日本軌道車(chē)輛運(yùn)動(dòng)控制和減振措施

1 前言

對(duì)于軌道車(chē)輛而言，運(yùn)動(dòng)是指車(chē)輛在運(yùn)行過(guò)程中的位置變化，而振動(dòng)是指車(chē)輛各部位在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的往返搖動(dòng)。在軌道不存在不平順、車(chē)輪不存在磨損的理想情況下，軌道車(chē)輛可以順暢地運(yùn)行（運(yùn)動(dòng)），不會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，但實(shí)際上軌道不平順和車(chē)輪磨損現(xiàn)象是普遍存在的。除上述因素外，曲線(xiàn)行駛時(shí)的離心力、橫向風(fēng)力、隧道內(nèi)的空氣動(dòng)力效應(yīng)等因素也會(huì)對(duì)車(chē)輛運(yùn)動(dòng)造成影響，使之產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲。此外，軌道車(chē)輛還存在特有的蛇行運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象。振動(dòng)和噪聲不僅會(huì)影響列車(chē)的乘坐舒適性和運(yùn)行平穩(wěn)性，而且會(huì)危及鐵路的運(yùn)營(yíng)安全。

軌道車(chē)輛運(yùn)動(dòng)/振動(dòng)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(huì)產(chǎn)生相互影響。本文將針對(duì)車(chē)輛垂向、橫向、縱向運(yùn)動(dòng)和振動(dòng)進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)控制和減振措施。

圖1 車(chē)輛運(yùn)動(dòng)/振動(dòng)自由度

2 縱向運(yùn)動(dòng)控制與減振措施

2.1 縱向運(yùn)動(dòng)控制

在車(chē)輛運(yùn)行過(guò)程中會(huì)不斷重復(fù)牽引、惰行和制動(dòng)操作。牽引力和制動(dòng)力通常受到車(chē)輪與軌道之間黏著力的影響，如果這2種力超過(guò)黏著力的最大值，車(chē)輪則會(huì)出現(xiàn)空轉(zhuǎn)或者滑行現(xiàn)象。因此，需要對(duì)二者進(jìn)行合理控制，最大限度地利用黏著力，以提高車(chē)輛的加減速性能。如果出現(xiàn)車(chē)輪空轉(zhuǎn)或滑行現(xiàn)象，則應(yīng)減小牽引力或制動(dòng)力，這一過(guò)程被稱(chēng)為再黏著控制。

此外，還可以采用不依賴(lài)車(chē)輪與軌道之間黏著力的制動(dòng)方式。目前，日本鐵道綜合技術(shù)研究所（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“鐵道綜研”）正在進(jìn)行相關(guān)的開(kāi)發(fā)工作，如：①利用安裝在車(chē)頂上的開(kāi)閉式空氣阻力板、借助空氣阻力進(jìn)行制動(dòng)的空氣制動(dòng)裝置；②利用安裝在轉(zhuǎn)向架上電磁線(xiàn)圈與軌道之間的電磁感應(yīng)進(jìn)行制動(dòng)的非接觸式鋼軌制動(dòng)裝置（圖2）。

圖2 鋼軌制動(dòng)裝置

2.2 縱向減振措施

在進(jìn)行車(chē)輪空轉(zhuǎn)或滑行再黏著控制時(shí)，由于反復(fù)進(jìn)行斷續(xù)性的加速或減速，車(chē)輛會(huì)產(chǎn)生縱向振動(dòng)。為抑制車(chē)輪空轉(zhuǎn)時(shí)的縱向振動(dòng)，可開(kāi)發(fā)空轉(zhuǎn)再黏著控制方法。

當(dāng)車(chē)體發(fā)生縱向振動(dòng)時(shí)，振動(dòng)會(huì)通過(guò)連接裝置傳導(dǎo)至前后的車(chē)輛，可以通過(guò)改善連接裝置中緩沖器的能量吸收特性抑制車(chē)輛的縱向振動(dòng)。

3 橫向運(yùn)動(dòng)控制與減振措施

3.1 橫向運(yùn)動(dòng)控制

3.1.1 轉(zhuǎn)向控制

軌道車(chē)輛的輪對(duì)由牢固壓裝在同一根車(chē)軸上的左右2個(gè)車(chē)輪組成，踏面呈圓錐形，在直線(xiàn)上運(yùn)行時(shí)具有返回中間位置的恢復(fù)功能，在曲線(xiàn)上運(yùn)行時(shí)具有順利轉(zhuǎn)向的自轉(zhuǎn)向功能（圖 3）。但是，由于輪對(duì)是通過(guò)一系彈簧固定在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架上，因此在經(jīng)過(guò)曲線(xiàn)時(shí)，車(chē)輪與鋼軌之間會(huì)形成沖角，促使車(chē)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(duì)軌道的損傷程度也越低。因此，可通過(guò)控制曲線(xiàn)行駛時(shí)車(chē)體與轉(zhuǎn)向架之間的相對(duì)角度，減小沖角，從而達(dá)到減小橫向力的目的。

