有助于新干线发展的车辆技术

来源：SCI期刊网 分类：电子论文 时间：2022-04-23 10:27 热度：

　　摘要：为适应将来新干线的发展，在车辆技术领域，需要在以下方面实施技术开发：针对空气阻力的削减以降低噪声及隧道微气压波等，以实现与环境协调;为提高安全性能，缩短地震情况下的制动距离;进一步提高乘客乘车舒适度等。本文介绍为实现新干线的持续发展，日本铁道综合技术研究所在车辆技术领域有望作出贡献的研发实例。

　　关键词：车辆技术;新干线发展;与环境协调;制动系统;节能;提高舒适度

　　引言

　　为了今后新干线的持续发展，作为在车辆技术领域有望作出贡献的研究开发实例，本文将介绍与沿线环境相关的协调、制动系统、节能、改善乘车舒适度等方面的研究。

　　1与沿线环境的协调

　　1.1嗓声

　　当新干线车辆运行时会发出多种多样的噪声，从现场试验数据的分析结果来看，在超过300km/h的速度区域，起因于车辆周边空气流动而产生的气动噪声超过由于车辆-钢轨的振动而产生的滚动噪声。而且在气动噪声中，由转向架部位及受电弓产生的噪声特别大。因此，已致力于降低由这些部位产生的气动噪声的对策的开发。

　　关于转向架部位的空气动力噪声提出了以下对策：在转向架部位的前后位置安装可改变车辆地板下空气流动方向的弹跳材料(指安装1种三角形装置，使转向架附近的气流偏向下方);将牵引电动机和驱动装置的设置位置移动至上方;将转向架护罩的下面折人车体内侧等，通过采用以上对策，确认了在250kHz￣2kHz频带的噪声级约降低2dB。关于受电弓空气动力噪声提出以下对策：采用兼顾气动噪声降低与提升力特性稳定化的多段平滑化弓头托架;采用弓头托架位置移设至上游侧的改良弓头托架用支架;在弓头顶点护罩内内置多孔材料等(见图1)，通过这些组合对策，确认了相比当前使用中的受电弓能够降低噪声2.7dB。

　　1.2隧道微气压波

　　列车驶入隧道时，隧道内会形成压缩波，当这种压缩波达到相反侧的洞口时，会有一种脉冲状的压力波被辐射出来。这种脉冲波被称之为隧道微气压波。在隧道洞口附近，有时候会引发爆破声以及引起周围房屋的拉门、隔扇(日本房屋结构)产生晃动等环境问题。

　　作为车辆侧治理微气压波的对策，对列车头部形状进行了改良。在以前的车头部形状设计中，推荐的是加大其前端截面积变化率、而中部以后使截面积变化率恒定的平滑形状。但根据声学理论开展进一步研究的结果得知，将车头做成多级(阶梯)型头部形状，以变化的车头截面积来适应通过隧道的不同截面半径，能够更好地降低微气压波。根据以上理论知识，通过数值流体分析，决定各阶梯的位置及大小(长度)，提出了可进一步降低微气压波的3级形状车头部方案(见图2)。采用模型试验确认其效果，表明了相比传统型车头部，能够降低5%左右的隧道微气压波的压力峰值。

　　2制动系统

　　2.1气动式制动夹钳

　　盘形制动是由制动盘、制动闸片、制动夹钳装置等所构成的。新干线车辆的制动夹钳装置是由产生推压力的作动器与支承(闸片承受)制动力的部件合为一体的制动夹钳。目前新干线上除了部份车型之外，均使用液压式制动夹钳。制动控制装置根据来自司机室(操纵台)的电气制动指令等控制气压，该气压通过称为增压风缸的空气-液压变换装置被变换为液压，进而使夹钳工作。如果用气压直接使夹钳工作，可以取消液压系装置及其零部件，使系统结构简化和维修省力化。在新干线车辆的应用常规线路上研发出控制气压的先进滑行控制技术基础上，开发出了气动式夹钳装置(见图3)。这种制动夹钳结构简单，其特征是使用椭圆形膜片加大推压面积，以直接作用方式推压活塞。活塞具备隔热性能，所以热量不会对膜片产生不利影响。此外与传统的液压式浮动夹钳大小、质量基本相同而具有安装互换性，可取消增压风缸，每台转向架可实现60kg?100kg左右的减重。由以上观点看，今后新干线上将广泛使用气动夹钳。

　　2.2改善盘形制动性能

　　新干线用盘形制动装置是指在车轮上安装2块制动盘(表面侧及背面侧)的结构。该制动盘由锻钢制造，而为了提高耐热性，制动盘的表面(指与闸片组成一对摩擦副的滑动面上)，利用最新的激光焊接(激光镀层)技术，形成了高熔点金属的堆焊层(见图4)。对于安装这种制动盘的盘形制动装置，实施台架试验后确认了能够在制动初速度为400km/h的工况下使用。

