高速列车及其速度目标值的探讨
第24卷，第5期        中国铁道科学Vol 124N o 15
2003年10月        CH INA RAILWAY SCIENCE
October,2003
文章编号:1001-4632(2003)05-0001-08
高速列车及其速度目标值的探讨
马 大 炜
(铁道科学研究院，北京 100081)
摘 要：根据铁路运输高速化的发展趋势，初步分析了旅行速度、票价、运输管理、高速列车等因素和速度目标值的关系。提出高速列车是影响速度目标值的关键问题。从高速列车的牵引、能耗、制动能力和噪音方面对轮轨方式和磁悬浮方式的高速列车按不同速度目标值进行分析比较。以正在设计中的京沪高速铁路为例，在京沪高速列车运行仿真研究的基础上，按直达方式和沿线停站方式，对不同速度目标值的地面干线运输系统其旅行时间和能耗的经济问题进行简要的计算对比。提出选择我国高速铁路速度目标值的建议。  关键词：高速列车；牵引；制动；能耗；速度目标值  中图分类号:U238  文献标识码:A
收稿日期:2003-05-27
作者简介：马大炜(1943))，男，江苏苏州人，研究员。 基金项目：铁道科学研究院研发中心项目(TY1694)
1 高速铁路速度目标值的选择
速度目标值是运输系统最重要的技术参数，也是高速铁路赖以不断发展并在与其他旅客运输系统的竞争中显示其优越性的基本条件。最高试验速度是铁路高速化技术水平的反映，速度目标值则是高速铁路实际运营的最高速度，因此除技术上的可行性以外，选择速度目标值时还必须充分考虑实际应用的合理性和可靠性问题。根据国外高速铁路发展的经验和趋势，选择速度目标值的主要因素如下。111 不同速度目标值的优势范围
地面交通系统的旅行速度不仅和最高运行速度即速度目标值有关，还取决于运输组织模式(如停站次数和时间)和旅行距离。因此高速铁路的优势范围一般是中长距离的旅客运输，速度目标值越高就越能在长距离和直达运输中发挥其优势。反之对于300km 以下的近距离或短区间运行，旅客非铁路旅行时间和列车起停附加时分、停站时间在总旅行时间中的比例较大，速度目标值对旅行速度的影响较小。
112 不同速度目标值的票价和旅客支付能力由于速度目标值不同，必然影响高速铁路的各种固定设施技术标准和造价的不同，加上移动设备特别是机车车辆或动车组的购置费，导致人均公里
旅行费用或票价水平的重大差别。因此必须考虑随
速度增长导致的票价增长幅度，并结合客流构成，从旅客的支付能力及时间价值出发对高速铁路的速度目标值进行选取。根据铁道第三勘察设计院对京沪高速铁路的运行率估算为0132元/人公里(300km #h -1目标值)，较中速的0120元/人公里增加60%，但仍远低于民航票价，并能将京沪旅行时间由14h 缩短一半以上(5h~6h)，所以具有重大的实际意义。另一方面通过对500km #h -1目标值磁悬浮方案(德国常导方式)的分析表明，京沪长大干线的运价率约为0162元/人公里，即运价增加近一倍接近于民航票价，而直达旅行时间仅较300km #h -1轮轨方式缩短约115h，因此即使在技术上可行，从旅客支付能力和时间价值的经济性而言是不可取的。
113 速度目标值和高速铁路运营管理的关系高速铁路的运营管理包括运输组织和养护维修等各方面，是一个复杂的系统工程问题，在这方面轮轨方式的高速铁路已有国外高速铁路和国内铁路的大量经验可供参考，磁悬浮方式的高速铁路则在技术上尚未完全成熟。20世纪80年代英国伯明翰机场磁悬浮铁路营业线的/下马0就提供了一个磁悬浮方式不便养护维修的反面实例，在长大干线上更存在着和既有铁路不能兼容等重大的运营管理问题。对于轮轨方式，也有速度目标值对运营管理的
影响问题，特别是考虑到我国高速铁路具有高、中速列车混跑的特点，故必须满足高、中速列车在技术条件上的兼容性以及在能力利用上的适应性。例如曲线超高和曲线半径应按目标值设计，在计算区间通过能力时受到高中速列车速差的影响，而要对不同的速度组合进行比较等。
114速度目标值和高速列车的关系
