一、 中国铁路提速工程的实施及经济效益
自1997年4月1日铁道部宣布全国铁路实施第一次大提速以来，繁忙干线上的旅客列车的最高运行速度从原来的110km/h提速到160km/h，这一举措引起了全国的关注，1998年、2000年、2001年又连续实施了第2，3，4次大提速，每次大提速都反映了中国铁路技术日新月异的变化。2004年4月18日实施第五次大提速，又新增提速线路3000km左右，提速网络总里程达到16500km。其中160km/h及以上提速线路资源达到7700km。北京—哈尔滨时速160km/h的线路达到63%，北京—上海达57%，北京—长沙达49%，北京—南昌达74%，北京—西安达48%。由于旅行速度高了，每位旅客一次旅行比以前可节省可观的旅行时间，如北京—上海直达特快旅行时间由提速前的21小时缩短到11小时58分，北京—杭州从24小时缩短到13小时30分，北京—哈尔滨从22小时缩短到10小时30分，北京—长春从20小时缩短到8小时20分，北京西—武昌从22小时缩短到10小时25分，北京西—长沙从26小时缩短到13小时40分，北京西—西安从21小时缩短到11小时30分。根据中国社会科学院的研究结论，全国提速后每年所节省的全部旅客的旅行时间，至少可为社会创造210亿元的财富。
第五次大提速后全路旅客列车平均技术速度达75.6km/h，形成了以北京、上海、广州为中心的三个提速行动圈，在离这三个中心500公里旅程内，当天可来回;1500公里旅程内，一夜即到，全国有305列“夕发朝至”列车;旅程在2000-2500公里，一天24小时左右即可到达。旅行服务质量最重要的指标——旅行速度的提高取得了重大进展。同时在哈大、沈山、京山、京沪、京广、陇海、候月、新月、新日等干线上全面开行5000t重载列车。
提速工程成套技术与装备的技术成果在全国铁路大提速中迅速推广应用，增强了提速安全基础。五次大提速在短短的8年多时间内高质量地完成了一大批提速基础工程改造，共更换新型提速道岔9725组，新型轨枕724万根，调整曲线3099处，改造曲线1645处1165km，超长无缝线路6598km，加固桥梁3089孔，封闭栅栏6592km，配置新型提速机车1425台，提速车辆4699辆，大部分提速车辆配置了真空集便装置、应用了密接式车钩、采用新颖明快的车内设计;在电气化线路上采用电力机车直流600V供电，取消发电车，增加定员及舒适性。这些技术成果大面积的推广，有力地保证提速列车的运行安全及旅客舒适性，加快铁路产业整体水平的升级，促进铁路全行业跨越式发展。
提速工程的实施，已取得了巨大的经济效益。全国铁路的客运量及客运周转量在提速后迅速增长(见图1.2)。在旅客运价率不变的前提下，1997年至2000年铁路客运收入以平均每年33.1亿元的幅度递增，与提速前1996年相比，总计4年内客运增收了306亿元(见图3)，货运收入也大幅度增加。1997年以来，全路运输收入每年平均同口径增收近80亿元。铁路全行业于1999年提前一年实现了扭亏转盈的战略目标。
二、 中国铁路提速的技术难点
在中国既有铁路上实施提速具有非常大的难度，主要体现在两个方面：
1. 中国所有的既有铁路设计速度均在120km/h以下，而且是客货共线运行、不同等级列车混跑。因此线路平纵断面标准低，弯道多，曲线半径偏小，道岔标准低，桥梁承载能力不足，要将列车速度提高到140～160km/h，又不能全面改造，无疑是一个大难题。同时，提速后不同等级列车之间速差的加大，会降低列车密度，降低线路的运输能力，这对运输能力本来就十分紧张的中国铁路，是难以接受的。
