E721-500
▲ E721系500番台 @ 仙台空港アクセス鉄道(仙台空港線)仙台空港駅 2013.10.08(二)

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低床台車輛的誕生

臺灣以前的年代為了減少建造月台的土木工程費用,月台高度都做得很低,導致與列車地板高度有相當大的落差,傳統的解決方式便是在列車車門設置階梯,但這對身心障礙者造成了乘車上的困擾,如輪椅旅客上下車便需要出動站務人員在月台與車門間放置渡板,由站務人員推送輪椅上車,耗時且費力。近年,臺灣鐵路管理局偶爾發生因場站設施、車輛設計缺陷或人員服務不周導致身障團體反彈之情事,使得政府推行無障礙政策,並編列預算,要求臺鐵逐步進行月台加高工程或降軌工程,目前這類工程仍持續著,最終將如同捷運一樣,讓月台與車廂地板等高,達成旅客可以直接「走」進、「走」出車廂的目標。

在日本東北仙台地區,其實也面臨相同的問題,但鐵路業者解決的方式並不是編列大筆預算來仿照台灣的做法,而是將電車床下設備全部小型化後,採取「低床台」之設計,把車廂地板降低到和月台「等低」的高度,好比低底盤公車一般,讓旅客輕鬆上下車。業者發現:開發此種車輛的成本遠低於進行前述工程,故大力推行,孕育而生的就是本篇所要介紹之電車─JR東日本E721系。

 

車輛概要

E721系是東日本旅客鐵道株式會社(JR東日本)仙台支社因應仙台地區在來線車輛更新及仙台空港線的開通而購置的交流一般形(日文,即中文「型」)低床台電車。為2輛1組之電車,由クモハE721形(Mpc)+クハE720形(Tc)組成,單組車即視為1個編成。使用交流電20000V/50Hz架空電車線供電及1067mm窄軌。本系式於2008年榮獲鐵道之友會「桂冠賞」之殊榮。

電車車輛組成說明如下:

仙台 << クモハE721形(Mpc)+クハE720形(Tc) >> 仙台空港

クモハE721形:駕駛馬達車。搭載推進換流裝置(主變換裝置VVVF)、主變壓器、集電裝置與主回路機器。
クハE720形:駕駛拖車。搭載空氣壓縮機與輔助電源裝置。

 

E721系電車家族

E721系因營運目的、購車會社的不同而有下列各「亞型」(日文稱番台or番代),除了車身塗裝、內裝、座椅花色和設備配置會因各社的需求而有少許差異外,其機電系統架構均完全相同。

 

E721系0番台

E721-0 型式照
JR東日本E721系0番台 @ 仙台駅 2013.10.08(二)

東日本旅客鐵道株式会社(JR東日本)所屬車組。0番台是為了替換國鐵時代急行型電車455系、457系及717系、417系近郊型電車而投入,運用於東北本線、仙山線及常磐線(臨時運用曾直通仙台空港線),於2006年末開始上路。0番台1次車共39組78輛(P1~P39編成),;2次車共5組10輛(P40~P44編成)。平時運用上會與701系電車共通運用或聯掛成混合編組,並可對719系實施救援運轉。

2011年3月11日發生東北大地震,P1編成及P19編成組成的1列車因為於常磐線新地駅疏散旅客後留置,慘遭海嘯襲擊損毀而宣告廢車(點此觀看維基百科資料照片),殘破的車身在同年4月14日原地拆解,至本篇截稿止尚無新製車輛來遞補所需運用。

 

E721系500番台

E721-500 型式照
JR東日本E721系500番台 仙台空港アクセス鉄道(仙台空港線)仙台空港駅 2013.10.08(二)

東日本旅客鐵道株式会社(JR東日本)所屬車組,運用於東北本線仙台-名取間及直通仙台空港線,共4組8輛(P-501~504編成),於2006年2月登場,為本系式最早登場的番台(0番台為同年11月)。

