小。
(7)室前端下方装有排障器,排障器中央的底部能承受137kN的静压力。
(8)车底架设四个顶车位,以便将车体顶起。
(9)脚蹬结构采用可伸缩式结构,以便适应500〜1200mm站台高度要求。
同时,动车组车体结构既要保证结构的强度和刚度,又要求满足轻量化的要求,还应具有良好的空气动力学外形和性能。
列车零部件的保养、维修与换修的通用性、互换性、便利性及可靠性,便于对车体内外的机械化清洗作业等。
2.车体外形
动车组良好的空气动力学性能的实现主要通过车体外形的特殊设计来实现的。
(1)动车组头形
对于高速动车组来说,列车头形非常重要,好的头形可以有效地减少运行空气阻力、列车交会压力波和解决好运行稳定性等问题。
1.动车组头形的基本要求
一些高速铁路发展比较早的国家,通过理论研究、计算和试验,明确提出了各自的列车阻力系统指标值。
如“德国联邦铁路城间特快列车——ICE技术任务书”中规定:
列车前端的驱动头车空气阻力系数C=0.17,列车末端的驱动头车空气阻力系数C=0.19。
头、尾车阻力系数与流线化头部长细比直接有关,高速列车头部的长细比一般要求达到1:
3左右或更大。
2.动车组头部流线化
具有代表性的流线型头部外形方案(如图2-1所示)。
车体头部纵向对称面上的外形轮廓线,要满足司机室净空高、前窗几何尺寸、玻璃形状以及瞭望等条件。
在此基础上,尽可能降低该轮廓线的垂向高度,使头部趋于扁形,这样可以减小压力冲击波,并改善尾部涡流影响。
同时,将端部鼻锥部分设计成椭圆形状,可以减少列车运行时的空气阻力。
对于俯视图最大轮廓线形,首先要满足司机室的宽度要求,然后再将鼻锥部分设计为带锥度的楠圆形状。
这样既有利于减小列车交会压力波和改善尾部涡流影响的梭形,又兼顾到有利于降低空气阻力的椭球面形状。
此外还应具备凹槽形的导流板,将气流引向车头两侧。
3.转向架
支承车体并使之在轨道上运行的装置称为转向架,亦称走行部,它是保证列车运行品质和安全的关键部件,也提髙旅客列车速度的过程也是高速转向架技术发展的过程。
分动力转向架和非动力转向架,动力转向架的车轴可以是全动轴,也可以是部分动轴。
(如图2-2所示)
高速转向架主要由以下部分组成。
1.构架
它是转向架的骨架,是安装各种零部件的载体,承受和传递垂向力、水平力和扭矩等。
2.轮对
轮对直接向钢轨传递列车重量的动作用力,通过轮对的回转实现列车在钢轨上的运行。
有些转向架的制动力也通过轮对实现。
3.弹簧悬挂装置
它是用来保证一定的轴重分配、缓和轮对冲击作用,是保证车辆运行平稳性等动力学性能的重要装置。
一般由弹簧、阻尼器及其连接部件组成。
设在轮对和构架之间的轴箱弹簧装置(或称一系悬挂装置)均为钢圆簧加液压减振器;设在构架与车体之间的中央弹簧悬挂装置(或称二系悬挂装置)采用高柔簧(或空气弹簧)与液压减振器。
4.车辆连接装置
车辆编组成列车运行必须借助于连接装置,分车钩缓冲装置和贯通道装置,通过他们使列车中车辆相互连接,同时还有车辆之间的电器和空气管路的连接,高压电器连接,辅助系统和列车供电连接以及控制系统连接等,实现相邻车辆之间的纵向力传递和通道的连接。
5.制动装置
制动装置是保证列车安全运行所需的装置,动车组常采用电气制动和空气制动的复合制动。
6.牵引装置
它是车体与转向架的连接装置,用以传递车体与转向架之间的水平力等,同时保证车体与转向架之间回转运动。
7.车辆内部设备
车辆内部设备是指服务于乘客的车内固定附属装置。
8.牵引传动系统
牵引传动系统包括:
主电路、高压设备、受电弓、主断路器、其他高压设备、主变压器、牵引交流器、牵引电机及电传动系统的保护等。
9.辅助供电系统
辅助供电系统所供电的设备包括:
空气压缩机、冷却通风机、油泵/水泵电机,空气调节系统,采暖设备、照明设备、旅客服务设备、应急通风装置、维修用电等。
