正文 第4章 科學的結晶——高新技術的運用(3 / 3)

關於城市軌道交通的發展曆史,大致經曆了以下幾個階段:

英國於1863年建成第一條地鐵線路,美國於1888年建成第一條有軌電車線路,這一有軌電車線路的建成,標誌著城市交通已經進入軌道交通時代。

1863~1924年,是城市軌道交通誕生和初始發展階段;1924~1949年,是萎縮階段;1949~1969年,是再發展階段;1970年代以後,則是高速發展階段。

今天,世界各大城市和特大城市,都確立了公交優先、軌道交通是公交骨幹這一重要政策。

由於軌道交通有著許多優點,因此得到人們的廣泛采用,為使人們更好地了解與掌握軌道交通,下麵簡要列出了幾個重大的優點:

其一,城際快速軌道交通網的建設,標誌著區域綜合運輸係統走向現代化。由於快速軌道交通輸送量大、速度快、準時、節約能源及土地、汙染較少等特點,為走可持續發展道路,提供了一個重要條件。

其二,與公路占地相比較,是它的1/8.

其三,運量大,用地少。一條複線軌道交通線路,與一條16車道的公路運輸能力是所差無幾的。區域城際快速軌道交通網,以高架和地麵為主要鋪設方式,與同等運量的高速公路相比,效益大大提高。鋪設城際快速軌道交通係統,能夠節約不少土地資源。

其四,城際快速軌道的運行時速高達160~200千米,要比地鐵時速快1倍。以珠三角地區為例,以廣州為出發點,抵達珠三角的各城市用時均不超過1小時。相比而言,地鐵每千米的造價高達4億~6億元,而輕軌修建一千米的造價隻有1.5億元,僅僅是地鐵造價的1/3.采用地麵或高架鋪設,是區域城際之間的最經濟實惠的快速軌道聯絡方式。例如比利時在建設城市軌道時,並沒有首先想到去投資建設昂貴的地鐵,而是以舊軌道交通為基礎,逐漸建設了新型軌道交通。迄今為止,布魯塞爾、安特衛普和夏羅瓦等五個城市,均有輕軌鐵路的建設。與此同時,還在比利時建設了一條瀕臨大西洋北海的沿海輕軌線路。

其五,能源消耗僅是公共汽車的3/5.現如今,節約能源,減少大氣汙染已經成為時代的主題,越來越受到人們的觀注,正由於此,輕軌列車的發展前景較為廣闊。軌道交通係統每一單位運輸量能源消費量,是私人用車的1/6,僅為公共汽車的3/5.不僅如此,輕軌列車使用的能源是電能,不會像燃氣機車那樣,產生許多廢油廢渣。

其六,噪音小。隨著人們對生活質量需求的提高,減少噪音,也日漸受到人們的觀注。對於軌道交通而言,雖然也產生噪音,但大多易於治理,通過采取技術措施,例如采用超長無縫鋼軌,能夠使列車運行中的衝擊噪音大為減少;采用彈性輪,能夠使摩擦噪音大大減小,此外,合理的城市規劃以及必要的隔音遮擋,也可使噪音大大降低。據有關部門監測:行駛在公路上的大卡車的噪音高達94分貝,而輕軌列車能將運行噪音大約減低至70分貝。不僅如此,城際快速軌道交通,除了示警等特殊情況外,鳴笛是很少使用的。

其七,不易發生事故。軌道交通大多都采用了高技術標準和嚴格的管理措施,其安全性能要比公路交通高,因此,發生城市軌道交通的事故是極其少見的。

7.人性化設計——擺式列車

擺式列車種類很多,例如傾斜式列車,擺錘式列車,搖擺式列車,振子列車等。該列車是一種車體在轉彎時,能夠進行側向擺動的列車。對於擺式列車而言,行駛在普通的路軌上的彎曲路段,仍然能夠高速行駛。

通常情況下,飛機和自行車都能夠進行高速轉彎,這是因為它們在轉彎時,都能夠向側麵傾斜。而對於汽車或鐵路列車來說,其車輪必須著地。此外,其本身也不能傾斜。因此,為了使它們能夠像擺式列車一樣進行高速轉彎,那些高速公路及高速鐵路在轉彎處的路軌都被建成向內傾斜的弧形。這樣一來,向內的重力,就可以抵消乘客所受到的向外離心力。

對於任何一輛列車而言,在進行高速轉彎時,車內的物件以及乘客都會受到離心力的影響。這是為什麼呢?車內的物體保持原來的慣性直線前進,與車輛的轉彎方向不相同,這樣一來,就會產生相對的加速和力。在普通的鐵路列車上,“離心力”使得車上的物體以及行李傾側滑行,座位上的乘客同樣也會壓向一旁,那些站著的乘客甚至於失去重心而跌倒。

