铁路车辆及车辆的运行方法 【技术领域】
本发明涉及一种沿具有隧道的路线行驶的铁路车辆。
背景技术
对于最新的新干线电车，行驶速度高速化、能达到270km/h～300km/h，进一步还可高速到350km/h。随着铁路车辆的行驶速度高速化，车体的形状与空气的流动密切相关，两者与环境的关系主要分为两种。
第一，在铁路车辆沿称之为明亮区的无隧道的路线行驶的时候，几乎无由隧道带来的对环境的影响。在此种情况下，课题在于要求头部形状可减小高速行驶中的空气阻力。
第二，如在冲进隧道时，在铁路车辆沿狭窄的空间行驶的时候，头车相对于隧道起到活塞的作用，头车和隧道的关系对环境有大的影响。即，头车周围的空气被压缩在头车和隧道的之间，形成称之为微气压波地微弱压缩波，以比行驶的铁路车辆快的音速沿隧道内传播。该微气压波，一部分在隧道的出口反射，大部分成为声音向隧道外放出。如此高速行驶的铁路车辆，在冲进隧道时，对环境的影响极大。
因此，为减小高速行驶的铁路车辆对环境的影响，要求铁路车辆的车头形状可减小向隧道外放出的微气压波是极重要的课题。作为解决该课题的方法已知有专利文献1所列举的铁路车辆的车头形状。即，通过多阶段组合截面积的变化率一定的旋转抛物体，将铁路车辆的头部形状形成降低微气压波的结构。例如，如果是3阶段组合头部形状的截面积变化率的头部形状，在对微气压影响小的前端部及后端部，增大截面积变化率，在影响大的中间部，减小截面积变化率，能够用短的头部长度降低微气压波。
此外，作为降低上述微气压波的技术，已知有非专利文献1。非专利文献1是切断旋转椭圆体等基本几何形状的前端部的线性电动机驱动车辆的头部形状。在线性电动机驱动车辆中，由于代替新干线电车的车轮，用超导磁铁驱动，因此在车体的两侧设置排列称之为导路的基石的垂直壁。该车中间的台车部，以磁力有效的接近距离与路基对置，能够以车体整体被两侧的导路及路基包围的状态高速行驶。因此，该车辆的头车头部形状不得不受导路影响而形成重视导路的头部形状。
专利文献1：专利第2912178号公报
非专利文献1：Tatuo，Maeda et.al“Effect of Shape of Train Nose onCompression Wave generated by Train Entering Tunnel.”(IntemationalConference on Speedup Technology for Railway and MAGLEVVehicles，1993，Yokohama，Japan)
在沿具有隧道的路线行驶的铁路车辆中，例如以350km/h或其以上的高速行驶的时候，为降低在隧道内产生的微气压波，谋求头车头部形状的最佳化。具体有效的办法是，减小头车头部的横截面积(铁路车辆的直角方向的铁路车辆的截面积)，但要延长头部的长度。因此，随之，减少室内空间，也减小乘车人数。所以，必须将头车的乘车人数的减少控制在最低限度，并且，随着高速化，也必须降低发生在隧道内的微气压波。采用现有的技术，要解决确保降低上述微气压波和确保头车的乘车人数这一相矛盾的课题是有界限的。
【发明内容】
本发明的铁路车辆，是通过在头车的头部的车体表面上设置收入空气的空气口，在比上述头部沿行驶方向靠后方设置排出该收入的空气的排气口，并且，配置连通该空气口和排气口的空气吸入罐的构成，来解决上述问题。这里，有时在隧道内设置缓冲工程，但所谓的隧道包含缓冲工程在内。
此外，在本发明的通过自动列车控制机构控制运行的车辆运行方法中，车辆具有吸入·排出空气的机构，在通过隧道时，自动列车控制机构进行控制，以在车辆冲进隧道时控制吸入空气，在经过规定时间后排出该吸入空气的构成。
本发明，通过从头部的车体表面收入空气，能够降低通过隧道是产生的微气压波。
【附图说明】
图1是表示本发明的铁路车辆的实施例1的俯视图。
图2是图1的头车的侧视图。
图3是在由头车、中间车及尾车构成的列车的车体周围产生的空气的流动模式图。
图4是表示隧道内的微气压波分析结果的模式图。
图5是表示本发明的铁路车辆的实施例2的水平剖面说明图。
图6是头车前端部分的侧视图。
