高铁运行动力浅谈

高铁运行动力浅谈

内容提要：高铁要做到速度的提高必须要解决列车自身动力，灵活能力，以及轨道的设计等问题，我们既要保证列车的高效运行，又要保证列车的安全。

关键词：驱动 速度 阻力 能力 制动

铁路运输历悠久，运输界有“铁老大”之称。二战后，随着汽车技术得改进，高速公路的大量修建，加之民航的应用，铁路运输开始走下坡路，但之后高铁的出现无疑是给铁路运输行业打了一针兴奋剂，现在我就高铁的牵引力方面做一下探讨。

高铁中一直存在对轮轨和磁浮的讨论，今天我就从两者的对比来说一下高铁运行中牵引力和阻力等相关方面的问题。

首先我们先简单认识轮轨列车和磁浮列车。轮轨列车是比较传统的高速列车，他是利用车轮和钢轨之间的相互作用来解决支撑、导向和驱动这三大问题，磁浮列车却是利用电磁场的“同性相斥，异性相吸”的原理来实现机车和路轨的间的上浮、约束和驱动，从而实现了机车紧贴路面但又是无接触的高速飞行。

一、 驱动功率与加速度，最高速度

磁浮列车是分区间供电，无论常导还是超导，都是车走到哪里，电供到哪里，区间的变电所拥有强大的供电能力，轨道上布置的驱动线圈空间和重量限制很少，能够提供很高的推力，大小取决于给线圈加的电流，因此很容易达到相当大的功率，磁浮可实现加速能力远大于轮轨列车。基于舒适度和安全考虑，一般磁浮列车设计的最大加速能力是4.5-5km/h/s，关键是磁浮能将加速度保持到很高的速度区间。在2003年底，日本磁浮创造581最高速度的时候，平均加速度高达5.3km/h/s，在不到2分钟的时间内，已达冲刺到最高速度，驶出距离将近9km。即使平常的体验乘客，也能感受到较强的推背感，2004年试验速度突破600km/h大关，而上海磁浮最高的速度记录是501.5km/h，且为商业运营的列车。根据目前现有技术，常导磁浮技术的速度上限为600km/h，而超导磁浮则可实现超过600的运行速度。

    最高速度并不是没有限制，稠密的空气中运行，最高速度受到噪音限制，当速度大于600的时候，列车相会速度即将达到音速，继续提高突破音障，对于乘客和环境，都是难以接受的。因此使用的最高速度上限目前来看是600km/h，一般来说550已经足够。

    尽管加速度设置相同，磁浮列车具备将加速度保持到最高速度的能力，而轮轨列车在开始一段时间具备较高恒定加速度之外，一般不到100，其加速度就呈近似反比例曲线下降。由于磁浮列车最大限度的突破了轨道黏着的限制，理论上可达将近13km/h/s，甚至超过了一般飞机的加速能力，但实际到目前为止还没有这样的列车。随着速度提高，黏着系数下降，且列车阻力迅速增加，使其最大加速能力降低较快，而且从功率配备的经济上，也进一步限制了加速能力。列车功率配备也会受到轴重、空间限制的影响，过大的功率会使变压器，电机等相关环节的重量明显增加，这对控制轴重是相当不利的。

二，线路阻力

磁浮列车是浮在轨道上的，那么当它运行的时候，是不是真的除了空气阻力就没有其他阻力了呢？也许我们通过磁铁互相排斥的实验发现，两块磁铁互相排斥的状态下移动，也几乎没有阻力，浮起的陀螺可悬浮在磁盘上，旋转很长很长时间。但是磁浮列车浮起，靠的不是永久磁铁而是电磁铁，因此仍有一定的磁化阻力和悬浮感应阻力，并随着速度变化而化。

轮轨列车和磁浮相比，阻力方面的差别主要是和轮轨相关的阻力，轮轨的车轮滚动阻力，轴承阻力，弯道阻力和道岔阻力，但是磁浮也因电磁悬浮，存在着磁化阻力和悬浮感应阻力，其他方面的如加速度阻力、空气阻力、坡道阻力、隧道阻力等都是存在的。

