高鐵復興時代(11):鐵路技術基本認識(車輛設計)│脫苦海

 

鐵路或火車,總是予人「這麼近那麼近」的感覺:明明天天都可能接觸到,但是卻對它沒有多少了解。本文就是希望以深入淺出的方式,介紹大家認識鐵路技術。

 

車輛設計

這次又要拿慈禧太后來墊背:當袁世凱第一次把汽車送給慈禧太后後,她卻說:「這車跑得這麼快,要吃許多草吧?」慈禧太后第一次見到火車,當火車緩緩啟動的時候,巨大的響聲又嚇著慈禧太后了,沒辦法,慈禧太后命令德國工程師去掉火車頭,改為馬拉著火車車廂。

v2-88630ea0978798b1286ccb9bf764b985_hd

馬匹拉動的火車

 

動力系統

其實最初的火車,的確是用馬匹或者夫力拉動的,當然亦沒有所謂的動力系統。十九世紀英國人將瓦特蒸氣機放在火車上,以煤為燃料來推動,就是蒸汽機車(Locomotive),由於要不時加添燃料,所以在機車之後的車廂要帶上煤,由工人將煤用鏟添入機車。

到1924年第一部由柴油作燃料由內燃機(Diesel Engine)推動的機車誕生,內燃機車分為機械傳動、液力傳動和電力傳動,現時以電力傳動為主,即是內燃機發電帶動電動機。內燃機車不用再拖著載著煤和水的燃料車廂,變相增加了火車的載客載貨量,缺點卻是仍然會排出廢氣,污染環境。

最終產生了由電力推動的電氣化鐵路系統(Railway Electrification System),之所以稱為系統,是因為除了列車和路軌之外,還要配合一套機電系統才能運行。電氣化鐵路系統還有分為交流電(Alternating Current, AC)和直流電(Direct Current, DC),兩種系統各有長短。

交流電輸電方式的輸出距離較直流電遠,不過距離遠就會導致電壓下降,所以需要很高的電壓,沿線就不用太多的供電站,節省基建費用。但由於電壓太強會很容易受周遭環境的波場影響而跳電造成短路,所以交流電輸電的鐵路範圍,電纜四周的2.5米之內都不能夠有其他對象。交流電鐵路一般在城內地鐵系統或輕軌上使用;在香港,市區地鐵系統和輕鐵都是交流電的。

直流電的好處正正就是彌補交流電的缺點,安全程度比大電流的高得多,不過由於電壓小,輸送距離就不及交流電遠,故此需要設立更多的供電站從外面的電網取電,營運成本就會大增​​了。沿著線路會看到很多電線桿,上面有接觸網的,如香港的東鐵、西鐵,以至各國的高鐵都是使用直流電。

一般人印像中的火車,是一個火車頭帶著一串車廂,這其實只是動力系統設計的其中一種:「動力集中式」,意思是列車的動力集中在一處,由一部機車牽引其他車廂。從一開始火車就是以這種形態面世,但當火車需要更多動力來提高速度,機車的重量及軸承就變得過重,令到路線所受壓力大增。還有,一種叫「推拉式」,即是列車的一端是機車和駕駛室,另一端是沒有動力的駕駛室,司機可以遙控機車運作,由車頭拉變成車尾推,所以不用調頭。現時法國的高鐵技術採用動力集中式

所以就設計出另外一種編組方式:「動力分佈式」(Distributed Power Unit, DPU),將動力分散到不同的車廂,列車分為動車和拖車,動車帶有動力,拖車不帶動力,故又稱為「動車組」。這樣的好處是將機車的重量分散到不同的車廂,軸承又可以減輕,而且能同一時間提供更多的動力。現時地鐵車輛以及中國、德國和日本的高鐵都是動力分佈式。

 

制動系統

知道列車怎樣跑起來,也要知道怎樣停下來,不然列車就會成為不受控制,所以列車要設置制動系統,即俗稱的「煞車」。最早期的製動系統是手動煞車(Hand Brake),類似汽車那樣,依靠設於轉盤拉動鐵鍊,推動裝置在車輪旁的閘瓦(Brake Block)壓在車輪上,產生摩擦力令車輪停下,缺點是不能一次過控制所有車輪,要逐一拉掣。之後發現煞車只需要令最後一個車廂的車輪停下,於是手掣設在車尾,成為守車(Brake Van)。

