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。
1.1 采用铝合金车体结构
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(图2一2) 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(图2一3) 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(图2一4) 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。其装置如图2一6所示。
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%左有。图2一8所示轻量化前后牵引电机输出功率与电机重量的关系。
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)。其车辆各主要部位的下降幅度见下图，即300系高速列车的车辆轻量化效果。
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发表于 2006-11-8 21:36:16