轮轨列车机械阻力是与速度密切相关的，在速度较低的情况下，滚动摩擦带来的基本阻力是比较小的，但是随着速度提高，基本阻力的提高速度也比较快；常导磁浮无论速度高低，都必须悬浮起来，且需要导向，这些和列车总重相关。悬浮和导向磁铁需要保证列车和轨道保持准确的间隙，此时会产生磁化阻力，该阻力随着速度提高而上升。其中导向磁铁占主要部分。

计算和试验表明，因随着速度提高轮轨列车的机械阻力是不断增加的，而磁浮的磁感应相关的阻力是下降的。TR8和ICE3在速度为175左右的时候，是阻力分界点，大于20小于175的时候，磁浮列车阻力大于轮轨列车，175以上的时候，磁浮列车总阻力小于轮轨——尽管总阻力都在上升。计算和测试表明，8节编组ICE3在300时速的总阻力，甚至要高于5节磁浮列车在500时候的总阻力。而两者的载客人数是基本一样的。由于低速阶段时间有限，总的来说对磁浮列车影响不太大。

三、爬坡能力

根据实用化要求，磁浮列车理论最高爬坡能力可达250‰，实际规划商用列车线路最大设计坡度可达100‰，而高速轮轨列车线路目前商用使用的最大坡度为40‰，如果遇到恶劣天气，雨雪冰雾，包括轨道油渍，则会对列车黏着力产生较大影响，不仅爬坡困难，面临着车轮打滑的风险，而且下坡的时候，也存在制动能力不足的威胁。山梨试验线，最大坡度达4°，坡度值大约是70‰，在这样陡的坡度上，而且还是在隧道里，速度仍能保持在500持续运行。

地面轨道驱动的一个优势是列车本身不需要配备较大驱动装置，可根据线路坡度情况设置驱动线圈功率，也就是说，当坡道需要维持和平道相差不大的运行速度的时候，功率需要大幅度增加，只需要在该坡道区间，增加线圈容量即可。而轮轨列车，却需要大大增加车载驱动设备的功率，以保持爬坡时候速度不至于掉速太多，当在平道运行不需要这么大功率时，也必须按照最困难的条件设计列车功率。这就意味着一般路段仍需巨大的功率储备是很浪费的。传统机辆模式为解决该问题，只是在困难路段增加补机，以减少全程配备功率过大的浪费。

较强的爬坡能力是节省建设资金的重要途径，也给选线带来了方便，在我国中西部线路中，新线标准较高，坡度普遍较大；由于动力分散列车较传统机辆有更大的爬坡能力，高速客专线路的坡度可以比客货混行线路有大得多的坡度，以节省巨大投资。磁浮由于具备更大的爬坡能力，在线路建设中可节约可观桥梁隧道工程量，能抵消不少磁浮本身线路造价较高的费用。

磁浮列车在有雨雪的情况下，仍不会受到像轮轨列车那样黏着可靠性降低的影响。一般的雨雪不会影响磁浮列车的运行。

四、 转弯能力

列车在一定速度下通过的曲线半径，能决定选线的难易度以及工程造价。同样的速度下，曲线设置较小，能明显节约工程造价。磁浮列车由于是环抱轨道或者U型轨道，因此可以有较大的横坡角度设计，最大横坡达12°，困难地段可达16°。轮轨列车则要考虑过大倾角下的侧翻问题，因此在传统的高速铁路建设中，最大的设计值一般是6.9°，通过计算，还可以设置到7.7°，速度为300的时候，此时对于半径为2974m，日本铁路由于地质条件较差，也有用到8°的。由于轮轨列车的坡度设计是和列车速度相关的，不同列车通过速度对内外钢轨的作用力和磨损是不同的。选用较大的横坡超高，利于节省费用，尽管该段的维护量较大，但曲线长度大大减小，过大的半径的调整维护也是不方便的。过大的坡度设置，会限制轮轨列车能通过的经济速度范围，而对于磁浮列车来说因无磨损不存在该问题。

当列车恰好停在超高曲线的时候也是有可能的，这会引起乘客的不适，对于摆有东西的餐车，也存在着问题，不过实际上对于高速线路的轮轨也好磁浮也好，经常停在超高很大的曲线上的可能性是非常小的，而磁浮一般每隔3~8km设有简易停车点，预先设计的这些点都不会放在过高的曲线上，列车即使在紧急状况下需要停车的时候，会利用惯性滑行到停车点，即使极端情况下偶然曲线停车，对整体运营的舒适度影响不大。埃姆斯蓝试验线的曲线半径只有1000~3000的半径，最大坡度为12°。

