日本高速列車外形設計分析及啟示

日本高速列車外形設計分析及啟示

岳天朗摘要：外形設計是高速列車設計的重要項目之一。因此，分析日本高速鐵路系統(tǒng)“新干線”系列列車的外形設計，總結并歸納日本高速列車外形設計要素。日本高速列車外形設計對我國高鐵設計有啟示和借鑒意義，學習吸收他人的成功經(jīng)驗，立足于自主研發(fā)，以促進我國高速列車外形設計的迭代提升。Key：日本;高速列車;新干線;外形設計：U270.2：A：1003-5168（2021）23-0152-03Abstract：Theshapedesignisoneoftheimportantprojectsofhigh-speedtraindesign.ThispaperanalyzestheshapedesignofShinkansentrainsinJapan’shigh-speedrailwaysystem，andsummarizestheelementsoftheshapedesignofJapan’shigh-speedtrains.Theshapedesignofhigh-speedtrainsinJapancanbeusedforreferenceforthedesignofhigh-speedtrainsinChina.Atthesametime，learningfromthesuccessfulexperienceofotherscanpromotethedevelopmentofhigh-speedtrainshapedesigniteratively.Keywords：Japan;bullettrain;shinkansen;formdesign在中國高速列車快速發(fā)展的今天，具有先進的列車組及發(fā)達的鐵道網(wǎng)絡的日本對于我國高速列車的發(fā)展方向極具參考價值。我國高速列車技術發(fā)展路徑是以“技術引進，再自主發(fā)展”為發(fā)展路線，盡管當前在技術上獲得了重大突破，總體發(fā)展在世界各國中排名靠前，居于前列，但在外觀設計上始終未能擺脫德國、日本等國家的原有設計風格[1]。如今高鐵技術各國競技角逐日趨激烈，在研發(fā)新發(fā)明、新技術日新月異的形勢下，努力做好自主研發(fā)，研發(fā)出具有自己特色，適合我國高鐵技術體系要求的新設計，對促進高鐵技術進步、增強我國高鐵在世界各國的競爭力具有重大的現(xiàn)實意義和戰(zhàn)略意義。1日本現(xiàn)有高速列車（新干線）現(xiàn)狀分析新干線為日本的高速鐵路簡稱，是世上首個亦即當時唯一投入商業(yè)運營的高速鐵路系統(tǒng)，采用1435mm標準軌距，全線均為純客運服務。新干線的首條線路是日本東海道新干線，于1964年10月1日開通營運，連接日本的東京與大阪兩個城市，其開通首發(fā)受到了世界各國的矚目。截至2020年，新干線共有9條線路，其中包含2條線路較短的迷你新干線，可將日本大多數(shù)重要都市連結起來。它最初由日本國營鐵道研發(fā)與運營，國鐵分割民營化后由日本鐵路公司接手，并分別由該公司名下的JR北海道、JR東日本、JR東海、JR西日本以及JR九州5家成員公司提供服務。新干線為達到同時適合快速及大量運輸而設計，因而其建造與運營技術均有別于傳統(tǒng)鐵路，如全面采用動力分散式列車、軌道全面采用立體交叉以及列車自動控制系統(tǒng)等，最短可以3min的班距運行。除了迷你新干線時速稍低，其他列車最高時速依線路可達240～320km/h。在進行試驗測試速度時，最高時速高達443km/h（由“300X”試驗列車在1996年測試刷新高速記錄）。身為日本鐵路技術居于世界頂尖的重要象征，新干線的技術也向海外輸出，如我國部分高鐵采用新干線作為系統(tǒng)基礎，而采用新干線系統(tǒng)的英國、意大利、印度、泰國以及美國得克薩斯州等地的高速鐵路亦在興建或規(guī)劃中[2]。