E721-500平時運用上通常會與SAT721系連掛為混合編組或者共通運用,編組長度最短2輛單組運轉,最長6輛三組運轉。營運時開行普通及快速2個車種,採ワンマン運転(司機員單人服務),若遇「臨時」車種運用時則多半只行駛JR東日本營運區間。

 

SAT721系

SAT721型式照
▲ 仙台空港鉄道株式会社SAT721系 仙台空港アクセス鉄道(仙台空港線)仙台空港駅 2013.10.08(二)

仙台空港鉄道株式会社所屬車組,運用於仙台空港アクセス鉄道(仙台空港線)及JR東日本東北本線(名取-仙台間),共擁有3組6輛(SA101~SA103),於2007年3月18日登場。車輛管理、保修業務委託JR東日本仙台車輛中心(仙台車両センター)代理。平時運用上通常會與E721系500番台連掛為混合編組,開行普通及快速2個車種,採ワンマン運転(司機員單人服務)。

仙台空港アクセス鉄道由宮城縣、仙台市、JR東日本、仙台空港及若干地方自治團體、銀行合資而成的第一種鐵道事業+第三部門鐵道事業(註2)。路線由JR東日本東北本線的名取站分支,至仙台空港共7.1km,提供往返仙台市區與機場間的運輸服務。

 

青い森鉄道703系

青い森703系型式模擬圖
青い森鉄道703系 (圖片來源:青い森鉄道株式会社)

青い森鉄道株式会社所屬車組。配合2014年位於青森-東青森間的筒井駅開業及列車班次增加所需,購入2組4輛的703系,使用與E721系相同平台。

車輛編碼是クモハ703-11+クハ702-11、クモハ703-12+クハ702-12。這批車已於2013/11/26進行甲種輸送(相關報導)。

2010年12月4日東北新幹線開通八戶-新青森路段開通,JR東日本放棄了轄下平行的在來線路線(東北本線目時-青森段),將路線讓渡給青森縣政府針對「鐵道基礎設施」進行管理與維護(第三種鐵道事業),並由青森縣、青森市、JR貨物與若干地方政府、民間企業合資成立「青い森鉄道」以經營旅客業務、車輛運轉部分(第二種鐵道事業+第三部門鐵道事業,最大股東為青森縣)。(註2)

※本次E721系車輛考察、取材以500番台為主,故後續段落以500番台為重點、其他番台為輔進行介紹。

 

外觀與車體

E721系在車輛開發之初即以「無障礙優先」為理念,在月台高度較低的仙台地區(920mm高),為了能方便旅客上下車尤其是輪椅的進出,特別設計將客室地板降低至950mm高,使旅客能以單純之步行方式進出車廂。但駕駛室範圍為了司機員視野,仍維持傳統電車1150mm左右之高度,故有車內地板高度的落差,可以從車外比較駕駛室出入門與車門的高度差異。當然也因為如此,腰線以下下擺內縮的長度也就延伸得更多。

本系式車體採用不鏽鋼材質,每節車廂長20000mm(含聯結器之長度)、寬2950mm(窗戶下緣處)、高3550mm(軌面起至車頂)。每車側3組中央對開式車門。車頭端面基於經常與其他車組連結之需要,設有貫通門,無論頭燈與尾燈均設於擋風玻璃上方。LED終站指示器在車頭貫通門上方、每側各有1具,但很可惜其並非日本新流行的全彩LED。

本系式因運用路線、購車會社不同而有不同的塗裝(各位可參考前一段落),但為了避免增加車重,塗裝都以少量、簡潔為原則。

為了避免視障旅客或人潮眾多時有旅客由車廂與車廂間的空隙落入軌道,E721系在車廂聯結部分均設有折疊式橡膠製的防墜擋板(日文:転落防止幌),目前転落防止幌已是日本國內所有電車的標準配備。

 

駕駛室與客室的床台落差 (E721-500)
▲ 駕駛室與客室的高度段差 (500番台)

 

車側特寫 (E721-500)
車廂側面特寫 (500番台)

 

行先表示器(E721-500)
終站指示器 (500番台)

