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铁道机车车辆轮轨的摩擦磨损与节能降耗摘要:阐述了铁道机车车辆轮轨摩擦磨损的现状;研究了内燃机车车轮、闸瓦和钢轨的消耗数量及相应的维修费用;指出了采用适当的新技术之后，在节能降耗方面会产生显著的经济效益。关键词:车轮;轮缘;钢轨;摩擦磨损;铁道机车车辆;节能;降耗 众所周知，铁路运输是基于轮轨相互作用产生的黏着牵引力和黏着制动力以实现列车运行的，轮轨间因摩擦磨损在铁路运输中消耗的能量和能源很多，耗资也很大。随着铁路运输向高速、重载发展，因摩擦磨损所致的事故风险也在增加。轮轨接触面形成的各种损伤，不但缩短了轮轨的使用寿命，在严重磨损后还会导致轮对和钢轨失效，危及行车安全。在这方面，即使在高速铁路成功应用的国家，也曾付出过惨重代价。例如:1998年，由于轮轴的疲劳断裂而导致德国ICE高速列车脱轨，造成101人死亡，84人重伤，直接经济损失约2亿马克。与此同时，合理利用资源，实行节能降耗，是我国的一项基本战略决策。为了节约能源，降低铁路运输成本和机车车辆的制造与修理费用，对机车车辆轮轨的摩擦磨损状况，需引起高度的重视。应当采取相应的技术措施，努力将这种磨损造成的损失降低到最小程度，以达到降耗增效的目的。1 铁路钢轨的磨耗据铁路工务部门统计，我国铁路有20%~30%的路段钢轨磨损率大于国外严重磨损率指标，有60%的曲线段钢轨因波磨造成严重损伤。摩擦磨损带来的损失很大。1 钢轨损伤的形态铁路轮轨作用关系复杂，钢轨磨耗损伤的形态主要有钢轨的压溃、侧磨、波磨、剥离等，这些占钢轨总损伤量的80%以上。随着铁路机车车辆的重载与高速化，轮轨间的摩擦磨损也日趋严重，如钢轨的压溃与波磨迅速增长，且发生较为普遍(参见图1)。2 钢轨的年消耗量据资料记载:“十五”期间，我国铁路钢轨用材每年基本维持在110万t左右，除新线建设之外，其中用于既有线路大修和维修消耗的钢材约为70~80万t/年。据铁道部安检司调查，2003年因钢轨损伤而更换所需的材料及人工费用约为50亿元。其中，因钢轨压溃、侧磨、波磨等导致的损伤，占钢轨总损伤量的80%以上，即40亿元左右。2 机车车辆车轮的磨损车轮是铁路机车车辆的重要走行部件。在列车运行中，车轮滚动会使车轮踏面和轮缘发生磨耗，而车轮在钢轨上滑动也会造成踏面损伤。1 车轮损伤的形态据失效分析统计，铁道机车车辆车轮损伤的主要类型有轮缘磨耗、轮辋疲劳裂纹、热损伤、车轮踏面剥离和崩裂等(参见表1和图2)。因磨耗造成车轮部件失效的主要原因是轮轨接触应力集中、制动热应力疲劳、累积塑性流动变形、夹杂物应力集中、内部缺陷应力集中等。2 车轮的消耗目前，我国铁路机车、客车和货车约有500万个车轮在运营中。这里所讲的车轮消耗，主要是指磨损后车轮的维修和更换以2006年为例，全路的机车、客车和货车就消耗新轮63·1万只，平均以0·5万元/只计算，所需费用约为31·55亿元。在为完成中国工程院下达的“摩擦磨损与工程应用咨询项目”时，笔者曾于2006年11月赴北京铁路局丰台机务段进行过“铁路机车车辆关键零部件摩擦磨损”的现场调研。从丰台机务段调查了解到:以DF4型机车为例，由于车轮维修或全部更换，该段平均每台机车每年所需人工费和材料费分别为3·3万元和42·4万元，这尚不包括因修理或更换时机车的停运损失。有关该段DF4型机车的旋轮与换轮费用参见表2和表3;若按2005年全路机车保有量17 500台推算，仅机车车轮的维修费用就近5·8亿元。3 制动闸瓦的消耗在机车车辆制动系统的摩擦制动中，主要有踏面闸瓦制动和盘形制动。