　　2.3气动力制动(风阻制动)装置

　　在新干线提速方面，为确保发生地震等紧急情况下的安全性能，要求在超过当前速度的高速区域按照与目前同等以下的制停距离停车。作为紧急情况下的制动方法，一直在推进盘形制动性能的提高，此外，为了进一步使高速区的性能稳定化，进行了利用空气阻力(风阻)的气动力制动装置的开发、提出的方案要求装置轻量且小型化，可搭载于车体车顶上，并能沿整列列车分散布置。据此开发出的装置利用加载在2块为一组的阻力板上的空气压力差，在走行风下通过阻力板展开动作(阻力板承受风压，持续产生阻力)可实现气动力制动。装置厚度65mm、装置质量36kg，实现了小型轻量化的目标。此外，根据风洞试验与数值分析，研究了装置面向车顶的配置方案，结果表明在车顶上搭载多台装置时，采用沿左右方向交错配置的方式对于提高阻力是有效的(见图5)。

　　2.4线性感应电机(LIN)式轨道涡流制动

　　轨道涡流制动是对车载电磁体供电而产生直流磁场，通过该磁场使轨道上感应涡流的一种利用相互电磁作用而获得制动力的方式。但在停电时无法使用，工作时，运行中的运动能会通过涡流形成焦耳热而引起钢轨温度上升，所以日本的高速铁道车辆上没有采用轨道涡流制动。因此，根据与运行中的运动能可产生再生制动同样的原理，通过轨道涡流制动机自身发出电力，开发出可在停电时使用的、并能使钢轨温升抑制在较低水平的“线性感应电动机(LIM)式轨道涡流制动”(见图6)。

　　3节能

　　3.1空气阻力

　　在高速运行的新干线车辆上，由于运行阻力主要为空气阻力，所以，为了降低运行能耗，减少空气阻力非常重要。新干线车辆是长大编组列车，其头部和尾部呈流线形，故空气阻力大部份聚集在中部车辆。为了降低中部车辆的空气阻力，将车辆各部位实施平滑化是有效的。近年来，基于降低噪声等目的，采用了使车顶上方及地板下方的平滑化的方案;使车端部折棚(风挡)扩展至车顶部;设置转向架侧罩等措施。这些措施，除了降低列车噪声外，也对削减空气阻力作出贡献。

　　为实现今后的列车提速，探索进一步降低空气阻力的可能性，提出车端部折棚向下部延长(全面包裹，见图7)，并设置转向架底面罩的方案，根据风洞试验，验证了其效果。关于车端部折棚的延长，可使中间车辆的空气阻力获得降低20%以上的效果;关于转向架底面挡风罩，验证了覆盖底面面积越大，降低空气阻力效果越好的结论，当覆盖转向架底面25%左右时，中间车辆的空气阻力可降低10%左右。

　　4改善舒适度

　　4.1舒适度评价

　　所谓乘车舒适度是指乘客对于运行中产生的振动有怎样的感受，大体上而言，振动越小，舒适度越好。但人体的感觉随着振动频率的不同而改变，所以抑制感觉显著的频率的振动，对于改善乘车舒适度是有效的。新干线及常规线路车辆的舒适度管理中广泛使用的舒适度级别，是对运行中的车内地板上测量的振动(加速度)，根据人体的感觉进行每一频域的加权处理，进而实施的评价。这种舒适度级别从旧国铁时代开始使用，但近年来，随着列车的高速化，已与原有的人体感觉产生偏离。因此，针对人体对于振动的感觉重新进行了调查。调查结果发现以往的加权处理过低地评价了人体对于高频成份的感觉，提议对这种加权处理进行校正，舒适度的评价就更加符合人体的感觉了。

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　　此外，为了支撑舒适度评估所开发出了乘车舒适度信息一兀显本系统(见图8)。该系统可米用时间或距离为单位表示乘车舒适度评价，同时，也可表示车辆和轨道方面的数据，以及显示线路、线形及结构物，这样能够容易掌握车辆和轨道两方面舒适度改善的关键点。而且，由于以前的数据管理差异等，车辆和轨道两方面难以结合，但上述一元显示系统很容易将两方面结合起来，有望实现高水平的乘车舒适度。

　　4.2提高舒适度

　　20世纪90年代，随着车辆大幅度的轻量化，新干线车辆的最高速度提高到200km/h以上。但与此同时，长波长的轨道位移以及隧道内气动力作用引起的车体振动加大，导致乘车舒适度降低，成为待解决的课题。因此，开发出能根据振动状态切换液压减振器阻尼系数的半主动悬挂装置以及能自发产生抑制振动的力的主动悬挂装置。该装置对于提高乘车舒适度作出了贡献。随着横向振动控制装置逐渐成为新干线车辆的标配，垂向振动相对显得明显起来。作为抑制垂向振动的装置，开发出了垂向减振控制系统(见图9)，该系统组合了可变阻尼轴减振器、与空气弹簧并列安装的可变阻尼垂向振动减振器以及垂向作动器，还开发了可通过牵引拉杆及抗蛇行减振器以抑制由转向架传递到车体的振动的缓冲橡胶件。此外，对于具有抑制车体局部振动效果的主动质量减振器也进行了研究开发。

　　5结语

　　上文介绍了对于新干线的发展，在车辆领域有望作出贡献的研究开发实例。在面向这类技术的实用化开展研究的同时，也将继续为新干线技术的进一步发展而努力。——论文作者：石毛真等

文章名称：有助于新干线发展的车辆技术

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