2. 在中国铁路线上，提速目标是将旅客列车速度提高到160km/h，同时普遍开行5000t重载货物列车，并保持运输高密度，这在国际上尚无先例。
世界各国的铁路模式主要有两大类：日本，西欧等国家的铁路是以客运为主的高速度，高密度模式，在高速线上最高速度可达300km/h及以上，在既有线上最高速度也为160-200km/h，但是没有在既有线上开行5000t及以上的重载列车。美国、加拿大、澳大利亚等国家的铁路是以货运为主的高重量模式，发展重载运输，铁路上的客运量很小，在既有线上大量开行5000t～20000t重载列车，但是并没有在这些线路上开行160km/h的快速列车。
在确定提速战略前，铁路部曾向国际铁路联盟(UIC)专家及国际重载铁路协会(IHHA)专家请教，他们回答是“没有任何经验”。理由很简单，正如国际上著名的铁路专家，日本高速铁路设计负责人之一冈田宏博士所说：“在同一线路上开行高速列车和重载列车，就如同让油水共处一样，是一件十分困难的事情。因为重载列车对轨道产生极大的破坏力，导致轨道不断变形，而高速列车却对轨道平顺要求的精度非常高，要保证两者的正常运行，必须拥有高度的设计，维修和管理技术”。
三、 提速工程的关键技术
中国铁路提速工程成套技术与装备的攻关首先必须依靠自力更生。因为即使国际上有成套技术装备可以引进，但按中国铁路提速的要求，要在几年内提供上万组新型道岔，几千辆新型机车车辆等，这么大数量的装备要依靠从国外引进，在时间上也无法保证兑现。更何况国外成熟的产品也会不适应中国铁路特有的复杂运输条件。
1995年铁道部成立了“全路提速科技领导小组”，同时，确定具有综合研究实力的铁道部科学研究院承担项目攻关的总体;联合有关企业、铁路局、院校共34个单位共同对提速工程六方面的关键技术进行攻关。
1. 提出轮轨关系理论的新创见并取得实验验证
提速列车运行安全的根本问题就是在中国铁路具体的线路工况下，确保列车提速后不会脱轨。以铁道部科学研究院项目研究组为主，联合有关院所的专家一起对线路与列车相互作用的动力学理论进行科学的探索，其目标是以中国既有铁路在5000t重载列车运行条件下的线路工况为基础，进行轮轨关系的理论研究，以期取得研究成果，直接指导提速机车车辆的动力学悬挂参数设计和既有线线路结构改造。
轮轨关系理论研究的新成果包含了四方面的内容：
①动力学分析的敏感波长组合不平顺方法;采用这种方法可以对每一种被研究的机车车辆在线路高低、方向、水平偏差等不平顺的单独作用下，分析其轮轨力，脱轨系数，振动加速度等动力学指标随不平顺波长的变化情况，确定各种不平顺的敏感波长，然后对敏感波长的不平顺进行组合，研究在组合不平顺作用下机车车辆的动力学行为。
②机车车辆非线性横向运动稳定性理论及数值分叉方法;该研究考虑了轮轨接触几何学非线性、弹性滑动饱和非线性、悬挂刚度和阻尼非线性以及电机转矩等的影响，引入了分析机车车辆横向稳定性的一组判别原则，采用亚临界Hopf分叉速度和脱轨速度描绘出机车车辆横向稳定性的完整图像。
③应用函数型摩擦系数改进和发展了Kalker滚动接触理论。该研究克服了基于库伦摩擦定律的轮轨滚动接触理论在速度较高时误差较大的问题，在速度较高时提高了动力学分析精度。
④ 采用三次样条函数法确定轮轨几何关系，应用优化的磨耗型踏面与机车车辆悬挂参数、结构参数相结合，提高稳定性临界速度。
上述理论的正确性在提速机车车辆设计与试验中均得到了实验验证，见表1、表2。
表1 SS8001号机车动力学分析结果与实测结果比较
速度(km/h) 分析与实测 脱轨系数 轮重减载率 轮轨横向力(kN)