我国目前除新造的提速客车和厂修改造的25型客车采用盘形制动外，其他的机车车辆都是采用踏面制动，这对车轮的磨耗是比较严重的。铸铁闸瓦相比合成闸瓦，可以获得较高的黏着系数且摩擦系数稳定，但是磨耗快，成本较高。以丰台机务段DF4、DF4D型机车为例，在1个大修期内，每台DF4型机车需更换闸瓦8次，DF4D型机车需更换闸瓦10次。因此，每台机车的换瓦费用分别为1·2万元和1·5万元。按该段现有DF4型机车35台和DF4D型机车23台计算，这些机车在1个大修期内换瓦的总费用为76·5万3 降低轮轨磨耗的技术措施我国《铁路节能技术政策》第11·1条指出:“应注意抗磨减阻材料的推广使用。在全世界生产的能量中，约有30%~40%的能量是消耗在与摩擦有关的场合;我国与摩擦有关的能源消耗约占1/3 ~1/2。任何减轻摩擦、降低磨损的措施，都会直接或间接地节约能源。”针对目前机车车辆轮轨摩擦磨损严重、修理费用高的现象，如果进一步推广应用淬火钢轨、轨面打磨、磨耗型车轮、径向转向架和安装轮轨润滑装置等现有的成熟技术，不但可以明显改善轮轨摩擦磨损的现状，而且可以节约能源和原材料，大大降低消耗，取得显著的经济效益。1 采用淬火钢轨与维护钢轨波磨问题是轮轨相互作用过程中极其复杂的系统问题，根据不同的线路或区段，合理地选择钢轨，有助于预防钢轨的波磨。例如:淬火钢轨就很少发生波磨，因为它有较高的强度和硬度。因此，建议在轨道波磨区段采用屈服强度较高的钢轨。此外，轨面打磨也是主要防护手段，轨面打磨可减小车体的振动和车轮对钢轨冲击力所造成的磨损。实践表明，它可延长波磨轨寿命50%以上。从调查得知，若采用淬火钢轨、侧面涂油和适时的钢轨打磨等技术，仅钢轨材料一项每年就可节约费用20亿元左右，因减磨而节约的能耗费用也是很大的。2 采用磨耗型车轮踏面车轮磨损失效的形式主要有踏面磨耗到限和轮缘磨耗到限。铁道部对机车车辆车轮踏面的使用与维修都有相应的标准，如《DF4型内燃机车段修规程》第3·11·6·8条中规定:踏面磨耗深度不大于7 mm;而采用轮缘高度为25 mm的磨耗型踏面时，踏面磨耗深度不大于10 mm。磨耗达到或超过这些标准，就会危及行车安全。早期的车轮踏面为锥型踏面。锥型踏面在使用初期磨损很快，当磨损到一定程度后，磨损速率开始减缓，踏面形状趋于稳定。通过长期观察和试验发现，如果在车轮踏面设计时就采用磨耗型的车轮踏面廓形，可有效地减轻轮轨接触应力，迅速降低轮轨磨耗，有效延长轮轨使用寿命。四方车辆研究所在对北京、广州、济南等铁路局的机车车轮外形轮廓实测的基础上，设计了小半径曲线区段使用的JM磨耗型车轮踏面。长期的运用结果表明，应用该外形设计后，与原锥型踏面车轮相比，轮缘减磨可达30%~70%一些铁路局根据各自所管辖线路的特点，也分别研制了多种形式的车轮踏面。如上海铁路局研发的ST系列磨耗型踏面，就取得了很好的减磨效果(参见表5)。表5 上海铁路局DF11型0072号机车车轮磨耗数据对比由表5可知，采用ST-2型踏面后，机车每万公里的轮缘磨耗率从0·304 mm降至0·190 mm，降低了38%，车轮踏面剥离的故障也明显减少。据有关资料分析:机车车辆若采用磨耗型车轮踏面，每台机车每年可节约费用1·5万元。3 采用径向转向架传统的机车转向架，因传递牵引力和保证直线上走行性能的需要，各轴基本上是被约束成相互平行的。在通过曲线时，这种刚性定位的轮对与钢轨之间会形成明显的冲角，从而使轮、轨都产生严重的磨耗。曲线半径越小，磨耗越严重。为降低轮、轨的磨耗，近年来国内外开展了机车径向转向架研究，并取得了很好的效果。两种不同转向架通过曲线时的运行示意图见图3。 再举几个例子，以说明装用径向转向架后轮缘的磨耗情况。