三 中國鐵路40年技術創(chuàng)新

（一）電氣化改造

電氣化改造，是指將非電氣化鐵路改造轉化成電氣化鐵路的工程，而電氣化鐵路是指以電能為主要供能來源運行貨車的鐵路，電氣化鐵路的沿線都需要配套相應的電氣化設備為列車提供電力保障，它包括電力機車、機務設施、牽引供電系統(tǒng)、各種電力裝置以及相應的鐵路通信設備。電氣化鐵路的主要優(yōu)勢是運輸能力大、運行速度快、能耗低、運行費用低（見表2-2）。

表2-2 電氣化鐵路的優(yōu)勢

電氣化的鐵路伴隨著電力機車的出現(xiàn)應運而生，電氣化鐵路需要持續(xù)的供電來驅動車輛。經歷了半個世紀的發(fā)展，中國的電氣化鐵路超越了電氣化鐵路發(fā)達國家，100多年來，電氣化鐵路經歷了從無到有、從恒速到高速、從低噸位到重載的飛躍。

如圖2-15、圖2-16所示，截至2016年末，中國電氣化鐵路總里程已達8萬公里，相比1980年的0.17萬公里，復合增長率為11.3%。1980年，鐵路電氣化率僅為3.28%，而2016年，鐵路電氣化率已達64.8%，位居世界第一位。預計到2020年，我國鐵路的電氣化里程、電氣化率將分別達到9.38萬公里、65.5%。

1.鐵路電氣化40年發(fā)展歷程

圖2-15 中國電氣化鐵路營運里程及其增長率

資料來源：國家統(tǒng)計局，http：//www.stats.gov.cn/。

圖2-16 中國鐵路電氣化率

資料來源：國家統(tǒng)計局，http：//www.stats.gov.cn/。

中國第一條電力鐵路寶成路段于1961年8月正式交付作業(yè)，全長93公里。后來由于國民經濟暫時遇到困難，基建前線縮短，加之人們對電氣化鐵路在提高運力和促進當時國民經濟發(fā)展中的重要作用認識不足，我國剛剛起步的電氣化鐵路建設停了下來。到了1968年，為了加速大西南的建設，溝通西南地區(qū)與全國的物資交流，寶成鐵路鳳州至成都段的電氣化工程又重新進行建設，經過建設者們7年的艱苦奮戰(zhàn)，1975年7月1日，寶成電氣化鐵路終于全線建成通車，全長676公里，是我國鐵路建設史上的重大里程碑。鐵道部于1977年制定了“內電并舉、以電為主”的技術政策，自此，隨著改革開放的步伐，中國電氣化鐵路建設也實現(xiàn)了有計劃的發(fā)展進步。1978年十一屆三中全會，確定了將工作重點轉移到社會主義現(xiàn)代化建設上來，尤其是改革開放，大大拓展了鐵路電氣化的發(fā)展空間。1978年3月石太線石家莊至陽泉段、1979年10月隴海線寶雞至天水段、1980年4月成渝線成都至資陽段相繼動工修建，電氣化鐵路的建設速度逐年加快，建設規(guī)模也逐步擴大，從在一條線、一個區(qū)段內施工，發(fā)展到了同時在幾條線上施工，而且電氣化鐵路開始由山區(qū)鐵路向運輸繁忙的煤運通道發(fā)展，由單線電氣化向復線電氣化發(fā)展。1980年，電氣化鐵路總長1679.6公里，電氣化率為3.28%。

改革開放后，電氣化鐵路建設加快了步伐。“六五”期間修建了電氣化鐵路2507.53公里，“七五”期間修建了2787.10公里，“八五”期間修建了3012.21公里，“九五”期間修建了4783.77公里，而且建成了我國第一條時速200公里的廣深準高速電氣化鐵路，建設速度一年比一年快，建設規(guī)模也一年比一年大。“十五”期間，我國電氣化鐵路建設步伐進一步加快。2001年一年就建成了電氣化鐵路2652.40公里，如果加上株六鐵路復線婁底至六盤水段873公里和廣深鐵路第三線140公里，建成的電氣化鐵路里程達3665.40公里，建設速度創(chuàng)造了世界電氣化鐵路建設史上的最高紀錄。2002年又建成了電氣化鐵路1193.12公里，還建成了我國第一條快速客運專線——秦沈電氣化鐵路。截至2002年底，我國已建成了41條電氣化鐵路干（支）線，電氣化鐵路建設里程達到了18615.73公里，已經超過了日本、印度，躍居亞洲第一位、世界第三位，成為世界電氣化鐵路大國。^[7]“十一五”期間，建成京津城際鐵路，京津城際鐵路是我國第一條時速達250公里的高速電氣化鐵路，全程120公里，運行時間30分鐘，是中國電氣化鐵路建設史上的一個新的里程碑。截至2016年底，中國電氣化鐵路總里程已達80000公里。

