日本鐵道振動的控制和振動特性的利用

在鐵道領(lǐng)域的振動現(xiàn)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(shù)開發(fā)正在進行。另一方面，通過振動現(xiàn)象的有效利用，也有了鐵道車輛和結(jié)構(gòu)物的狀態(tài)監(jiān)視、異常檢測等技術(shù)開發(fā)，對今后的展開充滿期望。本文就鐵道有關(guān)方面進行中的振動對策技術(shù)、利用振動的診斷技術(shù)做一介紹。

0?前言

鐵道車輛與地面設(shè)備（軌道和接觸網(wǎng)等）接觸運行，車輛-地面設(shè)備間相互作用，在兩方都產(chǎn)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(shè)備，以至在鐵路沿線的地基和建筑物上產(chǎn)生振動問題。作為對策，進行著多項的技術(shù)開發(fā)。

另一方面，鐵道車輛和鐵道設(shè)備的狀態(tài)異常，有表現(xiàn)出振動特性變化的情況。可有效利用振動現(xiàn)象，對鐵道車輛和結(jié)構(gòu)物的狀態(tài)進行監(jiān)視和異常檢測。為此，也進行著技術(shù)開發(fā)。

1?控制振動

鐵道中形成問題的振動現(xiàn)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(guān)的現(xiàn)象；②運行車輛與高架橋共振、接觸網(wǎng)異常振動等與地面鐵道設(shè)備有關(guān)的現(xiàn)象；③沿線地基振動、建筑物振動等與沿線環(huán)境有關(guān)的現(xiàn)象。

另一方面，作為控制振動的對策，一般有減輕導(dǎo)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(lǐng)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(guān)的振動和沿線地基的振動，下面就對策技術(shù)加以介紹。

2?與車輛乘坐舒適性有關(guān)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(dǎo)致轉(zhuǎn)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(nèi)強大的空氣力作用到車體，導(dǎo)致左右方向振動的增加，乘坐舒適性惡化，這已經(jīng)得到共識。對轉(zhuǎn)向架傳遞到車體的振動，轉(zhuǎn)向架-車體間加設(shè)彈性物、阻尼器的緩沖作用雖然不夠理想，但對阻止轉(zhuǎn)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(dǎo)致的振動，采取與緩沖相反的對抗方法，強化轉(zhuǎn)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(fā)，就是稱作“半有源懸掛”和“有源懸掛”的振動控制系統(tǒng)。

在這樣的系統(tǒng)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(chǎn)生的作用力，對振動加以控制（圖1）。這樣的系統(tǒng)，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(tǒng)構(gòu)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(xiàn)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(zhuǎn)向架間設(shè)置枕簧，并安裝可變衰減的阻尼器，開發(fā)了基于車體加速度傳感器信息的控制作用力的系統(tǒng)，已在營業(yè)列車上采用（圖?2）。

除此之外，對車體彎曲振動原因?qū)е碌纳舷抡駝?，也進行了降低振動的嘗試。利用了以前認為與剛性沒有關(guān)系的抓桿，將車體左右側(cè)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(jīng)得到確認。

3?沿線地基的振動

車輛在軌道上運行時，軸重轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)物，向地基傳遞所產(chǎn)生的現(xiàn)象，有時會導(dǎo)致沿線環(huán)境問題。減少地基振動有車輛對策、軌道對策、結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)向架間用彈性體聯(lián)接的結(jié)構(gòu)，本身形成一個復(fù)雜的振動系。迄今研究表明，對沿線地基振動產(chǎn)生最大影響的是車輛的整體質(zhì)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?，F(xiàn)狀是新干線車輛的輕量化已經(jīng)接近極限，這意味著該對策已經(jīng)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(shù)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(qū)采用道床彈性軌枕、道床墊，在板式軌道區(qū)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(jié)構(gòu)本身就是防振軌道的防振直接緊固軌道，這在地鐵已經(jīng)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(jié)構(gòu)物對策

通過結(jié)構(gòu)物部分補強的方法，提高結(jié)構(gòu)物的剛性。已經(jīng)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(fā)了鐵道結(jié)構(gòu)物與沿線建筑物之間設(shè)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(lǐng)域開展，鐵道領(lǐng)域也在結(jié)構(gòu)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(tǒng)構(gòu)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(tài)的方法。這是事先把握對象物體正常狀態(tài)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(wǎng)，都是一邊接觸一邊移動。車輛與鐵道結(jié)構(gòu)物雙方接觸狀態(tài)的變動，對彼此的振動都產(chǎn)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(tài)。檢測車對軌道和接觸網(wǎng)的檢測，廣泛應(yīng)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(shù)。

下面對利用振動的狀態(tài)監(jiān)視和診斷技術(shù)事例做一介紹。

4.1 結(jié)構(gòu)物的診斷

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

給結(jié)構(gòu)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(fēng)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(jié)構(gòu)物上安裝加速度傳感器的方法，最近又有應(yīng)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(jié)構(gòu)物診斷技術(shù)的實例，這里給出難以目視確認的結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)和處于流水中橋墩的診斷。對這樣的結(jié)構(gòu)物，已經(jīng)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(jié)構(gòu)物時振動響應(yīng)，或?qū)Y(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)物振動特性變化

圖?6?結(jié)構(gòu)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(fā)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(jiān)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(fā)地板下安裝加速度傳感器的日常監(jiān)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(tǒng)，已經(jīng)在?N700A?新干線電動車組上采用。

另外還有內(nèi)燃動車的發(fā)動機、旋轉(zhuǎn)軸以及電動車的電機軸承等異常檢測技術(shù)，正在研究振動測定與機械學(xué)習(xí)相結(jié)合的狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)。

作為后者的一例，在轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(tài)的診斷

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

作為從地面振動診斷車輪狀態(tài)的方法，有在高架橋的掛孔（小跨簡支梁）上設(shè)加速度傳感器，測定車輛通過時的振動，由結(jié)果檢測出車輪產(chǎn)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(wǎng)與受電弓間大的接觸力變動，是影響穩(wěn)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(yīng)變片測得應(yīng)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(fā)（圖?8）。

5?結(jié)束語

著眼于鐵道領(lǐng)域的振動問題，介紹了控制和減少振動的技術(shù)，以及利用振動的狀態(tài)監(jiān)視、異常檢測技術(shù)。這些技術(shù)，與測試技術(shù)、控制技術(shù)、大數(shù)據(jù)處理技術(shù)、新材料技術(shù)等關(guān)聯(lián)技術(shù)的進步相輔相成，期待不斷取得進展。今后，應(yīng)當從更廣闊的視角出發(fā)，進行鐵道領(lǐng)域有關(guān)振動技術(shù)的開發(fā)。

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