戚墅堰机车有限公司生产的首台装用径向转向架的DF8B型7001号机车，在上海铁路局进行的线路运用考核结果表明:与同轴重、装有传统转向架且带轮轨润滑装置的DF8B型机车相比，前者的轮缘磨耗仅为16%。【下转第8页】【上接第4页】 资阳机车有限公司对径向转向架机车与传统转向架机车在曲线上的冲角也进行了对比测试。测试结果表明:仅就径向转向架冲角减少的程度而言，轮缘磨耗至少降低了45%。大连机车车辆有限公司生产的DF4D型径向转向架机车，在柳州至怀化区段的客、货运牵引数据表明，与装用传统转向架相比，机车车轮的轮缘磨耗下降了74%。据有关资料分析:若采用径向转向架技术，每台机车每年可节约费用5·8万元。4 安装轮轨润滑装置润滑对减磨起着十分重要的作用。我国《铁路节能技术政策》第3·6条强调指出:“内燃机车和电力机车要加装新型轮轨自动润滑装置，减少磨耗和阻力，降低机车能耗。”以丰台机务段为例，安装轮轨自动润滑装置取得了较好的效果。该段有118台机车在安装了铁道科学研究院研制的华宝2号轮轨润滑装置后，使每台机车的旋轮公里数由10万km延长至18万km，车轮寿命由30万km延长至80万km。除机车因车轮寿命延长产生的巨大社会效益和经济效益之外，每台机车每年可节省旋轮(或换轮)费用1万元。丰台机务段的118台机车，每年可直接节省旋轮(或换轮)费用118万元。按全路17 500台机车推算，每年可直接节省旋轮(或换轮)费用1·75亿元。其投入产出比为1∶20。事实说明:通过安装轮轨自动润滑装置，对轮轨进行润滑后，不但可以减缓轮缘的磨耗，而且经济效益十分可观。4 结语综上所述，在铁路运输中，机车车辆轮轨的摩擦磨损已成为相当严重的问题。大量的钢轨与车轮磨损，不但增加了材料的消耗，提高了修理成本而且降低了运输的效率，增加了能源的消耗。为此提出以下建议。(1)从设计、制造到运输、修理，所有与此相关的人员，对机车车辆轮轨的摩擦磨损状况，都应当高度重视，并采取相应的对策。(2)对目前已被证实具有良好减磨效果的措施，应进一步加大推广应用力度。例如:对钢轨进行适当的热处理和打磨，开发新型闸瓦，扩大磨耗型踏面车轮、径向转向架和轮轨润滑装置的装车应用等。(3)在今后的技术引进或产品自主创新的研发中，应更加重视对产品的摩擦副及磨损件标准的研究。与此同时，应寻求和开发更适应轮轨摩擦副的新材料、新技术、新工艺，以延长关键摩擦磨损件的使用寿命，进而达到节能、降耗和增效的目的。 
楼主的要求不太现实呵~~15000到16000之间？ 百度里回答的字数是9999个。怎么可能答的完？ 这样，我倒是找到了一点： 内燃机车介绍及其发展史 内燃机车（diesel locomotive）以内燃机作为原动力，通过传动装置驱动车轮的机车。根据机车上内燃机的种类，可分为柴油机车和燃气轮机车。由于燃气轮机车的效率低于柴油机车以及耐高温材料成本高、噪声大等原因，所以其发展落后于柴油机车。在中国，内燃机车的概念习惯上指的是柴油机。 发展 20世纪初，国外开始探索试制内燃机车。1924年，苏联制成一台电力传动内燃机车，并交付铁路便用。同年，德国用柴油机和空压缩机配接，利用柴油机排气余热加热压缩空气代替蒸汽，将蒸汽机车改装成为空气传动内燃机车。1925年，美国将一台220 kW电传动内燃机车投入运用，从事调车作业。30年代，内燃机车进入试用阶段，直流电力传动液力变扭器等广泛采用，并开始在内燃机车上采用液力耦合器和液力变扭器等热力传动装置的元件，但内燃机车仍以调车机车为主。30年代后期，出现了一些由功率为900～1 000 kW单节机车多节连挂的干线客运内燃机车。 