日本铁道振动的控制和振动特性的利用

国外城轨日本铁道振动的控制和振动特性的利用在铁道领域的振动现象研究中，为了车辆的高速化，提高乘坐舒适性，缓解沿线振动和噪声的影响，需要解决的课题很多。

迄今，多项技术开发正在进行。

另一方面，通过振动现象的有效利用，也有了铁道车辆和结构物的状态监视、异常检测等技术开发，对今后的展开充满期望。

本文就铁道有关方面进行中的振动对策技术、利用振动的诊断技术做一介绍。

0 前言铁道车辆与地面设备（轨道和接触网等）接触运行，车辆-地面设备间相互作用，在两方都产生力的作用。

并且，在高速运行情况下，车辆受到来自空气力的影响也越来越大。

这些作用力，在车辆和地面设备，以至在铁路沿线的地基和建筑物上产生振动问题。

作为对策，进行着多项的技术开发。

另一方面，铁道车辆和铁道设备的状态异常，有表现出振动特性变化的情况。

可有效利用振动现象，对铁道车辆和结构物的状态进行监视和异常检测。

为此，也进行着技术开发。

1 控制振动铁道中形成问题的振动现象，按照对象物的大致划分有下面几种：①振动影响乘坐舒适性等与车辆有关的现象；②运行车辆与高架桥共振、接触网异常振动等与地面铁道设备有关的现象；③沿线地基振动、建筑物振动等与沿线环境有关的现象。

另一方面，作为控制振动的对策，一般有减轻导致振动的作用力、通过弹性支撑使振动在传递阶段衰减、提高对象物的刚性使其难以形成振动等几种方法，在铁道领域也多采用这些对策。

铁道代表性的振动问题，是与车辆乘坐舒适性有关的振动和沿线地基的振动，下面就对策技术加以介绍。

2 与车辆乘坐舒适性有关的振动2.1左右振动对策车辆振动对车辆的乘坐舒适性有很大的影响，减轻车辆振动通常是最重要的课题之一。

车辆振动，由轨道不平顺等导致转向架振动，这个振动传递到车体，又在高速运行时空气力的作用下加大。

新干线不断提升的速度，特别是在隧道内强大的空气力作用到车体，导致左右方向振动的增加，乘坐舒适性恶化，这已经得到共识。

对转向架传递到车体的振动，转向架-车体间加设弹性物、阻尼器的缓冲作用虽然不够理想，但对阻止转向架的振动向车体传递还是有效果的。

由于空气力直接作用到车体，为抑制其导致的振动，采取与缓冲相反的对抗方法，强化转向架-车体间的抵抗力是必要的。

为满足该要求所进行的开发，就是称作“半有源悬挂”和“有源悬挂”的振动控制系统。

在这样的系统中，车体上安装加速度传感器以测定车体的振动，由控制装置计算抑制振动的控制力，半有源方式用可变衰减的阻尼器、有源方式用激励器产生的作用力，对振动加以控制（图1）。

这样的系统，目前在图 1 抑制左右振动的控制系统构成控制装置加速度传感器（实际安装在地板下）可变衰减阻尼器a 半有源悬挂b 有源悬挂控制装置动力源（气压源、电源等）加速度传感器（实际安装在地板下）转换式阻尼器激励器新干线车辆上广泛采用。

2.2 上下振动对策近年，观光特快列车和游览列车受到注目，运行路线有时要延伸至地方线路，在通过钢轨接缝处出现上下振动问题。

为了从车辆方面减少这种上下振动，在车体与转向架间设置枕簧，并安装可变衰减的阻尼器，开发了基于车体加速度传感器信息的控制作用力的系统，已在营业列车上采用（图 2）。

除此之外，对车体弯曲振动原因导致的上下振动，也进行了降低振动的尝试。

利用了以前认为与刚性没有关系的抓杆，将车体左右侧面与顶棚连接起来，是提高车体刚性抑制变形的一个方法，其提高乘坐舒适性的效果已经得到确认。

3 沿线地基的振动车辆在轨道上运行时，轴重转移和轮轨凹凸引起钢轨作用力的变化形成振动。

地基振动，就是这个变化的力作用于结构物，向地基传递所产生的现象，有时会导致沿线环境问题。

减少地基振动有车辆对策、轨道对策、结构物对策和地基对策（图 3）。

3.1 车辆对策铁道车辆是车体和转向架间用弹性体联接的结构，本身形成一个复杂的振动系。

迄今研究表明，对沿线地基振动产生最大影响的是车辆的整体质量。

为此，可以说车辆轻量化是最有效的降低地基振动的对策。

现状是新干线车辆的轻量化已经接近极限，这意味着该对策已经没有了多少潜力。

3.2 轨道对策作为轨道方面的对策，有降低支撑轨道弹性体弹性系数的方法——轨道低弹性化，正在广泛地采用。

主要实施的轨道低弹性化方法，在有砟轨道区采用道床弹性轨枕、道床垫，在板式轨道区采用低弹性轨道衬垫等（图 4）。

在新建线路上，除上述方法外，还有轨道结构本身就是防振轨道的防振直接紧固轨道，这在地铁已经广泛采用。

此外，为减轻引起地基振动的振动力，减少轨道的不平顺也是有效的对策。

3.3 结构物对策通过结构物部分补强的方法，提高结构物的刚性。

已经有了减少振动的试验，施工的实例很少，还没有降低振动效果的定量评价。

3.4 地基对策作为地基对策，研究开发了铁道结构物与沿线建筑物之间设置地中墙以隔断振动的方法。

在新干线沿线，已进行了采用钢板桩、混凝土墙、聚氨酯泡沫墙的对策试验，效果得到了确认。

4 振动的利用利用振动的诊断已在各个领域开展，铁道领域也在图 2 抑制上下振动的控制系统构成可变衰减上下振动阻尼器可变衰减上下振动阻尼器加速度传感器控制装置枕簧（二次悬挂）轴簧（一次悬挂）图 3 地基振动的对策轨道对策• 轨道低弹性化• 减少轨道不平顺车辆对策• 车辆轻量化地基对策• 隔断振动方法结构物对策• 提高结构物刚性图 4 轨道低弹性化（有砟轨道）道床道砟有砟轨道弹性轨枕低弹性轨道衬垫高架板弹性覆盖材料（聚氨酯橡胶等）道床垫结构物和车辆部件的诊断上充分利用了其振动。