左轮 右轮
180 理论分析 0.62 0.36 65.4 60.5
线路试验实测 0.63 0.49 69.0 65.1
190 理论分析 0.65 0.42 66.7 62.1
线路试验实测 0.58 0.46 64.6 66.9
200 理论分析 0.66 0.44 64.1 60.3
线路试验实测 0.66 0.48 78.5 75.5
表2 提速二等客车计算结果与实测结果比较
速度(km/h) 200 210
分析与实测 计算值 实测值 计算值 实测值
横向力(kN) 56.76 48.79 61.66 61.56
轮重减载率 0.51 0.54 0.58 0.60
脱轨系数 0.64 0.62 0.65 0.76
轮轨关系理论研究成果在提速研究中有其特殊重要的意义。根据既有线路在重载列车运行条件下，线路养护条件可以达到的不平顺控制标准，计算分析提速机车、客车及动车组所必须具备的悬挂系统参数，而根据这些设计参数设计研制的提速列车在既有线路上试验时，所得到的动力学性能结果与分析计算值比较吻合。这为研制开发适应既有线路条件的提速机车车辆创造了有利条件，具有创新意义。
2. 自主创新研制开发完整系列的提速机车、客车、动车组
160km/h～200km/h新型快速机车、客车及动车组的开发，适应了中国既有线路的平纵断面条件，是提速工程中重要的创新成果。通过轮轨关系的理论研究与线路试验，根据全路提速的需求，全国十余家大型机车车辆制造企业在铁道科学研究院等单位技术支持下，相继研制出一批新型的快速机车车辆，填补了我国机车车辆产品系列的空白。在短短七、八年时间内，新型的快速机车(SS9型电力机车，SS7D型电力机车，DF11G型内燃机车等);快速客车(25K型与25T型高包软卧车、软卧车、硬卧车、餐车、硬座车、双层客车);快速动车组(大白鲨号电动车组，新曙光号内燃双层动车组，神州号内燃双层动车组，北亚号内燃液力动车组，春城号电动车组等)纷纷问世并相继投入运营。这些快速列车与动车组最高运行速度达到160km/h及以上，在转向架、制动、牵引三个重要技术领域均有重大技术创新：新型转向架采用了优化的悬挂参数及空心轴六连杆弹性传动，其稳定性与平稳性指标优良;采用了新型大功率盘形制动及电子防滑器，紧急制动距离等重要制动指标达到国际先进水平;采用了不等分三段相控整流桥及串励脉流牵引电机等新技术，在牵引起动力及变压器总容量等重要牵引指标上有重大突破，这些指标均达到国际同类产品先进水平(见表3)。
表3 我国提速机车、客车、动车组类型、技术特点一览表
序号 机客车类别 车型 主要技术特点
1 快速机车 SS9型电力机车SS7D型电力机车DF11G型内燃机车 空心轴六连杆弹性传动的三轴转向架或二轴转向架;车头型流线型及车体轻量化;机车采用微机控制装置和逻辑控制单元相结合的方式;牵引电机采用性能良好，全叠片结构，双H绝缘，持续功率达到900KW或530KW的大功率脉流电机，电力机车采用大容量变压器;实现了六轴电力机车变压器与平波电抗器及滤波电抗器一体化;机车采用双管制动系统，增加机车电制动的功率及列车电空制动联合制动功能。
2 快速客车 25K型，25T型高软卧、软卧、硬卧、餐车、硬座、双层客车 采用CW-2C、206KP、209HS型快速转向架;采用大功率盘型制动、电空制动、电子防猾器;采用橡胶风挡，集中供电、空调、采暖;车钩采用15C、15H、G1型缓冲器。