高速列车的技术水平是决定速度目标值的关键问题，从各方面考虑可归纳为5个主要因素:¹牵引能力。º制动性能。»能耗。¼运行时分。½环保要求。列车为达到目标速度的能耗和克服空气阻力的能耗均基本上和速度成平方关系，因此随着列车速度的提高，所需的牵引、制动能力及能耗均将大幅增加。除了运营速度以外，还有起动和停车附加时分对旅行时间的影响，亦取决于列车的牵引和制动能力。此外，高速列车产生的空气噪声更与速度的6次~9次方成正比。上述因素是速度目标值对高速列车的主要要求，也是本文进行初步研究的主要内容。
2高速列车牵引性能计算与分析
211牵引功率
以/欧洲高速铁路网高速列车技术条件0的有关规定为例，高速列车应该满足的基本条件是在平直道上以最高速度运行时具有0105m#s-2的剩余加速度。不同高速列车的阻力和功率要求有所差异，但无论动力集中或动力分散方式，列车总功率均应包括克服基本阻力所需要的轮周牵引功率、坡道附加功率和剩余加速度所需的功率。由此可以确定列车的单位质量功率，再根据列车定员和总重的要求确定其总功率的大小。例如表1所示为按250km# h-1和300km#h-1速度目标值计算的单位质量牵引功率，表2为目前国外若干种主型高速列车有关牵引能力的基本参数，可见两者的一致性。
以日本500系动车组的阻力为例，不同速度目标值下的单位质量牵引功率要求如表3所示。
表1高速列车的单位质量牵引功率kW#t-1 v max/km#h-1i=4j a L=0105m#s-2数值250
12143¹
11113º
13144¹
1211º
\13144¹
\1211º300
18194¹
16169º
20115¹
1719º
\20115¹
\1719º注:1、¹)阻力按日本300系动力分散方式计算;
2、º)阻力按法国铰接式动力分散方式计算;
3、驱动系统效率按0195计算。
表2国外高速列车牵引参数比较表
国别车型运营速度v
m
广州万达广场地址/km#h-1
试验最高速度
/km#h-1
列车组成
列车总重
/t
列车定员
/人
总功率
/kW
单位质量功率
/kW#t-1
日本300系
500系
700系
270
300跑车排名
285
3251710M6T
16M
12M4T
710
700
71314
1323
1324
1323
12000
18240
13200
1619
26106
1815
法国
T GVA
欧洲之星
韩国TGV
300
300
300
515132L10T
2L18T
2L18T
479
816
774
485
784
1000
8800
法官等级12200
13200
18137
14195
17105
德国ICE2
ICE3
280
330
1L7T
4M4T
453
天平和什么星座最配454
393
415
4800
8000
1016
18118
表3高速列车的阻力和最小单位质量牵引功率kW#t-1
v/km#h-1
阻力F
/kN#t-1
克服阻力用
功率/kW#t-1
剩余加速用
功率/kW#t-1
总功率
/kW#t-1
功率比
2500111271783147111250167 3000115112158411716175110
35001197191154186231331139 4000125127189515633145210
由表3可见,350km#h-1和400km#h-1速度目标值高速列车的牵引功率要求比300km#h-1分别增加近40%和100%。
高速列车的牵引能力因列车编组方式而异，动力集中方式受到有动轴数目的限制；采用动力分散方式特别是全动车方式时可以发挥更大的牵引能力。例如日本500系列车的轴功率为285kW#轴-1，其最高运行速度为300km#h-1以上，如将轴功率进一步提高，完全可能达到400km#h-1以上。所以牵引功率并非现有轮轨方式高速列车速度目标值的制约因素。磁悬浮方式高速列车的速度目标值在理论上可达到500km#h-1的基本原理就是单位质量牵引功率的提高，而并非磁悬浮方式固有的特点。对轮轨方式和磁悬浮方式高速铁路的牵引
2中国铁道科学第24卷
性能计算比较如下。
212 高速铁路轮轨方式列车牵引性能简析21211 计算条件
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京沪线采用轮轨方式的列车定员按16辆编组可达到1200人以上，但为和磁悬浮方式(最大定员限制1000人)进行同等条件的比较，按1000人定员的13辆列车编组(动力分散方式动车组)计算，计算条件为轴重12t，总重624t 。21212 列车牵引功率、阻力、传动效率及满员率