图7是图6的俯视图。
图8是头车的侧视图。
图9是头车的前端部的立体图。
图10是隧道内的压力变化的模式图。
图11是表示隧道内的微气压波分析结果的模式图。
图中：1、100-头车，2-中间车，3-隧道，6-空气口，7-空气流路，8、138-吸入侧控制阀，9、110-空气储罐，10、140-泵，11-排气口，120-驾驶席，132、134-空气吸入口，136-管道，142-排气管道。
【具体实施方式】
下面，参照附图详细说明本发明的最佳实施方式。
图1是表示具有本发明的头车的实施例1的列车的部分俯视图，图2是图1的侧面说明图。在图1中，在头车1上连结中间车2。由上述头车1、中间车2及相反侧的头车1构成的列车，沿隧道3行驶。箭头4表示上述列车的行驶方向。箭头5表示相对于行驶的列车产生的空气的流动方向。在上述头车1的头部的表面设置吸入空气的空气口6。在本实施例的情况下，上述空气口6分别设在头部两侧面的两处。在上述各空气口6，分别连结空气流路7。在图中，空气流路7由箭头表示。9是储存借助上述空气口6及空气流路7吸入的空气的空气储罐(空气吸入罐)。空气流路7和空气储罐9的之间，设置吸入侧控制阀(空气吸入阀)8。排出储存在上述空气储罐9的空气的排气口11，设置在头车头部、即设置在除去从头部位置开始车体的横截面积逐渐增大的部分的位置。为了从上述排气口11排出空气，设置泵10。泵10吸入空气储罐9内的空气，再从上述排气口11排向车体外。另外，上述排气口11，设在头车的台架下面，以向轨道方向排出空气的方式设置。排气口11的排气在隧道内或在通过隧道后进行。另外，在隧道内的排气最好以不产生微气压波的方式缓慢排气。
该排气口11，也可以考虑设在头车或中间车的端面。通过如此配置，能够以不增大排气本身或行驶风经过排气口部分时产生的噪音的方式设置。
说明列车在有隧道的路线上行驶、进入隧道后的状况。首先，头车1的空气储罐9，用排气用的泵10减压到低于大气压(1个气压)的压力。然后，在头车1冲进隧道3的时候(如后述，从隧道的稍前)，打开设在减压过的空气储罐9的空气吸入侧的吸入侧控制阀8，借助空气流路7，从空气口6向空气储罐9内吸入空气。另外，从上述空气口6吸入的空气，吸入到空气储罐9的内压与空气口6的空气压达到均衡为止。如此，在空气储罐9储存空气。然后，如果头车1全部进入隧道3，则关闭吸入侧控制阀8，通过泵10，从排气口11向车外排出储存在空气储罐9的空气。并且，使泵10连续工作，当使空气储罐9达到负压后停止泵10。泵10为定容形，在停止运转时具有切换阀的功能。
使空气储罐9形成负压，是为在头车1冲进下一隧道时，能够充分吸入空气。停止上述泵10检测空气储罐9的内压。
下面，说明能够降低的微气压波结构。图3是在由头车、中间车及尾车构成的列车的车体周围产生的空气的流动模式图。头车一边排除与移动的距离和横截面积(与行驶方向垂直的投影截面积)的积相等的静止空气量，一边行驶。另外，在尾车的行驶方向后侧，从周围流入与移动的距离和横截面积的积相等的空气量。在该尾车的后侧流入的空气量，由头车排除的空气补充。中间车，由于是与头车相同的横截面积，不排除周围的空气、也不流入空气，因此即使连结多辆中间车，也一点也不有助于车体周围的空气的流动。由此，流动由头车排除的空气量决定。即，移动的车辆周围的流动，例如形成头车头部排除空气、排除的空气朝向尾车的流动，正好成为头车头部涌出空气，尾车尾部吸入空气的流动。
或者，作为流动的其他表现方式，如果作为空气的压力考虑车辆周围的流动，移动的头车头部，在排除静止的空气的时候，由于压缩空气，头部的前端附近的空气的压力增大。相反，在尾车的尾部，由于要用周围的空气充填由移动的空间扩大的空间，因此尾车的后尾部附近的压力降低。所以，头车头部附近的压力增高，尾车的后尾部附近的压力降低。例如，如果用气象预报所用的高气压和低气压表示，例如，车辆以在头车头部带有高气压、在尾车的后尾部带有低气压的方式移动。
在列车沿隧道高速行驶的时候，因头车1和隧道3的相互关系产生微气压波。头车1，如果在头部伴随高气压移动，冲进狭窄的隧道，高气压被隧道进一步压缩，升高压力。如果压力升高大，产生微弱的音波即微气压波。如此，由于头车1和隧道3的相互关系产生微气压波。