3.1.2 車(chē)體傾斜控制

為減小車(chē)輛在曲線(xiàn)上高速行駛時(shí)對(duì)乘客施加的離心力，提高其乘坐舒適性，可采用車(chē)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(xiàn)檢測(cè)裝置、車(chē)載計(jì)算機(jī)控制裝置和傳動(dòng)裝置產(chǎn)生傾擺的強(qiáng)制擺系統(tǒng)，以及利用空氣彈簧的伸長(zhǎng)使車(chē)體強(qiáng)制傾斜的空氣彈簧式車(chē)體傾斜轉(zhuǎn)向架等。為根據(jù)曲線(xiàn)形狀進(jìn)行更加精確的車(chē)體傾斜控制，還應(yīng)優(yōu)化車(chē)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(chē)體傾斜轉(zhuǎn)向架，其既具有擺式系統(tǒng)的車(chē)體傾斜性能，又兼具空氣彈簧式車(chē)體傾斜轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)（圖4）。

當(dāng)車(chē)輛在曲線(xiàn)上高速行駛時(shí)，車(chē)體的橫向位移會(huì)增大，并觸碰橫向運(yùn)動(dòng)阻尼器，致使車(chē)輛的乘坐舒適性降低。為此，可在空氣彈簧式車(chē)體傾斜轉(zhuǎn)向架上安裝對(duì)中油缸，以提高車(chē)體向中間位置恢復(fù)的能力（圖5）。

3.2 橫向減振措施

車(chē)輛橫向振動(dòng)包括軌道不平順導(dǎo)致的側(cè)擺、搖頭、側(cè)滾，軌道車(chē)輛特有的蛇行運(yùn)動(dòng)，以及在隧道中行駛時(shí)因空氣動(dòng)力效應(yīng)而產(chǎn)生的振動(dòng)。針對(duì)其的減振措施包括：①在車(chē)輛各部位安裝阻尼器等振動(dòng)衰減裝置；②安裝能夠更加主動(dòng)抑制橫向振動(dòng)的橫向半主動(dòng)緩沖器，該裝置基于可根據(jù)實(shí)際振動(dòng)情況（強(qiáng)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(xiàn)列車(chē)；③安裝主動(dòng)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(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，目前正在新干線(xiàn)、普速鐵路等高級(jí)列車(chē)上推廣使用。

圖3 輪對(duì)的自轉(zhuǎn)向功能

圖4 防側(cè)滾式車(chē)體傾斜轉(zhuǎn)向架

圖5 對(duì)中油缸

4 垂向運(yùn)動(dòng)控制與減振措施

4.1 垂向運(yùn)動(dòng)控制

為提高軌道線(xiàn)路坡度變化的順暢性，通常在線(xiàn)路縱斷面上，以變坡點(diǎn)為交點(diǎn)，設(shè)置連接兩相鄰坡段的曲線(xiàn)，即豎曲線(xiàn)。在凸型豎曲線(xiàn)上，會(huì)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(xiàn)半徑，或者降低車(chē)輛運(yùn)行速度。

豎曲線(xiàn)上通常設(shè)置坡差，坡差在曲線(xiàn)的起點(diǎn)和終點(diǎn)會(huì)發(fā)生變化，從結(jié)構(gòu)角度來(lái)看，此時(shí)軌道存在不平順狀況。車(chē)輛在此類(lèi)軌道上行駛時(shí)，1個(gè)轉(zhuǎn)向架上的4個(gè)車(chē)輪可能處于3點(diǎn)支撐的狀態(tài)，出現(xiàn)輪重減載的情況，這樣容易導(dǎo)致車(chē)輛脫軌，降低其行駛安全性。為解決上述問(wèn)題，鐵道綜研開(kāi)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(shí)現(xiàn)4點(diǎn)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(chē)體會(huì)出現(xiàn)垂向剛性振動(dòng)（不帶有車(chē)體變形的車(chē)體整體振動(dòng)）和垂向彈性振動(dòng)（車(chē)體發(fā)生變形的振動(dòng)）。若車(chē)輛出現(xiàn)輪重減載的情況，輪對(duì)會(huì)出現(xiàn)縱向振動(dòng)或者搖頭，這種振動(dòng)傳遞到車(chē)體上，則將激發(fā)車(chē)體的垂向振動(dòng)和彈性振動(dòng)；若車(chē)輪踏面損傷，會(huì)導(dǎo)致車(chē)輪不圓，并在其旋轉(zhuǎn)時(shí)激發(fā)車(chē)體的垂向振動(dòng)和彈性振動(dòng)，尤其在車(chē)輪旋轉(zhuǎn)頻率與車(chē)體彈性振動(dòng)頻率一致的情況下會(huì)非常明顯。此外，車(chē)輛設(shè)備（如空氣壓縮機(jī)等）也會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)。

打磨鋼軌、鏇修車(chē)輪等消除軌道不平順和車(chē)輪踏面損傷的措施對(duì)于抑制車(chē)體垂向振動(dòng)是有效的，但無(wú)法完全消除。因此，鐵道綜研開(kāi)發(fā)了一種垂向減振控制系統(tǒng)，通過(guò)與支撐車(chē)體的枕簧并列設(shè)置可變阻尼軸箱減振器來(lái)抑制轉(zhuǎn)向架的垂向和俯仰振動(dòng)（圖7）；此外，還可在旅游列車(chē)上安裝可變阻尼垂向振動(dòng)減振器，以提高旅游列車(chē)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(dòng)減振器