新幹線 邁向新世代GO!

技術

新世代新幹線的研發正式啟動。JR東日本為達到世界最快時速360公里的目標,著手進行新型車款的研發。而JR東海也將針對現有車款設計進行大規模改良,並已開始試車。

日本的新幹線自1964年開始營運以來,北從北海道,南至九州,建構起全長約3280公里(*1))的鐵路網絡。以時速320公里的東北新幹線為首,除去迷你新幹線,所有列車行駛皆達到200公里以上的時速。目前每年約有4億2000萬名,平均每天約115萬名(2016年度統計)的乘客,享受著搭乘新幹線高速移動時所帶來的舒適。

已經開始的新世代車體之研發

為建立順暢的新幹線運輸系統,車體是相當重要的一環。對車體而言,具備高速、安全、舒適等功能,並達到節能減碳、及對環境的愛護,每一項都不可或缺。而成功滿足這些嚴謹條件的新幹線車款,大致上可分為兩大類。一類是「東海道」「山陽」「九州」等適合溫暖地方的車款,另一類是「東北」「上越」「北陸」「山形」「秋田」等適合寒冷或積雪地方的車款。兩者的主要車款分別為,前者東海道・山陽新幹線所使用之N700A,以及後者東北・北海道新幹線所使用之E5系・H5系。

N700A自2013年開始啟用,最早推出N700系則是2007年,迄今已過11個年頭。而E5系・H5系也不遑多讓,E5系列車自2011年開始啟用,7年來該列車活躍於第一線。N700A、E5系・H5系長期以來始終佔有其重要的一席之地,從這點來看,我們應該可以說新幹線車款幾乎達到完美的境界了吧。

其中N700A的研發者JR東海,以及E5系・H5系的研發者JR東日本,這兩家公司在2016年至2017年期間,發表了未來將致力於新世代車款研發的宣言。不論是JR東海或JR東日本,兩家公司都先行製作了測試用車款,JR東海所研發的是N700S確認測試車款(以下簡稱N700S),而JR東日本則是採用暱稱為「ALFA-X」的E956形式車款(以下簡稱「ALFA-X」)。N700S在2018年3月已開始營運,而ALFA-X則預定於2019年春天完成。由此二車款N700S、ALFA-X所採用的新方案及發展目標來看,可預見未來在2020年代新幹線的新樣貌。

(*1) ^ 包含迷你新幹線之山形・秋田兩條新幹線。而完整規格新幹線是以營運範圍公里數為計算基準(2018年4月統計資料

徹底執行的輕量化・小型化

第一眼見到N700S時,感覺跟以往的N700A相比幾乎沒有變化。N700S保留了車體原本結構,藉由裝載新機器與新系統、及精益求精的概念,正是讓研發的腳步不斷前進的原因。即使不是那麼地華麗,N700S所採用之新方案內容卻相當豐富。最大的特徵便是車體下方所裝載的機器設備,皆徹底達到輕量化、小型化的目標。

東海道・山陽新幹線之車款變遷

系列 年份 最高時速
0系 1964 東海道新幹線210km/h
(1986年起為220km/h)
山陽新幹線210km/h
(1972年起)
220km/h(1986年起)
100系 1985 東海道新幹線210km/h
(1986年起為220km/h)
山陽新幹線210km/h
(1986年起為220km/h)
100N系※ 1989 東海道新幹線220km/h
山陽新幹線230km/h
300系 1992 東海道新幹線270km/h
山陽新幹線270km/h
(1993年起)
500系※ 1997 東海道新幹線270km/h
山陽新幹線300km/h
700系 1999 東海道新幹線270km/h
山陽新幹線285km/h
N700系 2007 東海道新幹線270km/h
山陽新幹線300km/h
N700A 2013 東海道新幹線270km/h
(2015年起為285km/h)
山陽新幹線300km/h
N700S 2021(預定) 東海道新幹線285km/h
山陽新幹線300km/h

※為JR西日本所屬的車款。其它車款為JR東海、JR西日本公司共同持有。

若從輕量化觀點切入,以一般附有馬達的電動車來說,其馬達部分大約140公斤,車身底盤架大約75公斤,總共可減輕215公斤左右的重量。雖然說馬達輕量化的重量比例僅佔了7噸中的3%,好比只是一臺電動車的底盤重量。但對於新幹線車體而言,必須為了以公克為單位的輕量化而煞費苦心,因此我們可以說這已經大幅度達成輕量化的目標了。

藉由機器設備的輕量化,用與原本相同的輸出功率,實現更高速運行的可能。而電力消耗比從前更少,同時提升節省能源的功效。由於輕巧的車輛在行進中減輕了噪音與震動,不但能增加車廂內乘客搭乘時的舒適性,也能減緩車輛行進間對於沿線所造成的影響。

車體的小型化也有許多的優點。比如裝置在車體下方的變壓器或電器設備也跟著變小,以往需要三節車廂空間的機器,現在只需要一節車廂便足以容納。

活用空間裝載大容量蓄電池

另一個值得關注的焦點是,該如何活用機器設備小型化之後所產生的空間。JR東海於車體裝載了足夠讓車輛自行運轉的鋰電池,未來也會進行相關測試。若能實現的話,即便基地臺提供的電力有中斷的情形,車輛也能自行運轉,如此一來,便能避免車輛在隧道內或橋梁上發生動彈不得的狀況,這點是無庸置疑的。

