【简述】影响高速铁路速度的主要因素

众所周知,我国现行的高速铁路设计规范有很大的冗余,就在最近,又有不少有关高速铁路建设标准和既有线路提速的研究,结合时速400 km/h的列车研发的进展,可以很容易的将二者联系在一起。

西成高铁阿房宫站

而前些年,有不少高速铁路因为种种原因,降低了建设标准,那么,这些线路到底还有没有提速的可能性呢?高速铁路的列车运行速度到底由什么来决定?在这里我尽量通过比较容易理解的语言来进行描述。


高铁是高速铁路,不能坐高铁

高铁和动车都是什么?坐高铁等于卧轨!


决定高速铁路速度的因素,主要分为线下和线上两部分,线下一般指的是土建方面,一旦建成绝没有改造的可能性,而线上部分,在很大程度上都是可以升级改造的。

高速铁路的线下参数主要包括线间距、隧道净空、曲线半径、缓和曲线长度等等。

线间距指的是上下行线路中心点的间距,当列车高速交汇的时候,产生的气压差会使列车相互被吸引,影响舒适性,超过一定限度还会危及行车安全,速度越高,需要的线间距也就越大,按照现阶段我国的相关标准,时速350 km/h对应的线间距为5.0 m,时速250 km/h为4.6 m。 

列车进入隧道,会产生活塞效应,不仅会产生巨大的噪音,增加列车运行阻力,还可能会破坏隧道及列车的结构,影响安全,压力差也会导致乘客出现耳鸣等不适感,因此隧道净空面积(截面积)和列车通过隧道的最大安全速度存在直接关系。相关标准中,时速350 km/h对应的隧道截面积为100 ㎡,时速250 km/h对应的隧道截面积为88 ㎡。

不过,在2015年,赣龙线进行了一系列的试验,在设计时速200 km/h(线间距4.4m、隧道净空面积81.37㎡)的线路上 ,动车组(CRH380AJ)以最高310 km/h的速度通过隧道和在隧道内交会,试验过程中,动车组的安全性、车体强度及旅客舒适度的影响均在允许范围内,这证明了我国高速铁路在线间距和隧道净空方面的标准有较大的余量,一系列的研究和试验,都明确提到新建线路“适当减小线间距”、“进一步优化(减小)高速铁路隧道断面净空面积”,随着动车组技术的提升,舒适性仍然可以保持较高的水平。不可否认,隧道截面积的减小,确实可以极大降低建设难度和建设风险,进而降低建设成本。

据了解,正在建设中的印度尼西亚时速350 km/h的雅万高铁,采用的就是4.6m线间距,国内不少线间距4.6m的线路,联调联试中最高速度都超过了300 km/h。

列车高速通过弯道时,由于离心力的作用,会产生向弯道外侧的横向力,对外侧钢轨产生挤压,当这个力超过一定限度之后,列车就会在离心力的作用下倾覆,因此弯道的曲线半径越大,允许的速度就越大。

为了降低离心力对于列车的影响,将外侧轨道抬高,利用列车重力产生向心力来抵消离心力,曲线轨道外轨和内轨的高度差称为曲线外轨超高(简称曲线超高)。曲线外轨超高的数值也是和最高速度息息相关的。

如果曲线半径比较大,曲线超高对速度影响相对较小,比如兰新高铁,虽然降低了曲线超高,但是几乎全程仍然可以满足时速300 km/h甚至更高速度的安全性及舒适性标准,另据了解,在2015年的试验中,兰新高铁乌哈段最高时速达到了394 km/h。

那么问题出现了,直线和曲线轨道超高是不同的,总不能跟上下台阶一样突然发生变化,这就需要在直线和曲线之间设置一段半径和超高逐渐变化的曲线,我们称作缓和曲线,缓和曲线长度和曲线超高共同制约着列车通过曲线的平顺性和安全性。 

无论是无砟轨道还是有砟轨道,曲线超高后期在很大的范围内可以进行调节,但是缓和曲线长度一旦建成,除非砸掉重建,否则没有任何办法修改。虽然超高可调整,但是如果缓和曲线过小,超高变化率过大,同样影响舒适性和安全性,进而影响速度的提高,同样曲线半径,缓和曲线长度越短,最高时速越低。因此曲线半径及其对应缓和曲线长度是影响高速铁路速度的决定性因素。另外,缓和曲线再长,曲线半径不满足,仍然是白搭,所以曲线半径是重中之重

有些曲线半径满足350 km/h标准但是缓和曲线只能满足250 km/h的线路,以时速350 km/h通过时欠超会超标,如果调整超高,超高变化率将不再满足安全性和舒适性的要求,故不能按350 km/h运行。不过,我国高铁的建设标准确实有很大的冗余,按照前面所讲的赣龙线试验,不少线路都存在很大的提速空间,即便缓和曲线超高不能满足350 km/h的规范,绝大多数线路按照现有规范也都可以实现以300 km/h运行,随着技术的不断发展,对于舒适性和安全性的影响可以通过优化动车组的设计来解决。

其他的一些线上的因素,包括信号及列控系统还有接触网、供电系统等等后期都是可以更换的,基本都可以在不停运的前提下进行升级改造,所以不是决定性因素。

速度提高之后,耗电量必然增加,有些线路的供电能力有限,限制了列车的速度,或者长编组列车及重联列车不能运行,这就需要对供电设施进行改造,供电不足,别的都是空谈。时速不同的线路接触网也是不同的,但是更换起来相对容易。

按照现有标准及各级列控系统的特征,CTCS-2级列控最大允许速度为300 km/h,当前多数时速200-250 km/h的线路均采用CTCS-2列控系统,在京津城际改造之前,除CRH3C之外的其它动车组均在CTCS-2以时速300 km/h运行,由于京津城际站点数量少,运行图相对简单,对运营影响不大,如果繁忙区段使用CTCS-2来跑300 km/h的话,可能会存在防护距离不足的等问题。而时速300-350 km/h的线路则采用CTCS-3,近几年一些新建的时速200-250 km/h的线路也有一些采用CTCS-3,不仅避免了级间转换,还可以在之后提速中不必再次更换。

综上,我们可以将各主要参数的影响程度进行排序。

影响高速铁路速度的主要因素

还有一些细节因素,比如防风设施、防雷设置、站台屏蔽门、隔音设施等细节同样对与速度有着较大的影响,但也比较容易修改完善,不属于影响速度的关键因素。

有砟轨道和无砟轨道,以及使用什么类型的无砟轨道对于速度没有本质影响,因此也不属于影响速度的因素。

除了路的问题,还有站的问题,站间距和站点位置在一定程度上也可能会影响最高速度,站间距小,站点多,列车的运行图就相对复杂,在速度上可能就会有一定的妥协,不过这反而会使沿线居民乘车更便捷。另外,如果线路和车站靠近城市中心区,对于噪音和震动的要求就更高,也会限制速度。有一些新建线路为了为了方便沿途乘客,多设站,进城区,与既有车站并站或利用既有车站,还有一些线路曾经规划是250 km/h后期调整为350 km/h,受各种条件限制,部分区域的规划未能变更,导致弯道多,限度点多,有些人称之为“变相降标”。

实际上站点位置合理的话,给大部分人节约的时间远比路上快那么几分钟重要多了,毕竟高铁更多的是为沿途各站乘客提供便利的,而不是一定要考虑全程。

除了上述因素,车也是核心因素,不同速度级别的列车,无论是车体结构、动力系统都是完全不同的。


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