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(chǎn)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(chǎn)生振動，但實際上軌道不平順和車輪磨損現(xiàn)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(fēng)力、隧道內(nèi)的空氣動力效應(yīng)等因素也會對車輛運動造成影響，使之產(chǎn)生振動和噪聲。此外，軌道車輛還存在特有的蛇行運動現(xiàn)象。振動和噪聲不僅會影響列車的乘坐舒適性和運行平穩(wěn)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(cè)滾、俯仰6種（圖1），其中橫向和側(cè)滾等還會產(chǎn)生相互影響。本文將針對車輛垂向、橫向、縱向運動和振動進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)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(fù)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(xiàn)空轉(zhuǎn)或者滑行現(xiàn)象。因此，需要對二者進(jìn)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(xiàn)車輪空轉(zhuǎn)或滑行現(xiàn)象，則應(yīng)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(shù)研究所（以下簡稱“鐵道綜研”）正在進(jìn)行相關(guān)的開發(fā)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(jìn)行制動的空氣制動裝置；②利用安裝在轉(zhuǎn)向架上電磁線圈與軌道之間的電磁感應(yīng)進(jìn)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(jìn)行車輪空轉(zhuǎn)或滑行再黏著控制時，由于反復(fù)進(jìn)行斷續(xù)性的加速或減速，車輛會產(chǎn)生縱向振動。為抑制車輪空轉(zhuǎn)時的縱向振動，可開發(fā)空轉(zhuǎn)再黏著控制方法。

當(dāng)車體發(fā)生縱向振動時，振動會通過連接裝置傳導(dǎo)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(zhuǎn)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(fù)功能，在曲線上運行時具有順利轉(zhuǎn)向的自轉(zhuǎn)向功能（圖 3）。但是，由于輪對是通過一系彈簧固定在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架上，因此在經(jīng)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(zhuǎn)向架之間的相對角度，減小沖角，從而達(dá)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(shù)，例如，靠離心力自行傾斜的自然擺系統(tǒng)，利用曲線檢測裝置、車載計算機(jī)控制裝置和傳動裝置產(chǎn)生傾擺的強制擺系統(tǒng)，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(zhuǎn)向架等。為根據(jù)曲線形狀進(jìn)行更加精確的車體傾斜控制，還應(yīng)優(yōu)化車輛精確定位技術(shù)。此外，鐵道綜研還研制出了防側(cè)滾式車體傾斜轉(zhuǎn)向架，其既具有擺式系統(tǒng)的車體傾斜性能，又兼具空氣彈簧式車體傾斜轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點（圖4）。

當(dāng)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(zhuǎn)向架上安裝對中油缸，以提高車體向中間位置恢復(fù)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(dǎo)致的側(cè)擺、搖頭、側(cè)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(yīng)而產(chǎn)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(jù)實際振動情況（強弱、頻率）選擇具有合適衰減系數(shù)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(chǎn)生機(jī)構(gòu)為空氣壓力執(zhí)行機(jī)構(gòu)或電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，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(zhuǎn)向功能

圖4 防側(cè)滾式車體傾斜轉(zhuǎn)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(shè)置連接兩相鄰坡段的曲線，即豎曲線。在凸型豎曲線上，會產(chǎn)生向上的離心力，導(dǎo)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(shè)置坡差，坡差在曲線的起點和終點會發(fā)生變化，從結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)向架上的4個車輪可能處于3點支撐的狀態(tài)，出現(xiàn)輪重減載的情況，這樣容易導(dǎo)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(fā)出了具有可旋轉(zhuǎn)構(gòu)架的轉(zhuǎn)向架，能夠在不平順的軌道上實現(xiàn)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(xiàn)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(fā)生變形的振動）。若車輛出現(xiàn)輪重減載的情況，輪對會出現(xiàn)縱向振動或者搖頭，這種振動傳遞到車體上，則將激發(fā)車體的垂向振動和彈性振動；若車輪踏面損傷，會導(dǎo)致車輪不圓，并在其旋轉(zhuǎn)時激發(fā)車體的垂向振動和彈性振動，尤其在車輪旋轉(zhuǎn)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(shè)備（如空氣壓縮機(jī)等）也會產(chǎn)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(fā)了一種垂向減振控制系統(tǒng)，通過與支撐車體的枕簧并列設(shè)置可變阻尼軸箱減振器來抑制轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向架構(gòu)架

圖7 垂向減振控制系統(tǒng)

圖8 可變阻尼垂向振動減振器