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摆式列车

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ICE-T列车停靠于斯图加特火车总站
ICE-T列车停靠于斯图加特火车总站

摆式列车(或称摆锤式列车摇摆式列车振子式列车[a];英文译名:Tilting Train)是一种车体转弯时可以侧向摆动的列车。相较于普通列车,摆动式列车通过一般弯道时会以较快速度行驶,可以节省行驶时间。

原理

摆动过弯中的JR北海道283系柴联车
摆动过弯中的JR北海道283系柴联车
推拉式的美铁Acela特快也利用主动摆动来增加过弯时速度
推拉式的美铁Acela特快也利用主动摆动来增加过弯时速度

当任何车辆以高速转弯,车内的物件和乘客都会受到惯性的影响。因为车内的物件以本来惯性直线前进,与车辆转弯后的前进方向不一致,于是产生了相对的速度变化。在铁路列车上,引致车厢内的物件和行李倾侧滑行,座位上的乘客亦会被压向一旁,而站着的乘客更可能失去平衡跌倒。

飞机脚车能够以较高速转弯,因为它们在转弯的时候都会向侧面摆动。但汽车或铁路列车的车轮必需着地,本身并不能够摆动。为了使到它们可以无需减速高速转弯,高速公路及高速铁路的路轨在弯曲处都被建成向内摆动的弧形。这样交通载具及车内乘客所需要的向心力便可以由重力的分量来提供。

对汽车使用的道路来说,这种摆动非常重要。如果汽车转弯时的速度过高,轮胎和地面的摩擦力会不足以提供够大的向心力,导致转弯曲率不够大, 而偏离车道。对铁路来说,重心高的车辆以太过高的速度驶过急弯,亦存在着侧翻的可能性。将路轨建成斜的弧形亦是避免这种可能的方法。但是一般来说,当列车还未接近足以侧翻的速度和急弯,乘客所感受到的不适已非常严重。故此大多数的铁路设计时所考虑到的,并非避免车辆侧翻,而是乘客所感的不适。

弧形路轨所需要的摆动角是根据预计车辆经过行驶时的速度来决定。如果车速高,摆动便要较多。部分在1960至1970年代所建成的高速线路却出现了一个问题,适合高速客运列车行驶的摆动角度,并不适合普通速度的客车和货车。法国日本的高速铁路结果都需要建造专线,尽量减少弯曲的路线。至于其他因为多山,或者没有空间或金钱投资建设新路线的国家,唯有采用其他方法提高铁路的运营速度。例如英国,多数的铁路都是早年车速甚低的时候建造。这些路线现在都变成了建筑密集的地区,要重建比较困难。意大利则因为多山,路线必然多弯。这些国家于是投资发展了摆式列车。

摆式列车供乘客乘座的车体在转弯时可以侧向摆动。当车辆向左转时,车体向左倾摆,让重力提供足够的向心力让车产生向左之加速度。列车可以是靠惯性自行摆动的被动摆式,亦可以是由电脑控制,动力辅助的主动摆式。

早期的车体摆动装置可区分为:利用惯性把向心力透过连杆等机械装置使车体自然摆动的“自然摆动式”(被动摆式)与利用感测器检测向心力大小再透过电动或油压等方式强制使车体主动摆动的“控制形摆动式”(主动摆式) ;前者主要是由日本国铁时代所研发并加以实用化,而后者主要是由欧洲方面所主导,其中又以意大利所开发的摆动式列车最为成功与普及。

在日本,自然摆动式的列车开始运营以后,便有许多乘客出现类似晕车晕船的不适应感。经追查后发现其最大原因在于:自然摆动装置在使列车摆动地通过曲线轨道后,恢复正位时会产生如钟摆效应般的左右来回晃动。在了解原因后,开发者为此增加了抑制来回晃动的机构。之后又为了加强自然摆动式列车的性能,增加了利用列车上的ATS检知系统,预先得知前方弯曲路线的资料;使列车在进入曲线轨道前先缓缓地摆动车体,并在通过曲线后迅速地恢复正常位的控制形自然摆动式。此种摆动方式于1990年代开始进入实用化,并受到民营化之后的各家JR旅客铁道公司青睐而纷纷加以采用。

除了上述的车体摆动控制系统,另外还有一种利用转向架上空气弹簧气压控制列车微幅摆动的装置。 相对于传统的摆动装置,这种利用空气弹簧内的气体压力改变而伸缩,使列车能微幅左右摆动的装置。此装置有着低成本与轻量化的好处,故也被称为简易型摆动装置。不过此种摆动装置除了因为空气弹簧机械特性而使反应较不灵敏外,也因为其频繁伸缩亦会加速相关组件的耗损速率。在日本,最新型的N700系新干线也采用了这套简易系统来提升其过弯的速度。

