书城科普读物探究式科普丛书-运输大王火车
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第7章 科技是推动火车发展的内在动力(3)

现如今,地铁已经不再仅仅出现于地下隧道中,而是泛指采用高规格电客列车在高峰小时单向运输能力大约为3万~7万人的大容量城市轨道交通系统。地铁轨道运行线路多种多样,地面、地下、高架三者进行有机结合。到目前为止,有许多城市已经不再称之为“地铁”,而换成“轨道交通”了。

关于城市轨道交通的发展历史,大致经历了以下几个阶段:

英国于1863年建成第一条地铁线路,美国于1888年建成第一条有轨电车线路,这一有轨电车线路的建成,标志着城市交通已经进入轨道交通时代。

1863~1924年,是城市轨道交通诞生和初始发展阶段;

1924~1949年,是萎缩阶段;1949~1969年,是再发展阶段;1970年代以后,则是高速发展阶段。

今天,世界各大城市和特大城市,都确立了公交优先、轨道交通是公交骨干这一重要政策。

由于轨道交通有着许多优点,因此得到人们的广泛采用。为使人们更好地了解与掌握轨道交通,下面简要列出几个大的优点:

其一,城际快速轨道交通网的建设,标志着区域综合运输系统走向现代化。由于快速轨道交通输送量大、速度快、准时、节约能源及土地、污染较少等特点,为走可持续发展道路,提供了一个重要条件。

其二,仅为公路占地的1/8。

其三,运量大,用地少。一条复线轨道交通线路,与一条16车道的公路运输能力是所差无几的。

区域城际快速轨道交通网,以高架和地面为主要铺设方式,与同等运量的高速公路相比,效益大大提高。铺设城际快速轨道交通系统,能够节约不少土地资源。

其四,城际快速轨道的运行时速高达160~200千米,要比地铁时速快1倍。以珠三角地区为例,以广州为出发点,抵达珠三角的各城市用时均不超过1小时。相比而言,地铁每千米的造价高达4亿~6亿元,而轻轨修建一千米的造价只有1.5亿元,仅仅是地铁造价的1/3。采用地面或高架铺设,是区域城际之间的最经济实惠的快速轨道联络方式。例如比利时在建设城市轨道时,并没有首先想到去投资建设昂贵的地铁,而是以旧轨道交通为基础,逐渐建设了新型轨道交通。迄今为止,布鲁塞尔、安特卫普和夏罗瓦等五个城市,均有轻轨铁路。比利时还建设了一条濒临大西洋北海的沿海轻轨线路。

其五,能源消耗仅是公共汽车的3/5。现如今,节约能源、减少大气污染已经成为时代的主题,越来越受到人们的关注,正由于此,轻轨列车的发展前景较为广阔。轨道交通系统每一单位运输量能源消费量,是私人用车的1/6,仅为公共汽车的3/5。不仅如此,轻轨列车使用的能源是电能,不会像燃气机车那样,产生许多废油废渣。

其六,噪音小。随着人们对生活质量需求的提高,减少噪音,也日渐受到人们的关注。对于轨道交通而言,虽然也产生噪音,但大多易于治理,通过采取技术措施,例如采用超长无缝钢轨,能够使列车运行中的冲击噪音大为减少;采用弹性轮,能够使摩擦噪音大大减小,此外,合理的城市规划以及必要的隔音遮挡,也可使噪音大大降低。据有关部门监测:行驶在公路上的大卡车的噪音高达94分贝,而轻轨列车能将运行噪音大约减低至70分贝。不仅如此,城际快速轨道交通,除了示警等特殊情况外,鸣笛是很少使用的。

其七,不易发生事故。轨道交通大多采用高技术标准和严格的管理措施,其安全性能要比公路交通高,因此,发生城市轨道交通的事故是极其少见的。

7.人性化设计——摆式列车

摆式列车种类很多,例如倾斜式列车、摆锤式列车、摇摆式列车、振子列车等。该列车是一种车体在转弯时,能够进行侧向摆动的列车。

对于摆式列车而言,行驶在普通路轨上的弯曲路段,仍然能够高速行驶。

通常情况下,飞机和自行车都能够进行高速转弯,这是因为它们在转弯时,都能够向侧面倾斜。而对于汽车或铁路列车来说,其车轮必须着地。此外,其本身也不能倾斜。因此,为了使它们能够像摆式列车一样进行高速转弯,那些高速公路及高速铁路在转弯处的路轨都被建成向内倾斜的弧形。这样一来,向内的重力,就可以抵消乘客所受到的向外离心力。

