现代轨道交通装备与技术_杜彦良，牛学勤编著_9787030338136

本书全面介绍构成现代轨道交通系统的各类装备及设施的基本概念、工作原理和技术发展最新情况，内容涉及现代轨道交通基础设施、载运工具、通信信号、牵引供电、运输组织、基础设施建设装备和基础设施健康检测设备。
本书面向高等院校土木工程、交通工程、交通运输、车辆工程、电气工程及其自动化、机械工程及自动化等专业，适合作为通识教育课程教材，也可作为行业职工培训教材以及相关专业人员的技术参考资料。

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第一章　绪论
第一节　概述
一、现代轨道交通及其类型
本书所阐述的现代轨道交通是指运用科学技术武装起来的，具有典型的现代系统管理特征和较高技术水准的现代铁路与现代城市轨道交通系统。现代铁路既包括以高速铁路、重载铁路为代表的主要技术指标达到世界先进水平的现代化铁路系统，同时又涉及具有较高装备水平和一定运营管理、组织水平的普通铁路。
自20 世纪60 年代以来，随着科学技术的发展，世界铁路呈现出“客运快速化、货运重载化、管理集成化信息化” 的发展趋势，城市轨道交通则朝着“方式多样化、运营网络化” 方向发展。因此，高速铁路、重载铁路和现代城市轨道交通成为了现代轨道交通技术和设备的承载者和集成者。
按照2008 年世界高速铁路大会的定义，高速铁路是指通过改造原有线路，使营运速率达到200km/h 以上或者专门修建新的“高速新线” ，营运速率达到250km/h 以上的铁路系统。广义的高速铁路包含使用磁悬浮技术的高速轨道运输系统。我国把高速铁路界定为“新建铁路旅客列车设计最高行车速度达到250km/h 及以上的铁路” 。
所谓重载铁路，根据2005 年国际重载运输协会（ IH HA）在巴西年会上对重载铁路标准的修订，重载铁路必须满足下列三条标准中的至少两条：重载列车牵引质量至少达到8000 t ；轴重（或计划轴重）为27 t 及以上；在至少150 km 的线路区段上年运量达到4000 万t 及以上。从广义的范围来讲，铁路重载运输既包括在专门的重载线路上开行万吨以上的单元重载列车，实现单一品种货物在固定到发地间的循环运输，也包括在主要繁忙干线上开行一定质量的重载列车及组合列车，还涉及其他线路上通过普遍提高列车质量来扩大运输能力。重载运输是除高速铁路以外，铁路现代化的又一个标志。
城市轨道交通是解决城市交通问题的重要工具，多数是采用钢轮、钢轨走行系统的地铁或轻轨。这类城市轨道交通问世已有百余年，技术成熟，在解决城市交通问题方面效果显著，但存在建设成本高、建设周期长，对城市容易形成噪声、振动等环境影响的缺点。
因此，在地铁和轻轨技术的基础上，又派生出多种新型城市轨道交通系统，分别在走行、导向、驱动等方式甚至在研发理念上有所变革，具有许多独到的优点。这类城市轨道交通系统被称为新型城市轨道交通，如单轨交通、自动导轨交通、索轨交通、胶轮地铁、磁浮交通等，它们普遍具有造价低、建设速度快、对环境影响小、运作弹性佳等特点，特别是爬坡能力强、可急转弯、能适应复杂地形和城市空间环境。图1-1 为单轨交通、胶轮地铁、有轨电车系统实景。
二、现代轨道交通的技术优势
现代轨道交通是现代科学与技术发展的结晶，是多种高新技术系统集成和融合的产物，是交通运输现代化的具体体现。与传统的轨道交通系统相比，现代轨道交通系统性更强，速度（或牵引质量）更大，系统可靠性要求更高。
（一）高速铁路的技术优势
与传统铁路相比，高速铁路具有以下主要技术优势。
1.输送能力大
输送能力大是高速铁路的主要技术优势之一。目前各国高速铁路几乎都能满足最小行车间隔4min 及其以下的要求。日本东海道新干线高峰期发车间隔为3.5min ，平均每小时发车达11 列，在东京与新大阪间的2.5h 的运行路程中，每天通过的列车达283 列，每列车可载客1200 ～ 1300 人，年均输送旅客达1.2 亿人次。
2.速度快
速度是高速铁路技术水平的最主要标志。法国、日本、德国、西班牙和意大利高速列车的最高运行时速均在250km 以上，法国和日本则达到了300km/h 。再以刚开通的京沪高铁为例，全程距离为1318km ，高铁全程最短旅行时间仅4h48min 。而正常天气情况下，乘飞机的旅行全程时间（含市区至机场、候检等全部时间）为5h 左右。