 

聯結部(E721-500)
橡膠式的防墜檔版 (500番台)

 

車外車輛配屬標記
▲ 車輛配屬識別及載客容量標示。

 

車內

E721系車內採用一字型(長條椅)與非字型座位混合排列,非字型座位採面對面固定式,材質為絨布與塑膠合成皮(椅背頭靠部分)搭配而成,不具備翻背或旋轉等調整座椅方向的功能,所以乘客無論坐哪座位型都容易和對方「面面相覷」。一字型座位部分主要用途為優先座席(即博愛座)使用,亦有供一般旅客使用的位子,材質為使用全絨布,優先席以紅色斑馬紋及灰色搭配而成,非優先席則使用與非字型座椅相同的藍色花紋布料。凡是優先席區域,天花板會裝用黃色等腰三角形的吊環。

為了方便往返機場的旅客,除了座位上方的行李架,500番台及SAT721系在Mpc車後端設有大件行李置放處,乘客可將大行李箱置放該處,較小件的行李再放於行李架上。另外,受法規影響,於Tc車後端設有殘障輪椅停放空間及一般、殘障兩用的廁所,供臨時有需要的旅客使用。此外,車間走道門也是採用加寬的雙扇對開門設計,旅客拖著行李換車廂不至於感到卡卡的。

在客室與駕駛室相鄰的部分,如同前面描述,有地板高低落差,故這附近使用了黃色類似導盲磚的地板,搭配LED照明及標誌貼紙,提醒旅客小心腳步。

本系式車內其實也有很陽春的設計,例如車門上方的SI僅使用文字跑馬燈而非首都圈流行的Train Channel LCD螢幕,車窗也沒有設置窗簾,這是令筆者匪夷所思的部分。

 

Mc 客室全景(E721-500)
▲ E721系500番台客室全景

 

Tc 客室全景(SAT721)
▲ SAT721系客室全景,座椅花色略有不同。

 

Mc 駕駛室端(E721-500)
▲ E721系500番台客室之駕駛室端 (Mpc車)

 

Mc 聯結端(E721-500)
▲ E721系500番台客室之車間端 (Mpc車)

 

細胞型座椅排列區(E721-500)
▲ 非字型 vs 一字型的座位排列 (500番台)

 

Mc行李架▲ 500番台車間端左側大件行李置放區 (Mpc車)

 

Mc優先席(E721-500) 
▲ 500番台車間端右側之一字型座位區 (Mpc車)

 

Tc輪椅區(E721-500)▲ 500番台車間端之輪椅停靠區 (Tc車)

 

Tc 廁所/聯結端(E721-500)
▲ 500番台車間端右側之廁所設備 (Tc)

 

廠商銘版(E721-500 Mc)▲ 以貼紙製作的製造商銘版、車型車號與禁菸標誌

 

E721系的車門採用單一氣缸氣動式門機,因應東北地區天冷時期較長,平時在夏季和一般電車一樣,車門是全部由列車長通一開關的,但是夏季結束後,會由列車長將車門設定為「半自動」模式。在這款車上,除了乘務員室本身標準配備的車門控制器外,在每個車門旁亦各有1具客用車門控制器,車內有開門&關門鈕,車外則僅有開門紐。所謂的半自動模式,係列車停靠車站後,列車長按下開門鈕,但車門不會自動開啟,而是開啟客用車門控制器的操作許可,此時控制器按鈕燈號亮起,乘客可自行像按電梯門一樣開或關門。當列車要開車前,列車長按下關門鈕,結束客用控制器的操作許可,此時控制器按鈕燈號熄滅,並且被乘客打開但沒有關上的車門會在此時統一關上。算是一個保持車內溫度的良好措施。

  

車門內視(E7)
 500番台車門總成內視圖。

 

SI▲ 車門SI與簡易運轉區間圖。

 

半自動開關門鈕▲ 半自動模式,客用車門控制開關。

 

駕駛室貫通走道(E721-500)
 駕駛室地板與客室地板高低落差的部分,有警示燈提醒乘客。

 

