新技术、新速度、新希望——300系新干线列车

20世纪七八十年代，虽然日本国有铁道还在继续开通新的新干线，但和充满辉煌的上一个十年相比，此时的新干线显得黯淡了很多。在国际上，随着法国等欧洲国家相继开通了自己的高速铁路，新干线不再是独一无二，在运营速度上也被法国的TGV高速列车反超。在日本国内，国铁被赤字、罢工和事故这三座大山压得喘不过气来，很长时间都没能开发新的新干线列车。在高速公路和民航快速发展的大背景下，日渐老化的0系逐渐丧失了客流竞争力，100系的略微提速也难以改变困局。终于，1987年，经营混乱、负债累累的日本国有铁道不得不实施分割民营化改革，国铁的时代结束了。

日本国有铁道的“分割民营化”改革，改革后的日本国有铁道分裂为7家JR公司

分割民营化改革后，新成立的东海旅客铁道（JR东海）接过了东海道新干线的经营权。民营企业是要以盈利为导向的，但是国铁时代末期为了减少亏损，新干线的票价已经数次上浮，结果却导致新干线在与其他交通方式的竞争中越发落入下风。要想挽回新干线的竞争优势，继续涨价肯定行不通，除了提速之外别无选择。因此在民营化改革后不久，JR东海就开始了东海道新干线的提速计划。东海道新干线由于修建时间较早，设计标准较低，线路改造方面能做的文章不多，所以关键还是开发新型高速列车。得益于国铁时代末期已进行了一些相关技术研究，民营化改革3年后，1990年，新的300系新干线列车的先行试验车顺利落成。又经过两年的测试，1992年3月，正式版的300系新干线列车（日语：新幹線300系電車）在东海道新干线投入运营。

300系新干线列车的首要设计目标是提速。在此之前东海道·山阳新干线速度最快的100系列车，最高时速为220公里，现在300系则要提高到270公里每小时，提速的任务相当艰巨。为此300系大胆采用了很多新技术、新设计。首先是车辆的轻量化，300系使用了新型铝合金材料制造车体，车内设施也大量采用新材料，从而车辆自重相比0系和100系大幅减轻。16节编组的100系列车重839.2吨，而同样编组的300系列车仅重710吨；0系列车的轴重为16吨，而300系的轴重仅11.3吨。车辆的轻量化自然有利于速度的提升，轴重的减轻则降低了列车高速运行时对线路的冲击。其次是降低风阻。300系缩小了车体断面，车高相对100系降低了40厘米。受电弓数量也减少到3部。车头的形状也更加平滑化，车窗尺寸也较100系缩小。原先0系和100系设置在车顶的空调外机在300系上被改到了车厢底部，以降低车体重心和高度。

300系新干线列车，其车头造型更加平滑化，与0系和100系的圆钝型已有明显不同

300系的另一大创新是在新干线列车中首次采用了交流传动。早期的新干线列车如0系和100系为直流传动，来自接触网的高压交流电经过列车的牵引变压器降压后，再经过整流器转换为直流电供给牵引电机。但是，直流电机需要电刷、换向器等部件，结构复杂，维护不便，摩擦部件过多也限制了电机功率和转速的提升，而且直流电机体积大、重量大，不能很好地适应高速列车轻量化的需要。而交流传动则是将整流后的直流电通过逆变器再变换为调压调频的交流电，然后供给交流牵引电机。与直流电机相比，交流电机省去了电刷等部件，因此结构简单，可靠性高，维修方便，利于提升电机转速和功率，而且体积小、重量轻（以300系为例，其使用的交流牵引电机功率提升到了300千瓦，100系的直流电机功率仅230千瓦，而前者的重量却仅为后者的一半）。此外，交流传动还具有起动牵引力大、粘着性能好、功率因数高、谐波干扰小等特点，这些都使得交流传动方式更适于高速列车。在交流传动方面，法国高铁在90年代末引入了交流传动的TGV-A型高速列车，日本新干线也紧随其后，从300系开始，新干线列车也实现了由直流传动到交流传动的转变。

