日本鐵道振動的控制和振動特性的利用

在鐵道領域的振動現象研究中，為了車輛的高速化，提高乘坐舒適性，緩解沿線振動和噪聲的影響，需要解決的課題很多。迄今，多項技術開發正在進行。另一方面，通過振動現象的有效利用，也有了鐵道車輛和結構物的狀態監視、異常檢測等技術開發，對今后的展開充滿期望。本文就鐵道有關方面進行中的振動對策技術、利用振動的診斷技術做一介紹。

0?前言

鐵道車輛與地面設備（軌道和接觸網等）接觸運行，車輛-地面設備間相互作用，在兩方都產生力的作用。并且，在高速運行情況下，車輛受到來自空氣力的影響也越來越大。這些作用力，在車輛和地面設備，以至在鐵路沿線的地基和建筑物上產生振動問題。作為對策，進行著多項的技術開發。

另一方面，鐵道車輛和鐵道設備的狀態異常，有表現出振動特性變化的情況?？捎行Ю谜駝蝇F象，對鐵道車輛和結構物的狀態進行監視和異常檢測。為此，也進行著技術開發。

1?控制振動

鐵道中形成問題的振動現象，按照對象物的大致劃分有下面幾種：①振動影響乘坐舒適性等與車輛有關的現象；②運行車輛與高架橋共振、接觸網異常振動等與地面鐵道設備有關的現象；③沿線地基振動、建筑物振動等與沿線環境有關的現象。

另一方面，作為控制振動的對策，一般有減輕導致振動的作用力、通過彈性支撐使振動在傳遞階段衰減、提高對象物的剛性使其難以形成振動等幾種方法，在鐵道領域也多采用這些對策。

鐵道代表性的振動問題，是與車輛乘坐舒適性有關的振動和沿線地基的振動，下面就對策技術加以介紹。

2?與車輛乘坐舒適性有關的振動

2.1 左右振動對策

車輛振動對車輛的乘坐舒適性有很大的影響，減輕車輛振動通常是最重要的課題之一。車輛振動，由軌道不平順等導致轉向架振動，這個振動傳遞到車體，又在高速運行時空氣力的作用下加大。新干線不斷提升的速度，特別是在隧道內強大的空氣力作用到車體，導致左右方向振動的增加，乘坐舒適性惡化，這已經得到共識。對轉向架傳遞到車體的振動，轉向架-車體間加設彈性物、阻尼器的緩沖作用雖然不夠理想，但對阻止轉向架的振動向車體傳遞還是有效果的。由于空氣力直接作用到車體，為抑制其導致的振動，采取與緩沖相反的對抗方法，強化轉向架-車體間的抵抗力是必要的。為滿足該要求所進行的開發，就是稱作“半有源懸掛”和“有源懸掛”的振動控制系統。

在這樣的系統中，車體上安裝加速度傳感器以測定車體的振動，由控制裝置計算抑制振動的控制力，半有源方式用可變衰減的阻尼器、有源方式用激勵器產生的作用力，對振動加以控制（圖1）。這樣的系統，目前在新干線車輛上廣泛采用。

圖?1?抑制左右振動的控制系統構成

2.2 上下振動對策

近年，觀光特快列車和游覽列車受到注目，運行路線有時要延伸至地方線路，在通過鋼軌接縫處出現上下振動問題。為了從車輛方面減少這種上下振動，在車體與轉向架間設置枕簧，并安裝可變衰減的阻尼器，開發了基于車體加速度傳感器信息的控制作用力的系統，已在營業列車上采用（圖?2）。

除此之外，對車體彎曲振動原因導致的上下振動，也進行了降低振動的嘗試。利用了以前認為與剛性沒有關系的抓桿，將車體左右側面與頂棚連接起來，是提高車體剛性抑制變形的一個方法，其提高乘坐舒適性的效果已經得到確認。

3?沿線地基的振動

車輛在軌道上運行時，軸重轉移和輪軌凹凸引起鋼軌作用力的變化形成振動。地基振動，就是這個變化的力作用于結構物，向地基傳遞所產生的現象，有時會導致沿線環境問題。減少地基振動有車輛對策、軌道對策、結構物對策和地基對策（圖?3）。

3.1 車輛對策

鐵道車輛是車體和轉向架間用彈性體聯接的結構，本身形成一個復雜的振動系。迄今研究表明，對沿線地基振動產生最大影響的是車輛的整體質量。為此，可以說車輛輕量化是最有效的降低地基振動的對策。現狀是新干線車輛的輕量化已經接近極限，這意味著該對策已經沒有了多少潛力。

3.2 軌道對策

作為軌道方面的對策，有降低支撐軌道彈性體彈性系數的方法——軌道低彈性化，正在廣泛地采用。主要實施的軌道低彈性化方法，在有砟軌道區采用道床彈性軌枕、道床墊，在板式軌道區采用低彈性軌道襯墊等（圖?4）。在新建線路上，除上述方法外，還有軌道結構本身就是防振軌道的防振直接緊固軌道，這在地鐵已經廣泛采用。

