日本高速铁路技术2tie12Word文档格式.docx

日本高速铁路技术2tie12Word文档格式.docx

《日本高速铁路技术2tie12Word文档格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《日本高速铁路技术2tie12Word文档格式.docx（19页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

20世纪50年代中期，该地区面积占全国17%，工业产值和国民收入占全国70%，人口超过40%。

因此该地区修建高速铁路，不可避免地会产生大量的拆迁和占地，无形中提高了新干线的造价。

东海道新干线沿线多为不良地质地段，不是地质松软的冲积平原，就是山区或丘陵地带，降水量大，并常受到台风侵袭，为节约工程造价，较多地采用了路基形式，沿线路基占全线长度的54%，高架线路只占全线总长的22%。

在松软地基地段修建填土路基时，只采用了换填土、荷浅预压、直角排水、打桩、灌桩、压力填土、缓慢填土等施工方法和处理技术。

由于在建设时较多地采用了路基形式，运营中产生了许多问题。

沿线东京、大阪的年降雨量在1　300～1　400mm之间，降雨后路基出现了大量的翻浆冒泥现象，并且不断塌方造成轨道下沉，道床弹性功能下降，轨道产生偏差。

气候干燥后，又使道床固结，给轨道维修养护、列车运行安全带来严重危害。

东海道新干线的这种病害虽在10年后进行了大规模的整修，但至今还没有彻底解决，成为以后修建新干线的严重教训。

东海道新干线建设中，占全线长度11%的桥梁中的50%采用的是钢桥和结合梁桥，并且钢桥除了少量的明桥面外，大多采用的是道碴轨道。

在高架桥（占全线延长22%）和隧道（占全线延长13%）中也采用了道碴轨道。

为此，桥梁的噪声也是突出问题之一。

钢桥产生的噪声问题无法从根本上解决，因此在以后修建的几条新干线上，山阳新干线取消了钢桥明桥面，东北和上越新干线基本上不采用钢桥。

有了东海道新干线的运营经验，以后修建的新干线的固定设施有了较大的变化。

首先从轨道结构上，越来越多地采用了无碴轨道的结构形式。

新干线上不同轨道构造长度及占全线的比重见表1—2—1。

其次不同构筑物形式（路基、高架线路、桥梁、隧道）所占的线路长度及比重见表1—2—2。

表１—２—１新干线轨道构造长度表（ｋｍ）

线路名称东海道新干线山阳新干线冈山以东冈山以西东北新干线上越新干线北陆新干线有碴轨道575.4（100%）156（95%）125（31%）48（10%）15（5%）19（15%）无碴轨道08（5%）273（69%）411（82%）243（91%）105（85%）弹直轨道00042（8%）12（4%）表１—２—２新干线的结构物长度表（ｋｍ）

线路名称构筑物特点东海道新干线山阳新干线冈山以东冈山以西东北新干线上越新干线北陆新干线

高崎—长野东北新干线

延伸线

盛冈—八户路基274（53%）12（８%）58（15.5%）26（5.0%）3（1%）1８（1５%）13.6（１４％）高架线116（22.5%）74（45%）86（21.5%）258（55%）135（49%）29（25%）８.６（９％）桥梁57（11%）20（12%）31（7%）74（16%）31（11%）10（9%）３.８（４％）隧道69（13.5%）58（35%）223（56%）112（24%）106（39%）60（51%）７０.６（７３％）从东海道新干线开始，经山阳新干线、东北新干线、上越新干线，直至北陆新干线高崎至长野区段的基础设施中桥隧比例不断提高，相应路基所占的比例不断减少，即使是路基地段与以往的路基也大不一样，像北陆新干线修建的路基，其表面是20cm的级配碎石加10cm厚的沥青混凝土，相当于在公路上面铺设轨道。

同时无碴轨道所占比例也急剧增长。

采用上述各种轨道结构和设施，新干线的造价不断提高，成为世界上造价比较昂贵的高速铁路。

不同新干线每千米的造价见表１—2—3。

表１—２—３新?

干?

线?

的?

造?

