青色巨人——E1系双层新干线列车

1987年日本国有铁道实施分割民营化改革后，东北、上越新干线被交由东日本旅客铁道（JR东日本）经营，从此走上了与东海道·山阳新干线不同的发展道路。与东海道新干线相比，东北新干线的设计标准较高，更有利于提速；此外JR东日本的经营状况一向较好，也有足够的财力支持新型列车的研发。1992年，JR东日本完成了新型高速试验列车“STAR21”（正式型号为新干线952·953形电车）的开发，“STAR21”意为“Superior Train for Advanced Railway toward the 21st century”（“面向21世纪先进铁道的卓越型列车”），显示了JR东日本的雄心。

STAR21高速试验列车的头车，该型列车在完成各项测试后已退役拆解，目前仅部分车厢保存在一些研究机构

作为测试各种新技术的平台，STAR21采用了许多创新设计：新的更加符合空气动力学的车头造型减低了空气阻力；采用铝合金大型空心挤压型材制造的车体减轻了列车自重；新的交流牵引电机提升了列车动力；车体表面平滑化、缩小车辆断面、改进受电弓结构和加装受电弓罩等措施使列车运行时的空气阻力和噪音降低，等等。此外，在STAR21的9节车厢中，有5节采用了铰接式转向架，即相邻的两节车厢共用一台转向架、并通过转向架互相连接。这一设计有很多优点：共用转向架的设计使得全列车所需的转向架数量减少，有助于列车的轻量化；位于两节车厢之间的铰接式转向架相比位于车厢头尾端部的非铰接式转向架，距乘客所在的客室距离较远，可以减少车厢内的噪音和振动；两节车厢通过转向架紧密连接，既能减少车辆的纵向冲动，又使整个列车结为一个牢固的整体；原在车厢地板下方的机器设备被移动到两节车厢间的转向架上，更方便车厢内部采用低地板结构，给双层车厢的车内空间设计留下了更大的余地，等等。不过，铰接式转向架也存在一定的不足：车轴的减少使得列车的轴重增加，对动力分散式动车组来说可输出牵引力的动轴的数量也会相应受到限制，在将列车连结为一个整体的同时、也会导致列车难以灵活调整车厢编组。由于种种原因，STAR21采用的铰接式转向架最终并没有应用到新干线的量产型列车上。

通常的转向架安装于车厢两端（左），而铰接式转向架设置于两节车厢之间的连接处（右）

采用铰接式转向架的法国TGV高速列车（上）与采用非铰接式转向架的德国ICE高速列车（下）的对比，前者可以减少转向架的数量、有利于列车减重

从1992年3月起，STAR21开始在东北、上越新干线进行走行试验。1993年12月，STAR21在上越新干线的高速试验中创造了最高时速425公里的速度纪录，这是新干线列车首次突破400公里时速大关。尽管STAR21作为一款试验列车在几年后即被退役拆解，但其采用的轻量化车体结构、交流传动系统、VVVF逆变牵引控制等新设计，为JR东日本未来的新型列车开发提供了成功经验。不过，在提升运营速度之前，JR东日本更紧迫的任务是满足客流需求。由于东北、上越新干线连接了东京都市圈内的多个重要车站，吸引了相当多的日常通勤、通学客流，为了满足高峰期客流需求，急需开发一种大运量的高速列车。于是，JR东日本决定采用双层列车的设计。1994年7月，E1系双层新干线列车（日语：新幹線E1系電車）在东北、上越新干线投入运营。