第二次世界大战以后，因柴油机的性能和制造技术迅速提高，内燃机车多数配装了废气涡轮增压系统，功率比战前提高约50%，配置直流电力传动装置和液力传动装置的内燃机车的发展加快了，到了20世纪50年代，内燃机车数量急骤增长。60年代期，大功率硅整流器研制成功，并应用于机车制进，出现了交—直流电力传动的2 940 kw内燃机车。在70年代，单柴油机内燃机车功率已达到4 410kW。随着电子技术的发展，联邦德国在1971年试制出1 840 kW的交一直一交电力传动内燃机车，从而为内燃机车和电力机车的技术发展提供了新的途径。内燃机车随后的发展，表现为在提高机车的可靠性、耐久性和经济性，以及防止污染、降低噪声等方面不断取得新的进展。 中国从1958年开始制造内燃机车，先后有东风型等3 种型号机车最早投入批量生产。1969年后相继批量生产了东风4等15种新机型，同第一代内燃机车相比较，在功率、结构、柴油机热效率和传动装置效率上，都有显著提高；而且还分别增设了电阻制或液力制动和液力换向、机车各系统保护和故障诊断显示、微机控制的功能；采用了承载式车体、静液压驱动等一系列新技术；机车可靠性和使用寿命方面，性能有很大提高。东风11客运机车的速度达到了160 km/h。在生产内燃机车的同时，中国还先后从罗马尼亚、法国、美国、德国等国家进口了不同数量的内燃机车，随着铁路高速化和重载化进程的加快，正在进一步研究设计、开发与之相适应的内燃机车。 分类 按用途可分客运、货运、调车内燃机车。接走行部形式分为车架式和转向架式内燃车。 按传动方式分为机械传动、液力传动、电力传动内燃机车。现代机车多采用电力和液力传动。电力传动又可分为直流电力传动和交—直流电力传动和交—直—交电力传动内燃机车。 基本结构 内燃机车由柴油机、传动装置、辅助装置、车体走行部（包括车架、车体、转向架等）、制动装置和控制设备等组成。 柴油机 内燃机车的动力装置，又称压燃式内燃机。主要结构特点包括汽缸数、汽缸排列形式、汽缸直径、活塞冲程、增压与否等。现代机车用的柴油机都配装废气涡轮增压器，以利用柴油机废气推动涡轮压气机，把提高了压力的空气经中间冷却器冷却后送入柴油机进气管，从而大幅度提高了柴油机功率和热效率。柴油机工作有四冲程和二冲程两种方式，同等转速的四冲程机的热效率一般高于二冲程，所以大部分采用四冲程。从转速来看，分为高速机（1 500 r/min左右）、中速机（1 000 r/min）和低速机（中速机转速以下）。为满足各种功率的需要，生产有相同汽缸直径和活塞的各种缸数的产品。功率较小用6缸、8缸直列或8缸V型，功率较大用12、16、18和20缸V型，其中以12、16缸的最为常用。 传动装置 为使柴油机的功率传到动轴上能符合机车牵引要求而在两者之间设置的媒介装置。柴油机扭矩—转速特性和机车牵引力—速度特性完全不同，不能用柴油机来直接驱动机车动轮：柴油机有一个最低转速，低于这个转速就不能工作，柴油机因此无法启动机车；柴油机功率基本上与转速成正比，只有在最高转速下才能达到最大功率值，而机车运行的速度经常变化，使柴油机功率得不到充分利用；柴油机不能逆转，机车也就无法换向。所以，内燃机车必须加装传动装置来满足机车牵引要求。常用的传动方式有机械传动、液力传动和电力传动。①机械传动装置是由离合器、齿轮变速箱、轴减速箱等组成的。因其功率受到限制，在铁路内燃机车中不再采用。②液力传动装置主要由液力传动箱、车轴齿轮箱、万向轴等组成。液力变扭器（又称变矩器）是液力传动机车最重要的传动元件，由泵轮、涡轮、导向轮组成。泵轮和柴油机曲轴相连，泵轮叶片带动工作液体使其获得能量，并在涡轮叶片流道内流动中将能量传给涡轮叶片，由涡轮轴输出机械能做功，通过万向轴、车轴齿轮箱将柴油机功率传给机车动轮；工作液体从涡轮叶片流出后，经导向轮叶片的引导，又重新返回泵轮。