价

新干线名东海道

新干线山阳新干线冈山以东冈山以西东北新干线

东京—盛岗上越新

干线东北新干线

沼宫—八户长野（北陆）

新干线

高崎—长野线路延长/km515.4160.9392.8535.3303.765117.7总工程费/亿日元3　8002　2006　90026　60016　3002　3707　900每千米造价

/亿日元·

ｋｍ－１55.0

*（7.38）51.0

*（13.67）51.0

*（17.57）70.0

*（49.69）60.4836.4867.0注：

括号内为建设当时的单位造价，无括号为考虑物价上涨因素折成现在的单位造价。

2.1.3建立试验段，通过试验研究解决技术关键

日本在修建新干线的过程中,除进行了大量的理论研究与分析、室内试验和各种模型试验外，还投入大量的人力、物力进行了多次现场试验研究，其目的除了对科研成果进行验证和改进外，还对运营中出现的设备问题提出改进的方法。

新干线各试验线位置及作用见图１—2—１。

图１—2—１新干线试验线位置及作用在修建东海道新干线时，日本国铁技术研究所集中各方面科研人员进行了系统研究。

尽管如此，仍在东海道新干线贯通方案中选择了K40～K77之间37km长的区段先期建设，以供现场试验。

这就是东海道新干线的鸭宫试验线，见图１—2—２。

图１—2—２东海道新干线鸭宫试验线位置概况

在山阳新干线建设过程中，由于将山阳新干线的设计速度目标值从东海道新干线的210km/h提高到260km/h。

因而以新大阪附近已经交付运行的东海道新干线部分区段和前期建成的山阳新干线部分区段为试验线，进行了列车运行速度260km/h的各种性能试验。

在建设东北新干线和上越新干线时，吸取东海道新干线运行10多年来固定设施出现严重问题的教训，决定对路基所占线路比重和轨道结构形式进行了较大调整。

因而在东北新干线先期建设了K50+750～K93+550间42.8km的小山试验线见图1—2—３。

图１—2—３东北新干线小山试验线位置概况东海道新干线鸭宫试验线的作用概括起来有３点：

①通过现场高速列车试验解决列车运行安全性、稳定性问题，从而对高速列车以210km/h的速度运行取得充分数据；

②通过现场试验，客观地掌握了车辆、轨道的相互作用关系，解决了高速运行条件下系统设备构造的最佳匹配和改进问题；

③确认了新干线与既有线列车运行特征的异同点，创立了新干线的养护维修体制。

通过试验，解决的课题主要有：

ａ.确定车辆、轨道、电气设备等子系统间的边界参数、关联条件；

ｂ.确认和改进列车高速运行安全、稳定性；

ｃ.确认车辆与地面设备的强度、功能；

ｄ.培训乘务员掌握运行管理要点和CTC系统的要领；

ｅ.明确要求维修的重要零部件；

ｆ.掌握列车高速运行时对外界影响因素；

ｇ.列车高速运行条件下出现各种问题的对策。

其中包括运营列车运行与养护作业的明确区分、确立不同雨量条件下运行规范、解决路基下沉的办法及行车条件、防止异物侵入限界等。

在东北新干线的小山试验线上，主要的研究对象是轨道、动车组、供电系统和通信信号等。

在轨道方面，为研究各种轨道构造在高速列车运行下的状态和效果，设置了不同形式、结构和构造的试验轨道，大致可分为：

无碴轨道17种、有碴轨道7种、道岔区轨道3种，合计27种，具体构成见图１—2—４。

图１—2—４小山试验段线型、构造和计划运行曲线电动车组的试验内容有黏着性能、转向架走行特性、车体和转向架振动性能、转向架强度和受电弓特性等。

供电系统的具体试验研究内容有供电控制装置、接触网等。

通过鸭宫试验线的试验，保证了东海道和山阳新干线的安全运行，使世界铁路迈入高速的稳定行车阶段；

通过小山试验线的试验，解决了东海道新干线开通后出现的大规模维修的问题，使以后修建的新干线能在少维修条件下保证列车高速正点运行。

由此可见，在试验段上进行持续不断的试验研究，及时研究解决出现的问题，促进了新干线的技术进步和发展。

2.1.4高速列车采用动力分散型，不断降低轴重，全面提高列车性能日本新干线铁道从1964年10月1日东海道新干线投入运营，特别是1987年国铁民营化之后，为了适应不同的线路条件，提高行车速度，降低对环境影响，持续不断地致力于不同系列新干线列车的研制与开发。

至今投入运营的列车有0系、100系、200系、300系、400系、E1、E2、E3、E4系列、500系、700系等共11种新干线列车，在采用动力分散型基本模式的基础上，不断降低轴重，提高加减速性能，使高速列车的技术性能越来越好，这在世界各国高速铁路中是不多见的。