段差注意標誌(E721-500)▲ 駕駛室與客室間的玻璃門上也有提醒地板高度落差的標誌。

 

駕駛台 

E721-500駕駛台
 E721系駕駛台 (500番台)

E721系的駕駛台設計為現今JR東日本通勤電車之主流,儀表板左側為煞車段位指示燈、煞車氣壓計、速度計、車輛狀態燈及ATS-Ps指示器,右側為TIMS螢幕及列車無線發報裝置。操作檯面上,左側有逆轉機、複合式動力把手,中間有定速裝置啟動按鈕,右側有標識燈/尾燈開關,另外也固定式手扶握把,握把左緣附有勾配啟動按鍵,上坡起步時按住該鍵,在司機員將複合式動力把手拉至「N」(滑行/煞車釋放)時,摩擦煞車將自動保壓以避免列車倒滑。中央下緣則是ATS-S確認鍵及集電弓降弓鈕。為了滿足Oneman運轉所需,500番台、SAT721系及0番台2次車在擋風玻璃上緣裝有3 LCD螢幕一體的CCTV終端顯示器,在列車停靠車站及啟動時讓司機員監視月台情形。

左手單手操作的動力複合式把手型式,目前為JR北海道、JR東日本、JR東海及JR九州的新型電車廣泛採用,電門5段(P1~P5)、滑行1段(N)、抑速煞車1段(HB)、常用煞車7段(B1~B7)及緊急煞車1段(EB)。抑速煞車段位視各系(型)車有無此功能而增設,以E721系而言便是有的。

 

駕駛台上方CCTV
▲ Oneman運轉時,駕駛台上方有3個小螢幕可監視月台狀況。(500番台)

 

E721-500駕駛台左半 駕駛台左側放大圖 (500番台)

 

E721-500駕駛台右半
駕駛台右側放大圖 (500番台)

 

新世代自動列車停止裝置 ATS-Ps

預留段落,待續。

 

動力科技與機電系統

E721系設計最高速度120km/h、最大營運速度亦為120km/h,平直平坦線上最大加速度2.2km/h/s,速度增加並不快,僅略高於特急用電車的2.0km/h/s標準。然而煞車部分為安全所需,常用最大減速度仍有4.0km/h/s,緊急最大減速度則可達4.5km/h/s。齒輪比5.93,驅動裝置為TD繼手。

本系式支援與701系(自209系平台修改)進行聯掛及總括控制,編為一列車載客運轉。兩系式性能相近,但701系最大營運速度僅有110km/h,故混編時E721系受701系之牽制將最大營運速度降將為110km/h。根據兩系式混編之運轉經驗,因軟體設定問題,偶有出力及煞車不協調之情事,目前若非運用上確有必要,已盡量避免,而將兩系式獨立運轉。

本系式在牽引系統部分,採用三菱電機製之3-level與2-level混合的脈寬調變式VVVF-IGBT主制御器推進換流裝置(Converter/Inverter,簡稱C/I)以控制主電動機(牽引馬達)之出力與轉速。主電動機為MT76型三相交流鼠寵式感應馬達,單具馬達出力125kW,單組車一共四具全設置於Mc車之轉向架,故單組出力為125*4=500kW。受到低床台設計的影響,許多床下設備都是小型化與集中化的。

本系式使用交流電20000V/50Hz之電力,交流電車輛需要由車輛本身搭載主變壓器,而非如直流電車輛,由路線旁的變電設備負擔。主變壓器由三菱電機製,設置於Mc車,由集電弓收集電車線電力,經過變壓、整流後,分別送至牽引動力(主變流器)、輔助電源裝置及電瓶箱(蓄電裝置)。輔助電源裝置部分,採用富士電機製IGBT靜式變流器,將主變壓器之電力分別轉換為單相及三相交流電,供應車內非牽引動力所需電力,如空調、車內正常照明等。而電瓶箱則輸出直流電源,供應控制用電源、廣播設備及緊急照明電力等。