3 快速动车组 动力集中 DDJ1型大白鲨号电动车组 设计速度200km/h的全悬挂式单侧齿轮双侧六连杆轮对空心轴弹性传动的动力转向架;客车无摇枕、无摇动台、无旁承的三无转向架，采用轻型轮对，小滚拄轴承，H型箱型断面焊接构架，空气弹簧二系悬挂。大功率盘型制动装置及TFXⅡ型电子防滑器，性能指标达到200km/h速度下紧急制动距离小于1800m的国际标准。
NZJ1型新曙光号内燃双层动车组NZJ2型神州号内燃双层动车组 轴重不超过22.5t，采用Longwords网络通信技术与远距离重联控制技术，同时开发研制柴油机电子喷射系统，600V直流供电系统，流线型车头，新设备安装配套，空调系统采用新布局，起动加速度性能好，平面布置合理。
北亚号内燃液力动车组庐山号内燃液力动车组唐山号内燃电传动动车组 采用鼓型断面，轻量化车体结构及长细比大的流线头型;无木结构车体内装结构设计;采用动力性能好的无摇枕转向架，大挠度空气弹簧，鼓型齿轮联轴节驱动，盘形制动装置，Z型双拉杆牵引变压器;采用高阻抗、轻量化卧式变压器;具有空电混合制动控制功能的制动系统，有效利用列车电制动，降低基础制动装置的机械磨耗，实现节能及环保要求。
动力分散 春城号电动车组
3. 关键性轨道部件的研制与线路、桥梁、接触网改造技术
由于既有线路不可能进行大规模的改造，因此提速工程的总体战略是采用新型高稳定性能的机车车辆来适应既有线路结构。但是线路结构方面仍有三大关键问题必须解决：一是既有的道岔由于存在有害空间，对提速列车将产生危险的动力激扰，必须更换;二是短钢轨的接头将产生周期性激扰，严重影响提速列车舒适性，必须采用无缝线路;最后是小曲线半径的地段不适应提速，必要进行参数调整。针对这些问题项目组攻关开发了一批具有自主知识产权的关键性轨道部件，如12号提速道岔，跨区间无缝线路，Ⅲ型混凝土轨枕和弹性扣件等等。这些部件研制具有大的难度，为避免现场更换提速道岔而引起站场大规模改造，提速道岔线型设计必须保持道岔中心及辙叉理论交点位置不动，以便在外形长度基本不变情况下更换既有的道岔，为此提速道岔采用了藏尖式尖轨尖端设计，跟部设限位器，并创造性地将60AT钢轨的轨底长肢热加工旋转90°，形成凸缘，用于心轨一动转换杆件的安装。同时采用长翼轨式结构，用60AT钢轨模锻出特种断面，使道岔可靠性提高与使用寿命延长。
跨区间无缝线路技术也已达到国际先进水平，不仅解决了理论计算方法的难题，而且解决胶接绝缘接头强度、大跨度混凝土连续梁桥无缝线路铺设等技术难点，现在从上海到南京全长303km基本上只有一根钢轨，无一接头，其长度已居世界前列。曲线区段线路参数的优化技术，桥梁安全评估及加固技术，电气化线路接触网改造技术等方面也都取得重大突破，并建立了提速线路养护维修体系，实现了在少投入原则下使既有线路最高运行速度达到160km/h的目标(见表4)。
表4 提速关键性轨道部件与线路、桥梁、接触网改造技术
序号 项目名称 技 术 特 点
1 60kg/m钢轨12号提速道岔 线形满足道岔中心及辙叉理论点位置不动要求，直向运行条件与国际先进的提速道岔相当，转换杆件全部置于钢岔内，便于机械养维作业;尖轨采用60AT钢轨制造，尖轨尖端藏尖式设计，长心轨采用轨底长肢旋转90°形成凸缘结构。采用外锁闭转换装置;道岔内钢轨设置轨底坡适应与区间钢轨的焊接。
2 铺设整区间无缝线路或跨区间无缝线路 胶接绝缘接头由钢轨、夹板、高强度螺栓和绝缘材料组成，采用具有足够抗剪强度、扯离强度和韧性的胶粘剂进行胶接。建立梁轨相互作用的纵向力计算方法，研究解决在大跨度混凝土连续桥上铺设无缝线路的问题。提出钢轨折断原位修复技术。
3 Ⅲ型轨枕和弹性扣件 枕下和枕中承载力比Ⅱ型枕提高43%和65%，长度2600mm，可减少7%道床应力：扣件采用Ⅱ型、Ⅲ型弹条扣件与轨枕配套。
