在鐵道領(lǐng)域的振動(dòng)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(dòng)和噪聲的影響，需要解決的課題很多。迄今，多項(xiàng)技術(shù)開發(fā)正在進(jìn)行。另一方面，通過(guò)振動(dòng)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(cè)等技術(shù)開發(fā)，對(duì)今后的展開充滿期望。本文就鐵道有關(guān)方面進(jìn)行中的振動(dòng)對(duì)策技術(shù)、利用振動(dòng)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(yùn)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(yùn)行情況下，車輛受到來(lái)自空氣力的影響也越來(lái)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(dòng)問(wèn)題。作為對(duì)策，進(jìn)行著多項(xiàng)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(dòng)特性變化的情況?？捎行Ю谜駝?dòng)現(xiàn)象，對(duì)鐵道車輛和結(jié)構(gòu)物的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視和異常檢測(cè)。為此，也進(jìn)行著技術(shù)開發(fā)。

1?控制振動(dòng)

鐵道中形成問(wèn)題的振動(dòng)現(xiàn)象，按照對(duì)象物的大致劃分有下面幾種：①振動(dòng)影響乘坐舒適性等與車輛有關(guān)的現(xiàn)象；②運(yùn)行車輛與高架橋共振、接觸網(wǎng)異常振動(dòng)等與地面鐵道設(shè)備有關(guān)的現(xiàn)象；③沿線地基振動(dòng)、建筑物振動(dòng)等與沿線環(huán)境有關(guān)的現(xiàn)象。

另一方面，作為控制振動(dòng)的對(duì)策，一般有減輕導(dǎo)致振動(dòng)的作用力、通過(guò)彈性支撐使振動(dòng)在傳遞階段衰減、提高對(duì)象物的剛性使其難以形成振動(dòng)等幾種方法，在鐵道領(lǐng)域也多采用這些對(duì)策。

鐵道代表性的振動(dòng)問(wèn)題，是與車輛乘坐舒適性有關(guān)的振動(dòng)和沿線地基的振動(dòng)，下面就對(duì)策技術(shù)加以介紹。

2?與車輛乘坐舒適性有關(guān)的振動(dòng)

2.1 左右振動(dòng)對(duì)策

車輛振動(dòng)對(duì)車輛的乘坐舒適性有很大的影響，減輕車輛振動(dòng)通常是最重要的課題之一。車輛振動(dòng)，由軌道不平順等導(dǎo)致轉(zhuǎn)向架振動(dòng)，這個(gè)振動(dòng)傳遞到車體，又在高速運(yùn)行時(shí)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(qiáng)大的空氣力作用到車體，導(dǎo)致左右方向振動(dòng)的增加，乘坐舒適性惡化，這已經(jīng)得到共識(shí)。對(duì)轉(zhuǎn)向架傳遞到車體的振動(dòng)，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(duì)阻止轉(zhuǎn)向架的振動(dòng)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(dòng)，采取與緩沖相反的對(duì)抗方法，強(qiáng)化轉(zhuǎn)向架-車體間的抵抗力是必要的。為滿足該要求所進(jìn)行的開發(fā)，就是稱作“半有源懸掛”和“有源懸掛”的振動(dòng)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(cè)定車體的振動(dòng)，由控制裝置計(jì)算抑制振動(dòng)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(lì)器產(chǎn)生的作用力，對(duì)振動(dòng)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(dòng)的控制系統(tǒng)構(gòu)成

2.2 上下振動(dòng)對(duì)策

近年，觀光特快列車和游覽列車受到注目，運(yùn)行路線有時(shí)要延伸至地方線路，在通過(guò)鋼軌接縫處出現(xiàn)上下振動(dòng)問(wèn)題。為了從車輛方面減少這種上下振動(dòng)，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(yíng)業(yè)列車上采用（圖?2）。

除此之外，對(duì)車體彎曲振動(dòng)原因?qū)е碌纳舷抡駝?dòng)，也進(jìn)行了降低振動(dòng)的嘗試。利用了以前認(rèn)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(lái)，是提高車體剛性抑制變形的一個(gè)方法，其提高乘坐舒適性的效果已經(jīng)得到確認(rèn)。

3?沿線地基的振動(dòng)

車輛在軌道上運(yùn)行時(shí)，軸重轉(zhuǎn)移和輪軌凹凸引起鋼軌作用力的變化形成振動(dòng)。地基振動(dòng)，就是這個(gè)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(shí)會(huì)導(dǎo)致沿線環(huán)境問(wèn)題。減少地基振動(dòng)有車輛對(duì)策、軌道對(duì)策、結(jié)構(gòu)物對(duì)策和地基對(duì)策（圖?3）。

3.1 車輛對(duì)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(gè)復(fù)雜的振動(dòng)系。迄今研究表明，對(duì)沿線地基振動(dòng)產(chǎn)生最大影響的是車輛的整體質(zhì)量。為此，可以說(shuō)車輛輕量化是最有效的降低地基振動(dòng)的對(duì)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(duì)策已經(jīng)沒有了多少潛力。

3.2 軌道對(duì)策

作為軌道方面的對(duì)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(shí)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(dòng)的振動(dòng)力，減少軌道的不平順也是有效的對(duì)策。

3.3 結(jié)構(gòu)物對(duì)策

通過(guò)結(jié)構(gòu)物部分補(bǔ)強(qiáng)的方法，提高結(jié)構(gòu)物的剛性。已經(jīng)有了減少振動(dòng)的試驗(yàn)，施工的實(shí)例很少，還沒有降低振動(dòng)效果的定量評(píng)價(jià)。

3.4 地基對(duì)策

作為地基對(duì)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(dòng)的方法。在新干線沿線，已進(jìn)行了采用鋼板樁、混凝土墻、聚氨酯泡沫墻的對(duì)策試驗(yàn)，效果得到了確認(rèn)。

