日本新干線車輛技術發(fā)展新趨勢及成果

為保證日本新干線的可持續(xù)發(fā)展，在進一步提高列車速度的同時繼續(xù)增強行車安全性和提高列車乘坐舒適度，并兼顧節(jié)能及降低維保費用的要求，日本鐵道綜合技術研究所（以下簡稱“鐵道綜研”）致力于針對各相關專業(yè)不斷進行新的技術開發(fā)。在車輛技術領域，其進行了諸如減小空氣阻力、減小隧道微氣壓波、縮短列車在地震時的制動距離、提高列車乘坐舒適度等方面的研究。本文從環(huán)保、制動、節(jié)能降耗、提高列車乘坐舒適度等方面，介紹鐵道綜研在車輛技術領域進行的最新研究及其成果。

1 環(huán)保技術

1.1 降低噪聲

新干線列車在運行過程中會發(fā)出不同種類的噪聲。通過分析現場采集的測試數據可知，在超過300 km/h的速度區(qū)間，由環(huán)繞在列車四周的高速運動氣流所產生的氣動噪聲會強于由輪軌接觸引發(fā)的輪軌滾動噪聲、輪軌沖擊噪聲等，而且在氣動噪聲中，轉向架和受電弓發(fā)出的氣動噪聲占比最高。

因此，鐵道綜研對上述2個部件進行了降低氣動噪聲的技術研發(fā)。對于轉向架，其開發(fā)了在轉向架前后方的車體底部加裝能夠強迫氣流改變方向向上流動的凸起擋板，將牽引電動機和驅動系統(tǒng)的安裝位置上移，將轉向架側部整流罩的下部邊緣向車體內側收口等多種方案。這些改進措施可以使250～2 000 Hz頻帶內的噪聲降低2 dB。針對受電弓，鐵道綜研也開發(fā)了多種方案，如可在降低氣動噪聲的同時提高受電弓升力特性的組合式流線形滑板托、可使滑板托轉向迎風面的滑板托架，以及使用多孔材質的受電弓上框架頂部整流罩等（圖1）。綜合采用這些改進措施可使受電弓的運行噪聲比目前降低2.7 dB。

圖1 降低受電弓氣動噪聲的措施

1.2 減小隧道微氣壓波

列車在高速進入隧道時會擠壓前方的空氣形成強壓縮波——激波，當激波傳播到隧道另一側出口，會向隧道外輻射脈沖樣的壓力波（即隧道微氣壓波），并在隧道出口附近產生爆破音，對附近的民居和建筑物產生不良影響。

改進列車車頭形狀是減小隧道微氣壓波的有效措施。為降低列車的氣動噪聲，新干線采用流線型車頭。目前使用的車頭設計是，車頭前端的截面積變化率較大，從中段開始，截面積變化率基本不變。然而，最新聲學理論研究成果表明，如果根據隧道斷面尺寸，把車頭做成截面積有多段變化的形狀，可進一步降低隧道微氣壓波?；谏鲜隼碚?，鐵道綜研通過進行流體力學數值分析，設計出可進一步降低隧道微氣壓波的三段式車頭，并確定了各段長度和斷面尺寸（圖2）。模型試驗結果表明：與目前使用的車頭相比，新車頭可使隧道微氣壓波的壓力峰值降低5%。

圖2 經過優(yōu)化的三段式車頭圖例

2 制動技術

2.1 風壓式制動夾鉗

盤式制動系統(tǒng)由制動盤、制動閘片、壓緊裝置構成。新干線列車的制動系統(tǒng)壓緊裝置由產生壓力的制動分泵和能夠承受制動力的閘片托組成，也稱為制動夾鉗。目前的新干線列車，除個別車型外，均采用液壓式制動夾鉗。其工作原理是，將制動指令以電氣指令的方式從駕駛臺傳送到制動控制器，由制動控制器據此調節(jié)制動風壓，然后在增壓缸內通過風壓-液壓轉換裝置將風壓轉換為液壓，從而驅動制動夾鉗動作。因此，如果能夠利用風壓直接驅動制動夾鉗動作，則可以省去所有液壓系統(tǒng)部件，從而使系統(tǒng)得以簡化，并減少維修保養(yǎng)工作量。為此，鐵道綜研將在既有傳統(tǒng)普速列車上已經成熟應用的、基于風壓控制的高性能防滑控制技術引入新干線列車，開發(fā)出了新干線用風壓式制動夾鉗（圖3）。這種新式制動夾鉗的特征是采用了驅動面積更大的橢圓形隔膜泵和簡單的活塞直驅結構，并提高了活塞的隔熱性能，以確保制動產生的高溫不會對隔膜泵產生不良影響。其尺寸和質量與目前使用的液壓式制動夾鉗相當，可互換。由于其省去了增壓缸和液壓系統(tǒng)，因此可使轉向架的質量減小60～100 kg?？梢灶A見，此項技術今后將會在新干線列車上廣泛應用。

圖3 風壓式制動夾鉗

2.2 提高盤式制動系統(tǒng)性能的技術

新干線列車的1個車輪上通常安裝2個制動盤，車輪內外側各1個，目前的制動盤由鍛鋼材料制作而成。為提高制動盤的耐熱性，鐵道綜研使用最新的激光熔覆技術將熔點更高的金屬熔覆在制動盤基材表面，從而形成熔覆層（圖4），并將這種工藝制作的制動盤安裝在盤式制動系統(tǒng)中進行臺架試驗。試驗結果證明，其適用于制動初速度為400 km/h的工況。