3.安全性好
高速铁路由于在全封闭环境中自动化运行，又有一系列完善的安全保障系统，所以其安全程度是任何其他交通工具无法比拟的。高速铁路问世近50 年来，日、德、法三国共运送了60 亿人次旅客，除德国1998 年6 月3 日的ICE 高速列车行驶在改建线上发生重大事故外，始终保持安全运营的良好纪录，这是各种现代交通运输方式所罕见的。可见，一个成熟的高速铁路系统，其事故率和人员伤亡率远低于其他现代交通运输方式。
4.受气候变化影响小，正点率高
高速铁路全部采用自动化控制，可以全天候运营。据日本新干线风速限制规范，若装设挡风墙，即使在大风情况下，高速列车也只需减速行驶，比如风速达到25 ～ 30m/s ，列车限速160km/h ；风速达到30 ～ 35m/s （类似11 、12 级大风），列车限速70km/h ，无须停运。而飞机机场和高速公路等，在浓雾、暴雨和冰雪等恶劣天气情况下则必须关闭停运。
正点率高也是高速铁路深受旅客欢迎的原因之一。由于高速铁路系统设备的可靠性和较高的运输组织水平，可以做到旅客列车极高的正点率。西班牙规定高速列车晚点超过5min ，就要退还旅客的全额车票费；日本规定到发超过1min 就算晚点，晚点超过2h 就要退还旅客的加快费。1997 年东海道新干线列车平均晚点只有0.3min 。
5.舒适、方便
一般高速铁路每4min 发出一列车，日本在旅客高峰时每3.5min 发出一列客车，旅客基本上可以做到随到随走，基本不需候车。为方便旅客乘车，高速列车运行规律化，站台按车次固定化等，这是其他任何一种交通工具无法比拟的。高速铁路列车车内布置豪华，工作、生活设施齐全，座席宽敞舒适，车辆运行平稳、减震、隔音，车内噪声很小。
6.能源消耗低，对环境污染小
如果以“人公里” 单位能耗来进行比较的话。高速铁路单位耗能为小轿车的1/5 ，为大客车的1/2 ，为飞机的1/7 。
高速列车利用电力牵引，电气化高速铁路没有粉尘、煤烟和其他废气污染。虽然建造电厂也有污染，但如果以电厂的排污与公路、航空运输的排污比较，国外的研究资料显示为1 ∶ 3 ∶ 4 。日本还有统计数字显示，如果没有新干线，每年要多排放1.5 万t 二氧化碳，相当于东京郊外工厂排放量的总和。
（二）重载铁路的技术优势
“重载运输” 是铁路货物运输的一项重大改革，其最大的技术特征在于其超大的运量，同时还具有列车组织形式多样化和极高的运输效率的技术特征。
1.超大的运量
世界各国重载铁路普遍借助于高新技术，促使重载列车牵引质量不断增加。2001 年6月21 日澳大利亚西部的BHP 铁矿集团公司在纽曼山― 海德兰重载铁路上创造了重载列车牵引总重99734t 的世界纪录。2004 年巴西CVRD 铁矿集团经营的卡拉齐重载铁路上，开行重载列车的平均牵引质量已达39000t 。南非Orex 铁矿重载线是窄轨铁路（1067mm 轨距），开行重载列车的平均牵引质量为25920t 。美国最大的一级铁路公司联合太平洋铁路（ UP）经营的铁路里程为54000km ，其所有列车的平均牵引质量已达14900t ，一般重载列车的牵引质量普遍达到2 万～ 3 万t ，其复线年货运量在2 亿t 以上。
我国第一条重载铁路大秦铁路，自2002 年实现1 亿t 年运量设计能力后，分别于2005 年实现2 亿t ， 2007 年实现3 亿t 年运量，创当时国际年运量最高纪录。2010 年12月26 日， 77037 次2 万t 重载列车缓缓驶入秦皇岛柳村南站，我国煤炭运量最大的能源大动脉―― 大秦铁路实现年运输量4 亿t 新的突破，该运量是世界单条铁路年运量理论极限的2 倍。图1-2 为大秦铁路实景。
2.列车组织形式多样化
目前，国内外铁路开行的重载列车组织形式主要有单元式、整列式和组合式重载列车三种。
单元式重载列车是以固定的机车车辆（大功率机车和一定辆数的同一类型的专用货车）组合成为一个运输单元，并以此作为运营计费单位，在装卸车站间循环直达运行的货物列车。这种方式适用于货物品种单一，运量大且集中的大宗货物运输，其经济效益显著。这种方式在运行过程中除利用铁路的正线和到发线外，不占用铁路的调车设备。在运输过程中，除列车接、发车作业外，不进行任何其他作业。单元列车不仅机车车辆固定编挂，固定回空，而且两端车站装卸设备必须配套，形成矿区至港口（或电厂）的装、运、卸一条龙重载运输组织形式。