 

C/I (SAT721)
▲ 推進換流裝置(主變換裝置)的機箱 (SAT721系)。

 

主變壓器 (SAT721)
▲ 主變壓器與其自然換氣裝置 (SAT721系)

 

集電弓總成(SAT721)
▲ 集電裝置總成,交流電系統的集電弓設有較多絕緣裝置,並有避雷裝置 (500番台)。

 

煞車系統

本系式的煞車系統由多套子系統及附加功能組成,主要子系統包括再生煞車、摩擦煞車及駐車煞車,附加功能有抑速煞車與耐雪煞車。在一般行走情況下執行煞車時,由再生煞車優先作動,並可持續作用至0km/h,並由摩擦煞車補足軔力,隨著低速降低而逐漸加大。但若使用非常(緊急)煞車時,則僅有摩擦煞車有作用。本系式無論再生煞車或摩擦煞車,皆作用靈敏。

各子系統之原理及功能說明如下:

再生煞車(電軔):再生式煞車,由馬達車執行。減速時C/I會將馬達轉換成發電機的形式。流通於馬達內的三相交流電,在定子中會產生旋轉磁場,當定子磁場轉速比轉子轉速慢時,磁場切割轉子導線,這時根據佛萊明右手規則得知會有電流產生,電流又同時切割定子的磁力線,再根據佛萊明左手規則可得知有減速力的產生。發出的電流將送給其他需要加速的列車使用,或者送回變電站。
摩擦煞車(氣軔):採用全電氣指令式電磁直通空氣煞車,搭配閘瓦式基礎煞車(Block Shoes Brake)的系統。其系統架構與作用原理為:由空氣壓縮機將大氣吸入、壓縮送至主風缸,主風缸內的空氣經由空氣管路送入煞車風缸和控制風缸,並且有另條管路將空氣送至其他車廂的主風缸。煞車風缸儲存煞車用的高壓空氣,供給中繼閥、緊急電磁閥與電氣-空氣轉換閥使用。在煞車開始作用時,電空轉換閥將接收到煞車控制單元(Brake Control Unit, BCU)輸出的電子訊號,按照一定比例轉換成空氣壓力訊號輸出至中繼閥。中繼閥將此訊號做為控制煞車空氣壓力的參考,並將空氣管路的壓縮空氣送至閘瓦,令閘瓦壓住車輪踏面而產生煞車的動作。
駐車煞車:如同汽車的手煞車一樣,為列車長時間停駐時使用之彈簧機械式煞車。
抑速煞車:提供列車進入下坡時仍能等速行駛的附加功能。在JR車輛,會在複合動力把手或司軔閥的N位與B1位間多設一個HB位,進入下坡時司機員僅需置將其置於HB位,列車會根據坡度大小自動調整、維持一定煞車力(僅使用電軔)而達成等速行駛之效果。
耐雪煞車:下雪期間,因雪水附著於車輪踏面或煞車碟盤,使得閘瓦與踏面或碟盤間的摩擦係數明顯降低,如以正常的煞車壓力設定執行減速,就會像車輪空轉/滑走一樣,難以達到預期的煞車效果。啟用耐雪煞車後系統會適時降低煞車壓力,讓閘瓦與踏面/碟盤間維持有效的磨擦係數,缺點則是需要較長的停車距離。

日文:ブレーキ,於一般使用之摩擦煞車故障時使用,使用此系統,再生煞車將不會作用。

本系式供應煞車系統、集電弓氣源的空氣壓縮機在Tc車設有兩具,為螺旋式,每具每分鐘可灌入1600L之空氣進入主風缸。

 

走行裝置、聯結裝置

川重製轉向架(E721-500)
▲ 由川崎重工承製的E721系的轉向架總成 (500番台),無動力轉向架。

E721系採用DT72型動力轉向架及TR256型無動力轉向架,軸距2100mm,是由E531系交直流通勤型電車所使用的轉向架(DT71/TR255)修改設計而來。一次避震採用橡皮彈簧軸箱直結式;二次避震採用空氣彈簧。車輪因應低床化設計,直徑縮為810mm,比傳統電車設定的850~860mm來得小。