按13M 编组，考虑最高运行速度350km #h -1时的单位质量牵引功率为28144kW #t
-1
，则列车
总功率为18200kW，轴功率为350kW #轴-1
。
阻力特性根据文献[8]所提供的500系列车运行阻力为,F =13587+6147v +01902v 2(N #列
-1
)。
传动效率(9215%)、满员率(85%)均按磁
悬浮方式的取值，以便进行同等条件下的能耗比较。
21213 阻力计算  阻力计算见表4。
表4 轮轨方式(按640t 计算)的列车运行功率 列-1
v /km #h -1
阻力F s /kN 剩余加速度a /m #s -2
加速功率N a /M W 恒速运行功率N c /MW
功率和
N /MW 100231301050189016511542005101051178218341612507116010521224197711930096170105216781061017335012611010531111212615137400
16016
0105
3156
17185
2114
由此可见18200kW 的列车总功率，满足350km #h
-1
运行速度的剩余加速度要求，尚有一定裕
量。
21214 能耗计算
能耗计算的结果随计算条件而异，在不考虑坡道、曲线附加阻力能耗，即在平直道条件下恒速运行时的能耗可分别按每列公里、人公里和万人公里计算结果如表5所示。
213 常导磁悬浮方式列车牵引性能简析21311 计算依据及条件
根据德国TR08型磁浮试验车的应用型设计和京沪线磁浮铁路方案，磁悬浮列车的主要参数如下:
列车10辆编组总长245165m；总重640t；最大定员1000人左右。
列车运行最高速度按500km #h -1考虑，与轮
轨方式比较时按350km #h -1计算。
表5 轮轨方式的能耗
v /km #h -
1
动能E 0=12mv 2
/kW #h
每列公里能
耗E 1/kW #h #(列km )-1
人公里阻力能耗E 2/kW #h #(人km)
-
1
每万人公里能耗E 3/kW #h #(万人km )-1
100681661478123821320027413141171810232*180122504281719189251344*25330061713261863411671*34116350840351084416244612400
109714
44158
5617
567
注:*)))蒂森公司提出的ICE1能耗，由于ICE1列车的定员少、轴重
大，和磁悬浮列车对比条件不同，故按人km 计算的能耗较大。
21312 列车牵引功率、阻力、传动效率及满员率根据德国和上海磁悬浮试验线的有关资料,10辆编组磁悬浮列车的总功率为50M W，单位质量牵引功率高达78113kW #t -1。
阻力特性包括空气阻力、电机阻力和涡流阻力，其计算如下:
F s =F ac +F Lg +F F m
F ac =W x @10-3v 2=10188@10-3v 2 kN (10辆编组估算值)
F Lg =0 v <14m #s -1
F Lg =n s 314kN
14m #s -1[v <5917m #s -1
F Lg =n s @200/v (kN),v \5917m #s -1  n s )))列车编组辆数
F Fm =n s @015@
v 111
015
+113
v
111
017
kN
关于传动效率，德国方面未提供详细资料，为比较起见，暂按和轮轨方式相同的9215%计算；计算万人km 能耗时的列车满员率也同样按85%考虑。
此外，磁悬浮列车还需要附加的悬浮及导向功率N m 。
N m =(n m 1+n m2)@Q
=(111+016)@640=1088kW #列-1
式中,n m1=111kW #t
-1单位悬浮功率,n m2=016kW #t
-1
单位导向功率,
Q 为列车总重(t)。
21313 阻力计算
按不同运行速度计算各分阻力及合成运行阻力
3
第5期                高速列车及其速度目标值的探讨
F s如表6所示。
