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日本铁路装备技术的发展与启示
XXXXXX研究院XXXX研究所,研究员,北京,100081
XX:XXXX公司XXXX部,工程师,北京,100001
 
要:铁路装备是保障铁路高效、快速、安全运营的重要基础设施,各国也在不断加大新装备的研发力度。通过对日本铁路线上移动装备、轨道养护装备、接触网装备,以及通信信号新技术的发展进行分析,总结其主要发展方向,以期为我国铁路装备的发展提供借鉴。
 
关键词:日本;铁路装备;轨道养护;灾害预警
中图分类号:U270      文献标识码:A
文章编号:1001-683X(2015)06-0107-04
 
自从1872年日本修建第一条铁路以后,日本的铁路发展就十分迅速,作为世界轨道交通发展先行者之一,在轨道交通装备技术方面有着深厚的技术储备,从首次提出的新干线高速动车组,到目前的超导磁悬浮技术,都在引领着世界铁路技术的发展,日本铁路装备的发展还有着其特有的属性,是与国家的发展、环境分不开的[1]
1 日本交通体系发展特点
日本凭借其强大的经济实力,在近些年的快速发展中,不断完善和丰富着其综合交通系统。
(1)路网结构完整,合理进行超前规划。日本早在明治维新时期就已经确立了交通先行的城市发展政策,随着时间的推移并没有得到忽视,并陆续颁布了一系列行之有效的法律法规,有效保证了交通先行政策的完好实施。同时,交通设施的规划建设也要经过严格的
前期调研,保证了路网的合理配置和利用。
(2)路网发达,方便快捷换乘。日本一直秉承着“高效公共出行”的原则,通过平衡规划、合理布局、得当组织,实现了各种交通工具间的方便换乘。尤其是轨道交通,车站设计更加合理,可以实现超短时间换乘。
(3)交通装备的人性化。日本铁路也是体现“以人为本”的发展理念,各种标志标线标牌清晰明了,设计合理;车厢内设置妇女专用车厢、老幼病残孕专座、自由座、指定座等一系列设备,充分体现出了轨道交通发展人性化的一面。
(4)交通系统的智能化。从小小的车站电子显示屏,不仅可以获得所坐车次的基本信息,还可以查看天气预报和时事新闻;到自动售检票系统,实现无人值守;再到智能交通系统、视频监控系统,所有智能系统的协调协作,创造出了安全顺畅便利正点的交通环境。同时,一些车载智能化系统进一步保证了行车安全。
2 铁路装备的发展
2.1 线上装备的发展
日本新干线列车全采用动力分散驱动方式,可防止高速行驶时的蛇行运动,减轻路线的维护保养费用。行车时的摇晃极小,为世界上运转品质最佳的高速铁路之一。新干线动车组从元老级的0系动车组到700系、800系动车组(见图1),已经彰显出了其在装备制造领域的实力。
 
 
 
 
图1
 
2.1.1 整车的发展趋势
(1)打造节能环保的绿色运输体系。
日本铁路货运公司为了减少有毒气体排放、降低噪声水平和减少CO2排放,开发出了HD300型混合动力调车机车。该型调车机车推出系列混合动力系统,采用大容量主牵引电池作为电能存储器件,并引入永磁同步电机和模块化的概念。试验结果表明:与以往其他型号
调车机车相比,其燃油消耗更低,氮氧化物颗粒明显减少,噪声水平大幅降低。该公司还在不断加大研发力度,争取将该技术应用到机车和普通车辆上。该项成果也得到了以推动日本货运铁路向绿色运输方向发展的日本政府的大力支持。
节能环保的主要铁路战场是非电气化线路,在全世界的路网中,非电气化铁路所占比例约为80%,各国都在加大既有铁路的电气化改造。日本铁路非电气化线路比例为44%,为了减少废气排放及噪声,机车需减少石化类燃料的消耗,从而满足节能环保的要求。鉴于此,日本三菱电气公司开发研制具有充电功能的电池列车,该车可在非电气化线路上运营,Smart BEST是公司研发的样机,并进行了动力方向控制等多方面的运行试验,以达到更好的商业运营水平。而电力动车组本来就是节能环保的典范,但日本东海道和山阳新干线新型直通N700A列车更是在节能环保上精益求精。该车采用新型制动盘结构,使得制动距离相比同系列车缩短20%;恒速运行控制装置和转向架振动检测系统更是提高了列车的运行性能和可靠性;最主要的是其在客室、厕所等位置采用新型材料(FRP),不仅进一步实现了轻量化,而且大大改善了其节能环保性能。
(2)选用低地板车辆,真正实现“以人为本”的便利、无障碍出行。与普通公交车辆相比,低地板技术的应用,降低了整车重心,增强了城市客车的行驶稳定性和舒适性,同时方便乘车,上车时没有台阶,尤其是方便儿童、老人和行动障碍乘客的上、下车。低地板车辆不仅使乘客上下车方便,而且使运行中停车时间缩短,增大了客运量。日本札幌路面电车实施线路环状化和车辆低地板化的对策,计划2015年完成环线化,在2012年导入A1200型低地板车辆,为3车体2转向架的低地板列车,运行速度40 km/h,定员71人(见图2)。
 