如果减小头车1高速行驶时排除的空气的量(空气涌出的强度，或高气压的最大压力)，则微气压波也减小。车辆的速度，由于是单位时间的距离，所以排出的空气的量与横截面积和行驶速度成正比。由于行驶速度固定，所以如果减小横截面积，也能降低微气压波。
如上所述，减小车体的横截面积，应避免带来乘车人数的减少。在本发明中，通过在冲进隧道时的一定时间内，从空气口6吸入头车头部排除的部分空气，能够得到与减小设有上述空气口的头部的位置上的横截面积时相同的效果，能够降低微气压波。
图4是一模式图，图中表示由具有在某条件下设定的形状(例如，旋转椭圆体)的头部的头车及尾车构成的列车，在沿某条件的隧道行驶时，从上述隧道的入口部分向内进入到规定距离(例如，60m左右)的位置的微气压波分析结果(隧道内的压力变化的时间微分的、单位时间的压力梯度)。另外，在隧道内，有的在其出入口设置缓冲工程和有的未设置缓冲工程。图4是假设无缓冲工程的隧道。对于头车冲进隧道时产生的微气压波的状况，以前端部、中间部及后端部三等分来考虑头车头部。头车开始冲入隧道内，产生最大的微气压波时，是在上述三等分的头部中的、中间部冲入隧道后。即，在上述中间部，一般具有驾驶席，该中间部的横截面积的变化率大于其他部分。因此，由于上述中间部推出的空气被隧道内壁拦住，该中间部的车体表面的压力急剧上升。换句话讲，高速行驶时的头车头部表面的空气压力，在前端部最高，按中间部、后端部的顺序降低，但相对于隧道截面积，车体横截面积变化大的是上述中间部分，在该中间部，因车体表面的空气被压缩，该中间部的车体表面的压力急剧上升，由此，产生的微气压波最大。所以，如果在头车头部冲进隧道之前，开始在头部的前端部、中间部吸入车体表面的空气，则在前端部即将冲进隧道之前，在前端部、中间部其车体表面压力已经降低，能够避免产生微气压波的压力急剧上升。此外，通过从车体表面吸入空气并连续进行到前端部的后端部进入隧道，与不进行空气吸入时相比，能够大幅度降低微气压波。如此，通过只在从头车头部冲进隧道的规定时间之前到头部的后端部进入隧道内的时间内，进行头部的空气吸入，能够用少的空气吸入量有效地降低微气压波。
可是，在上述实施例中，连结空气口6、空气流路7、吸入侧控制阀8、空气储罐9、泵10、排气口11，而构成吸入、排出头部车体表面的空气的构成，但也可考虑将上述吸入侧控制阀8设为在双系统的空气流路进行切换的切换阀，形成迂回空气储罐9和泵10的空气流路、连接在上述流路切换阀上的结构。即，由于列车根据行驶的路线有时频繁进出隧道，因此也要考虑到无富余时间对空气储罐内部进行降压的情况。在此种情况下，通过上述流路切换阀，在贯通空气口和排气口，头部车体表面的空气压上升时使空气流入排气孔侧，能够抑制微气压波的增大。
实施例2
图5是表示本发明的实施例2的水平剖面说明图。在实施例1中，在头车1上配置设置空气储罐(空气吸入罐)的位置，但因受减少头车1的头部的截面或确保驾驶席部分的空间等的制约，有时无空间或空间小。在此种情况下，也可以在与头车1连结的中间车2上设置空气储罐(空气吸入罐)9，形成与头车的空气储罐9直接连通的构成。如果采用如此的构成，能够增加吸入空气量，提高微气压性能。
实施例3
通过图6～图11，说明本发明的头车的其他实施例。图6是头车头部的侧视图，表示空气储罐(空气吸入罐)、驾驶室及空气口。图7是图6的俯视图。图8是以头部为中心表示本实施例的头车整体的侧视图。图9是上述头车头部的立体图。图10及图11是表示上述头车冲进隧道时的隧道内的压力变化及微气压波分析结果的图表。