進一步的改進是控制所有閘瓦同步煞車,發明真空制動系統(Vacuum Brake),原理是透過設於機車上的抽氣機和連貫所有車廂的氣喉跟各個閘瓦,車輛停駛時閘瓦會自動鎖著車輪,開車時抽氣機將氣喉內的空氣抽走,同時將閘瓦吸起,令到車輪可以自由轉動,需要煞車時就將抽氣機關上,閘瓦就會自然落在車輪之上煞車。但係統仍然是依賴人手拉動,當時火車的動力和速度遠遠不及現在,才可以應付。隨著火車馬力越大,速度越快,就要發展更先進的製系統。

差不多同期有另一種掣動系統,稱為空氣製動(Air Brake),能迅速將重載和高速行駛的列車煞停,反應比真空制動快得多,傳播速度達每秒200米以上,兩者的分別在於空氣製動使用壓縮氣體透過氣喉傳導到每個車廂的閘瓦,無需等待空氣進入真空狀態的氣喉。

要進一步加快煞車的速度,一種更新的技術被採用,稱為電控風制動(Electro-Pneumatic Brake),傳達速度高至每秒30萬公里,在計算機發出指令後,全車的所有車廂都可以同時執行。更發生了將車輪依慣性轉動的動能轉回為電能,這種環保的發電制動方式稱為再生製動(Regerative Brake)。

 

車廂

日本新幹線被稱為「子彈火車」,是因為車頭的造型似子彈那樣流線形,這樣做不是為了美觀,而是為了解決高速運行時的風阻問題。若列車時速低於60公里時,空氣阻力對列車造成的阻力是可以忽略不計,而是以輪軌阻力為主,隨著運行速度上升,輪軌阻力將因「滾動滑前進」而降低,空氣阻力則會隨著速度增加而呈平方增長,到時速超過約92公里時,空氣阻力將會超過輪軌阻力,到時速提高到200公里時,空氣阻力可以佔行駛阻力達七成以上,所以車頭的設計對於高鐵很重要。

車頭形狀更具流線型,甚至在設計時間經過風洞試驗,讓現代的高鐵車體設計愈來愈像飛機。

就以第二代和諧號在CRH380A頭型的設計為例,通過32個設計變量和200次模型優化,設計出了20種頭型進行綜合分析:從技術優越性、製造實現難度和文化內涵等角度,選出10種頭型方案。設計人員通過計算器模擬設計和進一步技術化,確定了5種頭型,再進行多達17項75次的模擬試驗。之後,用黃泥按1:8比例塑出車型,送四川綿陽做風洞試驗。在進行19個角度8種風速的風洞空氣動力學試驗時,同步進行噪聲試驗。對測出的各種參數,設計人員根據試驗數據進行再調整,再次進行計算器模擬試驗,如此反复,優選一種頭型做出樣車。

v2-ed800c830e5c318b172a2e6906e33c1e_hd

CRH380A的頭型設計

頭型的設計並不是只集中於車前部,兩側的導流板設計、車下部的裙板、車輛連接處的風擋設計,也是重要的組成部分。比如兩側貫穿全車的凹槽,有力降低列車的氣動升力,也就阻止車向上飄升,讓全車流線化,尾車更為穩定。

在高速時列車要衝破風阻行駛,就會產生巨大的噪音,強度與速度的6-9次方成正比,特別是通過隧道時的「活塞效應」:列車在隧道行駛時,車身前方大部分空氣都被列車擠壓而被迫向前流動,只有餘下的小部份能在列車與道壁之間通過,列車就像活塞那樣,在管道內擠壓空氣。氣壓波動沿著隧道傳播,在隧道另一端的出口造成爆破聲(Tunnel Bomb)。

空氣對高鐵列車的殺傷力除表現為空氣阻力外,還有氣動噪聲、隧道微氣壓波、列車錶面壓力波等。當列車進入隧道,或者兩列高速列車交匯時,車外的壓力變化可以達到5-10千帕(kPa),造成氣壓波動,導致乘客耳膜不適。要維持乘客的舒適度,就要將車廂內的壓力變化降低到1-2千帕左右。

所以高鐵就要設計出全車氣密結構,應用了多項技術:車廂採用連續焊縫技術、車窗採用固定式結構、車門採用多重密封技術、兩節車廂之間設置氣密內風文件、換氣系統採用壓力保護裝置等,務求令到車廂在行駛時與外界完全隔絕,不受噪音和氣壓變化影響。

 

安利一下筆者在知乎的回答:tokuhon.org

專欄短網址:blog.tokuhon.org

電郵:tokuhon@gmail.com

相關資料夾:脫苦海分類:鐵路

發表迴響