4 既有线路技术改造 提出最大超高、允许欠超高、允许过超高、缓和曲线超高时变率、夹直线和夹圆线最小长度标准。
5 既有线桥梁的安全评估与加固 全国既有线桥梁普查，采用车-桥耦合作用理论仿真计算，对43座典型桥梁进行动力测试，提出混凝土梁、上承式、下承式钢桁梁、上承式钢板梁提速标准或加固标准，加固措施。
6 电气化线路接触网的技术改造 接触网设计参数理论研究和改进;接触网零部件广泛采用新材料、新结构;使用无交叉线岔，采用接触网-受电弓受流性能测试技术
4. 提速四显示信号系统及车载信号设备
列车提速后，制动距离显著增加，司机识别信号更困难，原有的自动闭塞信号系统是以800m制动距离为依据，确定了闭塞分区长度，并固定埋设了铁路自闭通过信号机的位置。现在既有线提速，闭塞分区长度要加长，如果要移动所有通过信号机位置，工作量之大可想而知，但中国既有线信号系统改造又有其特殊的复杂性，因为既有线的联锁、闭塞制式繁多，达几十种，提速后信号改造面临复杂的兼容问题;同时提速时信号系统改造还不能影响现有运输能力，施工时要求对既有线正常行车的影响减少到最小程度，投资还不能太大。
经过多种方案比较后，终于研究成功在原有三显示信号制式的基础上，采用四显示自动闭塞制式及列车运行控制系统的方法，既有线的通过信号机只需改动5%～10%，平均闭塞分区长度不但不增加，而还略有减少。提速列车按四显示方式运行，对于普通客车及货车来说，将绿黄灯作绿灯对待，按三显示方式运行，运输组织上的平图能力几乎不下降。由于成功地研制了四显示信号系统，与原有三显示信号系统兼用，投资少，对运输干扰小，确保提速后运输密度不仅不降低，还能适度增长，在技术上独具特色。
5. 创建提速列车安全监测系统
如何保证既有线上列车提速的绝对安全，这是提速工程能否成功实施的关键所在。在总体研究时，曾进行广泛的国际调研，希望能引进成熟的列车安全监测系统，对影响列车运行安全的参量能在10秒内快速采集并显示。但是调研结果是国际上并没有适合中国铁路提速特点的监测系统。由于中国铁路地域广阔，条件复杂，线路状况参差不齐，而提速安全性监测要求在各种不同的线路条件下均能随机地测量线路每一点处的列车安全参数，并及时快速获得评估数据。针对这个难题，铁道科学研究院作为总体单位承担了这项攻关任务，成功地研制出三类安全监测系统：
(1) 提速列车运行安全快速监测系统。以单周期双桥路正弦合成法连续测量测力轮对为基础，结合快速数据采集处理系统，创新地研制出安全快速监测设备系统，精确地连续测量提速列车在任何线路任意点上的重要安全参数：脱轨系数、轮重减载率、轮轨横向力等，并在10秒内快速显示或报警，具备超大数据量存储能力。
(2) GJ-4型快速轨检车系统。采用惯性基准原理，应用半导体激光器和伺服跟踪控制技术，在140～160km/h速度下能连续动态测量轨道各项不平顺性参数，精度高、技术性能接近国际先进的同类产品水平。
(3) 轨道弹性检查车，采用两套相同弦长的弦作为临时过渡基线的方法，利用轮重差异准确测量出路桥过渡段、道口区、道岔区轨道的弹性变化梯度。指导线路施工与维修，为列车快速平稳运行打下良好的基础(见表5)。
表5 列车安全监测系统项目与主要技术特点
序号 项目名称 主 要 技 术 特 点
1 列车运行安全快速监测系统 连续式测量测力轮对，采用单周期双桥路正弦合成法，同时参与工作的有8个以上测试电桥，与振动加速度传感器、位移计、速度传感器同步进行数据采集。实时计算机采集分析系统。