E1系双层新干线列车，相比后来的E2系和E4系，其车头的造型较为普通

虽然新干线自80年代的100系列车开始就导入了双层车厢，但100系、200系的双层车厢在整个编组中只有一两节，主要目的是改善乘客的乘车体验，而不是提升载客量。而新的E1系列车的编组完全由双层车厢组成，这对动力分散式高速动车组而言是个不小的挑战。由于高速列车需要尽可能缩小车体断面以减低空气阻力，并且要降低车辆的重心，双层车厢的车顶高度不能太高；但与此同时，又要保证车厢内部空间不至过于狭小，因此，在车顶限高的情况下，车厢地板高度就必须要比单层车降低。然而，动力分散式动车组的动力车地板下方就是牵引电机等重要设备，这又使得车厢地板高度无法压得过低，100系、200系都是将不配备动力系统的拖车设置为双层车厢，从而回避了这个问题；但如果全列车都由双层车厢组成，这一问题就无法回避了。因此，E1系只得重新设计车辆结构，将一部分原本在车厢地板下方的大型设备移到了车厢端部专门的设备室，从而给双层车硬“挤”出了空间。当然，这一设计在增加了车辆的垂直空间的同时，也必然要牺牲车辆的纵向空间。总的来说，双层车的设计的确不是很适合动力分散式的高速动车组。

E1系车厢端部的设备室（盖板处），为便于采用双层车厢，E1系不得不将一部分车底设备转移到车厢地板上方

虽然STAR21已经采用了轻量化的铝合金车体，不过，出于保证双层车厢的结构强度的考虑，E1系新干线列车还是继续沿用了传统的普通钢车体，这一设计多少显得保守了一些。由于双层车的重量肯定会比单层车增加不少，E1系相应强化了动力系统，主电动机采用410千瓦交流牵引电机，控制方式为使用GTO元件的VVVF逆变控制，足以保证E1系的运行速度和加减速性能不低于旧的200系。采用交流牵引方式也令E1系得以使用再生制动，相比直流传动的200系所采用的电阻制动，再生制动的效率更高、更节能。同时期JR东海的300系新干线列车采用的涡流盘式制动存在制动设备过于笨重的缺点，因此JR东日本旗下的各型新干线列车均未使用涡流盘式制动，而是采用再生制动+电气指令式空气制动并用的双制动模式，其制动效果也并不逊色。

为了进一步增加载客能力，E1系新干线列车除了采用双层车厢外，车内布局也有很大改变。新干线列车的普通车厢一般采用“3+2”（与我国的高铁动车组列车相同，一排设5个座位）的座位布置，而E1系则将部分车厢的座位布置改为了“3+3”。但是，此举也导致车内空间变得拥挤，不得不缩窄了车厢中间过道的宽度，并取消座位的旋转和调节倾角功能，这不能不说是E1系的一个缺点。不过，考虑到E1系面向的使用者不少是短距离通勤的乘客，JR东日本的首要目标是增加列车应对短时间内的大客流的能力，这一改动还勉强可以接受。双层车厢再加上增设座席，使得12节编组的E1系的定员达到1235人，与16节编组的200系持平，载客能力提升显著，基本达到了设计目标。

E1系双层新干线列车的内环境，部分车厢采用“3+3”的座位布局，以增加载客量

从1994年3月起，E1系新干线列车投入商业运营，同时开始使用新的列车种别前缀“Max”（代表双层列车，如东北新干线的“山彦”号列车，由E1系担当时称为“Max山彦”，上越新干线的“朱鹭”号列车，由E1系担当时称为“Max朱鹭”）。不过，E1系制造的数量并不多，仅制造了6组、72辆，在东北新干线运营的时间也不长。除了双层车的造价较高外，主要的原因在于E1系由12节双层车厢组成的大编组不能灵活应对客流变动，也不能与其他列车重联运行，因为12节的E1系列车如果再与通常有7到8节的其他型号列车重联，显然大大超出了站台的长度。加上几年后JR东日本就投入了更新型的E4系双层新干线列车，E1系在1999年后便不再运行于东北新干线。而在上越新干线，逐渐老旧的E1系虽然经过了一些改造，又继续运营了十多年时间，但最终也慢慢被新型列车所替代。2012年10月，E1系在上越新干线结束了自己的告别运行。