 
 
图2
 
日本阪堺电铁公司运营上町线、阪堺线两条线路,在车辆发展轻量化的大背景下,2013年引入低地板1001型电车。该车的无障碍设计很完善,乘降口高350 mm,地板高380~480 mm,乘车口旁设轮椅空间,地板用1/12缓坡越过转向架处,有渡板消解站台与车门的高差、间隙,还设有辅助乘降踏板。日本福武线营业里程21.4 km,线路在市中心与汽车道并行,为提高便利性,遵循无障碍化政策,2013年3月,F1000型低地板车辆开始运营。最高运行速度65 km/h。定员155人。
2.1.2 车辆结构件的优化设计
日本三菱公司结合侧导向、中心导向和自动导向技术为东京临海线新交通系统7300系车辆开发了中心导向转向架——有橡胶轮特征的转向机构、悬挂与转向分开、4个内导向轮,转向稳定、结构简单、易于维护,该转向架主要包括走行装置、悬挂装置、转向装置、制动装置等几个部分,并设有利用回转轴承的操舵车轴,转向架与车体间由左右限位方式连接,防止左右共振和蛇形运动。此外,优化结构后转向架质量减少200~300 kg。开发后的转向架在本线走行试验,实现了设计功能,应力在允许范围,确认了转向装置及导向轮缓冲设计的效果,验证了平行杆倾斜配置抑制变速时车辆纵摆的能力。同时,针对东京地下铁路建设中存在的大量小半径曲线和缓和曲线,减小由此引起的轮重变动、横压、噪声和车轮轮缘磨耗等问题,进行了优化轴箱支持刚度和开发摩擦调整材料喷射装置等的研究,开发出了实用化的操舵转向架,可减轻小半径曲线的横压,提高运行安全性和减少车轮轮缘磨耗。车辆的阻燃性也是车辆安全评估的一大重要指标。为了提高车辆的阻燃性,日本铁道综研所研究纳米材料在车辆地板上的应用可能。采用纳米材料制造了车辆地板试验品,进行多次燃烧试验,取平均值,测定最大发热速度和最大发生速度。与既有JRS地板材料标准值进行比较,地板试验品机械强度(拉伸强度、折断时伸缩)及耐加热老化性、燃烧性等特点均在其3倍以上,世界铁路所定时间加热试验后,物理性质变化也满足标准值,确认适用于车辆地板。
2.2 轨道养护设备的发展
作为铁路运营基础的轨道来说,其养护的好坏直接影响着铁路运营的安全性和舒适性。
2.2.1 钢轨磨耗的检测与处理
钢轨是铁路交通线下工程的重要组成部分,钢轨的磨耗程度直接影响着旅客的乘坐舒适性,为了更好地检查钢轨磨耗情况,西日本铁路公司利用光切断法试制了车载检测装置,该装置由钢轨一侧的1台高速摄像机、4个激光狭缝分光镜组成,要求垂直分辨精度为±1 mm,考虑到用于道岔的情况设计了装置倾斜机构。同时,要在一般轨下颚、尖轨头加工处设置基准点,摄像得到的断面与断面测定器测定的新轨断面进行比较,计算出钢轨磨耗量。装置研发成功后进行了一系列的测试试验——再现性、磨耗精度、车辆运动影响、气候影响的室内试验;在2个直线区间、2个曲线区间、3个道岔区间进行走行试验。与断面测定器测定的断面形状进行比较,一般轨、尖轨的标准差分别是0.02 mm、0.04 mm。试验确认装置满足再现性和测定精度要求。测得了钢轨磨耗量就要对钢轨进行维修——打磨,以提高列车通过质量。传统的钢轨打磨会在加工面上形成凹凸不平的打磨面,列车通过时会产生轮轨转动噪声。为了打磨钢轨波状磨耗并降低噪声污染,研究了新的打磨方法和磨石(砂轮)。与传统打磨方法进行比较,磨石磨耗量有所增大,但新的打磨方法和磨石抑制了噪声且钢轨磨耗量减少23%,打磨质量和效率均有提高,且打磨除去了疲劳层和波状磨耗,延长了钢轨使用寿命。