利用振动的诊断方法之一，是通过对象物体振动特性的变化（固有振动频率的变化）诊断出状态的方法。

这是事先把握对象物体正常状态的振动特性，通过与测定的振动特性比较，评价出有无异常及何种程度的方法。

在铁道上，无论车轮与钢轨还是受电弓与接触网，都是一边接触一边移动。

车辆与铁道结构物双方接触状态的变动，对彼此的振动都产生影响。

因此，通过边接触边移动的对象物体的振动测定，能够推断出其状态。

检测车对轨道和接触网的检测，广泛应用的就是基于这种原理的方法，是通过测定振动进行诊断的技术。

下面对利用振动的状态监视和诊断技术事例做一介绍。

4.1 结构物的诊断铁道结构物由于地震导致的损伤、明显的劣化，河流水量增加导致的支撑力下降等，振动特性在不断变化（图 5）。

因此，测定结构物的振动，将测定振动的振幅和固有振动频率等数据，与健全时的数值和设计基准值或统计分析算出的基准值比较，就能够评价出结构物的损伤和劣化的程度。

给结构物施加振动的加振源，可以是运行列车的振动、锤子打击的人为加振，可以是平常时刻的风等自然外力、交通工具或工厂等人工外力的微小振动（图 6）。

测定振动的方法，广泛采用在结构物上安装加速度传感器的方法，最近又有应用激光-多普勒雷达-速度计（LDV ）的非接触检测。

作为利用振动结构物诊断技术的实例，这里给出难以目视确认的结构物基础和处于流水中桥墩的诊断。

对这样的结构物，已经确认其健全度下降则固有振动频率下降的事实。

因此，就有用锤子等打击结构物时振动响应，或对结构物平常时刻微动进行频谱分析，判断其健全度的方法。

图 5 伴随扰动的结构物振动特性变化振动特性振幅增大振动形状的变化固有振动频率降低等的变化健全时显著劣化地震破坏支撑力降低损伤、劣化时常年劣化自然灾害振动特性图 6 结构物振动的加振源工厂交通工具风平常时刻的微动冲击加振起振器加振初期变位加振水流列车加振还有探定隧道表面裂缝缺陷的打音检查，也可以说是判断发生的音律，取隧道表面的振动特性变化，利用振动进行诊断的一个方法。

4.2 车辆部件的诊断利用振动的车辆诊断，有日常监视运行车辆振动的方法，有冲击加振试验等测定振动特性变化的方法。

作为前者的一例，开发地板下安装加速度传感器的日常监视振动，通过信号处理的手段，早期检测出轴箱、齿轮箱、连接件故障征兆的系统，已经在 N700A 新干线电动车组上采用。

另外还有内燃动车的发动机、旋转轴以及电动车的电机轴承等异常检测技术，正在研究振动测定与机械学习相结合的状态监视系统。

作为后者的一例，在转向架向车体传递加减速作用力的称为单连杆部件，有了对缓冲转向架冲击力的橡胶件进行冲击加振试验，来进行橡胶损伤状况判断的提案。

4.3钢轨、车轮状态的诊断作为由车辆侧振动诊断钢轨状态的方法，有轴箱安装加速度传感器的方法（图 7）。

已经确认轴箱加速度与钢轨凹凸不平有很高相关性，能够用测定的数据，检测出钢轨生成的波状磨耗、钢轨焊接处出现的凹形纵向变坡。

由营业列车上的振动、噪声测定结果，可以简单测出波状磨耗的一个可移动系统，正在开发之中。

作为从地面振动诊断车轮状态的方法，有在高架桥的挂孔（小跨简支梁）上设加速度传感器，测定车辆通过时的振动，由结果检测出车轮产生局部磨耗（偏磨耗）的方案。

4.4受电弓接触力的诊断接触网与受电弓间大的接触力变动，是影响稳定受流的重要原因。

为此，一个振动利用的诊断是，由电气检测车等测定受电弓滑板上下振动加速度，以找出接触力大变动的地点。

另外，在滑板上贴上应变片测得应力，安装多个加速度传感器得到惯性力，一个高精度测定接触力的方法正在开发（图 8）。

5 结束语着眼于铁道领域的振动问题，介绍了控制和减少振动的技术，以及利用振动的状态监视、异常检测技术。

这些技术，与测试技术、控制技术、大数据处理技术、新材料技术等关联技术的进步相辅相成，期待不断取得进展。

今后，应当从更广阔的视角出发，进行铁道领域有关振动技术的开发。

参考文献[1] 長倉清. 鉄道分野におけゐ振動の制御と活用[J].RRR，2017（10）：4-7.苏晓声编译收稿日期 2018-05-07责任编辑冒一平图 7 轴箱加速度传感器的安装状况转向架构架加速度传感器轴箱图 8 受电弓接触力测定的方法加速度传感线应变片接触力提升力应力惯性力（分布力）。