E1系双层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：1994年-2012年

最高运行速度：240km/h

编组：12节；6动6拖编组

定员：1235人

车长：302米

车宽：3.38米

车高：4.485米

车体材料：普通钢材料

质量：692.3吨

牵引功率：9840千瓦

供电方式：架空接触网供电，25kV & 50Hz交流电

牵引电机：410千瓦交流电机

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

信号系统：新干线ATC-2信号（早期）、新干线DS-ATC信号（后期）

强风吹拂——E2系新干线列车

1994年投入运营的E1系虽然提升了载客能力，但运行速度相比旧的200系列车却没有进一步提高，双层列车使用上的局限性也使得E1系产量十分有限，不足以成为新干线的主力车型。随着200系列车的日渐老化，JR东日本急需开发一款替代200系的新型列车。再加上由高崎至长野的北陆新干线先导段即将于1997年通车，新线开通后也需要投入新的列车。由于东、西日本交流电的频率不同（东日本为50Hz，西日本为60Hz），北陆新干线跨越了有两种供电方式的地区，因此将要在北陆新干线使用的列车也必须要能兼容两种频率的交流电。此外，北陆新干线经过的轻井泽一带山势陡峭，线路在此有一段长达十几公里的坡度千分之30的大坡道（对铁路来说30‰是相当大的坡度），这对高速列车的动力和制动系统都提出了很高的要求。为此，1997年3月，JR东日本开始将新的E2系新干线列车（日语：新幹線E2系電車）投入东北新干线运营，当年10月北陆新干线先导段通车后，E2系也开始担当东京至长野的“浅间”号（日语：あさま）列车。

E2系新干线列车（N编成），初期型为6动2拖编组，共8节车厢

为了满足东北新干线运营速度进一步提升以及应对北陆新干线的长大坡道的需要，E2系新干线列车强化了动力和制动系统。列车采用6动2拖编组、提高了动拖比，对交流牵引电机的性能也进行了提升，提高了电机转速，确保在30‰的坡道上坡行驶时列车仍可以保持170km/h的均衡速度。在制动系统方面，E2系仍采用再生制动与电气指令式空气制动并用的双制动模式，同时增加了抑速制动功能，保证列车在30‰坡道下坡行驶时可将速度稳定在210km/h，当再生制动失效时，作为紧急制动手段的空气制动可保证列车在坡道上从210km/h减速到0，确保列车坡道运行的安全性。

在提升动力和制动的同时，E2系的车体也进行了轻量化、平滑化设计，采用了铝合金材料来替代E1系的普通钢材料，将列车轴重控制在13吨以内。为了适应北陆新干线的两种不同供电制式，E2系的关键电气设备被设计为可兼容50Hz与60Hz两种不同频率的交流电，当列车通过不同供电制式路段的分界区时，由ATC信号系统向列车发送切换指令，列车根据指令切换到另一种供电制式。E2系的这些改进使其在东北新干线的运营时速提高到275公里，在坡道较多的北陆新干线也能以时速260公里运行（注：后者限速的主要原因在于成本收益问题，北陆新干线客流相对较少，继续提速带来的收益不大）。E2系逐渐取代老旧的200系，成为东北、上越、北陆新干线的主力车型。

2002年12月，东北新干线盛冈至八户延伸段通车，在延伸段通车的同时，JR东日本还导入了新的DS-ATC信号系统。DS-ATC系统提高了数字化程度，过去的ATC-2信号系统通过轨道电路向列车发送行车区间内的限速信息，车载设备根据区间限速，进行阶梯式的分级制动。但是，随着各种新型列车投入运营，运行在同一线路上的不同型号的列车有着不同的最高运行时速和制动性能，过去单一的区间限速已经不适用了。DS-ATC系统不再采用通过轨道电路发送速度码的方式，而把生成限速的功能转移到了车载设备上，列车通过轨道电路、轨旁电子设备以及储存在车载设备中的线路数据，确定本车的位置以及与前方目标之间的距离，再根据本车的运行速度和制动性能，生成一次连续制动曲线，进行速度控制。这样就进一步缩小了列车追踪间隔，提高了线路通过能力，一次制动的方式也减少了列车制动和缓解的次数，有助于改善乘客舒适度和减少制动设备的磨耗。随着新线路、新系统的投入使用，JR东日本也投入了改进型的E2系新干线列车，称为E2系1000番台（以下称为E2-1000）。

