日本軌道車輛運動控制和減振措施

1 前言

對于軌道車輛而言，運動是指車輛在運行過程中的位置變化，而振動是指車輛各部位在運行過程中產生的往返搖動。在軌道不存在不平順、車輪不存在磨損的理想情況下，軌道車輛可以順暢地運行（運動），不會產生振動，但實際上軌道不平順和車輪磨損現象是普遍存在的。除上述因素外，曲線行駛時的離心力、橫向風力、隧道內的空氣動力效應等因素也會對車輛運動造成影響，使之產生振動和噪聲。此外，軌道車輛還存在特有的蛇行運動現象。振動和噪聲不僅會影響列車的乘坐舒適性和運行平穩性，而且會危及鐵路的運營安全。

軌道車輛運動/振動自由度分為縱向、垂向、橫向、搖頭、側滾、俯仰6種（圖1），其中橫向和側滾等還會產生相互影響。本文將針對車輛垂向、橫向、縱向運動和振動進行分析，并提出相應的運動控制和減振措施。

圖1 車輛運動/振動自由度

2 縱向運動控制與減振措施

2.1 縱向運動控制

在車輛運行過程中會不斷重復牽引、惰行和制動操作。牽引力和制動力通常受到車輪與軌道之間黏著力的影響，如果這2種力超過黏著力的最大值，車輪則會出現空轉或者滑行現象。因此，需要對二者進行合理控制，最大限度地利用黏著力，以提高車輛的加減速性能。如果出現車輪空轉或滑行現象，則應減小牽引力或制動力，這一過程被稱為再黏著控制。

此外，還可以采用不依賴車輪與軌道之間黏著力的制動方式。目前，日本鐵道綜合技術研究所（以下簡稱“鐵道綜研”）正在進行相關的開發工作，如：①利用安裝在車頂上的開閉式空氣阻力板、借助空氣阻力進行制動的空氣制動裝置；②利用安裝在轉向架上電磁線圈與軌道之間的電磁感應進行制動的非接觸式鋼軌制動裝置（圖2）。

圖2 鋼軌制動裝置

2.2 縱向減振措施

在進行車輪空轉或滑行再黏著控制時，由于反復進行斷續性的加速或減速，車輛會產生縱向振動。為抑制車輪空轉時的縱向振動，可開發空轉再黏著控制方法。

當車體發生縱向振動時，振動會通過連接裝置傳導至前后的車輛，可以通過改善連接裝置中緩沖器的能量吸收特性抑制車輛的縱向振動。

3 橫向運動控制與減振措施

3.1 橫向運動控制

3.1.1 轉向控制

軌道車輛的輪對由牢固壓裝在同一根車軸上的左右2個車輪組成，踏面呈圓錐形，在直線上運行時具有返回中間位置的恢復功能，在曲線上運行時具有順利轉向的自轉向功能（圖 3）。但是，由于輪對是通過一系彈簧固定在轉向架構架上，因此在經過曲線時，車輪與鋼軌之間會形成沖角，促使車輪以橫向力擠壓鋼軌。沖角越小，橫向力越小，行駛安全性越高，對軌道的損傷程度也越低。因此，可通過控制曲線行駛時車體與轉向架之間的相對角度，減小沖角，從而達到減小橫向力的目的。

3.1.2 車體傾斜控制

為減小車輛在曲線上高速行駛時對乘客施加的離心力，提高其乘坐舒適性，可采用車體傾斜技術，例如，靠離心力自行傾斜的自然擺系統，利用曲線檢測裝置、車載計算機控制裝置和傳動裝置產生傾擺的強制擺系統，以及利用空氣彈簧的伸長使車體強制傾斜的空氣彈簧式車體傾斜轉向架等。為根據曲線形狀進行更加精確的車體傾斜控制，還應優化車輛精確定位技術。此外，鐵道綜研還研制出了防側滾式車體傾斜轉向架，其既具有擺式系統的車體傾斜性能，又兼具空氣彈簧式車體傾斜轉向架結構簡單的優點（圖4）。

當車輛在曲線上高速行駛時，車體的橫向位移會增大，并觸碰橫向運動阻尼器，致使車輛的乘坐舒適性降低。為此，可在空氣彈簧式車體傾斜轉向架上安裝對中油缸，以提高車體向中間位置恢復的能力（圖5）。

3.2 橫向減振措施

車輛橫向振動包括軌道不平順導致的側擺、搖頭、側滾，軌道車輛特有的蛇行運動，以及在隧道中行駛時因空氣動力效應而產生的振動。針對其的減振措施包括：①在車輛各部位安裝阻尼器等振動衰減裝置；②安裝能夠更加主動抑制橫向振動的橫向半主動緩沖器，該裝置基于可根據實際振動情況（強弱、頻率）選擇具有合適衰減系數的可變阻尼減振器，目前主要用于日本新干線列車；③安裝主動緩沖器，其力產生機構為空氣壓力執行機構或電動執行機構，目前正在新干線、普速鐵路等高級列車上推廣使用。

圖3 輪對的自轉向功能

圖4 防側滾式車體傾斜轉向架

圖5 對中油缸

4 垂向運動控制與減振措施

4.1 垂向運動控制

為提高軌道線路坡度變化的順暢性，通常在線路縱斷面上，以變坡點為交點，設置連接兩相鄰坡段的曲線，即豎曲線。在凸型豎曲線上，會產生向上的離心力，導致乘客的乘坐舒適性下降。為減小這種離心力，只能加大豎曲線半徑，或者降低車輛運行速度。

豎曲線上通常設置坡差，坡差在曲線的起點和終點會發生變化，從結構角度來看，此時軌道存在不平順狀況。車輛在此類軌道上行駛時，1個轉向架上的4個車輪可能處于3點支撐的狀態，出現輪重減載的情況，這樣容易導致車輛脫軌，降低其行駛安全性。為解決上述問題，鐵道綜研開發出了具有可旋轉構架的轉向架，能夠在不平順的軌道上實現4點支撐，從而有效地控制輪重減載情況（圖6）。

4.2 垂向減振措施

在垂向上，車體會出現垂向剛性振動（不帶有車體變形的車體整體振動）和垂向彈性振動（車體發生變形的振動）。若車輛出現輪重減載的情況，輪對會出現縱向振動或者搖頭，這種振動傳遞到車體上，則將激發車體的垂向振動和彈性振動；若車輪踏面損傷，會導致車輪不圓，并在其旋轉時激發車體的垂向振動和彈性振動，尤其在車輪旋轉頻率與車體彈性振動頻率一致的情況下會非常明顯。此外，車輛設備（如空氣壓縮機等）也會產生振動。

打磨鋼軌、鏇修車輪等消除軌道不平順和車輪踏面損傷的措施對于抑制車體垂向振動是有效的，但無法完全消除。因此，鐵道綜研開發了一種垂向減振控制系統，通過與支撐車體的枕簧并列設置可變阻尼軸箱減振器來抑制轉向架的垂向和俯仰振動（圖7）；此外，還可在旅游列車上安裝可變阻尼垂向振動減振器，以提高旅游列車的乘坐舒適性（圖8）。

圖6 可控制輪重減載的轉向架構架

圖7 垂向減振控制系統

圖8 可變阻尼垂向振動減振器