2.電氣化改造中關鍵技術

在中國鐵路電氣化改造的過程中，主要有兩項關鍵的核心技術。^[8]

（1）牽引供電系統(tǒng)。電氣化牽引供電系統(tǒng)是指從電力系統(tǒng)得到電能，通過變流、變相或換流后，向電力機車提供所需的電能，并完成電能傳輸、配電等功能的完整系統(tǒng)。電氣化牽引供電系統(tǒng)是電氣化改造中的核心技術之一。

（2）供電制式。在世界電力牽引發(fā)展的今天，電氣化鐵路供電系統(tǒng)已經從低壓直流、三相交流、單相低頻交流向單相工頻交流演變。中國電氣化鐵路一開始就選擇了先進的單相工頻交流供電系統(tǒng)，單相工頻交流的供電制式能夠直接從具有巨大容量的電力系統(tǒng)中獲取電能，不需要在牽引變電所內設置整流和變頻設備，又能以較高的電壓向電力機車供電，因而大大簡化了牽引變電所的供電設備，增大了牽引變電所之間的距離，縮小了接觸導線的截面，減少了電能損失，降低了建設投資和運營費用，避免了重走世界各國先直流后交流、先低壓后高壓的發(fā)展老路，避免了交流與直流接軌的技術難題，為我國電氣化鐵路的發(fā)展打下了良好的基礎。而近年來，由于各國鐵路運量急劇增大，行車速度不斷提高，逐漸向高速、重載、大密度發(fā)展，自耦變壓器供電方式得到了極大的發(fā)展，我國的京秦、大秦、鄭武鐵路都采用這種供電方式。

（二）高原鐵路

1.高原鐵路建設成就

顧名思義，高原鐵路是指在高原地區(qū)進行建設運營的鐵路。最為著名的高原鐵路是家喻戶曉的青藏鐵路。青藏鐵路，是世界上海拔最高的高原鐵路。青藏鐵路第一期完工的線路是自1958年開工建設，1984年投入運營，從西寧至格爾木，全長814公里的線路；青藏鐵路第二期完工的線路是2001年開工，2006年建成通車，從格爾木至拉薩，全長1142公里的線路。格爾木至拉薩段有550公里長的凍土地段，以及占線路總長近90%的海拔4000米以上的地區(qū)，格拉段海拔最高點為5072米。

青藏鐵路的建設過程中，攻克了三大高原鐵路建設難題（高原缺氧、多年凍土、生態(tài)脆弱）。^[9]青藏鐵路開通以來，凍土工程安全穩(wěn)定，運營平穩(wěn)有序，沒有對生態(tài)環(huán)境造成破壞。青藏鐵路為西藏地區(qū)的發(fā)展注入了巨大的活力，2006年青藏鐵路開通當年，西藏經濟增長13.2%，增幅最高，人均GDP突破萬元（見圖2-17）。

圖2-17 百年高原行，天塹變通途

2.高原鐵路建設的關鍵技術

（1）高原凍土技術。^[10]凍土是一種對溫度變化反應劇烈的土體。在冬季，凍土十分堅硬，并且，隨著溫度的降低，體積會發(fā)生巨大的膨脹，在這種情況下，冬季的凍土會對上層的路基產生向上的作用力。在夏季，隨著溫度升高，凍土逐漸融化，體積會變小，這樣就會使上層路面發(fā)生沉降，凍土的這種特點，很容易導致路面路基的下沉、塌陷、變形、破裂等后果。凍土問題，是青藏鐵路建設中的核心技術問題之一。