新干线列车的车体结构除在较早的0系、100系、E1系、400系上采用钢结构外，后来开发的各种系列均采用铝合金结构，其主要目的是降低车体重量，实现轻量化。

各主型车车体结构重量如表１—2—4所示。

表１—２—４新干线主要车型车体结构重量

车型0系100系200系300系500系车体结构重量/t10.510.38.86.55.6除此以外，新开发的新干线列车转向架采用空心车轴、浮动夹钳式制动装置、铸铝合金齿轮箱体等新技术，大大降低了列车重量。

新干线主要车型转向架重量见表１—2—5所示。

表１—２—５新干线主要车型转向架重量

车型100系200系400系E1系300系500系车种MTMMMTMTM转向架重量/t9.89.210.67.48.58.06.67.16.5由于采用了动力分散型列车和上述新材料、新技术、新工艺，并且在电机及整流装置的悬挂上进行了改进，大大降低了新干线列车的轴重及簧下质量。

不同车型新干线列车的轴重见表1—2—6。

表１—２—６新干线主要车型轴重

车型E1系100系200系300系400系500系300XSTAＲ2１车种MTMTMMTMMM非铰接铰接轴重/t17.017.016.017.017.011.311.313.011.18～98.010.5新干线列车轴重轻，并不等于定员少。

相反，新干线列车的定员是世界各国高速列车中最高的。

新干线列车的突出特点就是每个定员或座席所占有的列车重量是世界各国高速列车中最少的。

新干线列车基本编组下每定员所占有的定员列车重量见表１—2—7。

表１—２—７新干线主要车型每定员相当的定员列车重量

车型0系100系200系300系400系*E1系E2系E3系*500系STAR21基本编组16M12M4T12M10M6T6M1T6M6T6M2T4M1T16M9辆编组每座席占有列车重量

/t·

座席－１0.690.700.860.540.860.620.640.880.530.125注：

E3系和400系新干线列车是东北新干线（240km/h）和秋田小型新干线及山形小型新干线（130km/h）联运的小型新干线列车，在东北新干线上可与E2系、200系等列车联挂运行。

新干线列车除了在降低列车重量、减轻轴重方面进行有效的努力之外，在不断降低新干线列车运行阻力和提高列车密封性能方面也下了很大功夫。

主要途径有：

缩小车体断面、车头形状的流线型化、车体外围部件的平滑化。

新干线列车的运行阻力，从0系、100系到300系不断降低。

车头形状在0系基础上，100系、300系头型向炮弹型发展，500系、700系将炮弹形的头型完全改变，成为扁鸭嘴形的头型，头型的确定主要借助于风洞试验。

从车顶到车底都采用光滑曲面，包括车门、车窗尽量与侧墙间减少阶梯变化，对头车底部、中间车底部的机器设备均加罩板减少气动阻力。

除此以外，由于新干线高速铁路的线间距较小（4.2m或4.3m）、隧道建筑断面较小（82m2左右），为降低列车交会和进出隧道时的车内压力变化，在列车的密封特性上花费了巨大的代价，因而在该方面的技术也是世界高速铁路中先进的。

表１—2—8是日本高速列车车体/隧道断面积之比（俗称阻塞比）和车体密封耐压标准不断提高的情况。

表１—２—８新干线列车的隧道阻塞比与密封耐压性

车型100系E1系300系最高行车速度/km·

h－１230240270隧道阻塞比０.２２０.２５０.２０密封耐压/kPa（毫米水柱）4.9

（５００）5.4

（５５０）7.4

（７５０）新干线列车的另外一个显著技术特点是良好的启动加速和制动减速特性（见表1—2—9）。

新干线铁道除上越新干线中段穿越中央山区地段以外，沿线均为工业生产高度集中发达、人口十分稠密的地带，因而要求新干线铁道车站设置较为稠密，全国营业新干线上速度超过200km/h的高速区段站间平均距离只有33.3km，大大低于法国的89.9km和德国的60.9km的平均站间距。

如此密集的车站，要求高速列车频繁地启动、制动，因而对高速列车的启动加速、制动减速特性要求较高。

新干线列车采用动力分散的基本模式，现在已不局限于动力分散式，也有向动力分散式和动力集中式相结合的趋势发展。

如STAR21高速试验列车由9辆编成基本编组，其中有4个非铰接式车体，5辆铰接式车体，8个转向架为动力转向架，5个转向架为非动力转向架，用这种动力配置方式进行了系统试验，可以较好地实现频繁的高速起停。