交流传动方式的引入也使得300系得以采用新的制动方式。过去新干线列车所使用的电阻制动，在制动时将牵引电机转变为发电机，列车的动能被转化为电能，从而实现列车减速，产生的电流则通过电阻器消耗掉。其缺点是白白浪费了制动过程中产生的电能，所需的制动电阻和散热器不仅增加了列车自重，而且最大制动力受到散热能力限制。而交流牵引电机则允许在发电制动时将产生的电力回馈到接触网，制动效果更佳，而且节约电能。从300系开始，新干线列车普遍采用了再生制动方式。由于再生制动也有一定的局限性（低速时制动效果较差），且需要考虑再生制动失效的紧急情况下的列车制动问题，300系新干线列车也使用新干线传统的电气指令式空气制动，为了改善旅客乘车舒适度，300系还可随列车载荷的变化调节制动力大小。此外，由于拖车不安装电动机、无法使用再生制动，300系的无动力拖车和100系一样采用涡流盘式制动，以作为补充的制动力。然而，涡流制动装置比较笨重，导致300系的无动力拖车反而比高度轻量化的动力车更重，这一设计明显得不偿失——起初为了轻量化，300系调整了动车拖车比，由100系的12动4拖改为10动6拖，然而拖车的超重让这一调整失去了意义。

新干线列车所使用的涡流盘式制动设备，注意车轴上安装的制动盘

总体来说，300系相比旧的新干线列车进行了大幅的技术创新，1992年投入运营后，300系成功实现了最高运营时速270公里的目标，虽然相比法国最新型的高速列车仍略逊一筹（当时法国的TGV-A型高速列车最高时速300公里），但已经大大缩小了与对手的差距。运行时速的提高也增强了新干线的客流竞争力，改变了国铁时代后期以来新干线在与公路和民航竞争中的颓势。与300系新干线列车一并投入使用的，还有东海道·山阳新干线新的列车种别——“希望”号（日语：のぞみ）。“希望”号被设定为比原本最高等级的“光”号停站更少、用时更短的更高等级的快车，作为第一代“希望”号列车，300系无疑承载了日本铁路追求更高速度的殷切希望。

但是，300系的运营生涯至少在一开始却并不那么令人满意。“希望”号运行初期，尚显不成熟的300系故障频发，甚至曾出现行驶过程中重要零部件松脱的问题，还曾有在站台候车的旅客被列车高速通过时卷起的道砟打中，引起不少舆论风波。尽管300系采用了很多减低空气阻力、降低运行噪音和振动的设计，但毕竟运行时速相比100系提升了很多，加之300系高度轻量化的车辆设计，车厢的隔音和减震效果变差，乘客感受到的噪声和振动反而更大了。将空调外机布置在车底的布局导致空调的通风管不得不延长，结果空调的调温效果也变差了。300系不但取消了100系广受好评的大车窗和双层车厢，甚至取消了单独的餐车，这些改动让很多乘客一时间难以适应。因此总的来说，300系在试验新技术、在追求更高速度方面是十分成功的，其采用的交流传动方式、高度轻量化和减低空气阻力的设计都值得称道，也为后来的新干线列车所延续；但在改善旅客乘坐体验方面，300系多少有些不尽如人意。

东海道新干线的有砟轨道一直存在着很多令人困扰的问题，为了防止高速列车通过时引起道砟飞溅，一些路段后来铺设了这种道砟防护网

尽管如此，随着时间推移，300系新干线列车虽然不乏缺陷，但在岁月磨砺下仍然不失为新干线的经典车型。不过，伴随更高速度的新型列车陆续投入运营，以及300系列车的逐渐老化，作为提速先行者的300系也开始慢慢走向生涯的尽头，代表东海道·山阳新干线最速列车的“希望”号也逐渐被交给新一代的新干线列车担当。2012年3月，最后的300系列车退出了商业运营，相比经典的0系和100系，300系的运营年限要短的多。但不论有着怎样的缺陷，在许多人心目中，300系依然是永远的“希望”号。

300系新干线列车主要参数

类型：动力分散式电力动车组

运营期间：1992年-2012年

最高运行速度：270km/h

编组：16节；10动6拖编组

定员：1323人

车长：402.1米

车宽：3.38米

车高：3.65米

车体材料：铝合金材料

质量：710吨

牵引功率：12000千瓦

供电方式：架空接触网供电，25kV & 60Hz交流电

牵引电机：300千瓦交流电机

牵引控制方式：GTO元件VVVF逆变器控制

制动方式：再生制动、电气指令式空气制动，拖车采用涡流盘式制动

信号系统：新干线ATC-1信号（早期）、新干线ATC-NS信号（后期）

挑战世界第一——500系新干线列车

虽然300系新干线列车进行的技术创新总体而言是成功的，但270公里的最高运营时速相比欧洲的最新型高速列车来说仍然稍逊一筹。此外，进一步提升速度也能够增强新干线的客流竞争力。国铁分割民营化之后，大阪至博多的山阳新干线交由西日本旅客铁道（JR西日本）运营，新型车辆的研发也不再像过去那样由国铁统一进行，各家JR公司都开发了自己的新车型。由于山阳新干线的设计标准较最早的东海道新干线有一定的提高，更有利于列车提速，从1990年起，JR西日本开始了一项将山阳新干线运行时速提高到300公里以上的计划。1992年，JR西日本完成了新型高速试验列车的开发。该型列车作为商业运营用的正式版500系列车的试验型号，编号500系列车900番台（日语：新幹線500系電車900番台），也被称为“WIN350”，350代表了JR西日本为其设定的最高速度——这着实是个颇具雄心的目标。