种类

1969年,首列摆式列车联合飞机公司燃气轮客车由“联合飞机公司”(UAC,现联合技术公司)制造,在加拿大国家铁路美国国铁投入服务,一直在多伦多蒙特利尔之间行驶,直至1984年。UAC 属被动摆式,行驶舒适程度一般,亦有不少机械毛病。

意大利的 Pendolino (即意大利文“摇摆”之意)摆式列车最初由菲亚特(FIAT)制造,ETR401型最先在1975年投入服务。1980年代Pendolino发展出非常成功的ETR450型,在欧洲其他国都有使用。

英国在1970至80年代曾硏究发展出名为Advanced Passenger Train(APT)的摆式列车,但由于技术原因没有投产。最后英国将知识产权转移给意大利的 Pendolino。

加拿大之后亦发展出LRC(Light, Rapid, Comfortable)摆式列车,由庞巴迪公司制造。LRC 的车辆是独立的,由动力辅助摆动,可以跟普通非摆式的车辆混合行走。1980年首先在美国Amtrak行驶,之后在加拿大使用至今。

德国的403型摆式列车在1978年投入服务,在法兰克福提供机场铁路服务。之后曾尝试在莱茵河谷使用,后来因为乘客投诉在转弯时感到晕车不适而暂停摆动功能。

瑞典的X 2000于1990年9月开始在瑞典斯德哥尔摩哥德堡之间运行城际列车,在斯德哥尔摩附近的高速新线运行速度则可达到210km/h,车程约为3小时。此后X2000以斯德哥尔摩为中心,目的地除哥德堡外,又扩展至马尔默(Malmö)、厄斯特松德(Östersund)、布罗斯(Borås)等城市。2002年5月,厄勒海峡大桥通车后,部分班次更从马尔默延伸至瑞典国外,到达丹麦首都哥本哈根

瑞士的ICN摆式列车在2000年8月开始提供服务,行走日内瓦苏黎世至圣嘉伦之间的路线。

早期摆式列车使用传统的伺服马达。因为伺服马达未能对转弯时产生的转向力即时作出反应,这些些微差别引起了非常轻度的摇晃。乘客虽然不会意识到这种轻微的晃动,但仍然会感到有晕车的不适感。Pendolino 的ETR401于每辆车使用独立的陀螺仪,这种构造亦是必然会产生少量的时间延缓。英国的APT 试图将陀螺仪放在列车的两端,由它们控制全车的摆动。但当时的控制技术似乎仍未成熟。

现代的摆式列车能够透过讯号系统知道前面路轨的弧度,准确改变每一车辆的倾侧。乘客已经很少会感到晕车不适。

台湾,由于宜兰线弯道较多,且北回线完成电气化,为缩短台北花莲间行车时间,台湾铁路管理局向日本日立公司采购与日本JR九州885系”电车同型之TEMU1000型电联车,已于2007年5月8日正式投入树林台北花莲间做为太鲁阁号运营;后配合台东线电气化,又向日本车辆制造公司采购TEMU2000作为普悠玛号使用。

日本亦有不少的摆式列车,称为“振子列车”,除了新干线N700系E5系E6系外,都是窄轨车型。澳洲昆士兰州的长途火车,从布里斯班凯恩斯有混合的电气柴油列车,而布里斯班至洛咸顿之间为电气化的窄轨摆式列车,是目前最快的窄轨铁路。

各国的摆动式列车

使用惯性摆动的列车

  • 西班牙 Talgo
  • 美国、加拿大 UAC燃气轮客车
  • 日本 国铁591系电联车、国铁381系电联车、国铁KiHa391系柴联车

使用加速计控制

  • 美国、加拿大 LRC

电脑控制摆动

台湾现役的2款摆动式列车─普悠玛号(左)与太鲁阁号(右)
台湾现役的2款摆动式列车─普悠玛号(左)与太鲁阁号(右)

注释

  1. ^ 此名来自于日本,其中“振子”在日语中意为“摆”。

参考文献

  • 若生寛治“振り子车両の诞生から新しい技术への展开”、‘月刊铁道ジャーナル’ No.328、铁道ジャーナル社、1994年2月
  • ‘プロトタイプの世界 铁道ダイヤ情报别册 No.280’、交通新闻社、2005年12月
  • 谷藤克也‘プロが教える电车のメカニズム’、ナツメ社、2011年、ISBN 9784816349904
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摆式列车
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