一次制动模式与分级制动模式，前者更有利于缩小追踪间隔、提高线路通过能力和改善乘客舒适度

E2-1000相对E2系进一步强化了动力系统，列车编组调整为8动2拖，牵引功率由7200千瓦提高到9600千瓦，并使用了较E2系的GTO元件更先进的IGBT元件进行牵引控制，在功率提升的同时，牵引电机则实现了轻量化。同时E2-1000采用了进一步的减低空气阻力和噪音的设计，将E2系使用的菱形受电弓更换为更能降低空气阻力和噪音的单臂式受电弓，取消了大型受电弓罩结构。对转向架也进行了改进，从而降低了运行时的车体振动。这些改进使得E2-1000具有更好的高速性能，其设计最高速度达315km/h（实际仍按275公里时速运营），乘客的舒适度也得到提高。而伴随新线路开通和新车型投入使用，JR东日本也设立了新的列车种别“疾风”（日语：はやて）号。作为第一代“疾风”号列车，时速275公里的E2-1000确如一股奔驰在铁道上的疾风，虽然较之东海道·山阳新干线的500系、700系列车在速度上稍有逊色，但也足以跻身当时新干线最先进列车之列。

E2系1000番台，编组调整为8动2拖、共10节车厢，与上图原始版的E2系对比，可以直观地看出1000番台将菱形受电弓改为了单臂式受电弓，并取消了大型受电弓罩

只是随着时间的推移，E2系也无法回避新陈交替的命运。伴随更新型的E5系新干线列车投入东北新干线运营，E2系在东北新干线担当的车次逐渐减少，如今东北新干线已只有少部分车次还继续由E2系担当。在北陆新干线，新的E7系新干线列车也逐渐取代了E2系的地位，2017年3月以后，为适应北陆新干线的特殊运行环境而设计的E2系彻底退出了北陆新干线的运营。在上越新干线，E2系也逐渐被新生产的E7系所代替，距离E2系彻底退出运营恐怕也时日无多。

不过，E2系的故事却还不会就这样落下句号。2004年，中国铁道部开展时速200-250公里级别动车组的技术引进招标，在此轮招标过程中，作为E2系的生产商之一的日本川崎重工成功中标，并向中国出售了E2-1000型列车及相关技术（中国引进版较原版E2-1000有一定的改动，如编组由10节调整为8节，动拖比、牵引功率也相应改变），该型动车组后被定型为CRH2A型。2006年3月，日方根据合同制造的首列CRH2A型动车组整车运抵青岛，E2系也由此跨洋渡海，开始了在中国的崭新生涯。如今，CRH2型动车组已发展为包含十多个子型号的庞大车族，超过600列各种型号的CRH2型动车组运行在中国的高速铁路线上，即使在可以预见的不久的将来E2系彻底退出新干线的商业运营之后，由它所衍生的CRH2型动车组依然还会在中国的高速铁路上继续飞驰如风。

以新干线E2-1000型列车为原型的中国铁路CRH2A型动车组列车

E2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：275km/h

编组：8节、10节；8节时为6动2拖编组，10节时为8动2拖编组

定员：630人（8节）/ 813人（10节）

车长：201.4米（8节）/ 251.4米（10节）

车宽：3.38米

车高：3.7米

车体材料：铝合金材料

质量：366吨（8节）/ 440吨（10节）

牵引功率：7200千瓦（8节） / 9600千瓦（10节）

供电方式：架空接触网供电，25kV & 50/60Hz交流电（原始型）；E2-1000型因不在北陆新干线运行，取消了兼容供电制式

牵引电机：300千瓦交流电机

牵引控制方式：VVVF逆变器控制；原始型采用GTO元件控制，E2-1000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-2信号（早期）、新干线DS-ATC信号（后期）