对于任何列车而言,在进行高速转弯时,车内的物件以及乘客都会受到离心力的影响。这是为什么呢?因为车内的物体保持原来的惯性直线前进,与车辆的转弯方向不相同,这样一来,就会产生相对的加速和力。在普通铁路列车上,“离心力”使得车上的物体以及行李倾侧滑行,座位上的乘客同样也会压向一旁,那些站着的乘客甚至于失去重心而跌倒。

汽车在转弯时,如果速度太快,便会出现汽车打滑的现象,因此这种倾斜对于汽车使用的道路来说,起着非常重要的作用。重心较高的列车以极高的速度在铁路上驶过急转弯时,也有可能发生翻侧。因此,我们看到的路轨通常是弧形的,这能够有效地避免车体发生翻侧。

此外,由于列车还未接近足以翻侧的速度和急弯时,乘客就会产生非常严重的不适感。为此,在设计铁路时,所想到的并非是为了避免车辆翻侧,而是从乘客的不适感出发考虑的。

预计车辆经过行驶时的速度,是计算弧形路轨所需要的倾斜角大小的标准。二者之间通常成正比,车速越快,倾斜角越大。于1960~1970年期间建成的高速铁路,曾经出现过这样一个问题:同样一个倾斜角度,虽然适合高速客运列车行驶,却不适合普通客车和货车行驶。为了最大限度减少弯曲路线,法国与日本的高速铁路都建造了专线。而其他国家,多半是因为地形、空间、资金等原因未建成新的路线,大多通过其他手段提高铁路的营运速度。英国绝大多数铁路,差不多都是在车速较低时建造的。现如今,这些路线所处的地区建筑极为密集,重建难度非常大。而意大利由于山多,路线修建的必然趋势就是多弯。于是,这些国家便大力投资摆式列车。

关于摆式列车的历史,得先从意大利说起,意大利国家铁路局在1960年与菲亚特轨道车辆集团进行合作,成功测试了一套可以倾斜单一座位的特殊系统。随后,便将其安装在Aln688型车上。

后来,第一台摆式列车YO16问世,而且还被人们称为“小摆钟-Pendolino”。

意大利国铁在经过多次路测之后,于1974年订购了四车一组的摆式原型列车ETR401。然后对其进行了深入的研究与测试,进一步改进了倾斜控制装置、悬承系统以及反偏驶阻尼器设计。1976年,成功研制出安全性能好、舒适度高和行车速度快的摆式列车,并顺利交车。

据悉,15组9车一组的ETR450自动摆式电联车,是意大利于1985年开始制造的,1988年,开始在米兰至罗马之间行驶,行车时间大大缩短了。后来,其他铁路网中也有运行。现如今,ETR460和ETR480虽然经过不少改进,但ETR450目前仍然未被淘汰。

对于摆式列车的构造,以常见的ETR450最为典型,其建造概念为“块状组合”。流线型车头及驾驶室,在该列车头尾各有一个,车厢是用轻合金属打造而成的,经久耐用。每节车厢的底部,纵向悬挂着两个转向架以及两组牵引马达,这样的话,分布在整节车厢的动力也就均衡了。而对于垂直与水平悬承系统来说,主要是为了减少倾向加速度以及车轮与轨道的作用力,使乘客更加舒适。回转仪及加速度计,是用来控制车体在弯道的倾斜度的。

主控制单元,安装在第一节车中,是用来处理车身的倾斜度的。

位于最前方转向架之上的回转迅号电测转换器,能够获取弯道的起始与形态,及由加速度感应器传来的迅号,车身的离心加速度,就是通过获取的这些信息来决定的。

主控制单元控制各车辆中的的子系统,是按照从上而下的顺序而进行的。然后,再以油压引动器(每车四台)来控制各车的子系统,能够对各车的倾斜角进行即时的控制。由于此列车行车速度极快,列车控制反应时间通常为0.1秒,为了不让乘客产生不适感,车身多采取渐进式倾斜。此外,因车轮磨损或反偏阻尼器的偏差所造成的不稳定性,子控制系统能够通过这种途径,来调整主动侧向悬承系统的气压装置。双轴转向架是两个垂直与水平悬承系统,均装有反偏驶阻尼器以及一个创意的转向架安定性量测装置,只有这样,才能更好地保障其安全。列车中每辆车,因为路线曲率半径和每辆的实际车速不同,因此倾斜控制系统针对它们的特点,能够做出不同的倾斜角。