圖4 制動盤的熔覆層

2.3 空氣動力制動裝置

隨著新干線的逐步提速，為確保列車運行安全，要求列車在地震等緊急情況下，必須具備以與目前列車相同甚至更短的制動距離停車的能力，即使其運行速度高于目前列車。為保證列車在更高速度區(qū)間仍具備穩(wěn)定的緊急制動性能，鐵道綜研除不斷提高盤式制動系統(tǒng)的性能之外，還開發(fā)了利用空氣阻力進行制動的空氣動力制動裝置。該裝置由2個為1組的空氣制動板組成，可分散安裝在列車各車廂的車頂上。在制動時，內藏的執(zhí)行機構可推動空氣制動板張開，利用列車風在空氣制動板前后形成的空氣壓力差產生制動力。該裝置厚度為65 mm，質量為36 kg，外形小巧、輕薄，實現了輕量化。將該裝置安裝在列車車頂進行風洞試驗并分析試驗數據，結果表明，當安裝多套此裝置時，若采用左右交錯安裝的方式，可產生更大的阻力（圖5）。

圖5 空氣動力制動裝置交錯安裝時的氣流流場分析

2.4 線性軌道渦流制動

線性軌道渦流制動的原理是，利用列車轉向架上安裝的電磁鐵在通電時形成的直流磁場在軌道中感應出渦流，從而產生電磁吸力作為制動力（圖6）。這種制動方式的缺點在于：①停電時不能使用；②制動時，列車動能會轉化為熱能，導致軌道溫升。因此，新干線線路目前未采用這種制動方式。為解決上述問題，鐵道綜研開發(fā)了使線性軌道渦流制動裝置利用列車行駛的動能進行自發(fā)電，從而實現線性軌道渦流制動的技術方案。如此，即使停電也可以使用這種制動方式，而且軌道溫升的影響也得以減弱。

圖6 線性軌道渦流制動原理

3 節(jié)能降耗技術

對于高速運行的新干線列車而言，最大的運行阻力是空氣阻力。為進一步降低列車運行能耗，必須致力于減小空氣阻力。新干線列車通常采用較大編組，車頭和車尾為流線型設計，大部分空氣阻力由中間車輛產生。因此，使列車各部分車體表面平滑可有效減小空氣阻力。為此，鐵道綜研開發(fā)了在車廂連接處設置外幌（即車廂連接處外表面覆蓋裝置）并使其覆蓋車頂、在轉向架側部設置整流罩等方案。目前，這些方案已應用于新干線列車上，實踐證明，其可在降低車外噪聲的同時，減小空氣阻力。

為實現今后進一步的列車提速，鐵道綜研還在上述方案的基礎上探索能夠進一步減小空氣阻力的方法，即延長外幌至車廂下部，以實現全周覆蓋（圖7），并且在轉向架底部也設置整流罩。通過風洞試驗驗證，將外幌延長至車廂下部可使中間車廂的空氣阻力減小約20%；轉向架底部整流罩的減阻效果則隨著整流罩覆蓋面積擴大而增強，當其覆蓋轉向架底部的面積達到25%時，中間車廂的空氣阻力可減小約10%。

圖7 外幌的改進

4 提高列車乘坐舒適度技術

4.1 乘坐舒適度評價

列車乘坐舒適度通過乘客在列車運行過程中所感受到的列車振動來評價，通常振動越小，乘坐舒適度越高。然而，由于人體對于不同頻率振動的感知能力存在差異，因此將列車振動頻率控制在人體易感知的范圍之外，便可提高列車的乘坐舒適度。新干線和其他線路列車廣泛采用的乘坐舒適度評估標準是，根據人體對不同頻率敏感度的差異，對測得的運行中列車的振動加速度進行加權后，再展開評估。這套評估標準從舊國鐵時代便開始使用，然而近年來隨著列車的提速，乘客的實際乘車感覺與根據原定標準所得到的評估結果發(fā)生了偏離。為此，鐵道綜研根據乘客的實際乘車感覺對原評估標準進行了重新核定，發(fā)現其對高頻因素設定的加權值過小，因此對該值進行了修正，以使乘坐舒適度評價標準與人體實際感覺相符。

此外，鐵道綜研還開發(fā)了列車乘坐舒適度一體化信息系統(tǒng)（圖8），作為列車乘坐舒適度評價管理的輔助支持。這套系統(tǒng)可將乘坐舒適度按照時間或距離表示出來，并同時顯示相關的車輛、線路數據等信息，提高列車乘坐舒適度評價管理水平。

圖8 列車乘坐舒適度一體化信息系統(tǒng)界面

4.2 提高乘坐舒適度措施

自20世紀90年代起，日本開始實施一系列車輛減重措施，新干線列車的最高運營速度也隨之分階段地提高到300 km/h。由此產生的因軌道長波不平順以及隧道內氣流紊亂所導致的車體搖晃加劇，從而引起列車乘坐舒適度惡化。為此，鐵道綜研研發(fā)了可根據車輛振動狀態(tài)調節(jié)液壓減振器阻尼系數的半有源懸掛減振系統(tǒng)，以及可主動產生力以抵消振動的有源懸掛減振系統(tǒng)，這些系統(tǒng)目前已在新干線列車上得以應用。

目前，橫向振動控制裝置在新干線列車上已經是標準裝備。而在垂向振動控制方面，鐵道綜研將可變阻尼軸箱減振器、與空氣彈簧并列的可變阻尼垂向減振器及垂向電磁促動器3個裝置組合在一起，構成了垂向振動控制系統(tǒng)（圖9）。為抑制振動從轉向架經牽引拉桿和抗蛇行減振器向車體傳遞，鐵道綜研目前正在研發(fā)可抑制振動傳遞的緩沖橡膠堆。此外，針對主動式質量減振器（可減小車體局部振動）的開發(fā)也在進行中。

圖9 垂向振動控制系統(tǒng)