液力传动机车（图2）操纵简单、可靠，特别适用于多风沙和多雨的地带。③电力传动分为三种：（a）直流电力传动装置。牵引发电机和电动机均为直流电机，发动机带动直流牵引发电机，将直流电直接供各牵引直流电动机驱动机车动轮。（b）交—直流电力传动装置。发动机带动三相交流同步发电机，发出的三相交流电经过大功率半导体整流装置变为直流电，供给直流牵引电动机驱动机车动轮。（c）变—直—交流电力传动装置。发动机带动三相同步交流牵引发电机，发出的直流通过整流器到达直流中间回路，中间回路中恒定的直流电压通过逆变器调节其振幅和频率，再将直流电逆变成三相变频调压交流电压，并供给三相异步牵引电动机驱动机车动轮。电力传动机车的应用最为广泛。 车体走行部 包括车架、车体、转向架等基础部件。①车架是机车的骨干，安装动力机、车体、弹簧装置的基础。车架为一矩形钢结构，由中梁、侧梁、枕梁、横梁等主要部分组成，上面安装有柴油机、传动装置、辅助装置和车体（包括司机室），下面由两个转向架支撑并与车架相连，车架中梁前后两端的中下部装设车钩、缓冲装置。车架承受荷载最大，并传递牵引力使列车运行，因此，车架必须有足够的强度和刚度。②车体是车架上部的外壳，起保护机车上的人员和机器设备不受风、沙、雨雪的侵袭和防寒作用。按其承受载荷情况，分为整体承载式和非整体承车体；按其外形分为罩式和棚式车体。③转向架是机车的走行装置，又称台车。由构架、旁承、轴箱、轮对、车轴齿轮箱（电力传动时包括牵引电机）、弹簧、减振器、均衡梁，以及同车架的连结装置、基础制动装置等主要部件组成。其作用是承载车架及其上面装置的重量，传递牵引力，帮助机车平衡运行和顺利通过曲线。内燃机车一般为具有两个2 轴或3 轴的转向架。 辅助装置 用来保证柴油机、传动装置、走行部、制动装置和控制调节设备等正常工作的装置。主要设备包括：燃油系统——保证给柴油机供应燃油的设备及管路系统；冷却系统——保证柴油机和液力传动装置能够正常工作的冷却设备和管路系统；机油管路系统——给柴油机正常润滑的设备及管路系统；空气滤清器——过滤空气中灰尘等赃物的装置；压缩空气系统——供给列车的空气制动装置、砂箱、空气笛及其他设备压缩空气的系统；辅助电气设备——蓄电池组、直流辅助发电机、柴油机起动电机等。 制动设备 内燃机车都装有一套空气制动机和手制动机。此外，多数电力传动机车增设电阻制动装选，液力传动机车装有液力制动装置。 控制设备 控制机车速度、行驶方向和停车的的设备。主要有机车速度控制器、换向控制器、自动控制阀和辅助制动阀。操纵台上的监视表和警告信号装置有：空气、水、油等压力表，主要部位温度表，电流表、电压表，主要部位超温、超压或压力不足等音响和显示警告信号。为了保证安全，便于操作，内燃机车上还装设有机车信号和自动停车装置。 工作原理 燃料在汽缸内燃烧，所产生的高温高压气体在汽缸内膨胀，推动活塞往复运动，连杆带动曲轴旋转对外做功，燃料的热能转化为机械功。柴油机发出的动力传输给传动装置，通过对柴油机、传动装置的控制和调节，将适应机车运行工况的输出转速和转矩送到每个车轴齿轮箱驱动动轮，动轮产生的轮周牵引力传递到车架，由车架端部的车钩变为挽钩牵引力来拖动或推送车辆。 据报载，从1992年6月1日起，北京铁路分局结束了使用蒸汽机车牵引客车的历史，改用内 燃机车，以提高列车的速度和正点率。 人们在使用蒸汽机车的过程中发现，这种机车的一个致 命弱点是它的锅炉既大又重，严重影响了它的发展前途。在锅炉里，用煤将水加热成蒸汽，再通入汽 缸里，从而推动机车前进。有人设想，如果将这种笨重的锅炉去掉，使燃料直接在汽缸内燃烧，用所 产生的气体来推动车轮旋转，就可以克服蒸汽机车的主要缺点。