最后的“Max”——E4系双层新干线列车

虽然JR东日本自1994在东北、上越新干线投入了大运量的E1系双层新干线列车，但E1系的设计仍有不尽如人意之处。最大的缺陷在于E1系的12节大编组在高峰时段固然可以容纳大量的通勤客流，但在客流低谷时则显得运力过剩，而且12节的E1系也无法与其他型号的列车重联运行。因此，JR东日本在1997年12月又投入了新型的E4系双层新干线列车（日语：新幹線E4系電車）。E4系的编组缩短为8节，更能适应客流的变动。如果需要增加运力，也可以用两列E4系重联运行，重联后的“8+8”编组定员多达1634人，不仅在新干线列车、而且在全世界迄今为止的高速列车中都再没有一种车型有如此大的载客量，E4系堪着实称新干线的“巨无霸”。

重联运行的E4系列车，其头型较E1系已大为不同，重联运行时的E4系载客量为世界各国高速列车之最

相比E1系，E4系虽同为双层列车，沿袭了前者的很多设计理念，但也进行了不少技术改造。与其他的新型新干线列车一样，E4系的车体采用铝合金材料制造，较采用普通钢材料车体E1系更加轻量化。车头比E1系更加延长也更加扁平，可以降低列车运行时的风阻和列车进出隧道时的微气压波。E4系的牵引电机功率较E1系进一步提升，并采用更先进的IGBT元件控制，虽然减少了编组内的动力车数量，但并没有弱化列车的动力，起动加速度反而较E1系提高，同时动力车的减少也减轻了日常维修的负担。车厢内饰方面，E4系延续了E1系的一些设计，如部分车厢“3+3”的座位布局，不过也进行了一些改进，适度扩宽了座椅空间，恢复了座椅的旋转功能，增设了残疾人无障碍设施等，改善了乘客的乘坐体验。E4系投入运营后逐步替代E1系，担当东北、上越新干线的各类“Max”列车。

但是，尽管E4系进行了不少改进，但还是难以克服双层高速列车的一些固有缺陷，如车体重心过高、稳定性较差，车体断面较大、不利于降低空气阻力，车辆自重较大、不利于高速运行，内部空间偏窄、影响乘坐舒适度，车辆造价过高、不如单层车经济实用，等等。E4系虽然动力系统较E1系增强，但最高运行时速并没有提高，仍为240公里。在东北新干线逐渐提速到275乃至300、320km/h的大背景下，E4系较低的速度显然会妨碍同线路的更高速列车的运行。大运量的“Max”列车尽管颇受旅客欢迎，别具一格的双层列车也成为一道独特的风景线，但JR东日本最终还是决定在E4系逐渐达到使用寿命后全面淘汰双层新干线列车。2012年之后，E4系退出了东北新干线的运营。在运营时速较低的上越新干线（最高240km/h），E4系又多运行了几年时间，最后在2021年10月，上越新干线的E4系也结束了告别之旅。加上编组内含有双层车厢的100系和200系列车也已在几年前全部退役，至E4系全部退出运营之后，双层列车的身姿从新干线彻底消失了。

E4系双层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-2021年

最高运行速度：240km/h

编组：8节；4动4拖编组

定员：817人；两组E4系列车重联时可达1634人

车长：201米

车宽：3.38米

车高：4.485米

车体材料：铝合金材料

质量：428吨

牵引功率：6720千瓦

供电方式：架空接触网供电，25kV & 50Hz交流电

牵引电机：420千瓦交流电机

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

信号系统：新干线ATC-2信号（早期）、新干线DS-ATC信号（后期）

【待续】

国外高速列车图鉴——日本新干线篇（4）