WIN350高速试验列车，其车头较以往的新干线列车更加扁平化，另一个直观的特征是用以降低高速运行时的空气阻力的大型受电弓罩结构

1992年8月，WIN350高速试验列车完成了最高时速350.4公里的走行测试，这也刷新了当时日本铁道的速度纪录。不过，在高速试验中发现当列车时速达到350公里时噪音也会增大，无法满足新干线的环境噪音标准，再加上要保证列车的紧急制动距离，以及改善乘客舒适度、节约运营成本等方面的综合考虑，最终JR西日本只得放弃了350km/h的最高速度目标，将量产型500系列车的商业运营时速设定为300公里。在WIN350成功试验的基础上，1996年，500系先行量产车开始进行40万公里走行测试。次年3月，在完成各项前期测试后，正式版的500系新干线列车在山阳新干线投入运营。

由于500系新干线列车的运行时速相比300系进一步提高，为满足高速运行的要求，必须进行进一步的轻量化和减阻设计。500系最突出的特征便是细长尖锐的车头造型，其车头效仿了喷气式战斗机的外形设计，长达15米，有助于降低空气阻力和抑制列车进出隧道时的微气压波。为了进一步减小风阻，500系的车体断面较300系缩小了约1/10，车厢外壁接近圆筒形，门窗等部位的凸起也尽可能减小，并在车厢连接处安装风挡，使车体表面尽可能平滑化。500系车顶的受电弓数量减少为2部，而且采用了更加符合空气动力学的翼型受电弓，这些都起到了减低阻力和降低噪音的作用。据测算500系在与300系以同样速度运行时，阻力降低了30%，由此也带来了列车运行能耗的降低。

500系新干线列车，其尖锐的车头令人过目不忘，即使以今天的眼光看也是相当新锐的设计

500系使用的翼型受电弓（左），外形如展开的鸟翼，较之早期型新干线列车使用的菱形受电弓（右），结构更简单，可减低空气阻力和噪音

在车辆轻量化方面，500系也比300系更上一层楼。500系车厢侧壁和车底都采用了中空的蜂窝状铝材，每节车辆的结构重量较300系又减轻了0.6吨，轴重也从300系的11.3吨降低到11.1吨，以减轻列车高速运行时对铁路的冲击。鉴于300系在高度轻量化的同时，对高速运行时的噪音和振动的控制重视不足、在一定程度上影响了乘客的舒适度，500系也作了一些改进，在车体中大量使用吸音、隔音材料，以降低车内噪声。为避免像300系那样的空调效果变差的问题，500系的空调采用了分体安装方式，空调外机继续安装在车体下方，其他部分则安装在车顶。同时对转向架也进行了改进，以克服300系出现的高速运行时车体振动的问题。

500系延续了300系的交流传动模式，为了满足高速运行需要，500系又重新恢复了全动力车编组，列车牵引功率也进一步提升，达到18240千瓦，远远超过300系的12000千瓦。放眼当时的世界，也没有任何一款高速列车在牵引功率方面可与500系媲美，真可谓“大力出奇迹”。运行速度的提高也要求列车拥有更高的制动性能，500系继续采用300系的再生制动+电气指令式空气制动的双制动模式，不过在300系上得不偿失的涡流盘式制动则被取消。此外500系还增加了一个特殊的设计，在紧急制动时可向轨面喷洒陶瓷粒子，以增加列车的制动力。

从1997年3月起，500系开始接替部分300系列车，担当山阳新干线的“希望”号，最高运行时速提高到300公里，使日本新干线在最高运行速度上重回世界第一位、与法国高铁并居榜首，而500系列车全程均速242.5km/h、站间最高均速261.8km/h的优异表现，也足以在当时世界上的高速列车中名列前茅。不久后，500系新干线列车也开始了在东海道新干线上的商业运营，只是由于东海道新干线的线路标准较低，受制于线路水平，500系在后者的运行时速只能和300系一样定为最高270公里。从提速的角度来说，500系新干线列车是非常成功的，通过300系、500系的不懈努力，新干线也得以重新跻身于世界高速铁路发展前列。

