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挖趣 | 從郵票看中國高鐵演進

中國全國鐵路分布圖。(圖:作者提供) 中國全國鐵路分布圖。(圖:作者提供)
左上圖,以阿爾斯通生產的動車組為基礎研發生產的CRH5和諧號。
右上圖,以川崎重工生產的動車組為基礎研發生產的CRH2和諧號。
下圖,以西門子生產的動車組為基礎研發生產的CRH3和諧號。(圖:作者提供) 左上圖,以阿爾斯通生產的動車組為基礎研發生產的CRH5和諧號。 右上圖,以川崎重工生產的動車組為基礎研發生產的CRH2和諧號。 下圖,以西門子生產的動車組為基礎研發生產的CRH3和諧號。(圖:作者提供)

記得小時在天津讀小學時,難得的一次由天津到北京的春假旅遊,清晨從天津坐火車出發,一直到下午才到北京,天津至北京的距離只有120公里,火車卻行駛了六個多小時,感覺上北京好像很遠很遠。60多年後,2008年北京奧運期間,乘「京津城際鐵路」列車由天津到北京只需29分鐘,這個變化實在無法想像。上個世紀在中國的土地上還沒有一條高速鐵路,現在中國已經擁有全球規模最龐大和最先進的高速鐵路系統,在短短不到20年期間,中國高鐵由無到有,然後再跨入領先世界。

•中國想富 要建高鐵

鄧小平於1978年10月22日第一次訪問日本時,應邀試乘高鐵,乘後他說:「就感覺到快,有催人跑的意思」,使他有一個堅定不移的信念,就是「中國要想富,一定要修高速鐵路」,1998年江澤民訪問日本時,試乘東北新幹線後,更堅定中國需要建設高鐵,1999年中國第一條高鐵「秦瀋客運專線」開工,2003年建成通車,當時由中國自行研發的高速機車「中華之星」號在秦瀋專線上進行高速行車試驗,創造出時速321.5公里的紀錄,但是也發現很多複雜的工程技術和可靠性問題,試驗一陣後,由於工藝水平不夠宣布放棄,為達到高鐵商業化,2004年中國政府決定向外國企業引進高鐵技術。

中國付出高昂費用向德國西門子(Siemens)、法國阿爾斯通(Alstom)、日本川崎重工(Kawasaki)和加拿大龐巴迪(Bombardier)公司購買高速列車和技術轉讓權。

以加拿大龐巴迪公司的動車組(原為瑞典Adtranz公司生産的動車組,2001年被龐巴迪公司收購)為基礎研發生產的CRH1和諧號。(圖:作者提供) 以加拿大龐巴迪公司的動車組(原為瑞典Adtranz公司生産的動車組,2001年被龐巴迪公司收購)為基礎研發生產的CRH1和諧號。(圖:作者提供)

引進國外高鐵先進技術後,從基礎理論研究,方案論證,到技術試驗,研製出一套自主創新高鐵核心技術的最高世界水平,逐漸解決了高速鐵路列車關鍵技術問題,建立具有自主智慧財產權的高鐵技術體系,目前中國製造和運營中的高速列車為和諧號和復興號動車組,和諧號包括以國外動車組為基礎生産的時速250公里的CRH1,2,3,5四種車型,自主研發時速160公里的CRH6和時速380公里的CRH380兩種車型(CRH為China  Railway High-speed的縮寫,因為4的發音不吉祥,所以沒有CRH4車型),復興號是以自主研發時速400公里的CR400車型組成的動車組。

中國自主研發設計生產的CRH6和諧號動車組。(圖:作者提供) 中國自主研發設計生產的CRH6和諧號動車組。(圖:作者提供)

•流線外型 保持平衡

高鐵動車組的動力是由列車每個車廂分散負擔,例如CRH380A動車組有8個車廂,其中2至7號六個車廂裝有動力,車頭和車尾的1號車和8號車是沒有動力的拖車,稱為6動2拖動車組,正常運作情況下4號車受電弓僅為備用,只有6號車受電弓引入電源,然後經過6號車廂內的主變壓器和變流器後,將低壓直流電分布到各車廂,使裝有發動機的六節車廂,聯合在一起往前快速前進。

中國在2003年研發的高速列車「中華之星」號。(圖:作者提供) 中國在2003年研發的高速列車「中華之星」號。(圖:作者提供)

高鐵列車都設計成非常漂亮的流線型,因為列車在高速行駛時,車廂底部與地面的空間非常小,造成車廂上下氣流壓力的不平衡,車頭有向上浮起的趨勢,根據空氣動力學原理,車頭外型設計成流缐型,可以使車頭上下的空氣壓力保持平衡,使高速列車可以在軌道上平穩運行,同時也可以減少列車前進的空氣阻力。

當兩列相反方向行駛的高速列車在路上擦肩而過時,車頭表面會産生有偏轉趨勢的不穩定空氣壓力,為了減少偏轉壓力,車頭表面兩側加了兩個導流槽設計,不但可以消除兩車擦肩而過時産生的晃動現象,還可以增加車頭的帥氣外觀,使高速列車跑得更平順和舒適,車型看起來非常吸睛。