头车100，在横截面积变化的头部具有空气储罐(空气吸入罐)110及驾驶室120。空气储罐110配置在头车100的头部的室内，以确保后面说明的容积的方式构成。即，通常在头车头部设置驾驶室120，设置进行运转操作的运转操作设备、各种控制设备及显示运转状态的显示装置。运转操作设备及显示装置设置在操作台124的位置。上述控制设备设置在上述驾驶室的操作台124的后部。在该驾驶室120中，设置驾驶员126监视车辆前方的驾驶室窗122。上述空气储罐110，在头车100的头部中的、尽可能从头部位置朝乘客室方向构成。确保从头部吸入能降低微气压波所需的空气量的容积。上述空气储罐110，如图7所示，在车体内部，形成其外侧接近车体的内面的构成，在该空气储罐110的内部具有驾驶室120。在空气储罐110和驾驶室120的之间具有隔板。与驾驶室120的宽度相比增大空气储罐110的宽度，以在车体内部有效构成空气储罐110的方式进行配置。因此，形成在该空气储罐110的内部构成驾驶室120的结构。
在上述头车100中，设置图9中的阴影线所示的空气口即空气吸入口132、134。空气吸入口132设置在头部的上面，空气吸入口134设在头部的侧面。该空气吸入口132、134设置在对产生微气压波影响最大的部分即三等分头部时的中间部分是有效的。此外，空气吸入口132、134的面积在车体正面的投影面积(最大时的车体截面积)的10％～20％的范围是有效的。
在上述的空气吸入口132、134设置作为空气流路的管道136，该管道136连接在吸入侧控制阀(空气吸入阀)138上。上述吸入侧控制阀138直接或介由管道连结在上述空气储罐110上。(在图6、图7所示构成中，表示直接在空气储罐110上设置吸入侧控制阀138的例子)
在上述空气吸入口132、134中，以不吸入异物的方式设置栅格。此外也可以考虑在管道136内或空气储罐110内吸入雨水等情形。形成在关闭吸入侧控制阀138的状态下排出管道136内的雨水的结构。此外，空气储罐110内的雨水由泵140排除。
在上述空气储罐110上连接排出其内部空气的泵140。在上述泵140上安装排气管道142。该排气管道142的排气口，在从头车头部沿前进方向靠后方位置，配置在车地板的下部，以朝轨道侧排出空气的方式设置。在关闭上述吸入侧控制阀138的状态下，由上述泵140向车体外排出空气储罐110内的空气。
上述空气储罐110为确保其内部容积，如图7所示，尽可能地延长车体的宽度方向尺寸。由此，如图8所示，缩短车体长度方向(纵向)的尺寸，以最小限度地抑制乘客室空间的减少的方式进行考虑。与上述驾驶室120连结的驾驶室出入台102及与乘客室连结的乘客室出入台104，设置在比上述空气储罐110更靠近车体中央的位置。该空气储罐110，在受到行驶中的车外和空气储罐的内的压力差作用时，具有足够的抗压强度。此外，驾驶室120，由于设置在上述空气储罐110的内部，所以外周部分以达到与空气储罐110同等强度的方式构成。
关于上述空气储罐110的容积，如果举其一例，在车辆的行驶速度350km/h、车体的最大横截面积11m2、头车头部的长度15m、隧道的截面积63m2(在该隧道的入口设置长度10m、横截面积88m2的缓冲工程)的情况下，空气储罐110需要大致30m3左右的容积。该空气储罐110的容积，也可以因头车的冲进隧道的速度、头部的形状、上述缓冲工程的有无或轨道表面的状态即混凝土板整体轨道或道碴轨道等的不同而变化。
下面，说明上述头车100以上述行驶速度冲进上述隧道时的状况。另外，图10表示头车冲进隧道时，距隧道的入口60m附近的压力的状况。此外，图11表示图10所示的隧道内的压力变化的时间微分、示出单位时间的压力梯度的微气压波分析结果。图10及图11的实线表示不进行从头部吸入空气时的头车的状况，虚线表示进行从头部吸入空气时的头车的状况。此时，无论进行空气吸入时还是不进行空气吸入时，两方的头车都形成大致相同的头部形状。
在进行空气吸入的头车中，在通过泵140预先排出空气储罐110内的空气的情况下，从由设在隧道坑口的缓冲工程的入口往前10m的前方附近，打开吸入侧控制阀138，开始吸入空气，在进行了规定时间大约0.25秒左右的空气吸入后，关闭上述吸入侧控制阀138，停止吸入空气。即，在头车整体进入隧道内的时刻，停止吸入空气。