青藏鐵路建設中采用的凍土技術如下。^[11]

片石氣冷措施。片石氣冷措施主要是在路基上鋪設具有一定厚度的片石，鋪設的片石上層和下層溫度不一樣，所以，片石層內會產生空氣對流，從而產生熱交換作用。所以，片石層的鋪設有利于路基底層的熱量散發(fā)，能夠降低地面溫度，保護凍土層。青藏鐵路的建設鋪設了1.5米左右厚度的片石層，此外，以橋梁跨越特殊不良凍土地段，全線凍土區(qū)段橋梁總長120公里，占凍土區(qū)段線路長度的21.8%。全線片石氣冷路基總長116公里，占凍土區(qū)段線路長度的21%。全線采用熱棒措施的路基總長30.3公里，占凍土區(qū)段線路長度的5.5%。在路基內埋設通風管，降低凍土層溫度，提高凍土穩(wěn)定性，凍土路基、橋梁和隧道結構穩(wěn)定、線路平順，絕大多數(shù)觀測點凍土路基年沉降小于2厘米，列車運行速度達100公里/小時，高原機車采用NJ2型，能提供氧氣、防止紫外線以及高原低氣壓。

碎石（片石）護坡措施。在路堤的一側或兩側堆積碎石或石板，形成護坡或護欄。礫石（板石）邊坡防護能夠使空氣在一定的溫度梯度作用下產生對流。空氣對流強、熱交換有利于底部的熱量保護，暖季礫石在空氣對流中減弱，屏蔽熱效應入地，從而提高了寒冷季節(jié)的地層冷卻，減少了熱量的傳遞，在溫暖的季節(jié)達到降低地溫、保護凍土的效果。文獻表明，1～1.5米礫石護坡厚度有較好的降溫效果。通過改變路基邊坡的護坡厚度，可以調整路基溫度場的不平衡，對解決多年凍土路基邊坡變形引起的不均勻變形起著重要的作用。

通風管措施。水平路基埋在路基的底基內，冬季管道內的冷空氣對流增強了路基填土的散熱性，降低了地溫，提高了凍土的穩(wěn)定性。現(xiàn)場試驗研究表明，通風管道應設置在路基下部不小于0.7米處，其間距不超過1.0米，直徑0.3～0.4米。通風管道的冷卻效果受管徑、風向和管內積雪的影響，管內的熱量，特別是管內熱空氣的夏季對流，對冷凍土的使用有一定的限制。青藏鐵路部分地段具有建設通風管道基礎。

（2）生態(tài)恢復技術。青藏鐵路建設工程中，很容易因為鐵路建設而破壞沿線的生態(tài)環(huán)境，例如，征占用地、破壞沿線植被，擾動、改變地表的結構，可能會對脆弱的生態(tài)系統(tǒng)造成破壞，導致荒漠化的形成。青藏鐵路建設過程中，可能還會影響野生動物棲息和生活場所，破壞野生動物的生活規(guī)律。青藏鐵路的建設由于對河谷地區(qū)的切入，會影響生態(tài)用水，采砂作業(yè)對河道的堵塞也會影響生態(tài)用水的補給，易在高原地帶形成荒漠化。在這樣的背景下，我國生態(tài)專家進行了研究和實踐，實施了建設過程中對高原生態(tài)系統(tǒng)保護的措施，主要應用了植被防護恢復技術、野生動物保護手段和生態(tài)用水阻隔防護等技術，實現(xiàn)了對高原地區(qū)生態(tài)環(huán)境的保護。

（三）重載鐵路

1.重載鐵路發(fā)展歷史

重載鐵路是指用于運載大宗貨物的運輸量大于5000噸、總重1萬～2萬噸、軸重25噸以上、年運量2億噸以上的鐵路。重載鐵路的優(yōu)點在于運輸效率極高。美國是世界鐵路運輸史上首次開行重載鐵路的國家，美國重載鐵路開行于20世紀60年代。20世紀80年代后，隨著高新技術的廣泛應用，運能大、效率高、成本低、能耗小的重載運輸?shù)玫绞澜鐝V泛認可，發(fā)展迅猛。^[12]