•技術創新 打破壟斷

高速動車系統凡是有摩擦的部分,如受電弓、動車車輪、煞車系統等,在高鐵開發早期都給工程師們帶來很大的技術考驗和挑戰,尤其是高鐵車輪是生產難度最高的尖端産品。高速機車沒有方向盤,列車轉彎時全靠車輪與鐵軌的接觸面,互相擠壓産生擠壓應力,引導車廂下的轉向架向前方軌道方向轉動,行車時速超過350公里以上,車輪承受的壓力更大,如果車輪的品質不合格,就會産生磨損或是變形,造成行車安全問題,同時列車在快速啟動或快速制動過程中,會使車輪和鐵軌的接觸面溫度劇烈上升,也會造成車輪的變形。為保證行車安全,車輪必須具備合格的耐磨性、抗熱性和抗金屬疲勞性,對製造車輪的鋼材質量要求很高。中國在2014年通過車輪鋼冶煉和熱處理加工技術的突破和創新,發展出國際認可的合格車輪,目前已安全運行超過100萬公里,打破外國高鐵車輪在中國的壟斷地位。

京滬線時速350公里的CR400復興號,北京到上海全長1302公里,全程僅需4小時18分鐘。(圖:作者提供) 京滬線時速350公里的CR400復興號,北京到上海全長1302公里,全程僅需4小時18分鐘。(圖:作者提供)

高速動車煞車片一直依靠國外進口,近年來中國研製的煞車片有重大突破,打破完全依賴進口,填補部分高鐵需要,但是目前進口煞車片仍然壟斷中國高鐵50%以上的市場。

超越日德 後來居上

自從在2008年修建第一條高鐵「京津城際鐵路」通車後,到2018年底,中國在時速250公里以上,高鐵營運里程已經超過2.9萬公里,占全球高鐵運營里程的三分之二以上,鐵路里程更高達13萬公里,兩者均位世界第一,在短短十年內,中國高䥫里程增加2萬公里,高速鐵路能在中國迅速發展,歸功於中國自主研發製造的盾構機(Tunnel Boring Machine,簡稱TBM)、流動性架橋機、全自動鋪軌車和無縫鐵軌。

CRH380是中國自主研發設計生產的時速380公里的和諧號動車組。(圖:作者提供) CRH380是中國自主研發設計生產的時速380公里的和諧號動車組。(圖:作者提供)

盾構機是中國大陸的名稱,台灣譯成全斷面鑽掘機,它是專門用來挖掘隧道的大型工具,比傳統炸破鑽挖方法,快速有效約8-10倍,但是它無法標準化,只能以工程的需要來量身定製,所以價格昂貴。2004年中國自主研發製造出第一台直徑6.4米的TBM「先行者」號,首次在上海地鐵建設中使用,從此逐漸生產大型的TBM以滿足國內各項土木工程的需要,中鐵工程在2017年建造出直徑達15.3米,重4000噸,長度100米的超大型TBM,已經成功的投入高鐵建設,今年中國即將出口兩台直徑11米、重1700噸的TBM到莫斯科,最近台北地鐵萬大線工程和中國大陸簽訂四台TBM供貨合同,打破日本企業在台灣地區的市場壟斷。

中國自行研發的架橋機重達580噸,長度約92米,可以吊起500噸以上預製好的混凝土橋樑架體,安裝在預先做好的橋墩上,一座半公里長、跨越山區和峽谷地帶的大橋,使用架橋機只要一個星期就可以架設完成,比從前使用高架起重機和人工修橋至少縮短半年工期。橋和路基完成後,使用全自動鋪軌車安裝枕木道床和舖設無縫鐵軌,最後工人以高強度的彈條扣件將鐵軌緊緊的固定在枕木道床上,鐵軌內部因為冷縮熱漲產生的應力可以均勻分布在道床上,使鐵軌不會因為外界溫度變化而變形或斷裂,因此列車行駛在無縫鐵軌上會非常平穏,而且沒有雜音還可以增加行車速度。

中國自行研發製造的紅色流動性架橋機。(圖:作者提供) 中國自行研發製造的紅色流動性架橋機。(圖:作者提供)

中國高鐵在國際高鐵領域中是起步最晚的後來者,比日本的新幹線,德國的磁懸浮列車和法國的TGV快鐵都晚三、四十年,現在中國高鐵技術已經達到後來居上的領先地位,而且修建高鐵成本與這些國家相比要低三分之一以上,因此中國高鐵建設在國際市場中占有絕對優勢,使中國贏得泰國、印尼和東歐國家的高鐵修建合同。

1940年代在中國使用的蒸汽機車,現在只能在火車博物館裡看到。(圖:作者提供) 1940年代在中國使用的蒸汽機車,現在只能在火車博物館裡看到。(圖:作者提供)



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