整列式重载列车是采用普通列车的组织方法，由挂于列车头部的大功率单机或多机牵引，并由不同型式和载重的货车车辆混合编组，达到规定载重量标准的列车。在我国繁忙干线上开行的重载列车主要为这种模式。
组合式重载列车是由两列及以上同方向运行的普通货物列车首尾相接，合并组成的列车，这种重载运输方式始于1964 年的苏联。
整列式和组合式重载方式可通过对既有线进行技术改造来实现，具有投资少、见效快的特点。
3.极高的运输效率
美国铁路自1980 年全面发展重载运输以来，铁路货运占领美国货运市场的份额直线上升，从1980 年的35 % 增加到2000 年的41 % ，车辆的平均载重增加了15.1 % ，虽然运价已降至1.6 美分/ （t ? km），但运行成本却下降了60 % ，线路维修成本下降了42 % ，劳动生产率提高了2.71 倍，创造的年利润已达美国铁路历史上的最高水平（81 亿美元）。美国最大铁路公司之一的联合太平洋铁路（ UP） 2002 年重载运输收入已达107 亿美元，其中煤炭运输收入占22 % 。
西澳大利亚的BHP 重载铁路公司从1980 年到2000 年由于开行重载列车，动力用油耗下降43 % ，机车利用率提高36 % ，车轮、钢轨寿命提高3 ～ 5 倍。劳动生产率提高5倍，达到6000 万t ? km/ （人? 年），居世界铁路首位。创造的年利润达500 亿澳元。昆士兰铁路营业里程1 万km （基本是窄轨1067mm）， 2004 ～ 2005 年度货物发送量1.76 亿t ，其中重载煤运达1.425 亿t ，每周开行1 万t 重载列车460 列，年营业总收入23 亿澳元，税前利润1.91 亿澳元。
（三）城市轨道交通的优势
作为公共交通方式，城市轨道交通在现代大城市中起着越来越重要的作用。与其他城市交通方式相比，城市轨道交通在以下方面具有明显的优势。
1.较大的运输能力
城市轨道交通由于高密度运转，列车行车时间间隔短，行车速度高，列车编组辆数多而具有较大的运输能力。市郊铁道单向运输能力可达6 万～ 8 万人次/h ，地铁可达3 万～ 8 万人次/h ，轻轨可达到1 万～ 3 万人次/h ，有轨电车可达到1 万人次/h ，城市轨道交通的运输能力远远超过常规公共电汽车。
2.较高的准时性
城市轨道交通由于在专用行车道上运行，不受其他交通工具干扰，不会产生线路堵塞现象，也不受气候影响，是全天候的交通工具，列车能按运行图运行，具有可信赖的准时性。
3.较高的送达速度
与常规公共交通相比，城市轨道交通由于运行在专用行车道上，不受其他交通工具干扰，而且普遍具有较高的启、制动加速度。因此车辆运营速度较高。多数采用高站台，列车停站时间短，上下车迅速方便，而且换乘方便，从而可以使乘客较快地到达目的地，缩短了出行时间。
4.较高的安全性
城市轨道交通由于运行在专用轨道上，没有平交道口，不受其他交通工具干扰，并且有先进的通信信号设备，极少发生交通事故。
5.城市轨道交通节能、环保特性明显
城市轨道交通是高效率的交通工具，具有能耗低的特点。按照同等运能比较，轨道交通的能耗只相当于小汽车的1/9 ，公交车的1/2 。
城市轨道交通一般采用电力牵引，不会产生空气污染。同时，由于在线路和车辆上采用了各种降噪措施，一般不会对城市环境产生严重的噪声污染。
三、现代轨道交通技术要求与装备、技术
现代轨道交通具有明显的国际性和时代性，是随着科学技术的发展和装备制造水平的提高而逐步变化和持续发展的。其装备种类繁多，既有移动设备，又有固定设备，还包括基础设施建造和维护设备，涵盖了工务、载运、供电、通信信号、设备监控、行车控制、基础设施建造等设备。其技术涉及机械、土木、电气、电子、自动化、材料科学等多个科学和技术领域。
（一）高速铁路装备与配套技术
1.高速对装备的技术要求
随着列车运行速度的提高，列车与周围空气以及基础设施之间的动态效应更加突出，以往静态或准静态的问题变为动态问题。高速铁路与普通的既有铁路的主要技术不同点体现在三个大的方面，即列车与轨道、接触网的动力作用，空气动力作用以及列车牵引与制动。这是发展高速铁路必须面对的问题。
1）列车与轨道的动力作用，即轮轨垂向作用和横向作用将大大加剧