新干线的启动加速度由0系列车的0.27ｍ/ｓ２（1.0km/h·

s－１），到200系列车的0.41ｍ/ｓ２（1.5km/h·

s－１），一直到其余系列列车的0.44ｍ/ｓ２（1.6km/h·

s－１），启动加速度有一定的提高。

新干线列车的制动系统具有良好的减速性能，并且经常使用再生制动，可降低耗电量及制动机的保养费。

表１—２—９几种新干线列车不同速度下紧急制动距离（m）

速度/km·

h－１300系列车速度/km·

h－１500系列车速度/km·

h－１E1系列车//3004　960（4000）//2703　8702754　060//2302　6802302　6602403　1001701　3701701　3602102　140120670120660110520注：

500系括号中为采用增黏闸瓦时数据。

2.1.5列车运行密度高、定员多、旅客输送量大

新干线列车功率大、定员多，是其显著的特点。

新干线列车基本编组下的定员较其他国家高速铁路列车基本编组定员多得多。

新干线列车基本编组定员见表１—2—１０。

表１—２—１０新干线列车基本编组的定员

列车别0系100系200系300系E1系500系400系E2系700系E4系E3系基本编组16M12M4T14M2T10M6T6M6T16M6M1T6M2T12M4T4M4T4M1T定员/人1398132112301323123513243996301323８１７270注：

E1、Ｅ４系为全列双层列车，400系和E３系是小型新干线列车。

以日本东海道、山阳新干线上运行的300系和东北、上越新干线运行的E1系列车为例，每列车延长米的定员人数、每个定员占有的空车重量、每个定员占有的列车额定输出功率见表１—2—１１。

新干线列车如此高的定员，是为了适应沿线人口高度稠密、乘坐旅客众多的运输形势的需要。

东海道、山阳新干线沿线大中城市密集，其主要城市居住人口数量见图１—2—５。

图１—2—５东海道、山阳新干线沿线大中城市人口（1990年，单位：

万人）表１—２—１１列车每定员占有的列车重量、

额定输出功率

列车车型300系E1系基本编组10M6T6M6T双层列车长度/m402302列车每延长米定员数/人·

m－１3.294.09空车总重/t630692.5每定员占有的列车空车重量/t·

人－１0.480.56列车总功率/kＷ12　0009　840每个定员占有的额定输出功率/kＷ·

人－１9.18.0为适应众多乘客的需要，光靠提高列车编组和定员不能满足要求，也不能在与高速公路、航空的竞争中发挥高速铁路的优势，吸引更多的客流，提高竞争能力。

因此，新干线吸引客流、提高竞争能力的另外一个运输组织途径就是实现高密度的行车。

如东海道、山阳新干线上目前由于受东京站咽喉区运用能力的限制，每小时运行的列车对数为11对（目前已开通品川站后，此限制可减缓，每小时运行列车对数可提高至15对），日双向列车密度（新干线列车运行时间带约为早上6：

00至晚上24：

00，其余时间是列车停运、设备维修时间）为285列/d，最高时达到316列/d。

东北新干线双向列车密度约154列/d。

如此高的列车密度在世界各国的高速铁路上是首屈一指的。

新干线高速列车有如此高的列车定员和行车密度，才保证了世界高速铁路最大旅客运输量的完成。

1994年全部新干线的年利润超过2　000亿日元（约合15亿美元）。

同时，新干线的开通运行，也对当地的经济发展给予了极大的推进，产生了巨大的社会效益。

据推算新干线每年约缩短旅客旅行时间约４亿ｈ，相当于5　000亿日元的价值。

新干线带动了沿线地区经济的发展，并使之均衡化。

由于新干线的建设，给沿线城市的生活、文化带来显著影响，发展了经济，提高了就业率。

因此，新干线铁道的建成，不仅完成了世界少有的旅客运输任务，而且其产生的经济效益和社会效益都是十分巨大的。

2.1.6安全性好，无旅客伤亡事故据1964年东海道新干线开通至2001年1月14日的统计，运行38年多，日本高速铁路保持没有一例旅客伤亡事故的记录。

1995年发生一宗意外事件是在站台上，车门夹住旅客衣服而列车启动事件，但未造成恶性后果。

2001年1月14日晚，在山形小型新干线的平交道口上，当时大雪深达４０ｃｍ，一辆私人小汽车驶入新干线而与高速列车发生碰撞，造成小汽车内的1人死亡，高速列车上140名旅客无一人受伤，只是车身被撞凹。