4?振動(dòng)的利用

利用振動(dòng)的診斷已在各個(gè)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(dòng)。

圖?2?抑制上下振動(dòng)的控制系統(tǒng)構(gòu)成

圖?3?地基振動(dòng)的對(duì)策

圖?4?軌道低彈性化（有砟軌道）

利用振動(dòng)的診斷方法之一，是通過(guò)對(duì)象物體振動(dòng)特性的變化（固有振動(dòng)頻率的變化）診斷出狀態(tài)的方法。這是事先把握對(duì)象物體正常狀態(tài)的振動(dòng)特性，通過(guò)與測(cè)定的振動(dòng)特性比較，評(píng)價(jià)出有無(wú)異常及何種程度的方法。

在鐵道上，無(wú)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(dòng)。車輛與鐵道結(jié)構(gòu)物雙方接觸狀態(tài)的變動(dòng)，對(duì)彼此的振動(dòng)都產(chǎn)生影響。因此，通過(guò)邊接觸邊移動(dòng)的對(duì)象物體的振動(dòng)測(cè)定，能夠推斷出其狀態(tài)。檢測(cè)車對(duì)軌道和接觸網(wǎng)的檢測(cè)，廣泛應(yīng)用的就是基于這種原理的方法，是通過(guò)測(cè)定振動(dòng)進(jìn)行診斷的技術(shù)。

下面對(duì)利用振動(dòng)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(dòng)特性在不斷變化（圖?5）。因此，測(cè)定結(jié)構(gòu)物的振動(dòng)，將測(cè)定振動(dòng)的振幅和固有振動(dòng)頻率等數(shù)據(jù)，與健全時(shí)的數(shù)值和設(shè)計(jì)基準(zhǔn)值或統(tǒng)計(jì)分析算出的基準(zhǔn)值比較，就能夠評(píng)價(jià)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(dòng)的加振源，可以是運(yùn)行列車的振動(dòng)、錘子打擊的人為加振，可以是平常時(shí)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(dòng)（圖?6）。測(cè)定振動(dòng)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(dá)-速度計(jì)（LDV）的非接觸檢測(cè)。

作為利用振動(dòng)結(jié)構(gòu)物診斷技術(shù)的實(shí)例，這里給出難以目視確認(rèn)的結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)和處于流水中橋墩的診斷。對(duì)這樣的結(jié)構(gòu)物，已經(jīng)確認(rèn)其健全度下降則固有振動(dòng)頻率下降的事實(shí)。因此，就有用錘子等打擊結(jié)構(gòu)物時(shí)振動(dòng)響應(yīng)，或?qū)Y(jié)構(gòu)物平常時(shí)刻微動(dòng)進(jìn)行頻譜分析，判斷其健全度的方法。

圖?5?伴隨擾動(dòng)的結(jié)構(gòu)物振動(dòng)特性變化

圖?6?結(jié)構(gòu)物振動(dòng)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(shuō)是判斷發(fā)生的音律，取隧道表面的振動(dòng)特性變化，利用振動(dòng)進(jìn)行診斷的一個(gè)方法。

4.2 車輛部件的診斷

利用振動(dòng)的車輛診斷，有日常監(jiān)視運(yùn)行車輛振動(dòng)的方法，有沖擊加振試驗(yàn)等測(cè)定振動(dòng)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(dòng)，通過(guò)信號(hào)處理的手段，早期檢測(cè)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(dòng)車組上采用。

另外還有內(nèi)燃動(dòng)車的發(fā)動(dòng)機(jī)、旋轉(zhuǎn)軸以及電動(dòng)車的電機(jī)軸承等異常檢測(cè)技術(shù)，正在研究振動(dòng)測(cè)定與機(jī)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(duì)緩沖轉(zhuǎn)向架沖擊力的橡膠件進(jìn)行沖擊加振試驗(yàn)，來(lái)進(jìn)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(dòng)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(rèn)軸箱加速度與鋼軌凹凸不平有很高相關(guān)性，能夠用測(cè)定的數(shù)據(jù)，檢測(cè)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(yíng)業(yè)列車上的振動(dòng)、噪聲測(cè)定結(jié)果，可以簡(jiǎn)單測(cè)出波狀磨耗的一個(gè)可移動(dòng)系統(tǒng)，正在開發(fā)之中。

作為從地面振動(dòng)診斷車輪狀態(tài)的方法，有在高架橋的掛孔（小跨簡(jiǎn)支梁）上設(shè)加速度傳感器，測(cè)定車輛通過(guò)時(shí)的振動(dòng)，由結(jié)果檢測(cè)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(dòng)，是影響穩(wěn)定受流的重要原因。為此，一個(gè)振動(dòng)利用的診斷是，由電氣檢測(cè)車等測(cè)定受電弓滑板上下振動(dòng)加速度，以找出接觸力大變動(dòng)的地點(diǎn)。

另外，在滑板上貼上應(yīng)變片測(cè)得應(yīng)力，安裝多個(gè)加速度傳感器得到慣性力，一個(gè)高精度測(cè)定接觸力的方法正在開發(fā)（圖?8）。

5?結(jié)束語(yǔ)

著眼于鐵道領(lǐng)域的振動(dòng)問(wèn)題，介紹了控制和減少振動(dòng)的技術(shù)，以及利用振動(dòng)的狀態(tài)監(jiān)視、異常檢測(cè)技術(shù)。這些技術(shù)，與測(cè)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(jìn)步相輔相成，期待不斷取得進(jìn)展。今后，應(yīng)當(dāng)從更廣闊的視角出發(fā)，進(jìn)行鐵道領(lǐng)域有關(guān)振動(dòng)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(cè)定的方法