转：新干线高速列车技术特征

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日本新干线高速列车自1964年开发东海道新干线0系列车以来，已经历了30余年。目前已研制并正常投入运行的新干线高速列车有:东海道和山阳新干线的0系、100(100N)系和300系等;上越、东北(山形)新干线的200系、400系、El、E2和E3系。
   日本的新干线高速列车具有编组大、定员多、列车到发对数多、轴重轻、起动加速度大、车辆结构轻量化、内装模块化、高速转向架运行品质良好、ATC自动控制技术现代化、列车正点率高等众多特点。

   日本目前正在加紧开发21世纪高速运行的新干线列车:WIN350(500系)、STARZ1、300X等列车。

   1、客车结构轻量化

   日本特别关注高速列车客车结构的轻量化，在保证客车15年使用寿命和客车结构承受各种载荷工况下(特别是在隧道内气压交变工况下)，实现客车结构的轻量化具有如下意义:

   (1)减少列车运行阻力;
   (2)降低列车牵引功率;
   (3)改善环保、减少沿线路基的振动、降低噪声。日本新干线高速列车实现了客车结构的轻量化。由于轴重的下降，减少了列车运行时沿线路基的振动，同时也降低了轮轨之间的噪声，从而改善了环保;
   (4)有利于改善列车的运行品质。

   日本高速列车结构轻量化措施如下。

   日本各制造厂商为了减轻客车的自重，在200系、300系、400系、300X系等各型列车中，均广泛采用铝合金制造客车车体。

   铝合金具有良好的塑性，挤压成型容易，可以根据车体结构优化设计的要求，挤出各种复杂形状的铝型材，其宽度可达60Omm~800mm，长度可达30m，特别是大型中空挤压铝型材的应用，可大幅度减少焊接工作量，简化车辆的制造工艺。

   铝合金车体的重量可大幅度下降，有利于实现客车结构轻量化。

   铝合金具有良好的耐腐蚀性，从而延长了客车的使用寿命，减轻了检修工作量。

   目前日本采用铝合金制造车体结构大体上有以下几种方案:



   (1)大型中空挤压铝型材焊接结构该结构采用A6N0l挤压成型的大型中空型材，其长度为30m，宽度为535mm，厚度为8Omm，构件板厚:外包板1.5mm、筋为1.gmm。



   (2)采用锡焊的铝蜂窝铝合金车体结构该结构采用总厚为3Omm的铝合金蜂窝结构，其内外包板分别为0.8mm(1.0mm)，铝蜂窝采用0.2mm的铝膜制成，其材质为A6951/4004。该蜂窝结构的车体，具有较高的刚度、轻量化、低噪声等特点。



   (3)采用航空骨架式铝合金车体结构该结构采用A2024(厚 1.2mm)的外板和A7057的梁柱，所组成的全部铆接结构，其铆接接点大约有130000个~150000个。

   采用铝合金制的车体结构较钢制车体可减重约30%~40%，而双层客车更为显著，约减重5t。

   下表所示为日本各系列客车车体结构的重量对比。



   日本新干线采用铝合金制造客车车体结构，选用的铝合金大体上有:Al一Mg系合金、Al一Mg一Si系合金，Al一Zn一Mg系合金，如日本的东北、上越新干线选用了 5083、7003等牌号的铝合金。

   下面仅以日本的300系新干线为例，简单介绍其铝合金车体结构和制造工艺。



   日本300系的车体结构采用大型挤压铝型材的焊接结构，型材宽度取挤压设备的最大宽度，一般选为70Omm~80Omm，其长度与车体相当，从而减少了零部件的数量。在构件组焊时，型材纵向并排拼接，从车辆内侧连续焊接成型，侧柱采用角缝焊接。在上述型材的车厢内侧以适当的间隔设置加强筋，构成悬浮结构，这种结构可有效地控制车体结构外表面的焊接变形。此外加强筋与侧柱间焊接，仅在车内侧施焊，其结构如图所示。

   日本为了保证加工精度及焊接质量，采用了专用的铝合金型材自动加工装置和加强筋全自动焊接装置。



   铝合金车体的各种型材根据设计图纸的要求，在铝合金型材全自动加工装置上，进行型材的各种切割、钻孔、铣切加强筋，并开设缺口等多功能的综合机械加工。全长为 25m的工件可在全自动加工装置上一次装卡，加工完成。