此外，為減輕引起地基振動的振動力，減少軌道的不平順也是有效的對策。

3.3 結構物對策

通過結構物部分補強的方法，提高結構物的剛性。已經有了減少振動的試驗，施工的實例很少，還沒有降低振動效果的定量評價。

3.4 地基對策

作為地基對策，研究開發了鐵道結構物與沿線建筑物之間設置地中墻以隔斷振動的方法。在新干線沿線，已進行了采用鋼板樁、混凝土墻、聚氨酯泡沫墻的對策試驗，效果得到了確認。

4?振動的利用

利用振動的診斷已在各個領域開展，鐵道領域也在結構物和車輛部件的診斷上充分利用了其振動。

圖?2?抑制上下振動的控制系統構成

圖?3?地基振動的對策

圖?4?軌道低彈性化（有砟軌道）

利用振動的診斷方法之一，是通過對象物體振動特性的變化（固有振動頻率的變化）診斷出狀態的方法。這是事先把握對象物體正常狀態的振動特性，通過與測定的振動特性比較，評價出有無異常及何種程度的方法。

在鐵道上，無論車輪與鋼軌還是受電弓與接觸網，都是一邊接觸一邊移動。車輛與鐵道結構物雙方接觸狀態的變動，對彼此的振動都產生影響。因此，通過邊接觸邊移動的對象物體的振動測定，能夠推斷出其狀態。檢測車對軌道和接觸網的檢測，廣泛應用的就是基于這種原理的方法，是通過測定振動進行診斷的技術。

下面對利用振動的狀態監視和診斷技術事例做一介紹。

4.1 結構物的診斷

鐵道結構物由于地震導致的損傷、明顯的劣化，河流水量增加導致的支撐力下降等，振動特性在不斷變化（圖?5）。因此，測定結構物的振動，將測定振動的振幅和固有振動頻率等數據，與健全時的數值和設計基準值或統計分析算出的基準值比較，就能夠評價出結構物的損傷和劣化的程度。

給結構物施加振動的加振源，可以是運行列車的振動、錘子打擊的人為加振，可以是平常時刻的風等自然外力、交通工具或工廠等人工外力的微小振動（圖?6）。測定振動的方法，廣泛采用在結構物上安裝加速度傳感器的方法，最近又有應用激光-多普勒雷達-速度計（LDV）的非接觸檢測。

作為利用振動結構物診斷技術的實例，這里給出難以目視確認的結構物基礎和處于流水中橋墩的診斷。對這樣的結構物，已經確認其健全度下降則固有振動頻率下降的事實。因此，就有用錘子等打擊結構物時振動響應，或對結構物平常時刻微動進行頻譜分析，判斷其健全度的方法。

圖?5?伴隨擾動的結構物振動特性變化

圖?6?結構物振動的加振源

還有探定隧道表面裂縫缺陷的打音檢查，也可以說是判斷發生的音律，取隧道表面的振動特性變化，利用振動進行診斷的一個方法。

4.2 車輛部件的診斷

利用振動的車輛診斷，有日常監視運行車輛振動的方法，有沖擊加振試驗等測定振動特性變化的方法。

作為前者的一例，開發地板下安裝加速度傳感器的日常監視振動，通過信號處理的手段，早期檢測出軸箱、齒輪箱、連接件故障征兆的系統，已經在?N700A?新干線電動車組上采用。

另外還有內燃動車的發動機、旋轉軸以及電動車的電機軸承等異常檢測技術，正在研究振動測定與機械學習相結合的狀態監視系統。

作為后者的一例，在轉向架向車體傳遞加減速作用力的稱為單連桿部件，有了對緩沖轉向架沖擊力的橡膠件進行沖擊加振試驗，來進行橡膠損傷狀況判斷的提案。

4.3 鋼軌、車輪狀態的診斷

作為由車輛側振動診斷鋼軌狀態的方法，有軸箱安裝加速度傳感器的方法（圖?7）。已經確認軸箱加速度與鋼軌凹凸不平有很高相關性，能夠用測定的數據，檢測出鋼軌生成的波狀磨耗、鋼軌焊接處出現的凹形縱向變坡。由營業列車上的振動、噪聲測定結果，可以簡單測出波狀磨耗的一個可移動系統，正在開發之中。

作為從地面振動診斷車輪狀態的方法，有在高架橋的掛孔（小跨簡支梁）上設加速度傳感器，測定車輛通過時的振動，由結果檢測出車輪產生局部磨耗（偏磨耗）的方案。

4.4 受電弓接觸力的診斷

接觸網與受電弓間大的接觸力變動，是影響穩定受流的重要原因。為此，一個振動利用的診斷是，由電氣檢測車等測定受電弓滑板上下振動加速度，以找出接觸力大變動的地點。

另外，在滑板上貼上應變片測得應力，安裝多個加速度傳感器得到慣性力，一個高精度測定接觸力的方法正在開發（圖?8）。

5?結束語

著眼于鐵道領域的振動問題，介紹了控制和減少振動的技術，以及利用振動的狀態監視、異常檢測技術。這些技術，與測試技術、控制技術、大數據處理技術、新材料技術等關聯技術的進步相輔相成，期待不斷取得進展。今后，應當從更廣闊的視角出發，進行鐵道領域有關振動技術的開發。

圖?7?軸箱加速度傳感器的安裝狀況

圖?8?受電弓接觸力測定的方法