2.2.2 轨道除雪及灾害预警
日本属温带海洋性季风气候,纵贯热带、温带和寒带3个气候带,气候变化较大。尤其是冬季,日本海一侧阴天多、多雪,因此轨道除雪至关重要。以北陆新干线为例,融雪设备分为高架桥上的融雪板和地面融雪基地(机械室),使用高环保性能的不冻液作为热媒,其加热温度约为20 ℃,通过温水循环泵输入高架桥上厚2.3 mm的散热融雪板内。融雪板设备的确认试验分为模拟板敷设确认试验和新屋融雪基地的冬季机能确认试验,试验目的是确认融雪状况和配管散热量等,已取得良好结果并已决定推广应用。在轨道融雪的同时,也要注重雪崩灾害的预防与检测。日本铁路早于1922年就开发了雪崩检测(警报)装置,统计5年结果,检测率达到50%~88%;到1962年全日本设置126个检测装置。该装置存在电线长、雪太重可能压断检测线或切不断检测线等缺点。因此,开发了一种新的采用振动传感器检测雪崩的方法和装置,其特点是检测原理和装置简单,价格便宜,小型振动传感器直径9 mm、高6 mm,使用优质FRP制造的耐候性检测电极,实现了小型化和轻量化,具有与雪崩规模相适应的警报输出功能。日本又是个地震频发的国家,特别是经过了“3·11”大地震之后,日本铁路更是加大了灾害预警系统的研发,东日本铁路还修改了灾害联络体制,并更新了首都圈灾害卫星通信系统。卫星通信采用了灾害时确保通信环境、对地面线路影响小、私密性好的通路,使用EsBird的卫星通信服务,具有以下特点:IP协议的传送;远端间通信经一次转发完成;设主副2个中心局,简化了线路控制管理;甚小口径卫星终端(VSAT)的收发设备,免去了经常的配置;中心局承担各局状态、通信数据的监视,可提供多种应用信息。这个系统在新宿的总公司设固定中心局,在5个分公司设固定的分局,横滨、大宫分公司备有应急汽车的移动局,形成由电话、传真、微机和因特网组成的地面系统。电话和微机的线速是64 kb/s,双工占用200 kHz频带,1 MHz频带的卫星线路可保证3对电话、2对PC的通信需要。移动局的汽车设天线,与卫星通信,搭载无线LAN与中心局、分局联系。利用卫星的通信,适于灾害时通信电源、通信线路破坏的情况,是应急通信的一个手段。此外,在日本东海道新干线,为了强化设施基础、提高可维护性,特别是结构的抗震能力,不断开发和采用了几种新型轨道材料:为便于道岔的管理,开发可调垫板;为防止道岔和伸缩接缝处扣件螺栓折损,开发采用防破断螺栓(CD螺栓);为防止脱轨,开发出能够约束车轮横向移动的防脱轨护轨等。
2.3 牵引供电类设备的发展
牵引供电设备也是保证电气化铁路顺利安全运营的重要部分。针对常见故障,日本铁路也做了大量改进。东日本铁路公司部分线路采用馈电线承力索方式接触网,出现承力索与支持滑车间阻抗导致的悬挂不良、渡线高低差不当、发生离线电弧、车辆检测到过电压、电气制动失效、替代的机械制动使乘坐舒适性恶化等问题。在馈电承力索接触网两端拉桩处设自动张力调整装置,通过支持滑车使架线移动,保持一定张力。但馈电线承力索方式的架线质量大,架线与滑车间存在阻力,尤其夏季架线伸长,支撑点架线弯角增加,自动张力调