2新干線列車造型設計2.1高速列車造型分析高速列車的造型設計是圍繞減阻、降噪、降低交會壓力波以及降低氣動升力等目標進行的系統(tǒng)尋優(yōu)過程[3]。新干線系列高速列車的外部造型以其列車頭輪廓線構成列車外部特征線，其列車頭具有獨特性，是其適應日本地區(qū)文化、日本鐵道系統(tǒng)以及空氣動力學等要求的產(chǎn)物。日本高速列車的形制差異集中體現(xiàn)在車頭的流線型區(qū)域。它可分為扁寬形、橢球形、梭形以及頓體頭形4種形式。它又可根據(jù)車身截面形狀與駕駛艙迎風角，分別細分為鼓形壁車體和直壁車體、高迎風角和低迎風角[4]。2.2新干線系列高速列車分型分式新干線系列高速列車的造型變化差異主要體現(xiàn)在車頭的流線型區(qū)域，而流線型區(qū)域的造型元素主要包括流線型長度、司機室（駕駛艙）、鼻尖點、除障器及轉向架。以典型列車頭部形狀為分類原則，列車頭形可以分為A型鈍體頭形、B型梭形頭形、C型橢球形頭形以及D型扁寬頭形4種類型，其中A型、B型與D型又可根據(jù)壁型與迎風角的高低分為若干樣式[4]。A型為鈍體頭形，頭部側視圖曲面轉折較為明顯，駕駛窗與鼻頭銜接過度生硬，鼻尖圓潤，除障器較大，流線型長度較短，為4400～4700mm。根據(jù)車身截面形狀不同，它又可分為2式。I式∶鼓形壁，高迎風角[4]，如1964年服役的0系列車。此外，I式∶直壁，高迎風角，見服役于1982年的200系列車。新干線200系列車實物圖如圖1所示。B型為梭形頭形，歸屬此型列車較多。鼻頭與A型相比較為細長，長度為4700～15000mm，駕駛窗與鼻頭連接處有明顯轉折，除障器較為低矮，可分為3式。I式∶直壁，高迎風角，1985年服役的100系、1992年服役的400系、1993年服役的300系、1994年服役的E1系、1997年服役的E3系以及1997年服役E2系，均屬于此式。I式∶鼓壁，低迎風角，見服役于1997年的500系。邛式∶直壁，低迎風角，見2014年服役的E7系列車。C型為橢球形頭形，流線型長度為9500mm。僅為1式∶直壁，低迎風角，見2004年服役的800系列車。新干線800系列車實物圖如圖2所示。D型為扁寬頭形，歸屬此型列車較多，主要為大鼻頭，駕駛窗突出于迎風面，流線型長度較長，為9200～15000mm，除障器低矮，多數(shù)有扁寬鼻翼。僅為1式∶直壁，低迎風角。1999年服役的700系與N700系、1997年服役的E4系、2011年服役的E5系以及2013年服役的E6系列車均屬此式[5]。新干線E6系列車實物圖如圖3所示。2.3空氣阻力新干線系列高速列車運行速度均在200km/h以上，所受阻力中空氣阻力占比較高，而車頭和車尾的流線型設計使其受到的空氣阻力較小。新干線為降低噪聲而安裝的轉向架側罩與車鉤周圍全包罩等其他具有平滑減阻外形的覆蓋物，也利于減小空氣阻力。此外，新干線對車體表面的光滑程度進行的分析與設計尚不充足。試驗發(fā)現(xiàn)，當前設計的拉門比當前設計的車窗的空氣阻力要大20倍。試驗還發(fā)現(xiàn)，裝有4個拉門和40個車窗的中間車，若將所有門窗平滑化，空氣阻力可減少2.6%[6]。3新干線高速列車外形設計所體現(xiàn)的日本文化與時代背景對其的影響3.1新干線高速列車外形設計所體現(xiàn)的日本性格與文化產(chǎn)品造型風格在很大程度上受民族文化基因的影響[7]。分析發(fā)現(xiàn)，日本高速列車的設計有個顯著特點，即實用性兼具本民族文化特色。造型設計吸收國外高鐵先進技術的同時，融合了民族鮮明的傳統(tǒng)文化特色，因而日本高速列車外形設計頗具日本民族特色。日本高速列車外形設計基于實際運用功能兼具自然要素，外觀造型多是基于仿生和空氣動力要求而設計的，大量弧線的運用給人以高科技的視覺感受，同時高度適應氣動布局的要求，在色彩上多以干凈簡潔的雙色搭配或配以紅色細長線條凸顯其速度感[1]。3.2新干線高速列車外形與日本經(jīng)濟奇跡修建新干線的設想最初遭受了大量日本國民的反對。