但500系也和300系一样存在一些设计缺陷。某种程度上说，500系为了追求高速化而进行的技术革新有些“过激”了，为降低风阻而缩窄车体断面、再加上圆筒形的车体造型，导致500系的车内空间较300系缩小，尤其是500系细长的头尾车的内部客室空间更窄，这些都不利于乘坐舒适度的改善。车体断面缩小之后，列车与站台的间隙也变大了，容易造成安全隐患。500系采用全动力车编组也造成车辆造价和维护成本上升不少，而且对300公里的设计运行时速来说，其超大的牵引功率也有些过剩，从经济性的角度出发，500系并不利于铁路公司节约成本、提高经济效益。因此当综合性价比更高的700系列车投入使用后，500系尽管运行时速较700系更高，却还是难以避免被逐步替代的命运。

500系新干线列车的内环境，能够看出500系的车体断面呈圆筒形，这一设计虽有利于降低空气阻力，但也带来车内空间偏窄的问题

随着时间推移，新型列车不断投入使用，500系在东海道·山阳新干线的地位日渐边缘化，代表东海道·山阳新干线最速列车的“希望”号也已转由700系等新型列车担当，2012年后，500系更是全面退出了东海道新干线的运营。为了节约成本，JR西日本也并未大量生产造价高昂的500系，其产量不要说和经典的0系相比，即使较之300系也少得多（300系生产了70组、1120辆，500系仅生产了9组，144辆）。随着500系使用年限的增加，JR西日本也对现有的500系列车进行了一些技术改造，如将16节长编组缩短为更灵活的8节短编组，将牵引电机功率适当调低、并把运行时速下调到285公里，原有的翼型受电弓也被替换为在新型新干线列车上已经得到验证的更符合空气动力学的单臂式受电弓，等等。目前，已服役25年的500系列车仍在山阳新干线继续运营中。虽然500系最辉煌的时代已经过去，但作为新干线第一款时速达到300公里的高速列车，500系在世界高速铁路发展史上的重要地位仍然毋庸置疑。

2015年为纪念《新世纪福音战士》动画播出20周年而推出的特殊涂装型500系列车——“500 TYPE EVA”（现已结束运营，改造为“Hello Kitty”新干线列车）

500系新干线列车主要参数

类型：动力分散式电力动车组

运营期间：1997年至今

最高运行速度：300km/h（早期型）& 285km/h（改进型）

编组：16节（早期型）、8节（改进型）；全部为动力车

定员：1324人（16节）/ 557人（8节）

车长：404米（16节）

车宽：3.38米

车高：3.69米

车体材料：铝合金材料

质量：629.6吨（16节）

牵引功率：18240千瓦（16节）

供电方式：架空接触网供电，25kV & 60Hz交流电

牵引电机：285千瓦交流电机（改进型将电机功率调整为275千瓦）

牵引控制方式：GTO元件VVVF逆变器控制（改进型采用IGBT元件控制）

制动方式：再生制动、电气指令式空气制动

信号系统：新干线ATC-1信号（早期）、新干线ATC-NS信号（后期）

均衡、稳健、创新——700系新干线列车

从300系到500系，虽然新干线列车的速度在不断提升，但两型列车也各有一些缺陷。从根本上说，问题根源在于为提速进行的技术创新过程中没能兼顾到制造成本、乘坐舒适度等方面。为了进一步探索新干线提速的可行性，在JR西日本开发500系新干线列车的同时，1994年，JR东海也完成了955形高速试验列车（日语：新幹線955形電車）的研发。955形高速试验列车也称“300X”，该型试验列车采用了更能降低空气阻力的新头型，对转向架也进行了改进、以抑制列车高速运行时的振动和蛇行问题。为了实现更高速度目标，6节编组的300X全部由动力车组成，牵引电机功率提升到405千瓦，整车功率达9720千瓦，并可在短时间内达到12000千瓦（作为对比，16节的300系的牵引功率也只是这个数字）。1996年7月26日，300X在东海道新干线进行的一次高速运行试验中，在米原至京都之间的一段较为平直的路段达到了443公里的最高时速，该速度成为日本铁道迄今为止的速度之最（注：不考虑高速磁悬浮列车）。