   各部件(指车顶、侧墙、底架)的组焊均在全自动焊机上完成，沿车长方向的挤压型材间的单面对接采用连续自动焊接方式进行，全车总长约有550m焊缝，而在挤压型材的加强筋与侧柱(或弯梁)的结合处均在机械加工时，预留缺口，然后与加强筋之间施用角焊，每段约为20 mm，全车约为6300处，均采用微机控制的全自动焊机焊接。个别焊接不良处可施行人工补焊。

   为了确保整个铝合金车体结构的精度，减少焊接变形，总组装工艺为:侧墙1+端墙甘侧墙z+车顶+底架，其中车顶、侧墙、端墙组焊一体后吊至另一台位，直接组焊在底架上。

   日本的新干线高速列车在采用铝合金车体，保证客车的使用寿命时考虑到:车体结构本身的疲劳、腐蚀和磨耗;车辆的法定折旧年数和寿命周期成本;随着社会经济的发展，客车运行速度的提高;客运服务水准的提高;运用条件的变化以及技术进步的需要。综合上述多种因素，日本新干线客车的使用寿命选为15年，符合日本的特殊国情，在这方面可能与西欧高速列车有所区别。

   日本新干线高速列车铝合金车体结构轻量化设计时，仍遵循日本的J15105一1989的有关规定(即车体结构的设计计算和试验的载荷标准)。

   (1)垂直载荷试验  (车体重量十最多乘车人员重量)Xa-(车体结构重量十试验器材重量)试验。式中  车体重量指(客车运行状态下重量-转向架重量);乘车人员的重量均按6Okg计;a为上下振动加速度系数:枕簧为钢螺旋簧者，取 1.3;枕簧为空气弹簧者，取1.1。

   (2)纵向载荷工况  纵向载荷工况由纵向压缩载荷十垂直载荷作用下叠加在一起。纵向压缩载荷按
0.98MN(100t)计。垂直载荷为车体重量(空车)一(车体结构重量十试验器材重量)。

   (3)扭转试验载荷按 0.39 MN.m(4t.m)计。

   (4)三点支承载荷试验(相当于顶车试验)    按车体重量(空车)一(车体结构重量十试验器材重量)试验。

   (5)气密强度试验  气密强度试验压力(Pa)

   日本新干线高速列车进行气密性试验时，试验压力按7.35kPa进行交替变化试验，以验证车体结构的疲劳强度，气密疲劳试验在装置内进行。

   试验过程中，被测试客车被推入主体槽后加关密封盖封死，密封盖上留有人孔，试验时试验人员可进入客车内进行观察，可通过减压槽、加压槽对主体槽与客车外壳之间的空间加减压，从而进行车体的耐压(密封)疲劳试验。此时被测试车为密闭的，而与车内仍保持一定的正压。

   试验持续3个月，折合15000万次，相当于新干线客车的受交变载荷的使用寿命，从而测定铝合金车体是否出现疲劳裂纹，应力是否在许可的范围内。

   1.2   轻量化设计的高速转向架

   日本新干线高速列车转向架采用了广泛的轻量化措施，如300系轻量化转向架的重量仅为6.6t，较 0系的转向架减轻3.5t，较100系的转向架减轻了3.2t。

   下面详述300系高速列车转向架的轻量化措施。



   (1)转向架采用无摇枕结构，由中央空气弹簧直接支承车体重量，而采用中心销和连杆仅起纵向牵引作用。

   (2)转向架构架为H型钢板焊接结构，取消了其端部的端梁。

   (3)转向架采用轻型轮对，车轴为空心轴，内孔为6Omm，车轮小型化，车轮直径由原来的910 mm，改为860mm。

   (4)采用铝合金制造的传动齿抡箱、轮对的轴箱。

   日本在新干线 952/953型 STAR2l试验型高速列车上采用带缓冲装置的铰接式转向架后，转向架的重量得到显著降低。

   1.3   牵引电机的小型轻量化

   日本新干线从原来采用直流牵引电机改为采用交流感应电动机，从而实现了牵引电机的小型轻量化，且减轻了电机的日常维护检修工作量。如100系采用直流屯机，每台重量为 825k9(功率为 230 kW)，但300系采用交流感应电机后，每台重量仅为390k9(功率增大至300kW)，重量约减轻50%左右。