汽車在轉彎時,如果速度太快,便會出現汽車打滑的現象,因此這種傾斜對於汽車使用的道路來說,起著非常重要的作用。重心較高的列車以極高的速度在鐵路上駛過急轉彎時,也有可能發生翻側。因此,我們看到的路軌通常是弧形的,這能夠有效地避免車體發生翻側。

此外,由於列車還未接近足以翻側的速度和急彎時,乘客就會產生非常嚴重的不適感。為此,在設計鐵路時,所想到的並非是為了避免車輛翻側,而是從乘客的不適感出發考慮的。

預計車輛經過行駛時的速度,是計算弧形路軌所需要的傾斜角大小的標準。二者之間通常成正比,車速越快,傾斜角越大。於1960~1970年建成的高速鐵路,曾經出現過這樣一個問題:同樣一個傾斜角度,雖然適合高速客運列車行駛,卻不適合普通客車和貨車行駛。為了最大限度減少彎曲路線,法國與日本的高速鐵路都建造了專線。而其他國家,多半是因為地形、空間、資金等原因未建成新的路線,大多通過其他手段提高鐵路的營運速度。英國絕大多數的鐵路,差不多都是在車速較低時建造的。現如今,這些路線所處的地區建築極為密集,重建難度非常大。而意大利由於山多,路線修建的必然趨勢就是多彎。於是,這些國家便大力投資擺式列車。

關於擺式列車的曆史,得先從意大利說起,意大利國家鐵路局在1960年與菲亞特軌道車輛集團進行合作,成功測試了一套可以傾斜單一座位的特殊係統。隨後,便將其安裝在Aln688車型上。後來,第一台擺式列車YO16問世,而且還被人們稱為“小擺鍾—Pendolino”。

意大利國鐵在經過多次路測之後,於1974年訂購了四車一組的擺式原型列車ETR401.然後,對其進行了深入的研究與測試,進一步改進了傾斜控製裝置、懸承係統以及反偏駛阻尼器設計。1976年,成功研製出安全性能好、舒適度高和行車速度快的擺式列車,並順利交車。

據悉,15組9車一組的ETR450自動擺式電聯車,是意大利於1985年開始製造的,1988年,開始在米蘭至羅馬之間行駛,行車時間大大縮短了。後來,其他鐵路網中也有運行。現如今,ETR460和ETR480雖然已經過不少改進,但ETR450目前仍然未被淘汰。

對於擺式列車的構造,以常見的ETR450最為典型,其建造概念為“塊狀組合”。流線型車頭及駕駛室,在該列車頭尾各有一個,車廂是用輕合金屬打造而成的,經久耐用,每節車廂的底部,縱向懸掛著兩個轉向架以及兩組牽引馬達,這樣的話,分布在整節車廂的動力也就均衡了。而對於垂直與水平懸承係統來說,主要是為了減少傾向加速度以及車輪與軌道的作用力,使乘客更加舒適。回轉儀及加速度計,是用來控製車體在彎道的傾斜度的。

主控製單元,安裝在第一節車中,是用來處理車身的傾斜度的。位於最前方轉向架之上的回轉迅號電測轉換器,能夠獲取彎道的起始與形態,及由加速度感應器傳來的迅號,車身的離心加速度,就是通過獲取的這些信息來決定的。

主控製單元控製各車輛中的的子係統,是按照從上而下的順序而進行的。然後,再以油壓引動器(每車四台)來控製各車的子係統,能夠對各車的傾斜角進行即時的控製。由於此列車行車速度極快,列車控製反應時間通常為0.1秒,為了不讓乘客產生不適感,車身多采取漸進式傾斜。此外,因車輪磨損或反偏阻尼器的偏差所造成的不穩定性,子控製係統能夠通過這種途徑,來調整主動側向懸承係統的氣壓裝置。雙軸轉向架,兩垂直與水平懸承係統,均裝有反偏駛阻尼器以及一個創意的轉向架安定性量測裝置,隻有這樣,才能更好地保障其安全。列車中每輛車,因為路線曲率半徑和每輛的實際車速不同,因此傾斜控製係統針對它們的特點,能夠做出不同的傾斜角。

第三代擺式列車的特別的設計,能夠使火車車軸的負荷(平均每軸14噸)大大減輕,這樣一來,火車的載重就可以平均分布在整節火車上了。通常情況下,每輛車轉向架的輪距隻有2.7米,所以在列車急轉彎時,能夠減少車輪的受力。在這種情況下,就會大大減小轉向架受到離心力作用的質量。