五、 列车制动

磁浮列车和轮轨列车相比，只是没有了车轮支撑，制动方式仍有共同之处，列车可使用电阻制动、涡流制动、再生制动以及机械制动，另外磁浮可反推制动，这个在轮轨列车中也有加馈电阻制动，情况有些类似，但在全程制动中比例较小，主要补偿电阻制动的不足，磁浮列车的反推制动和飞机类似，把驱动的电磁力反向，以实现较大的制动能力。需要说明的是，目前磁浮列车再生制动回送电流用的比较少，主要是因为试验线目前一般只有一列列车，再生产生的能量同一供电区间没有另外列车使用，商业化运营后是可用上的，目前常导系统的供电区间，双线上最多有4列车，超导的暂时没有数据。专家指出，只要民用电网能够接受，也可反馈至民用电网。

机械制动方面，主要是通过摩擦材料之间的摩擦力实现制动，对于高速列车来说，以非机械的电气制动为主，使动能转换为电能之后，以电阻、涡流转化成热能消耗掉，或者反馈电网的方式再生，当速度较低的时候才会使用机械制动，以减少闸瓦磨损。当发生紧急情况，几种制动方式同时作用，而机械制动的作用此时显得尤为重要。轮轨列车一般由闸片抱紧轮轴实现，分踏面制动、轮盘制动、轴盘制动等，高速列车基本不使用踏面制动。

磁浮列车也必须配备机械制动装置，正常情况下，由电制动（包括电阻、涡流、再生等）完成主要的速度降低，正常情况下磁浮不需要机械制动即可准确停稳，再落到轨道上，重复停车精度可达厘米级。当发生轨道断电的情况下，列车已可通过车载电源，将速度降至10km/h之后，缓慢落下轨道，由车底的滑橇支撑停下。当发生特别紧急状况，需要更加急速制动时，环抱轨道的磁浮架子导向部分会抱紧轨道，刹车片接触侧面导轨进行紧急制动，不会磨耗导向磁铁，最坏的情况磁浮架子上的冗余全部失效且断电，则列车会落下，靠滑撬制动停止。

超导磁浮和常导推进方式类似，制动方式也类似，正常情况下制动，均使用电制动，即再生制动和电阻制动，当速度降低到100时候会落下，由车轮提供支持，此后即也可同时使用车轮制动，方法跟汽车刹车基本一样，但一般不会优先使用，只在快要停车的时候使用。对于紧急制动的场合，超导磁浮列车还设置了滑撬制动，不纯依赖车轮制动，因为车轮是很小的橡胶车轮，能够提高的制动力有限，且摩擦消耗也大，由于车轮是像飞机那样收起的，亦有万一情况发生，则需备用方案。紧急情况下，电制动失灵，列车会直接落下，与车轮一起实现机械制动，由于滑撬本身即为制动材料，十分长大，与地面轨道接触面积大，滑撬散热条件好，能够迅速停车。

 磁浮列车速度太高，为了提高制动能力，早期的磁浮试验车曾经安装了风板制动装置，当列车制动的时候，风板翻起，能够大大增加空气阻力，这个在飞机上基本是必备装置。日本的最新猫耳新干线，也装有类似装置，被形容为竖起的“猫耳朵”，只是这个出现的年代比磁浮试验车晚得多，目前日本最新磁浮列车新MXL01列车仍然保留了风板制动装置。研究表明，高速阶段下，主要的阻力来自空气阻力，同样，列车在减速的时候，空气阻力消耗的能量比重也十分可观，高速阶段大于400减速不用特别制动速度就能较快降低。较好的加速能力和制动能力，能够明显缩短停站附加时间。

通过对磁浮列车和轮轨列车运行相关方面的对比可以看出，两者作为高铁发展当中的主力军，都存在各自的优势和不足，还有很多技术难题等待攻关，所以未来高铁的发展还充满着很多机遇和挑战！

参考文献：

《火车迷》2008年9月

《海子铁路论坛》

《德日磁浮列车对比》

本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/c806c87131b765ce0508141a.html