日本轨道车辆运动控制和减振措施

1 前言

对于轨道车辆而言，运动是指车辆在运行过程中的位置变化，而振动是指车辆各部位在运行过程中产生的往返摇动。在轨道不存在不平顺、车轮不存在磨损的理想情况下，轨道车辆可以顺畅地运行（运动），不会产生振动，但实际上轨道不平顺和车轮磨损现象是普遍存在的。除上述因素外，曲线行驶时的离心力、横向风力、隧道内的空气动力效应等因素也会对车辆运动造成影响，使之产生振动和噪声。此外，轨道车辆还存在特有的蛇行运动现象。振动和噪声不仅会影响列车的乘坐舒适性和运行平稳性，而且会危及铁路的运营安全。

轨道车辆运动/振动自由度分为纵向、垂向、横向、摇头、侧滚、俯仰6种（图1），其中横向和侧滚等还会产生相互影响。本文将针对车辆垂向、横向、纵向运动和振动进行分析，并提出相应的运动控制和减振措施。

图1 车辆运动/振动自由度

2 纵向运动控制与减振措施

2.1 纵向运动控制

在车辆运行过程中会不断重复牵引、惰行和制动操作。牵引力和制动力通常受到车轮与轨道之间黏着力的影响，如果这2种力超过黏着力的最大值，车轮则会出现空转或者滑行现象。因此，需要对二者进行合理控制，最大限度地利用黏着力，以提高车辆的加减速性能。如果出现车轮空转或滑行现象，则应减小牵引力或制动力，这一过程被称为再黏着控制。

此外，还可以采用不依赖车轮与轨道之间黏着力的制动方式。目前，日本铁道综合技术研究所（以下简称“铁道综研”）正在进行相关的开发工作，如：①利用安装在车顶上的开闭式空气阻力板、借助空气阻力进行制动的空气制动装置；②利用安装在转向架上电磁线圈与轨道之间的电磁感应进行制动的非接触式钢轨制动装置（图2）。

图2 钢轨制动装置

2.2 纵向减振措施

在进行车轮空转或滑行再黏着控制时，由于反复进行断续性的加速或减速，车辆会产生纵向振动。为抑制车轮空转时的纵向振动，可开发空转再黏着控制方法。

当车体发生纵向振动时，振动会通过连接装置传导至前后的车辆，可以通过改善连接装置中缓冲器的能量吸收特性抑制车辆的纵向振动。

3 横向运动控制与减振措施

3.1 横向运动控制

3.1.1 转向控制

轨道车辆的轮对由牢固压装在同一根车轴上的左右2个车轮组成，踏面呈圆锥形，在直线上运行时具有返回中间位置的恢复功能，在曲线上运行时具有顺利转向的自转向功能（图 3）。但是，由于轮对是通过一系弹簧固定在转向架构架上，因此在经过曲线时，车轮与钢轨之间会形成冲角，促使车轮以横向力挤压钢轨。冲角越小，横向力越小，行驶安全性越高，对轨道的损伤程度也越低。因此，可通过控制曲线行驶时车体与转向架之间的相对角度，减小冲角，从而达到减小横向力的目的。

3.1.2 车体倾斜控制

为减小车辆在曲线上高速行驶时对乘客施加的离心力，提高其乘坐舒适性，可采用车体倾斜技术，例如，靠离心力自行倾斜的自然摆系统，利用曲线检测装置、车载计算机控制装置和传动装置产生倾摆的强制摆系统，以及利用空气弹簧的伸长使车体强制倾斜的空气弹簧式车体倾斜转向架等。为根据曲线形状进行更加精确的车体倾斜控制，还应优化车辆精确定位技术。此外，铁道综研还研制出了防侧滚式车体倾斜转向架，其既具有摆式系统的车体倾斜性能，又兼具空气弹簧式车体倾斜转向架结构简单的优点（图4）。

当车辆在曲线上高速行驶时，车体的横向位移会增大，并触碰横向运动阻尼器，致使车辆的乘坐舒适性降低。为此，可在空气弹簧式车体倾斜转向架上安装对中油缸，以提高车体向中间位置恢复的能力（图5）。

3.2 横向减振措施

车辆横向振动包括轨道不平顺导致的侧摆、摇头、侧滚，轨道车辆特有的蛇行运动，以及在隧道中行驶时因空气动力效应而产生的振动。针对其的减振措施包括：①在车辆各部位安装阻尼器等振动衰减装置；②安装能够更加主动抑制横向振动的横向半主动缓冲器，该装置基于可根据实际振动情况（强弱、频率）选择具有合适衰减系数的可变阻尼减振器，目前主要用于日本新干线列车；③安装主动缓冲器，其力产生机构为空气压力执行机构或电动执行机构，目前正在新干线、普速铁路等高级列车上推广使用。

图3 轮对的自转向功能

图4 防侧滚式车体倾斜转向架

图5 对中油缸

4 垂向运动控制与减振措施

4.1 垂向运动控制

为提高轨道线路坡度变化的顺畅性，通常在线路纵断面上，以变坡点为交点，设置连接两相邻坡段的曲线，即竖曲线。在凸型竖曲线上，会产生向上的离心力，导致乘客的乘坐舒适性下降。为减小这种离心力，只能加大竖曲线半径，或者降低车辆运行速度。

竖曲线上通常设置坡差，坡差在曲线的起点和终点会发生变化，从结构角度来看，此时轨道存在不平顺状况。车辆在此类轨道上行驶时，1个转向架上的4个车轮可能处于3点支撑的状态，出现轮重减载的情况，这样容易导致车辆脱轨，降低其行驶安全性。为解决上述问题，铁道综研开发出了具有可旋转构架的转向架，能够在不平顺的轨道上实现4点支撑，从而有效地控制轮重减载情况（图6）。

4.2 垂向减振措施

在垂向上，车体会出现垂向刚性振动（不带有车体变形的车体整体振动）和垂向弹性振动（车体发生变形的振动）。若车辆出现轮重减载的情况，轮对会出现纵向振动或者摇头，这种振动传递到车体上，则将激发车体的垂向振动和弹性振动；若车轮踏面损伤，会导致车轮不圆，并在其旋转时激发车体的垂向振动和弹性振动，尤其在车轮旋转频率与车体弹性振动频率一致的情况下会非常明显。此外，车辆设备（如空气压缩机等）也会产生振动。

打磨钢轨、镟修车轮等消除轨道不平顺和车轮踏面损伤的措施对于抑制车体垂向振动是有效的，但无法完全消除。因此，铁道综研开发了一种垂向减振控制系统，通过与支撑车体的枕簧并列设置可变阻尼轴箱减振器来抑制转向架的垂向和俯仰振动（图7）；此外，还可在旅游列车上安装可变阻尼垂向振动减振器，以提高旅游列车的乘坐舒适性（图8）。

图6 可控制轮重减载的转向架构架

图7 垂向减振控制系统

图8 可变阻尼垂向振动减振器