從影響高鐵速度的主要因素看高鐵的發(fā)展前景

趙立冬

摘 要：高鐵以它快捷的速度和低廉的價(jià)格，強(qiáng)烈沖擊了航空運(yùn)輸。從影響高鐵速度的主要因素來看，高鐵有廣闊的發(fā)展前景。高鐵線路的科學(xué)化建造為高鐵的高速度提供了最基本的條件，最新設(shè)計(jì)的高速“動(dòng)車組”能使高鐵達(dá)到更高的速度，采用最新智能化技術(shù)的交通信號(hào)系統(tǒng)保證了高鐵安全運(yùn)行。展望高鐵的未來，大有可為。

關(guān)鍵詞：高鐵；速度；發(fā)展前景

中圖分類號(hào)：U238 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）20-0178-02

隨著時(shí)代的不斷進(jìn)步，新技術(shù)，新設(shè)備也不斷出現(xiàn)。各行各業(yè)在信息時(shí)代的背景下也呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的態(tài)勢(shì)。作為衡量社會(huì)發(fā)展水平之一的鐵路系統(tǒng)同樣以迅猛的姿態(tài)前進(jìn)著。從最早的綠皮火車到后來的高速動(dòng)車，再到以2008年8月開通的北京到天津的城際高速列車為標(biāo)志的高鐵時(shí)代，貨運(yùn)和客運(yùn)的速度參數(shù)越來越塊，運(yùn)輸系統(tǒng)效率越來越高。這些都是以速度的提高為前提的。速度是客觀世界中最進(jìn)本的物理量，通常人們習(xí)慣將速度以兩個(gè)角度來定義和概括，即標(biāo)量和矢量。前者是人們對(duì)速度這一概念最初的定義，概括來說就是物體在單位時(shí)間內(nèi)移動(dòng)了多長(zhǎng)的距離，這種定義只強(qiáng)調(diào)了速度的大小，不研究物理實(shí)體的運(yùn)動(dòng)方向。后者是人們對(duì)速度這一概念更為深度的定義，具體來說為速度是位移與位移時(shí)間的比值，這種定義即研究了物理實(shí)體速度的大小，又描述了物理實(shí)體位移的方向，總結(jié)概括了一個(gè)物理實(shí)體相對(duì)于另一個(gè)物理實(shí)體為參照物而發(fā)生的位移變化，這種概念才是人們?cè)诂F(xiàn)實(shí)世界中對(duì)速度最準(zhǔn)確的定義。舉例來說，哈爾濱到北京高鐵并不是說火車實(shí)際的速度有多快，而是說哈爾濱到北京這一路程高鐵能用的相對(duì)時(shí)間能夠降低到多少。目前，我國(guó)鐵路系統(tǒng)中高鐵的速度是最快的，高鐵也已經(jīng)成為人們現(xiàn)實(shí)意義中的陸地飛行器，高速也是人們及其鐵路系統(tǒng)最為關(guān)心的問題。

世界鐵路史中，高鐵的出現(xiàn)有著劃時(shí)代的意義，因?yàn)楦哞F出現(xiàn)以后，將鐵路系統(tǒng)的運(yùn)行速度提高了不止一個(gè)數(shù)量級(jí)，鐵路系統(tǒng)發(fā)生了翻天覆地的變化，同時(shí)也帶動(dòng)了社會(huì)各個(gè)部門的高速發(fā)展，促進(jìn)了社會(huì)經(jīng)濟(jì)的大發(fā)展。追溯高鐵修建歷史，1964年日本東海道新干線開通，當(dāng)時(shí)該新干線的速度可達(dá)每小時(shí)210千米。此后，瑞典、法國(guó)、韓國(guó)、德國(guó)、英國(guó)、西班牙以及意大利先后都開展了高鐵修建項(xiàng)目。我國(guó)高鐵修建項(xiàng)目起步較晚，但發(fā)展速度卻是最快的，因?yàn)槲覀兊母哞F技術(shù)是站在巨人的肩膀上起步的，我們借鑒了大量發(fā)達(dá)國(guó)家的高鐵技術(shù)，引進(jìn)了很多先進(jìn)的高鐵設(shè)備，同時(shí)為了趕超發(fā)達(dá)國(guó)家的高鐵技術(shù)，我們積極地進(jìn)行了大量的科研工作，自主創(chuàng)新，現(xiàn)如今已經(jīng)形成了具有我國(guó)特色的高鐵項(xiàng)目，在某些技術(shù)模塊中甚至達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平。在我們自主創(chuàng)新并結(jié)合國(guó)外先進(jìn)技術(shù)研發(fā)的過程中發(fā)現(xiàn)，影響高鐵速度進(jìn)一步提高的因素有很多，要想促進(jìn)高鐵技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，就需要我們針對(duì)這些影響高鐵速度的因素進(jìn)行分析，以下列舉三個(gè)方面供讀者參考。