第三代摆式列车的特别设计,能够使火车车轴的负荷(平均每轴14吨)大大减轻,这样一来,火车的载重就可以平均分布在整节火车上了。通常情况下,每辆车转向架的轮距只有2.7米,所以在列车急转弯时,能够减少车轮的受力。在这种情况下,就会大大减小转向架受到离心力作用的影响。

除此之外,摆式列车在国际上也得到了广为应用。例如意大利摆式列车,为瑞士装配了最高速度每小时行驶200千米的24组ICN摆式列车,为西班牙装配了速度为每小时220千米的Alaris摆式列车,为英国装配了速度为每小时225千米的Virgin摆式列车,为葡萄牙装配了速度为每小时220千米的CPA4000系列摆式列车。

在非常舒适和安全的条件下,摆式列车行时速可达到250千米。

因此,对于一般的摆式列车而言,有以下几个特点:

(1)旅途舒适度高

乘客所感受到的离心加速度会大大减少,多向悬乘系统设计复杂而精密,再加上高科技隔音、加压和空调系统,使摆式列车具有环境概念设计的列车,使得舒适度达到最高。

(2)对环境影响小

摆式列车不仅不需要另外新建的轨道,而且对现在的轨道造成的损害也特别小。由于摆式列车并不需要额外的施工建设,因此对环境造成的影响较小。

(3)使用灵活

该列车采取的发展方案是:模组式转向架,动力和辅助系统设计以及中空挤压式铝型材加工的新概念。其动力不仅可以采用柴油引擎(电力或油压式)或多伏电力马达,同时也可以安装各种冷暖气设备,而不会受到任何气候条件的影响。

(4)高效能和绝对安全的刹车系统

由于该列车的任何一个系统都配有电气、电子以及辅助系统,达到严格的国际惯用安全标准。

摆式列车通常有两种刹车系统:其一,时速为250千米到45千米时,采用的是电动及气压式系统;时速低于45千米的,采用的是气压式圆盘刹车装置。不仅如此,该列车为了更好地避免不同的车轮与轨道作用力而产生不同的刹车距离,还配有一个感应点的止滑装置。

8.环保列车——清洁能源列车

随着时代的进步,科技的发展,出现了各种各样的新式列车,让我们目不暇接。近年来,人们又提出了设计重力列车的想法。那么,此种想法是从何而来的?那就是以“重力能量”为基础,对其加以利用。

当今社会,电子计算机技术、生动控制技术和各种新兴动力系统技术齐头并进,如果人们能够对地球的重力能量加以控制和有效利用,再加之对其他新兴清洁能源、现代化动力技术进行有效结合,地球上也许就会有许多取之不尽、用之不竭的清洁能源,能够为人类服务。

为了实现以上的想法,人们一直在苦苦探寻着重力列车。不过,要想开行重力列车,必须具有下坡路轨和上坡路轨这两个基本条件,换言之也就是列车前进的动力。众所周知,我国的基本地形是西部高、东部低,在这样的情况下,为开发重力列车提供了一个重要的条件。

在设计重力列车时,首先要解决的是重力列车“下坡容易上坡难”的问题。

在列车下坡时,最为关键的是一定要对下坡的运行速度进行控制。

在日常生活中,我们常常会发现,坡度越大、斜面越长,重力加速度也就越大,物体运行的速度也就越来越快,因此需要对其进行有效的控制。与此同时,要将剩下的重力能源转变为能够储存下来的能源,在列车上坡或加速时,能够起到一个推动的作用。而现代计算机技术和现代动力技术,是解决这个关键问题的基础条件之一。这是因为计算机能够根据速度、曲线半径等条件,准确地计算出列车速度的最佳值,然后将其与现时速度进行比较,继而推断出加速或减速。

在列车上坡时,最为重要的就是需要提供上坡的动力。

刚开始,列车可依靠自身所具有的惯性来“闯坡”。不过,值得注意的是,这种由重力加速度转化而来的动能并不是无限的,如果想推动列车继续运行,就需要重力能源之外的能源来推动。

此外,人们还从节能的想法出发,一般有以下几种情况:

列车下坡时,利用多余的重力来带动限速发电机,从而控制列车速度。这样一来,就能够将重力能转化为电能,然后将一部分能量储存起来;另外,风速与车速产生的速度差也可用来带动风力发电机发电,从而推动列车前进;除此之外,也可利用航空技术带动限速负载风洞发电机发电,然后带动列车前进,这同样也是一种可行的方式;还有一种方式,将太阳能电池安装在车身上,在列车某些部位设置温差发电装置,产生的太阳能也能够转化为电能。