新干线300X高速试验列车，其在1996年创造的443km/h的最高速度至今仍为日本铁道速度之最

955系试验列车的两节头车采用了不同的头型设计，以验证不同的头型在减阻和降噪方面的性能差异

当然，300X的最高速度纪录对于东海道新干线的实际运营来说并没有太大的参考意义。东海道新干线的大部分路段由于曲线半径较小，很难支持过高的运行速度，而且商业运营的高速列车终究要考虑造价、运行成本、乘客舒适度等非常现实的问题，与高速试验列车没有可比性。不过，300X的试验还是为预备在新型新干线列车上采用的各项新技术进行了必要的验证。1999年3月，新的700系新干线列车（日语：新幹線700系電車）在东海道·山阳新干线投入商业运营。

由于500系已经实现了300km/h的速度目标，700系已没有太大必要追求同样的高速度，其最高运行时速略微下调为285公里（另一个因素可能在于700系由JR东海开发，而JR东海自己运营的东海道新干线因过于老旧、无法支持300公里的运营时速）。速度的下调也使得500系所采用的一些过于激进的技术改进在700系身上没有了必要，700系不再采用500系造价高昂、维护复杂的全动力车编组，又回到了300系的动拖混编模式，牵引功率也较500系降低。不过，700系也没有忘记新干线列车注重轻量化和降低运行阻力的“看家本领”。在300X上试验的新头型被700系列车所借鉴（有时被称为“鸭嘴兽头”），这种头型不及500系的“战斗机头”尖细，但更有利于抑制列车进出隧道时的微气压波，在减阻、降噪的同时，也避免了500系那样因车头过于细长导致头尾车内部空间变窄的问题。

700系独特的头型设计，车头较扁平、两侧有凸出部，这种头型后来又被N700系等新型列车“发扬光大”

除了新的车头设计之外，700系还进行了一系列的改进。500系所使用的翼型受电弓在700系上被改为单臂式受电弓，并在外侧设置受电弓挡板，不仅结构简便、利于检修，而且空气阻力和噪音更小。700系重新恢复了300系的涡流盘式制动，不过为了减轻拖车重量，避免300系出现的无动力拖车比动车更重的问题，700系相应减少了拖车转向架上装载的涡流制动盘的数量。为了改善乘客体验，700系不仅在制造车体的中空铝材中填充了隔音和减震材料，还在车厢之间增设了纵向减震装置，在转向架上安装半有源减振器，并改善了空气弹簧的性能。700系在不增加车辆高度的前提下，适当提高了车厢内客室的高度，并改进了车内照明和座椅的设计，给乘客带来更加宽敞明亮的乘坐体验。此外，700系还在新干线列车中较早导入了IGBT（绝缘栅双极型晶体管）元件控制，取代了300系和500系的GTO（门极可关断晶闸管）元件，IGBT元件的开关频率更高，而且节能、维修方便、散热稳定，用于列车牵引控制时具有很强的技术优势。

700系新干线列车使用的单臂型受电弓和受电弓外侧的挡板

总体来说，700系的设计是较为成功的。不仅列车的噪音和振动减小，车内环境得到改善，而且700系通过使用新技术和新工艺，制造成本、检修成本都较昂贵的500系大幅降低，也更为节能，可以说是做到了技术、舒适和经济性等多方面的均衡提升，其产量也比500系多得多，达到91组、1328辆。700系投入运营之后不仅担当了东海道·山阳新干线的最速列车“希望”号，还从2000年3月起在山阳新干线上担当使用特殊涂装的 “光号铁路之星”（日语：ひかりレールスター）列车，700系也因此获得了很高的人气。不过，随着使用年限的增加，700系也不可避免迎来新老交替的命运，让位于N700系等新型新干线列车。2020年，700系退出了东海道新干线的运营，在山阳新干线运行的700系列车也在逐渐减少，也许在不久的将来，这颗奔驰在铁道上的流星也终将离去。

由特殊编成和涂装的700系列车担当的“光号铁路之星”，目前仍在山阳新干线运行

700系新干线列车主要参数

类型：动力分散式电力动车组

运营期间：1999年至今

最高运行速度：285km/h

编组：16节、8节；16节时为12动4拖编组

定员：1323人（16节）/ 571人（8节）

车长：404.7米（16节）

车宽：3.38米

车高：3.65米

车体材料：铝合金材料

质量：708吨（16节）

牵引功率：13200千瓦（16节）

供电方式：架空接触网供电，25kV & 60Hz交流电

牵引电机：275千瓦交流电机

牵引控制方式：IGBT元件VVVF逆变器控制

制动方式：再生制动、电气指令式空气制动；拖车采用涡流盘式制动

信号系统：新干线ATC-1信号（早期）、新干线ATC-NS信号（后期）

【待续】

国外高速列车图鉴——日本新干线篇（3）