1 高鐵線路的科學(xué)化建造為高鐵的高速度提供了最基本的條件

1.1 科學(xué)地解決高鐵線路中的曲線和直線問題

在數(shù)學(xué)概念中，兩點(diǎn)之間直線最短是一個(gè)最基本的數(shù)學(xué)常識(shí)。在高鐵線路選擇過程中，盡可能選擇直線作為高鐵路線是不是最短距離的直接因素呢？答案是否定的，首先選擇直線線路的確可以縮短形成，但最重要的還是因?yàn)楦哞F運(yùn)行特性決定的。高鐵運(yùn)行過程中，當(dāng)機(jī)車達(dá)到每小時(shí)350千米的速度時(shí)，要求高鐵線路的曲率半徑最小不能低于七千米，否則容易發(fā)生脫軌的現(xiàn)象。在高鐵設(shè)計(jì)過程中，遵循最高安全系數(shù)原則，施工中高鐵曲率半徑要達(dá)到九千到一萬米。同時(shí)，曲線與直線，曲線與曲線之間還必須設(shè)置過渡帶對(duì)速度進(jìn)行緩沖，保證高鐵機(jī)車的安全性。最后，考慮到離心力的影響，曲線地段外側(cè)鋼軌的復(fù)合值在設(shè)置和施工時(shí)要高于內(nèi)側(cè)鋼軌的復(fù)合值，這樣做也是為了保證高鐵機(jī)車避免脫軌現(xiàn)象的發(fā)生。

1.2 科學(xué)地解決高鐵線路中的上坡和下坡問題

高鐵運(yùn)行中的上坡下坡問題是除了曲線與直線問題外另一個(gè)非常重要的問題，科研人員經(jīng)過理論分析以及實(shí)踐測(cè)試，對(duì)上坡和下坡的參數(shù)提出了嚴(yán)格的要求。參數(shù)規(guī)定，爬坡高度小于2.5米時(shí)，線路前行距離最少要達(dá)到1000米，這個(gè)限定的值不僅僅是為了降低高鐵乘客在乘車過程中的體感顛簸，更主要的是只有在這樣的一個(gè)參數(shù)先定下運(yùn)行的高鐵才能不發(fā)生脫軌的現(xiàn)象，才能保證整個(gè)高鐵系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

1.3 分層填筑的高鐵路基解決路基的沉降問題

鐵路系統(tǒng)路基的穩(wěn)定性直接影響著系統(tǒng)運(yùn)行的安全，穩(wěn)定的路基是鐵路系統(tǒng)不出問題最基本的保障，高鐵運(yùn)行環(huán)境中更是如此。同時(shí)穩(wěn)定的路基也是能夠完成曲線與直線線路過渡，機(jī)車上坡與下坡平穩(wěn)過渡的基本保障。高鐵的路基填筑同普通鐵路的路基填筑有所不同，普通鐵路要求的速度低，對(duì)路基要求并不高，即使由于時(shí)間的關(guān)系路基形成自然下沉，也可以通過添加道砟的方法調(diào)整道軌的平滑度。高鐵對(duì)速度的要求高，對(duì)路基沉降要求極其嚴(yán)格，這就要求需要采取一定措施控制路基沉降范圍，一般來說年沉降系數(shù)不能高于5厘米。目前路基分層填筑的施工模式廣泛應(yīng)用于高鐵路基的建設(shè)之中，此分層模式分為三層，從上到下依次為路基面表層、基床底層和路基本體層。路基表面層使用按照規(guī)格尺寸要求的碎石混合在一起制造的填料，即填筑級(jí)配碎石（厚度0.7米）進(jìn)行填充，基床底層使用厚度為2.3米的滿足技術(shù)要求的特種土進(jìn)行填充，路基本體層可以使用一般的普通土進(jìn)行填充，這一層才是路基本體。每一次的技術(shù)和材料都必須滿足相關(guān)規(guī)范的最低標(biāo)準(zhǔn)。

1.4 無砟軌道保證軌道的高平順使運(yùn)行速度大大提高

道砟使用的原材料一般都是煤礦和巖石的碎片，普通鐵路大多使用這些材料進(jìn)行施工，路砟有很多優(yōu)點(diǎn)，例如承重性強(qiáng)，導(dǎo)熱能力好，能夠進(jìn)行大幅度的減震以及減少噪音等，這些優(yōu)點(diǎn)能夠完美的應(yīng)用于低速的普通鐵路系統(tǒng)中，然而高鐵的特點(diǎn)是速度快，在機(jī)車高速運(yùn)行的情況下，如果使用路砟作為路基則會(huì)引起路砟被激起、脫落、流失等現(xiàn)象，從而形成一定的安全隱患，因此，高鐵系統(tǒng)中都會(huì)選擇無砟軌道進(jìn)行施工。所謂無砟軌道指的是不適用碎石作為路基，而將軌枕和鐵軌直接鋪設(shè)在混凝土上。反過來講，無砟軌道的缺點(diǎn)也顯而易見，即無法解決承重、導(dǎo)熱、減震和噪音的問題，這就需要在高鐵系統(tǒng)的建設(shè)過程中采取一定措施解決這些問題。例如現(xiàn)在高鐵中往往使用減震扣件、橡膠墊和鋼彈簧浮制板來進(jìn)行減震，使用無縫化鋼軌連接技術(shù)、在軌道上安裝吸音設(shè)備和定期打磨鋼軌等復(fù)合型方法來解決噪音問題。