我國重載鐵路從20世紀80年代開始迅速發(fā)展。在30年的時間里，中國重載鐵路取得了舉世矚目的成就。1984年，中國首先選擇晉煤外運的北通道——豐沙大線作為試點，試驗開行了雙機牽引7400噸的重載組合列車。20世紀80年代中期至20世紀90年代初，中國分三期修建了第一條雙線電氣化重載運煤專線——大秦鐵路，開行重載單元列車。在此期間，中國鐵路中的京滬、京廣、京哈三大干線也相繼開行了5000噸級重載列車。2002年，全國鐵路日裝車需求量最高達到30萬輛，鐵路全力確保國計民生重要物資運輸，日裝車也只能滿足1/3。2004年鐵道部頒布《鐵路主要技術政策》，明確貨物運輸重載化是我國鐵路技術的發(fā)展方向，首次提出運煤專線可開行1萬噸或2萬噸的重載貨物列車。從2006年開始大秦線開通了2萬噸的組合列車，23噸軸重的通用貨車在全鐵路線推廣使用。自此，我國重載鐵路運輸已形成兩種主要模式。一是在大秦線及其相鄰重載鐵路線上開行1萬噸的單元列車以及1萬噸和2萬噸的組合重載列車。二是在一些鐵路干線如京廣、京滬、京哈、隴海等線路上開行1萬噸的整列式重載列車。大秦鐵路是中國建造的第一條電氣化重載運煤專線，1992年底通車，2002年運量達1億噸。為最大限度發(fā)揮大秦鐵路作用，有效緩解煤炭運輸緊張狀況，2004年起，鐵道部對大秦鐵路實施持續(xù)擴能技術改造，大量開行1萬噸和2萬噸重載組合列車，全線運量逐年大幅度提高，2008年運量突破3.4億噸，成為世界上年運量最大的鐵路線。2010年12月26日，大秦鐵路運量達到4億噸，是最初設計運量的4倍。

2.重載鐵路主要技術

重載鐵路發(fā)展過程中有以下幾個核心技術。^[13]

（1）徑向轉向架技術。大功率交流傳動內燃機車和電力機車使用徑向轉向架已經成為國際上重載機車發(fā)展的趨勢。大型徑向轉向架技術在加拿大和澳大利亞已經變得越來越成熟，大型公司生產的機車徑向轉向架的輪轂轉角比傳統(tǒng)轉向架減少了75%，有效地減小了兩者之間的橫向力，從而能夠減少輪軌和軌道的磨損和阻力，提高運行的穩(wěn)定性，使機車車輪使用壽命延長10%。

（2）重載鐵路制動技術。近年來，微電子等微機控制的技術得到了快速的發(fā)展，一些發(fā)達國家如美國、日本等開發(fā)了用于鐵路貨車的電空制動裝置。該裝置能夠直接利用計算機控制列車中的每一節(jié)貨車的制動缸，利用電信號來傳遞列車的制動和緩解的信號，從而能夠大大縮短列車制動緩解時間，保證了重載鐵路每輛車制動緩解作用的一致性，并且該制動技術的使用可以提高重載列車運行安全性，目前，中國已經掌握了核心重載鐵路制動技術，并且已經達到國際先進水平。

（四）節(jié)能減排

1.鐵路與節(jié)能減排

節(jié)能減排是我國的一項重要國策，節(jié)能減排的目的是節(jié)約能源，減少化石燃料的消耗，從而減少污染物的排放以及對空氣的污染。節(jié)能減排國策是在2006年提出的，具體內容為：截至2010年，和2005年相比，單位GDP能耗比降低兩成、主要污染物的排放量至少減少一成。