本系式使用之聯結裝置分為「柴田式密着聯結器」與「半永久聯結器」。前者又稱為廻り子式密着聯結器,是目前日本JR電車廣泛採用的連結器種類,設置車頭端面下方,與其他車組連結之用,聯結器本身設計有空氣接頭,可貫通煞車氣源,下方附設有電氣接頭。當進行連結時,可實現機械、空氣、電氣連結,無須人工連接軔管與跳線;解聯時亦同。而半永久機械式聯結器則是裝置於不常分開的車廂間聯結部分,以螺栓鎖定,聯結器間幾乎無縫隙,可避免車廂間衝動並提升加減速時的乘坐舒適度。

E721-500聯結器特ㄒㄧ
▲ 柴田式密着聯結器附電氣接頭 (500番台)

 

車輛承製廠商

0番台1次車:P5~7、P12、P13、P34~P37編成:東急車輛(現総合車両製作所)2006~2007年;P1~4、P8~11、P14~33、P38、P39編成:川崎重工業2007年(P1為2006年)。
0番台2次車:P40~44編成:川崎重工業2010年。
500番台:P501~503編成:川崎重工業2006年;P504編成:東急車輛2006年10月。
SAT721系:SA101~103編成:川崎重工業2006年11月。
703系:1~2編成:総合車両製作所2013年。

 

附註

1. JR會社依照營運用途,會將通勤電車區分為近郊型、通勤型及一般型,分類多半以座位排列、車門數、加減速高低及庶民設施(盥洗設備)的有無為標準。
近郊型:每車單側3門,座椅使用非字型配置,最大加速度2.6km/h/s以上,有盥洗設備。
通勤型:每車單側4門以加快旅客進出速度,座椅使用長條椅配置以增加載客容量,最大加速度3.0km/h/s以上,無盥洗設備。
一般型:JR東日本將一般型定義為上述兩種的混合設計方式,以E721系為例即同時設置了長條椅及非字型排列椅,另外也有廁所,加速度則視運用區域之需求而定。一般型電車適用條件多半位於尖峰與離峰時間旅客量有非常明顯差異的區域。

私鐵部分則因各家會社有各自不同的定義與標準,本篇礙於篇幅不在此深入討論。

2. 日本鐵道事業種類之定義,依照鐵道事業型態可區分為3種。
第一種鉄道事業:係路線基礎設施、號誌系統、場站、機車車輛一概由單一業者經營的「車路一體」方式。目前日本六家JR客運業者均屬之。
第二種鉄道事業:係業者本身僅保有車輛及車輛的維修基地、停放場所。以自有車輛行駛其他業者路線,支付路線使用租金而營運者。如JR貨物及前述的青い森鉄道
第三種鉄道事業:係業者本身僅建設路線基礎設施,供其他業者開行列車行駛自有路線,賺取路線使用租金而營運者。如神戸高速鉄道及前述的青森縣。

第三部門鉄道事業(第三セクター):係由地方政府、地方自治團體、民間企業與銀行組成的「公民合營」營運事業。所經營的路線多半是承接國鐵民營化時分割出的虧錢路線、臨海貨運路線或是「整備新幹線」通車後,由JR分割出的平行路線在來線,企圖利用變更經營體制與管理策略之方式來延續營運。

欲知詳細說明可參閱日文維基百科「鐵道事業者」條目

 

延伸閱讀

1. 青い森鉄道「青い森703系」を導入へ http://rail.hobidas.com/news/info/article/138513.html

2. YouTube影片:701系與E721系電車聯掛運轉影片─【701系/E721系 混成】 明らかに不自然ですが、走行上は問題ないようで

3. YouTube影片:E721系500番台走行音 (YouTube蒐集),錄製區間:仙台空港→仙台,錄音長度25分21秒。

 

參考資料

1. 日文維基百科。

 

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