表6磁悬浮列车的阻力kN#列-1
v/km#h-1F ac F Lg F Fm F s 1008143454714
2003316347167512
250521528188168919
30075162491710913
350102182016101313317
4001341318111516318
4301551216171218319
45017016121419814
500209191414131223715
根据表5可以计算得到10辆编组磁悬浮列车的牵引力和加速能力如表7所示。
表7磁悬浮列车的牵引功率M W#列-1
v0
/km#h-1最大牵引力
F/kN
剩余加速度
a m/m#s-2
a m=F-F s
加速功率
N a/MW
恒速运行功
率N c/MW
功率和
N/MW
10065516019516189113218121 2006551601913214411836158 250655160188391161244513 30054401683613911145141 35044501493015134315 40037001322218181241
430332012317162119739157 4503100117131624183814 500264010431563219936155
装修除味由此可见磁悬浮列车所需的最大功率为45141 M W#列-1，加上悬浮及导向功率后为4715MW#列-1<50M W#列-1。所以应用型磁悬浮列车为达到500km#h-1速度的设计功率应不低于4615MW #列-1和72166kW#t-1，和德国提供的50MW#列-1,78113kW#t-1相一致。
21314能耗计算
磁悬浮列车的能耗除起动加速和恒速运行克服阻力的牵引能耗之外，还有悬浮及导向的能耗，故总能耗大于同样运行速度下的轮轨方式高速列车。考虑匀速运行的总能耗计算结果见表8。该计算结果与德国提供的计算值基本一致。此外，根据日本田中寿等3位专家1996年8月介绍的资料，日本山梨磁悬浮线速度500km#h-1，载客900人时的每万人km能耗为890kW#h，亦与本计算结果相吻合。
表8磁悬浮列车的合计能耗kW#h#万人km-1
v/km#h-1200300350400430450500
E/kWh#万人km-1
¹
º
335
387
432
500
509
583
613
709
681
787
729
838
867
1002注:¹按效率9215%计算;º按效率80%计算。
3列车制动能力计算与分析
311轮轨列车的制动性能概述
制动装置是列车高速化的安全保证和关键技术，无论动力集中和分散方式均有以下共性。31111制动原理及基本要求
轮轨列车采用复合制动方式，其制动能力虽然受到有轮轨制动粘着系数的限制，但因防滑器和非粘着制动的作用仍可适当缩短制动距离(如日本还采用增粘制动作用)。
关于高速列车的制动能力，因为各国轮轨方式高速列车形式和信号距离、控制方式的不同而各有不同，以300km#h-1制动初速下的制动能力为例(见表9)，当速度提高时，在同样的减速度条件下，制动距离基本上和制动初速度成平方关系，因此在不同的速度目标值下应设定不同的制动距离。
表9各国高速列车的制动能力比较(初速300km#h-1)
国别
日本
300,500系
法国
T CV
德国ICE
意大利
ETR-500
欧洲之星
紧急制动
标准状态距离S
b
/m4960
4000(增粘)
35003000(磁轨)40003500标准状态减速度a b/m#s-20195110112<110110
不良状态距离S
pL
/m4500
按UIC规定限速250km#h-1
5j下坡道:3450m
在
1215j下坡道:3860m
常用制动平均减速度a
m
/m#s-2
使用范围
013~0175
(300系016)
按U IC建议:[017
小于5j下坡道:015m#s-2
小于1215j下坡道:0144m#s-2
4中国铁道科学第24卷
31112制动减速度
制动减速度主要是根据旅客舒适性的要求而定，表10所示为我国制定的指标。
31113制动距离和制动时间