鐵路是國家重要基礎設施、國民經濟大動脈和大眾化交通工具，具有運力強大、節(jié)約資源、環(huán)境友好、運輸成本低的優(yōu)勢。根據(jù)《中國統(tǒng)計年鑒》，2016年，國家鐵路單位運輸工作量能耗僅為公路的10.3%、民航的7.1%、管道的16.7%，與水運基本持平。由《中國鐵路發(fā)展統(tǒng)計公報》知，截至2016年，國家鐵路能源消耗折算標準煤1591.60萬噸，比上年增加14.25萬噸，增長0.9%；單位運輸工作量綜合能耗為4.71噸標準煤/百萬換算噸公里，基本與上年持平；單位運輸工作量主營綜合能耗為4.15噸標準煤/百萬換算噸公里，與上年相比，僅增加0.08噸標準煤/百萬換算噸公里；鐵路化學需氧量排放量為1965噸，比2015年減排41噸，降低了2.0%；二氧化硫排放量為23924噸，比上年減排3851噸，降低了13.9%；鐵路綠化里程達4.57萬公里，比2015年增加了0.12萬公里。因此，大力發(fā)展鐵路，能夠減少交通運輸?shù)哪茉聪模軌蚣涌旃?jié)能減排的步伐，實現(xiàn)低碳經濟。^[14]

國家推行節(jié)能減排政策后，鐵路部門相繼出臺了各種實施意見以及設計規(guī)劃等，如《鐵路做好建設節(jié)能型社會和加快發(fā)展循環(huán)經濟的實施意見》、《關于加強鐵路節(jié)能工作的實施意見》、《鐵路工程節(jié)能設計規(guī)范》、《鐵路“十一五”規(guī)劃》、《鐵路“十一五”環(huán)境保護規(guī)劃》和《鐵路“十一五”節(jié)能和資源綜合利用規(guī)劃》等，這些規(guī)劃和意見實施貫徹了鐵路節(jié)能減排的各項細節(jié)要求，大力發(fā)展了鐵路節(jié)能減排，為國家做出了貢獻，發(fā)展了低碳經濟。

2.鐵路節(jié)能減排中的技術應用

（1）節(jié)能技術。運輸節(jié)能技術的表現(xiàn)在于，在相應的運輸范圍內，對運輸路徑進行優(yōu)化，最大化地運用運輸能力，在貨運方面，將貨運機車與牽引噸位進行合理的匹配，在規(guī)定的范圍內，盡可能運輸最多重量的貨物，提高鐵路貨運機車的使用效率，從而減少能源的使用。^[15]充分利用鐵路機車的能源，關注燃油的密度、濕度等指標，并提高電力機車的比例，對鐵路客車的空調進行自動化管理，對于制冷制熱空調車要注意能源使用，降低能源電力的消耗。鐵路內燃機車以及電力機車應當配備輪軌潤滑裝置，減少輪軌的摩擦和阻力，從而節(jié)省能源。內燃機車應采取優(yōu)化增壓器壓力、提高最大氣缸壓力、改善缸內摩擦副、燃料空氣混合稀化等技術措施；在氣溫低的地區(qū)，鐵路機車應采用燃油自動加溫裝置。據(jù)了解，我國鐵道行業(yè)如應用淬火鋼軌、側面涂油和鋼軌適時打磨，并采用磨耗型車輪、輪軌潤滑裝置和徑向轉向架、優(yōu)化柴油機缸內摩擦副匹配、在潤滑油中添加減磨荊等相關技術后，鐵道機車車輛的關鍵摩擦副因減少物耗、能耗和延長使用壽命等，每年直接節(jié)約費用約61.26億元。

（2）節(jié)熱技術。將傳統(tǒng)鐵路機車的內燃設備逐步轉換為電能、熱能聯(lián)合供能，不僅能夠增加熱效率，還能夠節(jié)省能源、減少化石燃料的使用、保護環(huán)境。采用新型的隔熱保溫材料，減少機車內燃爐表面的散熱以降低熱能損失。發(fā)展推廣爐溫均勻節(jié)能的新型內燃爐型，以及直流電爐技術，可以減少電能的損耗，有利于節(jié)約能源。在鐵路沿線應當利用節(jié)能型爐灶，進行高效節(jié)能，推行節(jié)能減排。

（3）新能源技術。可以大力開發(fā)太陽能，推廣使用高效、低成本的中、小型光伏發(fā)電系統(tǒng)；積極推廣生物質能轉化技術。鐵路沿線燃料獲取困難的單位，可以利用沼氣技術取得清潔方便的優(yōu)質能源，在風力資源豐富的山區(qū)或沿海地區(qū)，可建立風力發(fā)電、柴油發(fā)電與太陽能光伏發(fā)電聯(lián)合供電系統(tǒng)，改善鐵路沿線和施工單位的用電狀況。有條件的地區(qū)還可充分利用地熱。