这是日本高速铁路第一次发生严重事故，而且是路外侵入造成撞车事故。

建立安全可靠的列车运行安全保证体系，是新干线运行38年来没有造成一例旅客伤亡事件的基本保证。

首先，新干线采用先进的ATC列车速度控制系统，它能自动控制列车运行速度、调整列车运行间隔，按照允许行车速度的要求，自动使列车制动减速或停车。

新干线ATC系统是以设备优先对列车进行自动减速控制的系统，在ATC信号指示速度以下时列车的操纵靠司机制动进行操作，当速度超过ATC信号指示速度时则由ATC装置自动进行制动，列车速度降到ATC信号指示速度以下时自动缓解制动。

列车进站停车时ATC装置控制列车自动减速到30km/h，从30km/h到停车的操作由司机进行。

也就是说，在新干线列车运行过程中，尽量减少人为因素影响，采用设备优先的原则，尽量用设备代替人的判断和操作。

对直接控制列车运转的装置和设备，都在研制设计和应用过程中考虑故障安全问题。

即发生故障时均使其处于使列车停车的位置或显示；

对重要零部件，采用双重或多重冗余系统，以保证其可靠度。

在新干线沿线设置自然灾害报警系统，并且当自然灾害袭来时通过切断新干线供电电源或经自动控制系统控制列车减速运行。

这其中最为完善或普遍的是新干线地震预警系统和台风预警系统。

旧的新干线地震预警系统工作原理是地面运动加速度超过某一限值时通知中央控制中心并同时切断变电站电源，使列车停止运行。

为了缩短地震发生时报警器启动的时间，新的地震预警系统利用地震发生时Ｐ波（垂直波）比Ｓ波（水平波）传播速度快的特点，检测到震幅较小但先期到达的Ｐ波即行报警，一般可争取到10ｓ左右的时间，使列车速度从250km/h或以上减速降至170km/h以下，大大降低了列车颠覆可能造成的损失。

新干线的台风预警系统除与气象部门联网外，还在新干线主要易受风害地段设置风速仪，监测沿线风速变化情况。

当风速达到一定程度后，自动通知列车减速或停止运行。

除此以外，新干线还对洪水和降雪灾害十分重视。

除洪水设计效率定为50～100年一遇（一般结构50年，重要结构100年。

该标准与我国相关标准比较并不高。

这主要与日本没有大江大河、一般河流流域面积窄小的自然条件有关）外，还规定了在不同的小时降雨量和连续降雨量条件下新干线列车以不同允许速度运行的标准，见表１—2—１２。

对于新干线降雪时的对策，除采用洒水除雪、自动温水融雪、人工清除车底积雪（在车站上进行）、车底设置加热板以融化飞扬凝结在车底的积雪等对策以外，不同的降雪条件下行车速度也有限制。

表１—２—１２小时降雨条件下规定的新干线列车速度

小时降雨量/mm小时降雨量+连续降雨量/mm连续降雨量/mm规定速度／km·

h－１4020+120150≤1604535+150≤705040+180400停运除上述各项做法以外，还有全线立交封闭、方便迅速的紧急联络系统、科学的设备人员管理和严格的人员培训教育等等。

建立了完善、效率良好的安全保证体系和相关系统，使日本新干线列车总行驶时间超过2亿ｈ，脱轨事故从未发生，保持了旅客伤亡为零的记录。

2.1.7服务设施良好，换乘便利，方便旅客出行

周密的旅客指南设施，良好的新干线与市郊铁道、地铁、窄轨铁路的换乘条件，标准规格的新干线运行时刻表，极大地方便了旅客，吸引了客流。

新干线上旅客指南设施主要有车站设备和车上设备两部分，直接或间接地向旅客传递乘车、换乘等信息。

车站设备主要包括发车指南显示牌（在车站剪票口、大厅、站台等处设置，向旅客传递车次、到达目的地、停车站及时间、自由席车厢号、列车编组等情况）、自动广播（广播列车到站、进站、发车、误点、通过等内容）等，并在车站各处设置明显的引导标志，引导旅客进、出站和换乘。

所有旅客信息装置均受车站PRC（自动列车运行控制装置）系统控制。

车内设备主要有显示牌、座席表示器、自动广播装备等。

这些设备最大限度地向旅客传输各种必要的信息。

干线的车站设置，最大可能地考虑到方便旅客集结、疏散和换乘。

一般中间站均与既有铁路车站共站而设，使旅客在既有线和新干线之间换乘方便，并且利用既有的城市交通网迅速地集结与疏散。

在大城市的车站，多与既有城市地铁、有轨交通、市郊列车等共站并能使旅客方便换乘。

图１—２—６为东京车站设施示意图，图１—２—７为盛冈车站设施示意图。

图１—２—６东京车站设施示意图图１—２—７盛冈车站设施示意图

图１—２—８新