在當時的日本學界，大量學者認為發(fā)展汽車等交通工具是主流，汽車產(chǎn)業(yè)是未來交通的發(fā)展方向，而鐵路因其建設過程耗資大、時速低、交通運輸成本高、油耗大以及污染環(huán)境嚴重等應被淘汰。甚至當時日本國內(nèi)較有影響力的東京大學著名教授今野源八郎等，認為新干線計劃耗費大量的材料與資源，沒有為本國創(chuàng)造任何利益，是一項勞民傷財?shù)臒o意義之舉。在鐵路建設方面，日本完全沒有這種鐵路的建設經(jīng)驗，甚至尚未進行過試驗。此外，連年的赤字、事故、罷工“三大苦惱”使該項目的“上馬”困難重重。在這種經(jīng)濟與技術有著極大困難的情況下，無論是工程師抑或普通員工，都不看好新干線項目。當時部分汽車交通運輸發(fā)達的國家視日本逆勢而動，重拾這種已過氣被淘汰的運輸方式。在此被眾人不看好的情況下，高速列車的車型設計必須是先進的，有突進感的。此時，正值日本經(jīng)濟的黃金年代，在日本經(jīng)濟高歌猛進之際，日本國民的民族自豪感和快速發(fā)展的勢頭與日本高速列車之先進性進步性相契合。受此經(jīng)濟高速發(fā)展的文化激流影響，新干線0系電力動車組的子彈形列車頭具有流暢而富有沖擊性的獨特美感，充分體現(xiàn)了當時日本社會昂揚向上的拼搏奮發(fā)精神。日本“新干線”系列0系列車如圖4所示。4日本高速列車外形設計對我國高鐵發(fā)展的啟示①創(chuàng)新是科技進步的靈魂。科技是第一生產(chǎn)力，而創(chuàng)新是科技的原動力。堅持創(chuàng)新，堅持對科技發(fā)展的經(jīng)濟投入，加強對科技發(fā)展的文化建設與宣傳，積極培養(yǎng)創(chuàng)新型科技人才。②學習吸收世界最先進的技術，自主研發(fā)具有自主產(chǎn)權的專利，優(yōu)化并增進實用性功能，提高我國科技成果與世界科技的兼容性，提高國際化水平，保證我國在國際環(huán)境中的科研地位，為我國后續(xù)的科研發(fā)展提供堅實的基礎與充足的發(fā)展空間。③發(fā)揚我國傳統(tǒng)文化，把我國文化元素融入外形設計中。將我國優(yōu)秀傳統(tǒng)文化與先進的現(xiàn)代科技產(chǎn)物有機結合，形成中國高速列車獨特的設計風格，有效提高我國高速列車在外形上的辨識度，極大地增強我國高鐵產(chǎn)品在國際上的競爭力和我國傳統(tǒng)文化的影響力。④對本土文化與人民生活習慣進行技術上的適配。提高技術應用的本土化程度，積極適應我國國情與民眾審美，對我國國民情況進行合理設計與應用，可以增強技術在群眾中的應用廣泛性，同時提高技術的社會利用水平和技術研發(fā)與應用的投入產(chǎn)出比，對科研的進步具有積極作用。5結語日本現(xiàn)有的高速列車（新干線）的設計水平處于世界前列，且擁有良好的本土適應性，是世界高速列車外形設計的經(jīng)典案例。本文對日本高速列車外形設計進行總結，討論日本高速列車外形設計的實用性、合理性、其對日本文化的體現(xiàn)以及對我國高鐵發(fā)展的重要啟示，對我國高速列車外形設計者提出了更高要求，對高鐵產(chǎn)品技術的迭代更新等具有較強的現(xiàn)實意義。高鐵是當前我國“一帶一路”的技術產(chǎn)品載體，充分而高效地發(fā)展高鐵經(jīng)濟可極大地提高當?shù)氐慕煌ㄍㄟ_度，帶動第二、三產(chǎn)業(yè)發(fā)展，對促進“一帶一路”沿線國家的經(jīng)濟建設與基礎設施建設具有重大意義，同時是推動我國在與“一帶一路”沿線國家經(jīng)濟往來與技術交流活動中的重要推手，對我國和他國的經(jīng)濟建設、基礎設施建設以及鐵道技術交流具有積極作用。Reference：[1]舒斌.基于中國傳統(tǒng)文化元素的高速列車外觀設計研究[J].工業(yè)設計，2019（8）：68-70.[2]新干線.百度百科[EB/OL].（2021-05-22）[2021-06-29].http：///view/325182.html.[3]張