（五）鐵路提速

1.中國鐵路提速歷程

改革開放40年以來，隨著經濟高速發(fā)展，中國鐵路也經歷了6次速度的飛躍。1997年4月1日，中國鐵路經歷了第一次大提速，以京廣線、京滬線、京哈線三大干線為主，以北上廣、沈陽、武漢等城市群為中心進行了全面的提速，開行了共104列時速達140公里的列車。此次提速，中國鐵路客運速度從開始的48公里/小時提高到了55公里/小時。中國鐵路的第二次大提速是在1998年，依然以京滬、京廣、京哈三大干線為重點，此次提速后，最高運行時速達到160公里，采用了擺式列車的廣深線速度高達200公里/小時，中國鐵路客運速度提高到了55.16公里/小時，有超過1454公里的道路時速達到了140公里，有445公里的道路時速達160公里。2000年，中國鐵路進行了第三次大提速，本次提速的干線有京九線、蘭新線、隴海線等，不僅將祖國南北的距離縮短，也將東西向的時空距離縮短，不僅給客運、貨運帶來了方便，也為東西部的經濟平衡、西部大開發(fā)打開了局面。2001年，中國鐵路實行了第四次大面積提速，并且實施了新的列車運行圖，此次提速覆蓋了全國大部分的城市和地區(qū)，主要提速干線有京九線、京廣線南段、浙贛線、滬杭線等，并且此次提速后，對全國列車運行圖進行了相應的調整，更加適應了經濟社會的發(fā)展。2004年，中國鐵路進行了第五次提速，此次提速后，京滬線、京廣線、京哈線等干線的部分線路速度可達200公里/小時，在京廣線、京滬線上運行的直達特快列車時速可達160公里，中國鐵路客運平均速度達到了65.7公里/小時，全路網有16500公里的線路時速達到了120公里以上，7700公里的線路時速達到了160公里以上。第六次大提速是在2007年進行的，這一年，我國開行了52對時速200公里以上的高速動車組，中國高鐵CRH出現(xiàn)在世人的目光中。自此，京九、滬昆、武九等干線時速達到200公里以上，京哈、京滬、京廣、秦沈等線路最高時速達到了250公里。2008年8月1日，中國第一條高速鐵路京津城際鐵路的開通，標志著我國進入了高鐵時代。

2.鐵路提速中運用的技術

在6次全國鐵路大提速的過程中，中國取得了8個方面的創(chuàng)新技術成果，我國掌握了既有線路提速等級設計、施工、制造、試驗、運營、管理和維修的成套系統(tǒng)集成技術，形成了既有線路提速200公里/小時技術標準體系。在工務工程方面，路基、橋梁、檢測、評估、加固等措施達到了預期效果。軌道部分首次研制了18號有砟道岔（直向通過速度為250公里/小時），鋪設了自主研發(fā)的適用于高速、重載運輸?shù)腜D3鋼軌、Ⅲ型軌枕、一級道砟，正線全部采用超長無縫線路。中國鐵路客運專線在技術上也取得了一系列重要成果。比如，我國首次開發(fā)應用了CTCS-2列控系統(tǒng)（列車運行控制系統(tǒng)），該列控系統(tǒng)能夠解決多種類型列車高密度的混合運輸、動車跨線運營、系統(tǒng)設備互聯(lián)互通等技術難題。在通信方面，首次采用GSM-R系統(tǒng)和新型額度機車綜合無線通信設備。在200公里/小時的等級線路上實現(xiàn)了調度通信和承載業(yè)務分組數(shù)據(jù)通信。在調度集中系統(tǒng)方面，我國首次在繁忙的鐵路上采用分散自律的調度集中系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠對列車運行進行直接指揮和遠程控制。動車組的制造和批量投入運營為鐵路提速提供了新的動力。在列車交會方面，首次全面驗證了4.4米線間距條件下，動車組以250公里/小時速度交會的安全性以及與160公里/小時及以下旅客列車、120公里/小時貨物列車交會的安全性。