1.5 全封閉、專用、雙線路運(yùn)行，停站少，可以狂跑

高鐵采用全封閉技術(shù)，減小了運(yùn)行過程中的風(fēng)阻，有利于提高速度，采用專用的雙線路模式，停站少，不僅僅更快的提高速度，更極大的降低了高鐵由于頻繁加速減速所造成的資源浪費(fèi)，有利于利潤(rùn)的提高。然而在雙線路模式中要解決的問題就是線路之間間距的選擇問題。間距過大必然會(huì)提高施工成本；間距過小，由于對(duì)向錯(cuò)車時(shí)會(huì)產(chǎn)生極大的風(fēng)壓，車窗面臨著被風(fēng)壓壓碎的風(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)過科研人員不斷的研究與實(shí)驗(yàn)，最后將雙線間距定義在5米的安全距離。

2 最新設(shè)計(jì)的高速“動(dòng)車組”能使高鐵達(dá)到更高的速度

以前的綠皮火車工作原理是一個(gè)車頭帶動(dòng)后面的所有車廂，這個(gè)機(jī)車的動(dòng)力部分都集中在車頭一點(diǎn)，速度自然不會(huì)很高。而“動(dòng)車組”的出現(xiàn)完全顛覆了綠皮火車的工作模式?！皠?dòng)車組”的工作模式是將動(dòng)力分散在這個(gè)機(jī)車的各個(gè)部分，不僅僅車頭起到牽引作用，其他部分也起到推動(dòng)機(jī)車前進(jìn)的作用，速度自然加快。

以前的綠皮火車從動(dòng)力學(xué)角度講叫做拖車，現(xiàn)在的“動(dòng)車組”才叫做動(dòng)車。高鐵機(jī)車動(dòng)力性能分布在車體的各個(gè)部分，每個(gè)部分的裝置相互配合，協(xié)同工作，這種工作模式類似于一個(gè)團(tuán)隊(duì)，完全摒棄了“火車跑得快全靠車頭帶”的舊模式。極大地保證了高鐵機(jī)車的速度。

3 采用最新智能化技術(shù)的交通信號(hào)系統(tǒng)保證了高鐵安全運(yùn)行

如果列車以每小時(shí)200千米的速度前進(jìn)，它緊急剎車需要的路程是4000米。對(duì)照這些數(shù)據(jù)，可以想象，時(shí)速每小時(shí)350千米高鐵緊急剎車的困難和危險(xiǎn)。因此，高鐵的安全問題，一直是社會(huì)最關(guān)心的問題。

但是，自從高鐵產(chǎn)生以來，高鐵一直被譽(yù)為安全性極高的交通工具，如果從事故率的角度出發(fā)，高鐵的安全系數(shù)比公路、航空要高得多。日本的高鐵已經(jīng)開通幾十年，沒有發(fā)生過一起交通死亡事故，法國(guó)的高鐵也一直安全運(yùn)行。

這要?dú)w功于最新智能化技術(shù)的交通信號(hào)系統(tǒng)。它為高鐵的安全性提供了科學(xué)的保障。如果沒有這樣先進(jìn)的列車控制系統(tǒng)，如此高速的列車是不可能完全靠人工保證安全的。對(duì)于列車控制系統(tǒng)的研發(fā)，是我國(guó)整個(gè)高速鐵路技術(shù)中最重要的一環(huán)?，F(xiàn)在正在使用的“中國(guó)列車運(yùn)行控制系統(tǒng)”（簡(jiǎn)稱CTCS）還在不斷的研發(fā)試驗(yàn)中，科研人員為高鐵的安全運(yùn)行一直進(jìn)行著不遺余力地拼搏努力。

總而言之，從影響高鐵速度的主要因素來看，高鐵有廣闊的發(fā)展前景。事實(shí)也正是如此，高鐵以它快捷的速度和低廉的價(jià)格，強(qiáng)烈沖擊了航空運(yùn)輸。日本的高鐵用8年時(shí)間就收回了全部投資，已經(jīng)成為其國(guó)名副其實(shí)的交通工具。中國(guó)正在研發(fā)的真空管道磁懸浮技術(shù)，能使列車的運(yùn)行速度在理論上直逼第一宇宙速度，達(dá)到每小時(shí)2萬千米。預(yù)計(jì)研發(fā)成功后，能使高鐵速度達(dá)到每小時(shí)4000千米，而能耗不到航客機(jī)的1/10，噪音和廢氣污染及事故率接近于零。展望高鐵的未來，大有可為。

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