常用制动按平均减速度016m#s-2(日本300系标准)，略低于磁悬浮列车，按此计算在350km #h-1制动初速下的常用制动距离和时间分别为7875m和162s；紧急制动按最大粘着利用考虑，例如欧洲之星平均减速度可达到110m#s-2，则轮轨方式在350km#h-1制动初速下的紧急制动距离将近4800m，制动时间为97s，可作为设计依据(轮轨方式目前的实际运营最高速度为300km# h-1，西班牙和韩国计划在近期内开行350km#h-1列车，但尚未见制动距离的正式报道)。
表10旅客列车纵向减速度指标
指标高速列车¹TB/T2370-93º紧急制动时的最大
减速度/m#s-2
[114[114
常用制动时的平均
减速度/m#s-2
[016[112最大纵向冲动/g[016[110~112
注:¹)客车纵向动力学试验方法及评定指标。º)高速试验列车制动系统技术条件(报批稿)。
312磁悬浮列车制动性能概述
31211制动原理
磁悬浮列车运行时通常采用电力制动方式，根据运行模式产生自动制动作用，在电力制动失效的情况下，使用涡流制动装置和制动磁铁，可满足紧急制动的减速度和制动距离要求。
关于电力制动，采用再生制动方式可以节能，但需要增加大量供电系统的地面设备以稳定网压。考虑到电能反馈对供电部门的影响，上海市磁悬浮示范运营线仍采用制动电阻消耗制动电能的方式，增加了电能的消耗。
涡流和磁轨制动问题是需要增加相应的装置。还有在供电失效时的蓄电池如何供电，其重量、费用和容量，在德方提供的资料中未见介绍。
31212常用制动减速度和制动力
根据上海磁悬浮线设计资料和运行阻力，计算常用制动减速度及相应的制动力如表11。
表中B m为根据德方资料在电力制动失效时由涡流和磁轨制动可能产生的最大制动力;a m是在该最大制动力(紧急制动力)和运行阻力作用下，磁悬浮列车可能得到的最大减速度。由此可见在100km#h-1低速时可能得到的紧急制动最大减速度为1176m#s-2<118m#s-2；常用制动减速度均在110m#s-2以下，符合磁悬浮列车的技术条件要求。
表11制动减速度和制动力
v
/km#h-1
减速度
/m#s-2
运行阻力
F s/kN
制动力
B/kN
B m
/kN
a m
/m#s-2 5000152371582155501123
43001618319200115551115
400016516318252125601113
350016513317282135651109
300017510913370175701106
20001917512507127201124
1000191471453510801176
按运行曲线计算的减速度变化率约为014m# s-3<015m#s-3，也能满足舒适性的要求。31213制动距离和制动时间
根据运行曲线计算在500km#h-1初速下的常用制动距离为12700m，平均减速度为0176m# s-2，制动时间为183s。
紧急制动如表11所示，按平均减速度111m# s-2计算。在500km#h-1制动初速下的制动距离为8768m，制动时间为126s，在350km#h-1初速下的制动距离为4296m，制动时间为88s。31214制动功率
考虑运行阻力的影响，列车制动停车时的制动功率N B=Fv=(ma-F s)v，由此计算得到常用制动时的制动功率如表12所示。
表12常用制动减速度和制动能耗速度/km#h-1500430400350300200100
a/m#s-20150160165017017501910191 N B/M W#列-111146231892510230156301892511814156
由此可见制动功率的最大值为300km#h-1时的30189M W#列-1，即为所要求的动力制动的制动功率值。当采用再生制动时该部分能耗为可利用的反馈能量；当采用电阻制动时不能节能并需要相应的电阻器容量。
313比较分析
31311舒适性
从旅客舒适性考虑，制动时的减速度值通常大于起动加速度，其变化率也较加速度变化率为大，因此制动性能是影响纵向舒适性的主要因素。磁悬浮与轮轨方式的有关指标如表13。
由此可见磁悬浮列车的最大减速度已超过轮轨方式的舒适性标准，有可能引起旅客不舒适的感
5
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