轮轨垂向作用力约与速度的平方成正比，而轴重（轴质）尤其是簧下质量会严重影响轨道下沉变形，导致轨道不平顺，造成磨损与破坏并波及轨枕、道床和路基。因此，控制高速列车的轴重，减轻簧下质量以及加强轨道结构，改善轨枕与扣件性能、道床与路基质量是保证高速列车运行安全的关键性基础条件。轮轨的横向作用力影响列车的稳定性与曲线通过的安全性，这要从车辆与线路两方面来改善，包括改进转向架和弹簧系与减振器的参数以及加强道床，保证轨道结构的横向稳定性。
2）弓网关系复杂将导致供受电稳定性下降
在高速铁路上确保动车受电弓与接触网的良好接触并降低离线率是动车牵引能量接收的必要措施。动车受电弓的离线率取决于列车运行时接触导线的波动传播速度，国外的经验表明，高速列车运行的速度与接触导线波动传播的速度之比应控制在0.7 以内。为此，必须提高接触导线的抗拉强度、减轻接触导线的质量、采用先进的接触网悬挂方式与特性，使离线率控制在5 % 左右。弓网之间既要保持一定的接触压力，又要使相互间能连续滑动，具有良好的动态特性，以满足稳定供受电的需要。为此，需要减轻受电弓运动部分的质量、改善滑板品质并采取措施避免产生谐振。
3）车辆空气阻力及隧道活塞效应将十分明显
空气阻力与列车速度的平方成正比，当列车速度超过160km/h 时，空气阻力问题十分突出，当列车速度达250km/h 以上时，空气阻力占主导地位，速度250 ～ 300km/h 时约占75 % ，速度350 ～ 400km/h 时，所占比例高达90 % 左右。因此，空气阻力几乎成了列车速度提高的限制性因素。列车进出隧道时的空气动力效应远较在空旷地带强烈与复杂，由于活塞效应（头部受正压，尾部受负压作用，四周形成环流，造成更大的空气压力），列车穿越隧道时，会形成压力脉冲（压缩波与膨胀波）并不断传递、反射、干扰和叠加。
由于压力冲击波的幅度与速度的平方成正比，高速列车通过隧道时将存在更大的危险。当两列高速列车交会时头尾部引起的压力扰动给相对列车一个强大脉冲压力，情况更为严重。因此，必须加强车体门窗和联结通道等处的密封性能与车体侧墙和玻璃的强度，必须合理选择线间距离和隧道净空面积，扩大隧道入口和控制遮堵系数（列车与隧道横截面之比）。
4）对牵引功率和制动能力提出了很高的要求
高速列车匀速运行条件下，其能耗用于克服行车阻力。行车阻力一部分为机械阻力，包括动车组内部的阻力和轮轨阻力，另一部分则为空气阻力。对于高速运动的列车，其能耗主要用于克服空气的阻力。而空气的阻力与速度的平方成正比，也就是说，高速列车的单位距离能耗与速度的平方成正比。
反映单位时间的能耗指标，即牵引功率，与单位距离能耗不同，其计算方法为P ＝F ? v 。因此，高速列车的牵引功率与速度的三次方成正比。也就是说，当速度提高1 倍时，其牵引功率将为原来的8 倍。
列车的动能与速度的平方成正比（能量为E ＝（1/2） mv2 ），在相同列车质量情况下，列车运行的速度在200km/h 时的动能为100km/h 时的4 倍，列车运行的速度在300km/h时，动能增至9 倍。因此，在高速运行下，列车必须有良好的制动系统，所以高速列车需要采用复合制动系统（动力、盘式、涡流和磁轨等），利用多种制动联合作用。
5）其他问题
发展高速铁路还必须面对和解决诸如铁路信号及线路状态辨认问题，设备可靠性及设备状态监控问题，高密度行车组织问题，设施、设备养护维护等一系列问题。
对于铁路信号及线路状态辨认问题，当列车行驶速度超过160km/h 时，司机对于地面信号显示和线路状态的辨认难度将大大增加，更难以迅速做出有效的反应。因此，在高速铁路区段，高速铁路必须以机车信号作为主体信号。同时，对于地面状态的变化情况，如车站、道岔和曲线线路等限速地点等，也必须通过车载设备予以显示。
2.相关装备（设备）与配套技术
1）高速动车组与配套技术
高速列车牵引动力的配置形式分集中配置和分散配置两种，动车组属后者。由高速对系统的技术要求可以看出，高速动车组应具备车体轻量化、高平稳性、流线型、密封性好、大功率和大制动能力的特点。因此，高速动车组一般融合了交流传动技术、复合制动技术、高速转向架技术、高强轻型材料与结构技术、减阻降噪技术、密封技术、列车网络技术、系统集成技术等。
2）工务设备与配套技术
高速铁路要求具备持久高平顺性的线路状态，相对于普通铁路，其对相关基础设施要

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