雖然JR東海未提到隻字片語,但筆者認為,裝載大容量的蓄電池能帶來更多的好處。若電力再生煞車裝置(regenerative brake)所產生的電力,能夠保存在蓄電池內的話,這樣的煞車裝置不論是在一般或遇到緊急狀態時,皆可立即使用,發揮小兵立大功的成效。

以馬達當作發電機,以其阻力來減弱車軸回轉力道的電力再生煞車裝置(*2),相當於一般自小客車的引擎煞車裝置,尤其是在高速運行中仍保有相當穩定的控制力。然而,目前所有新幹線車款皆未使用電力再生煞車裝置,而是仰賴靠摩擦力來停止運行的碟煞裝置。最大的原因是,電力再生煞車裝置所產生的電力,必須要回送到基地臺,如遇到大地震造成基地臺停電,電力便無法使用。不過,若再生電力可以送往蓄電池儲存的話,即使遇到大地震,仍可啟動電力再生煞車裝置,可望縮短停止距離及操作裝置的時間。

(*2) ^ 由於「馬達」與「發電機」具有相同構造,因此也可當作發電機來使用。我們若把裝載於車體之馬達當作發電機來操作,將「動能」轉變為「電能」,使「動能」降為零而停止運轉,這便是它的構造。而所產生的電能將回送到基地台。

目標時速360公里

另一方面,JR東日本新世代車款ALFA-X的研發概念更多元,包括安全性、穩定性、舒適性、環保面、維修面服務提升等各面向。最大的研發目標是提高最快時速,並以此種車款來驗證,看能否達到以時速360公里進行一般載客服務的可能性。

東北・北海道新幹線之車款變遷

系列 年份 最高時速
200系 1982 東北新幹線 210km/h
200系
1000號之後製作車款
1985 東北新幹線240km/h
E1系 1994 東北新幹線240km/h
E2系 1997 東北新幹線275km/h
E4系 1997 東北新幹線240km/h
E5系 2011 東北新幹線300km/h
(2013年起為320km/h)
北海道新幹線260km/h(2016年起)
H5系※ 2016 東北新幹線320km/h
北海道新幹線260km/h
E956系(ALFA-X) 2019(預定) 東北新幹線400km/h(預定。測試時速)、
360km/h(預定。將應用於一般車種)北海道新幹線260km/h

※為JR北海道所屬的車款。其它車款為JR東日本公司所屬。
E956系(ALFA-X)為測試車款。一般載客用車款系列名稱尚未決定。

在研發E5系・H5系之時,便已仔細探討過,希望以時速360公里來進行一般載客服務。然而,電力消耗的增加,提高了運輸成本。再者,必須考量降低噪音及減少震動所引發的環保課題,這些都是至今尚未實現的原因。

當研發ALFA-X之時,JR東日本便表示將著重於節約能源,詳細情形雖未明說,但我們可以想見重點應該是放在機器設備的輕量化上。同時改善碟煞裝置、以及車頂上方集電器(接收由基地臺傳來之電力)之外型,並降低因車輛行走時造成空氣大幅度振動所發出的噪音等。

接下來,把焦點放在減振裝置上,這是為了提升乘客搭乘時的舒適性,而採用全新的上下方向的減振裝置。當此裝置感應到車輛產生上下振動時,會立即反應,減緩車體搖晃情形。以往的車款雖已裝載左右方向的減振裝置,還是多少會感受到搖晃。若是裝載新款減振裝置,即使車輛速度加快,仍有望改善搭乘時的舒適感。

ALFA-X測試車款示意圖 (JR東日本提供)

由於JR東日本往年大地震時,有過上越新幹線於行進間脫軌的經驗,這次將針對ALFA-X導入全新的防震裝置。新加裝的「防震裝置檔板」只在接受到強大地震時才會啟動,例如:降低車身的搖晃、穩定因地震而面臨脫軌危機的車體等。

再者,車身與底盤之間,通常會有堅固的銷子,以幾乎無縫隙的方式連接兩者。而新裝載的「緩衝塞」能使銷子周圍暫時產生空隙,因而受到採用以進行測試。當遇到大地震時,受到直接衝擊的塞子,因被壓碎而產生空隙,緩衝塞可以減緩類似的衝擊,同時,車身的搖晃也不再那麼容易影響到底盤的裝置。因此,我們可以期待,新裝置將能抑制車輪與鐵軌之間所產生的強大力道,進而達到列車不易脫軌的成效。

外在樸實內在堅固的新車款研發

N700S與ALFA-X也有共同需要改進的地方。像是裝載於車體之機器及裝置是否能取得更精密的數據、或大量加裝的車內防盜攝影機的影像記錄,上述兩項資料都必須立即回傳給地面管制機構,亦即綜合指揮中心。雖然是不起眼的小地方,但對於新幹線的安全性及穩定性的提升,有著相當大的貢獻。當在車廂內遇到事故或機器故障等突發狀況時,綜合指揮中心能藉由遠方操控來採取行動,這是筆者認為應該更進一步所要追求的目標。

若用一句話來形容對於N700S、ALFA-S印象的話,那便是「能理所當然地進行理所當然之事」。除去速度的提升外,似乎沒有其它令人眼睛為之一亮的地方。但是,即便如此也無妨。新幹線不需要與其它東西競爭。只要它一如往常般地運行著,更快速、更安靜、更少搖晃、更加省電的話,如此一來,也就沒有任何問題了。

標題圖片:於JR東京車站公開展示之東海道新幹線新型車款「N700S」,2018年6月23日(時事)

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