整装置不能很好调整张力,这些渡线很难维持本线与侧线接触线的标准高低差。为此,开发了低阻抗的滑车,采用树脂自润滑且摩擦小的轴承,直径增加提高转矩,扩大滑车间隔缓解架线弯角。试验设备测定表明,新滑车的阻抗明显减少,采用新滑车后,架线的移动性能提高,接触线网高低差变动减少。针对恶劣环境下运营的新干线绝缘子,日本铁路采取硅酮树脂涂抹到磁质表面的对策,增加了额外的维护费用。为此,西日本铁路公司开发出耐盐用棒式混合SK绝缘子。将既有磁绝缘子部分折部去掉,连接到用硅酮橡胶深沟聚合物的折部上,构成磁质与聚合物的复合体。芯部是磁质保证强度,折部是深沟聚合物,提高了绝缘性能。折部深沟结构表面泄漏距离长,聚合物和硅酮保证了防水。开发后进行了基本试验、加电暴露试验、隧道污损试验,各种试验结果表明:磁质与聚合物复合的混合SK绝缘子综合性能满足规格要求。为了提升在变电所与电力机车之间的架空接触线的等级,日本铁道综合技术研究所开发了一款用于铁路系统的直流超导电缆。对超导直流电缆的初步测试显示,该电缆可以实现对架空线的馈电。在液氮冷却条件下,每条超导电缆的I c超过了170 A,足以应用在日本的铁路系统上。此外,通过将运营温度从77 K降低到71 K可以显著改善电缆I c性能。磁场试验显示,磁场泄漏可以忽略不计。模拟结果显示相应的数据一致性很高。
3 给我国铁路装备发展的启示
日本作为一个轨道交通发展较成熟的国家,又是一个高铁装备出口大国,也一直引领着世界轨道交通发展的大方向,通过对日本比较有针对性的轨道交通装备的研究,总结其主要的发展方向和趋势,旨在为我国轨道交通事业的发展提供一些借鉴[2]
(1)装备的轻量化、低能耗、绿色环保性。我国已相继开发出一系列的节能环保型铁路装备,如C80型专用运煤敞车、HXN5型绿色环保大功率内燃机车等,但我国需要继续加大电气化改造力度,减少石油等化工材料的使用,进一步降低排放,为节能环保作出更大贡献。
(2)出行的便捷性及设施的人性化。我国部分城市已经陆续引入低地板有轨电车,但所占整个轨道交通的比例微乎其微,而其他提高出行便捷性及人性化设施的引入步伐相对较慢,应不断加大加快建设力度。
(3)装备的可靠性和维修性。可靠性是保障运营安全的因素,维修性是体现其经济性的因素。而要真正实现可靠性,必须加大核心技术的研发和掌握;实现维修性,尤其是动车组,就是要统一标准,统一型号,实现零部件的相互替代,将会很大程度降低成本,提高可维修性。
(4)重视灾害预警功能。日本针对地震等强自然灾害研发了一系列的预警、救援体系,将轨道交通在灾害来临前和中都力争将损失降到最低。而针对我国的实际情况,冬夏南北方的强降雨雪、西北的强风及泥石流灾害等,都是轨道交通尤其是高铁面临的巨大挑战,加大该方面的研发力度,保障在特殊环境下的更好的客货运服务,是摆在铁路人面前的一大重要课题。
参考文献
[1] 高良英.日本综合运输政策与管理体制研究[D]. 北京:北京交通大学,2009.
[2] Luis F Alarcon,Rodrigo Calderon. Implementing Lean ProductionStrategies in Construction Companies }A},Proceeding of the Con-struction Research Congress [C]. EBSCO,2003:1-8.