   从图中不难看出，交流感应电机具有输出功率大、小型化、轻量化的特点。同时也得出每lkW的输出功率占用的牵引电机重量:

   100系高速列车3.6kg;
   300系高速列车1.3kg。

   1.4   轻量化的车内装饰和设施

   日本的高速列车车内的装饰材料广泛采用带波音薄膜的铝合金墙板、工程塑料顶板、航空座椅等材料和设施，有效地减轻了高速列车的重量。

   总之日本新干线高速列车如 300系等，采取了以上所述的众多轻量化措施，使列车的重量有了明显的下降，每辆客车的重量也相应减轻。以300系为例，较100系车辆的重量由54.2t(100系)下降至 39.6t(300系)。

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新干线高速列车技术特征（二）

低轴垂、低簧下重量

日本新干线高速列车的转向架在致力于轻量化的同时，关注轴重的减小、簧下重量的降低。

由于日本新干线高速列车实现了客车的轻量化以及采用动力分散形式，从而转向架的轴重显著下降，
日本新干线高速列车的低轴重特点，减轻了车辆对线路的冲击，减轻了轮轨间产生的噪声，改善了环境，降低了线路的基建投资。

新干线高速列车重视簧下重量的降低，如300系的转向架由于采用了空心车轴、车轮小型化、铝合金制造的传动齿轮箱和轴箱、牵引电机采用交流感应电机，以及部分牵引电机重量由车体文承等措施，使转向架的簧下重量有了显著下降。
转向架簧下重量的降低，提高了高速列车的运行稳定性和运行品质。

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新干线高速列车技术特征（三）

  气密性良好的车辆结构
   高速列车行驶进入隧道时，气压变化很大，其结果车内外的压力差很大。当列车以2OOkm/h速度行驶时，其外部压力为4kPa，但当车速为27Okm/h时，其压力增加至7.35kPa。为此迫切需要高速列车车辆结构是一个良好的气密结构，其车外气压变化时，通过气密技术的实施不致影响到车内，影响旅客的乘坐舒适性。

   日本新干线300系高速列车采用了铝合金车体的满焊结构、带锡焊的铝蜂窝铝板混合结构、水的密封装置(防止卫生间以及空调机组冷凝水排水管在外部高压时的回流)、空调通风装置的换气系统、车窗玻璃的结构和强度、车门的压紧装置(从内侧压向车体外侧)等形成的配套完整的密封技术，使新干线 300系及其它系列高速客车具有较高气密性，从而在乘坐300系高速列车于山阳新干线的多隧道(约占50%)区间运行时，旅客未感到会车和穿越隧道时对人体耳膜的不适感，普遍反映较西欧高速列车感觉良好。

   高速列车进行气密性试验时，应达到如下要求:

   当客车的内部压力(在车辆密闭状态下)从3.92kPa水柱降到 0.49kPa水柱的时间应大于50s，此时该客车被认为气密性良好，否则为不合格。

   而对于正常运行的普通列车，其车内正压由40Omm水柱降至 l00mm水柱的时间应大于50s，由此可见新干线的气密要求较普通列车严格得多。

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新干线高速列车技术特征（四）
  低噪声
   根据日本新干线铁路噪声环境基准的规定，新干线高速列车通过居住区或工商业等其它地区，其噪声均不得大于75dB(A)的环保要求。日本除对高速列车在空气动力学方面改变车头形状、减少列车阻力研究外，还开展了其车头、车尾对空气流动时产生的噪声大小，交会时气压的变化，尾车发生游涡造成车体的摆动，以及通过隧道的活塞作用所引起的压力波和隧道气压波等方面的试验研究。

   1、降低空气阻力系数

   日本新干线高速列车通过空气动力学的研究和试验，不断改变和修五车头、车尾的形状和长度，以及客车底部的平滑化，使空气阻力系数不断减小:

   0系        100系       300系
   0.28       0.25        0.20

   2、改进受电弓的结构

   高速列车的受电弓在列车高速运行时，将会产生较强烈的噪声，这些噪声包括:

   (1)接触网与受电弓的相对滑动噪声;

   (2)受电弓离开接触网时产生的弧光声;

   (3)由于受电弓随列车运动时产生的空气啸叫声。

   近几年来随着高压母线互接通，车辆受电弓的采用，从而弧光声得到了减弱和消除。近年来日本主要重视于受电弓结构的改进，以减弱由于受电弓随车辆运动时产生的噪声，如日本300系高速列车由于采用让集电弓的前面的空气往上吹的特点，使受电弓及其罩具有防风功能，从而降低了受电弓的噪声6 dB(A)左右。目前日本500系高速列车采用了小型低噪声受电弓后，使噪声降低lOdB(A)。

   3、降低噪声

   日本新干线高速列车采取了减小车体横断面，对头尾的底部、转向架的外侧、车体中央下部加裙板;车厢连接处增设保护罩;减少门、窗等阶梯形变化，使其与车体表面保持平滑化等一系列措施，从而有效地解决了运行于密集居住区的噪声，改善了环保条件。

   但在日本新干线高速列车添乘时，发现正常运行时车内噪声较低，但在列车交会和通过隧道时明显感觉噪声偏大，这可能与新干线的线路状态有关。

   日本的东海道新干线轨道中心距为4.2m，日本的山阳新干线轨道中心距为4.3m，日本的东北、上越、北陆新干线轨道申心距仍为 4.3m。

   日本今后发展的新干线轨道中心距为4.3m。

   但日本的新干线高速列车的车体较宽，这样列车交会时2列车车体中间的实际间隙仅为0.8甲，而与西欧的其它高速列车相比:

   法国的TGV高速列车的轨道中心距为4.2m，但其车体较窄 (2.904m)，故交会时实际间隙为1.3m。

   德国的ICE高速列车的轨道中心距为4.7m，车体宽度仅为 3.02m，故实际间隙为1.68m。从上述一系列数据不难看出，日本新干线的线间实际间隙力最小，在同样的隔声、隔振条件下，车内噪声必将最大。

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新干线高速列车技术特征（五）

实用化的总体布局和内装设施
   日本的各系列高速列车的总体布局实用化，适用于客运量大，方便旅客乘坐。

   现以300系高速列车为例:该列车由16辆客车组成，其中10辆为动车，6辆为拖车，以M一T一M 3辆为1单元编组。

   300系高速列车由3辆一等座车、13辆二等座车组成。客车的两端装有橡胶全密封的风挡，侧门采用内侧加压的塞拉门，由于车站均为高站台，故不设脚蹬和翻板，且侧门的布置随车种平面布置的需要，可开设在端部或接近中央。一般客室的端门均为半透明的自动拉门。

   客车的两端根据需要，一般每 2辆车设有2个洗脸间、1个坐式厕所、1个供身残者使用的专用厕所、 1个不加门锁的小便间，此外还设有女士专用厕所，总之客车的卫生设施功能齐全、档次高、卫生条件好。

   客室内的两端部设有信息显示系统，主要显示列车运行的停靠站名和其它文字新闻内容的信息。

   客室的灯光以隐形照明为主、采用功率为100w的加长日光灯带，基本上无黑区，一等座车还设有专用的航空式阅读灯，由座椅扶手上的开关控制。二等座车无局部照明。

   客室内装有广泛采用航空技术，无压条结构，车内顶板、侧墙板均采用贴有波音薄膜的铝合金板整体模压成型，也有采用大型模压的工程塑料板、宽自然缝结构，下墙板为软包装结构，半透明的铝合金制行李架。各车种均铺设地毯，航空式座椅采用滑道固定在地板上。
   300系高速列车的一等座车，座席按2十2排列，采用可躺可回转的双人座椅。座椅上的小茶桌可从扶手内翻出，并设有脚踏板、书报网等。其座间距为116Omm，座席的净宽为625mm，中间走廊宽为600mm。

   二等座车的座席按2+3排列，采用可躺式，中间扶手可向上翻起，座间距为104Omm，座席净宽为 505mm，中间走廊宽为57Omm。

   总之在保证舒适旅行条件下，尽量增加定员，日本300系高速列车总定员为1323人。