2 GJ-4快速轨检车 采用惯性基准原理，应用半导体激光器和伺服跟踪控制技术测量轨距;陀螺传感器和加速度补偿技术测量高低、水平、轨向;配置车载双微机系统，实现实时采集与处理，自动完成数据合成。
3 轨道弹性检查车 采用两套相同弦长的弦作为临时过渡基线的方法，利用轮重差异准确测量出路桥过渡段、道口区、道岔轨道弹性变化梯度。
6. 综合联调试验研究
任何一个大的系统工程，最关键的环节就是系统的集成，它是通过综合联调试验实现的对系统集成技术的验证。中国铁路提速工程的系统集成技术包含着将上百项提速攻关项目的成果科学地综合集成起来，最终在繁忙干线上得到实际应用。因此，综合联调试验是六大攻关任务中最后、也是最复杂的一项。
提速的综合联调试验按三个步骤进行：重要部件或整车的试验室试验;铁科院东郊环行试验基地初步综合试验;最后是繁忙干线现场的大系统集成综合联调试验。
第一次综合联调试验于1995年9月16日～10月20日在上海—南京间沪宁线上进行，第二、三、四次在京秦线、沈山线、郑武线进行，最后一次于1998年6月1日～24日在郑武线郑州—漯河间进行，最高速度达到240km/h。如上所述总共进行了五次大规模综合联调试验，历时跨4个年度，内容包含了电力牵引与内燃牵引;旅客列车提速与重载货物列车提速。每次试验涉及线路、列车、信号、通信、安全监测、运输组织、牵引供电等铁路所有专业的试验人员及运营人员，多达上千人。由于在既有线上进行大规模综合试验，不能妨碍正常的运输秩序，而且地面、车上的测试点多达几十个，界面参数复杂，同步性要求高，试验方案难度大，测试数据量规模每次都在几亿个，还要确保安全，经检索其技术复杂性在国际同类试验中位居榜首。五次提速综合联调试验均取得完全成功，为全国铁路大提速的实现奠定了坚实的基础。
四、 中国铁路提速技术的创新性
提速技术的突破使中国既有铁路提速在国际铁路界具有很高知名度，提速后铁路重要技术经济指标获得提升。
(1) 在繁忙干线上既开行160km/h最高速度的提速列车，又开行了5000t以上重载列车，这在国际铁路界从无先例，是国际首创。
美国国家工程院院士，国际著名的铁路技术权威W·J·哈里斯博士在2002年1月访华时给予中国铁路提速高度评价：“中国铁路提速以后，目前在繁忙干线上既将旅客列车最高运营速度提高到160km/h，又同时开行5000t重载货物列车，这是国际铁路界的一项创举，居国际铁路的领先地位”。
(2) 提速前后全路客车平均旅行速度提高25%，重载列车全面开行，“速度、密度、重量”三要素共同提高，全路每营业公里的运量密度已达3045万吨公里，居世界首位。
日本海外铁道技术协力协会最高顾问、日本高速铁路设计负责人之一冈田宏博士在2002年访华时评论：“我们知道，用一个国家的铁路里程数除以人公里与吨公里之和，得出的便是运输密度，其中分子表示产出，分母代表生产手段的规模。运输密度如同人均GDP一样，最能体现铁路的生产效率。我们使用值得信赖的数据对世界100个国家的铁路运输密度进行了排名，结果是中国位居榜首”。
(3) 对于中国铁路，平均每一公里就有一个平交道口，在安全环境十分艰巨条件下，实现了提速安全管理和风险控制体系。大面积提速八年多来，没有发生过一起因提速而直接引发的行车事故，安全状况居国际前列。
五、 中国铁路提速的新阶段—第6次大提速
2006年10月中国铁路将实行第6次大提速，旅客列车最高运营速度将达到200km/h，5000t重载货物列车最高运营速度将达到100km/h以上。在主要既有干线上线路设备的强化及改造工作基本完成，京沪线、浙赣线、哈大线均已完成了电气化改造;200km/h动车组引进、试验、消化、国产化工作正在顺利进行。