或者，在头车冲进隧道前开始运转排气泵140，在空气储罐110的内压达到进行吸入空气所需的压力后，运转到上述头车达到距缓冲工程10m的前方附近。另外，在头车到达距缓冲工程10m前方附近的时候，打开吸入侧控制阀138，开始吸入空气，在进行了规定时间大约0.25秒左右的空气吸入后，关闭上述吸入侧控制阀138，停止吸入空气。此时，也可以停止或继续泵140的运转。另外，在第2规定时间(微小时间、也可以没有)后，使泵140运转，缓慢排出空气储罐110的空气。缓慢排气为的是不因排气增高外部的空气压。
如此在头车中，通过进行空气吸入，如图10所示，在将不进行空气吸入的头车的压力变动设定为100％的时候，在进行空气吸入的头车上，能够抑制30％左右的压力上升。此外，关于对发生微气压波关系最大的压力梯度的变化，如图11所示，可知：在将不进行空气吸入的头车设定为100％的时候，在进行空气吸入的头车上，能够降低30％左右的微气压波。
有时在铁路车辆行驶的路线上连续设置有隧道。此时，铁路车辆，在冲进最初的隧道，从该隧道出来后，在极短的时间内，又冲入下一隧道。在这种连续的隧道中的行驶过程中连续运转泵140，持续空气储罐110的排气。另外，在通过最初的隧道中，利用泵140将空气储罐110的内部达到负压，以在冲进下一隧道的时候能够进行空气吸入。
上述头车冲进隧道时的空气吸入，开始于头车即将冲入隧道的之前。空气储罐110预先通过泵140排出内部的空气，在头车即将冲进隧道或对设置缓冲工程的隧道来说即将冲进缓冲工程之前，打开吸入侧控制阀138，开始吸入空气。
该吸入侧控制阀138，例如在是利用自动列车控制机构(ATC：Automatic Train Control)控制车辆的运行的新干线电车的情况下，接收自动列车控制机构(ATC)发出的列车的当前位置信号，根据该当前位置信号，介由设在车辆上的控制装置，进行吸入侧控制阀8、138、泵10、140的控制。即，基于车辆即将冲进隧道之前的位置信号，打开吸入侧控制阀138，启动泵140，进行空气的收入，然后，进行排气控制。另外，也可以在轨道上设置信号发送机构，根据该信号发送机构的控制信号，进行设备的运转控制。
连结有头车100的列车，在以例如350km/h左右的行驶速度沿具有隧道的路线行驶而进入隧道的时候，被头车100的头部推开的空气，被设在隧道的入口部分或隧道的坑口的缓冲工程遮挡，特别是在头部的中间部可产生压力高的部分。但是，如上所述，在头车100的头部，通过从设在车体表面的空气吸入口132、134吸入空气，能够抑制头部的压力上升。因此，即使以之前产生微气压波的行驶速度，头车100的头部冲进隧道或缓冲工程，由于也能够抑制在隧道内的压力急剧上升，所以能够抑制微气压波的发生。
在上述头车100中，通过根据头部的形状或长度来变化空气储罐110的容积，从行驶速度或隧道入口的形状或缓冲工程的有无，设定吸入空气的时间，能够有效降低微气压波。此外，通过从头部形状及隧道的条件、冲进隧道的行驶速度的关系，将空气储罐110的容积设定成足够降低微气压波的容积，能够比较自由地设计头车100的头部形状。
在上述头车100中，由于在头部配置空气储罐110，因此担心减少头部车体本身的乘客室容积。但是，在要以高于目前的行驶速度行驶穿过现有的隧道的时候，为抑制微气压波的发生，不得不大幅度减小乘客室容积。车体横截面积的减少，在以列车角度考虑时，会大幅度降低乘客室容积。在上述头车100中，即使部分乘客室用作构成空气储罐110，在以列车整体角度考虑时，乘客室容积的减少也很小。因此，在头车100设置空气储罐110，能够抑制列车的乘客室容积的减小。
以前，为降低因从高速行驶的车辆发生的微气压波而产生的低频音，在隧道的坑口设置缓冲工程。但是，通过使头车本身具有降低微气压波的功能，即使不设置上述缓冲工程，也能够抑制微气压波形成的低频音。此外，以往在根据路线，提高行驶车辆速度时，必须采取延长缓冲工程的长度等微气压波对策，但是，如果采用上述头车，即使提高行驶速度，也不需要改造缓冲工程。
在本发明中，所谓的隧道，在具有缓冲工程时，缓冲工程也可作为隧道。
本发明以沿隧道行驶的高速车辆为对象。但是，在大型货车冲进高速公路的隧道的场所或如地铁电车低速行驶时，在形成相同条件，产生微气压波的情况下，也能够应用本发明。