为什么日本高铁立不起硬币而中国高铁可以
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发布时间：2022-05-03 03:21
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时间：2022-07-01 19:26
平心而论“立硬币”只能算一个直观但不严谨的对比试验，立硬币成功了当然说明列车运行非常平稳，立不起来硬币却不能说明稳定性就很“差”，因为乘客对于车辆横摇无疑是有一个不至于造成明显不适感的容忍限度的（否则铁路上就不会允许一定范围内的欠/过超高的存在），甚至有时候为了实现其他目标比如提速而在不至造成明显不适的前提下适当“牺牲”乘坐舒适度也是完全可以接受的。立硬币试验是在京沪高铁上做的，有车迷在其他高铁线路上做这个试验结果始终不成功，是不是就说明其他的高铁平稳性差、应该给个差评？显然并非如此。
线路条件和车辆技术水平都有可能影响列车运行稳定性。车辆方面不能断言中国和日本孰优孰劣，也许“各有所长”是更准确的表述，这里姑且采取（虽然不讨人喜欢的）更谨慎保守的看法，毕竟“由于车辆技术方面相对发达国家还存在一定差距......”类似这样的表述在国内技术文献中时常出现，我想学者们的这种谦虚不会是毫无原因的。CRH动车组的历史满打满算也只有15年，而日本和欧洲的高速列车已经有几十年的发展历史，设计经验的积累是一方面，另一方面由于新干线的线路条件总体较“差”（后述）因此日本实际上更加注重通过车辆技术的改进来弥补基础条件的严重不足。何以说新干线的线路条件较差呢？即以立硬币试验对比的京沪高铁和东海道新干线而论，两者的线路条件可谓天差地别——
仅仅是从线间距和曲线半径标准就可看出东海道新干线和国内新建高速铁路有多大差距。即使是200km/h级别有砟客货混跑铁路，在国内标准下也需要4.4m的正线线间距并按3500（最小）/2800（困难）m设置曲线，至于300km/h级别高速铁路客运专线更是需要4.8m的线间距和5500（最小）/4500（困难）m的曲线半径，而仅仅相当于国内200km/h级别铁路标准的东海道新干线已从1964年开通时的210km/h提速到了现在的285&270km/h。在线路条件较差的情况下，这样的提速必然要在舒适度上付出一定牺牲。但是，我们无法去指责1959年的十河信二（大力推进新干线建设的时任国铁总裁）和岛秀雄（为新干线制订具体技术方案的国铁技术总监）没有预见到几十年后高速铁路的运行时速将达到300公里（八十年代末法国LGV大西洋线第一个达到了时速300公里）、从而在建设东海道新干线时提前预留一个较高的标准，而且以日本国土狭小、人口密集、地价高昂的现实国情也的确没有在土建方面“大手大脚”的条件。
对乘客舒适度影响最显著的莫过于曲线半径、超高、缓和曲线以及夹直线。曲线半径标准很容易理解，大弯道不容易让旅客产生列车急转时的不适感。但是，列车通过曲线时必然会产生离心力，导致车辆出现横向摇动，乘客会感到被不由自主地“甩”向弯道的外侧（同时也会造成轮轨的相互磨损），而且曲线半径越小、通过曲线的速度越高，离心加速度越大。但对高速铁路而言人为降低速度不是一个好的选择，最好是曲线半径在建设时能够取一个较高的标准。为了平衡离心力，可以使轨道外侧适当抬升至高于内轨，这样列车过弯时由于轨道内外高差会自然向曲线的内侧倾斜，产生的重力分力会抵消离心力的影响，降低乘客的不适感，内外轨间的高度差即为“超高”。对于准轨铁路，使列车通过曲线的离心力被完全平衡时的超高为h=11.8×V²÷R（h：超高值mm，V：通过速度km/h，R：曲线半径m），但实际却不能简单套用计算结果，因为外轨超高也不宜过高，否则列车过大的倾斜同样会造成旅客不适，而且必须考虑到列车缓行、或同线路有其他中低速列车、或列车在紧急情况下不得不在弯道上停车时不至因内倾过度而侧翻，因此超高设置必然有一上限（根据国内实验结果，超高达到200mm以上时旅客会产生明显的倾斜感）。国内一般规定普速铁路超高不大于150mm，高速铁路超高不大于180mm，而东海道新干线设置了200mm超高，如按国内标准实际上已超过了允许上限。