除此之外,擺式列車在國際上,也得到了廣為應用。例如意大利擺式列車,為瑞士裝配了最高速度每小時行駛200千米的24組ICN擺式列車,為西班牙裝配了速度為每小時220千米的Alaris擺式列車,為英國裝配了速度為每小時225千米的Virgin擺式列車,為葡萄牙裝配了速度為每小時220千米的CPA4000係列擺式列車。

在非常舒適和安全的條件下,擺式列車行時速可達到250千米。因此,對於一般的擺式列車而言,有以下幾個特點:

(1)旅途舒適度極高

乘客所感受到的離心加速度會大大減少,多向懸乘係統設計複雜而精密,再加上高科技隔音、加壓和空調係統,使擺式列車具有環境概念設計的列車,使得舒適度達到最高。

(2)對環境影響最小

擺式列車不僅不需要另外新建的軌道,而且對現在的軌道造成的損害也特別小。由於擺式列車並不需要額外的施工建設,因此對環境造成的影響最小。

(3)使用靈活

該列車采取的發展方案是:模組式轉向架,動力和輔助係統設計以及中空擠壓式鋁型材加工的新概念。其動力不僅可以采用柴油引擎(電力或油壓式)或多伏電力馬達,同時也可以安裝各種冷暖氣設備,而不會受到任何氣候條件的影響。

(4)高效能和絕對安全的刹車係統

由於該列車的任何一個係統都配有電氣、電子以及輔助係統,達到嚴格的國際慣用安全標準。擺式列車通常有兩種刹車係統:其一,時速為250千米到45千米時,采用的是電動及氣壓式係統,時速低於45千米的,采用的是氣壓式圓盤刹車裝置。不僅如此,該列車為了更好地避免不同的車輪與軌道作用力而產生不同的刹車距離,還配有一個感應點的止滑裝置。

8.環保列車——清潔能源列車

隨著時代的進步,科技的發展,出現了各種各樣的新式列車,讓我們目不暇接。近年來,人們又提出了設計重力列車的想法。那麼,此種想法是從何而來的?那就是以“重力能量”為基礎,對其加以利用。

當今社會,電子計算機技術、生動控製技術和各種新興動力係統技術齊頭並進,如果人們能夠對地球的重力能量,加以控製和有效利用,再加之其他新興清潔能源、現代化動力技術,進行有效結合,地球上也許就會有許多取之不盡、用之不竭的清潔能源,能夠為人類服務。

為了實現以上的想法,人們一直在苦苦探尋著重力列車。不過,要想開行重力列車,必須具有下坡路軌和上坡路軌這兩個基本條件,換言之也就是列車前進的動力。眾所周知,我國的基本地形是西部高、東部低,在這樣的情況下,為開發重力列車提供了一個重要的條件。

在設計重力列車時,首先要解決的是重力列車“下坡容易,上坡難”的問題。

在列車下坡時,最為關鍵的是一定要對下坡的運行速度進行控製。

在日常生活中,我們常常會發現,坡度越大、斜麵越長,重力加速度也就越大,物體運行的速度也就越來越快,因此需要對其進行有效的控製。與此同時,要將剩下的重力能源轉變為能夠儲存下來的能源,在列車上坡或加速時,能夠起到一個推動的作用。而現代計算機技術和現代動力技術,是解決這個關鍵問題的基礎條件之一。這是因為計算機能夠根據速度、曲線半徑等條件,準確地計算出列車速度的最佳值,然後將其與現時速度進行比較,繼而推斷出加速或減速。

在列車上坡時,最為重要的就是需要提供上坡的動力。

剛開始,列車可依靠自身所具有的慣性來“闖坡”。不過,值得注意的是,這種由重力加速度轉化而來的動能並不是無限的,如果想推動列車繼續運行,就需要重力能源之外的能源來推動。

此外,人們還從節能的動機出發,一般有以下幾種情況:

列車下坡時,利用多餘的重力來帶動限速發電機,從而控製列車速度。這樣一來,就能夠將重力能轉化為電能,然後將一部分能量儲存起來;另外,風速與車速產生的速度差也可用來帶動風力發電機發電,從而推動列車的前進;除此之外,也可利用航空技術,帶動限速負載風洞發電機發電,然後帶動列車前進,這同樣也是一種可行的方式;還有一種方式,將太陽能電池安裝在車身上,在列車某些部位設置溫差發電裝置,產生的太陽能也能夠轉化為電能。

如果上述的驅動能源仍然不能夠滿足上坡所需的能量的話,還可以利用地麵站向列車輸送清潔能源。如果有必要的話,還可采用“氣墊”、“磁浮”等新興技術,同樣也可以減少上坡時輪軌之間的摩擦力,從而將驅動能源節約下來。

重力列車是未來的一種新型列車,集現代化高科技於一身。更為重要的是,它是一種清潔能源列車,在不久的將來必有廣闊的發展前景。