于是，一些科学家便开始进行研究试 验。 1866年，德国人奥托首先制成了一种燃烧煤气的新型发动机。这种发动机和蒸汽机在汽缸 外面的锅炉里燃烧燃料不同，它是在汽缸内点燃煤气的，然后利用气体的压力推动活塞，从而使曲轴 旋转。因此，就给它起了个形象的名字，叫做“内燃机”。内燃机的出现，为火车的进一步发展带来 了生机。 后来到了1894年，德国就制造出世界上第一台内燃机车。这种没有大锅炉的新机车， 既不烧煤，也不烧煤气，而是用柴油作燃料。它所用的柴油机是德国人鲁道夫·狄塞尔发明的。从此 ，内燃机车就成了火车家族中的一位重要成员，并得到了广泛的应用。 内燃机车虽然出世较晚 ，但它后来居上，比火车家族中的大哥哥蒸汽机车的本领高强，受到人们的重视。它的突出优点是： 速度快。内燃机车起动迅速，加速又快。通常，蒸汽机车的最大时速为110公里，而内燃机车 的最大时速可达180公里，使铁路通过能力提高25%以上。 马力大。蒸汽机车的功率一般为 3000马力左右，而内燃机车可以达到4000～5000马力，因而运载量就多。 能较好地利用燃料 的热能。蒸汽机车的热效率一般仅为7%左右，而内燃机车可达到28%左右，提高了4倍，从而节省了大 量的燃料。 适合缺水地区使用。蒸汽机车是个用水“大王”，一列火车平均每行驶10公里， 就得消耗水3～4吨。通过干旱的缺水地区，火车就需要自带用水。据统计，在缺水地区运行一列火车 ，如果有10节车厢，其中有3节车厢是用来装水的。而内燃机车用来冷却的水仅需要几百公斤，供循 环使用，内燃机车上一次水，可连续行驶1000公里，因而它被人们誉为“铁骆驼”。 司机驾 驶操作方便。内燃机的司机不需要像蒸汽机车那样加煤加水，而且驾驶室内明亮宽敞，司机操作时视 野开阔，既方便又安全。 有的人可能认为内燃机车和汽车都是使用的内燃机，两者的结构原理 应是相同的。其实，它们是不完全一样的。汽车是利用内燃机产生的动力直接推动车轮转动，而内燃 机车则是先通过内燃机带动发电机产生电能，再用电能使电动机旋转，从而驱动机车前进。所以，通 常也将内燃机车称做“电传动内燃机车”。 内燃机车出世后，以其明显的优势很快就压倒了蒸 汽机车。特别是第二次世界大战结束后，由于内燃机车所用的燃料——石油价格较低，能大量供应， 因而有力地促进了内燃机车的发展。一些国家如美国、日本、法国、加拿大等国都用继制成了内燃机 车，并且在10年左右的时间内实现了铁路机车内燃化，使内燃机车得到了较广泛的使用。 我国 于1958年研制成了第一台内燃机车。到1969年，已制造出4000马力的大功率内燃机车，如“东风型” 、“东方红型”和“北京型”内燃机车等。现在，我国在许多铁路线上已有各种类型的内燃机车牵引 着长长的列车在驰骋着，一些主要干线的直达客车基本上实现了内燃机车牵引。 内燃机车除了 通常使用的电传动内燃机车外，还有液力传动内燃机车和适用于寒冷缺水地区的燃气轮机车。 液力传动内燃机车是将内燃机产生的动力，通过液力变速箱、万向轴、车轴齿轮箱等设备，使车轮转 动，从而带动车辆前进。早期的液力传动内燃机车，采用类似于蒸汽机车的连杆驱动。 燃气轮 机车是现代化内燃机车的一种。这种机车的内燃机与喷气式飞机的原理相同。它比一般内燃机车的马 力大，振动小，结构简单，行驶安全可靠，而且容易制造。世界上第一台燃气轮机车是1941年在瑞士 制成的。由于它特别适用于高寒、缺水地区使用，近年来发展很快。法国已研制成并投人使用第二代 和第三代燃气轮机车，其中第二代燃气轮机车的最高时速就已达到260公里。目前，燃气轮机车已成 为引人注目的现代化机车的一个