根据超高计算公式，以东海道新干线开通时的V=210km/h、R=2500m代入，得出离心力得到平衡时的超高应为208mm，当时东海道新干线实际设置的曲线段最大超高为180mm，也即相对均衡超高“欠”28mm，线路实设超高小于离心力得到完全平衡时所需的超高，这称为“欠超高”（反之则为过超高）；或者倒代入h=180mm，V=2500m，得出在实设180mm超高时列车的均衡通过速度应为195km/h，而列车实际通过速度（210）要偏高，这意味着由于实际通过速度高于均衡通过速度，列车通过曲线时产生的离心力没有得到完全抵消（过超高则反之，实际通过速度低于均衡速度，列车向内倾斜），实际上列车仍然会向外侧倾斜。但在一定范围内这种倾斜并不会造成旅客明显的不适、是被允许的，按照国内高速铁路标准，欠超高在40mm以下为“优秀”、在60mm以下为“良好”，最大不超过90mm（国内普速铁路标准更宽，而欧洲的法、德等国高速铁路甚至允许150~180mm的欠超高），因此在时速210公里时，东海道新干线的曲线段欠超高仍在可接受范围内。
然而，随着90年代最高时速270公里的300系高速列车投入运行，东海道新干线的运行时速大大提高了，以V=270km/h、R=2500m代入得出均衡超高h=344mm，已经大大超过了超高允许上限，日本也不得不将东海道新干线的曲线段超高从180mm调高到了200mm（内外轨的高差可在线路维修时进行调整），即使这样如果按V=270通过仍然存在144mm欠超高、依然超过欠超高标准上限（如果按照极度宽松的法国高速铁路标准倒是啥事都没有......）。最终不得不将列车通过2500m曲线时的速度*在255km/h（其他路段为270km/h），这样V=255时所需超高为306mm，存在106mm欠超高，随之又将欠超高标准由≤90mm放宽至≤110mm，同时放宽了对列车通过曲线时左右横向加速度的*（意味着容忍更大程度的车辆横摇，必然要牺牲一部分舒适性），这样刚好能够满足提速——但若按照国内高速铁路标准，200mm的超高和106mm的欠超高都已经是“超标”了。在山阳新干线、东北新干线陆续提速到时速300公里的时候，255km/h的曲线段限速却依然伴随了东海道新干线多年，直到21世纪新的N700系高速列车投入运营。由于N700系列车通过由车载计算机控制的空气弹簧装置能够在通过曲线时实现车体1°的自主倾斜，换言之以自主倾斜来弥补外轨超高的不足，从而在同样线路条件下实现了以270km/h速度通过2500m半径曲线，这是新干线通过车辆技术的改进来弥补线路条件不足的典范。
京沪高铁的情况呢？按V=350km/h、R=7000m，得出均衡超高应为206mm、但这超过了国内高铁允许上限180mm；曲线段实际设置超高为175mm，也就是说列车按350km/h通过时尚存在31mm的欠超高，但完全符合国内的“优秀”标准；由于现阶段动车组运营时速为300公里，代入得V=300时的均衡超高为150mm，则存在175-150=25mm的过超高，列车会稍向内侧倾斜，但依然满足“优秀”标准。相比于东海道新干线，京沪高铁的线路条件已经不知优越到哪里去了。但是，我们能够因此而做出“新干线不如中国高铁”的结论吗？诚然中国高铁的土建标准要高很多，但这里面归功于技术的东西只是一部分（当然还是有的，长大隧道和桥梁这样的大工程都离不开技术进步），更多的其实应该归功于时间（新干线大多已是几十年前开工的项目了）和环境（正如上文所言，以日本地狭人稠的现实的确没有在土建上“大手大脚”的资本）上的差异，甚至如果对车辆技术有足够的信心，那么主动选取一个较“低”的有利于节省投资的土建标准也并无不可，高速铁路普遍放宽最大*坡度（基于高速列车的动力大大增强这一事实）以减少小曲线和桥隧工程量就是一例。东海道新干线以仅相当于国内时速200公里级别铁路的线路标准，通过不断提速达到了最高285公里的运营时速，如果我们的关注点全在于“立不起来硬币”（本来日本就是以牺牲部分舒适性来满足提速条件的，想必他们对此也早有心理准备），岂不是“舍本逐末”？对于旅客来说，无论是舒适度的提升亦或是旅行速度的提高都需要权衡取舍，在不至造成明显不适感的前提下适当牺牲舒适性来换取旅速提高是否值得？特别是对国内很多200&250km/h级别高速铁路而言，现在旅客对速度的要求进一步提高，200km/h级别动车组在某些情况下已经不能满足长途旅行需求了，那么是按高标准另起炉灶新建一条时速350公里级别高铁，还是学习国外的经验适度放宽标准、改进车辆技术、在现有时速200&250公里线路的基础上提速到300公里，这个问题也许值得进一步思考。
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时间：2022-07-01 19:26