1、动车组的技术特点及分类
(1)动车组技术特点
动车组一般普遍具有高速、高效、经济、灵活等特点。
优良的空气动力学外形、车体结构轻量化、高性能转向架技术、复合制动技术、密接式车钩缓冲技术、交流传动技术、列车自动控制及故障诊断技术、高速受流技术。
动车组特点主要包括:
固定编组、动力集中或动力分散、密接车钩、整体运用、整体保养检修、大修前不解体、采用网络控制、交流传动/液体传动、制动系统完整设计。
高速动车组的特点主要包括:
头部流线型;车体轻量化技术;高速转向架;高速受
流技术;车厢密闭、空调換气;高功率重量化;低噪音、低轮轨力;配各现代化动车段、综合维修基地。
第三节动车组的运用与维修
一、动车组的维修
作为在高速铁路中的运营车辆,高速动车组是系统集成。
车体、转向架、交流传动与列车网络控制、制动系统和辅助系统等现代高新技术的大集成、高速列车的维修已经不再是为维持列车运行而被动进行的一种辅助性生产活动,而是高速铁路系统综合保障工程中的重要组成部分,是高速列车运用的前提和安全的保障,是提高高速列车效能的重要途径、是提高车辆效率,提高可用性、安全运输,降低寿命周期成本的主要保证,提高铁路运输企业竞争力的一个重要手段。
已经从一种技艺发展成一门综合利用系统工程,可靠性工程、现代维修理论、管理科学、后勤保障学等学科的综合学科。
目前,世界上的维修思想和制度可以分为两大体系:
一是在“预防为主”的维修思想指导下,以磨损理论为基础的计划预防维修制;二是“以可靠性为中心”的维修思想指导下,以故障统计理论为基础的预防维修制度。
(一)计划预防维修制
计划预防修制是指对机械设备的修理是有计划进行的。
其要点是通过对机械零部件损伤的大量统计资料,进行分析研究后,把机械设备上不同损伤规律和损伤速度的零部件,科学的划分成若干组,并确定出不同零件的损伤极限,从而规定了不同修程的修理期限和修理范围。
这样,使机械设备在运用中能得到有计划的修理,亦即零件尚未达到极限损伤之前就加以修复
或更换,所以,它是预防性的有计划的修理。
实现计划预防检修制度需要具备以下条件:
通过大量的统计、测定和试验研究,确定出机械设备主要零部件的修理周期;根据主要零部件的修理周期,同时考虑一般零部件的修理,合理地划分修理类别等级和修程;制定出一整套相应的修理技术标准、检修限度和修理技术要求;具备按职能分工、合理布局的修理基地。
计划预防修制以机械设备故障率曲线(浴盆曲线)中耗损故障期始点来确定修理时间。
由于把机件磨损或故障作为时间的函数,因此,定时维修、拆卸分解就成了这种修制的主要方法。
计划预防修制的具体实施可概况为“定期检査、按时保养、计划修理”。
计划预防修制的关键是确定装备及其主要零部件的修理周期。
合理划分修理等级及修理周期结构,制定维修的规程与规范。
(二)“以可靠性为中心”的维修
以可靠性为中心的维修制度是指一种在计划预防修制的基础上发展起来的维修制度。
在实践中人们发现并不是维修越勤,修理范围越大就能减少故障,相反频繁拆装会出现更多的故障,设备的可靠性一般是由设计制造所确定的,有效的维修只能保持其固有可靠性。
以可靠性为中心的维修制度,提出按照设备各机件的功能、功能故障、故障原因和故障后果来确定需要做的维修工作。
提出维修方式的“逻辑分析决断图”,对重要维修项目逐项分析其可靠性特点及发生功能性故障的影响,来确定应采用哪种维修方式。
1.维修的特点:
划预防修的总体框架、高科技支撑的状态修维修方式、广泛实施换件修和集中修、严格寿命管理、根据部件特点,细分维修层次,使维修设施的负荷尽量平衡,降低维修成本。
2.维修级别:
一级维修:
一级维修指列车上的维护,列车途中发生故障时,技术人员
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