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摆式列车(倾斜式列车,摆锤式列车,摇摆式列车,振子列车)是一种车体转弯时可以侧向摆动的列车。摆式列车能够在普通路轨上的弯曲路段高速驶过而无需减速。

原理

当任何车辆以高速转弯,车内的物件和乘客都会受到离心力的影响。这是因为车内的物件以本来惯性直线前进,与转弯中车辆的前进方向不一致,於是产生了相对的加速度和离心力。在铁路列车上,这种"离心力"引致车上的物件和行李倾侧滑行,座位上的乘客亦会被压向一旁,而站著的乘客更可能失去重心跌倒。
摆式列车原理图

摆式列车原理图

飞机和单车能够以较高速转弯,因为它们在转弯的时候都会向侧面倾斜。但汽车或铁路列车的车轮必需著地,本身并不能够倾斜。为了使到它们可以无需减速高速转弯,高速公路高速铁路的路轨在弯曲处都被建成向内倾斜的弧形。这样车内的乘客所受的向外离心力便可以被向内的重力抵销。
对汽车使用的道路来说,这种倾斜非常重要。如果汽车转弯时的速度过高,轮胎会失去黏著力而引致汽车打滑。对铁路来说,重心高的车辆以太过高的速度驶过急弯,亦存在翻侧的可能。将路轨建成斜的弧形亦是避免这种可能的方法。但是一般来说,当列车还未接近足以翻侧的速度和急弯,乘客所感受到的不适已非常严重。故此大多数的铁路设计时所考虑到的,并非避免车辆翻侧,而是乘客所感的不适。
弧形路轨所需要的倾斜角是根据预计车辆经过行驶时的速度来决定。如果车速高,倾斜便要较多。部分在1960至1970年代所建成的高速线路却出现了一个问题,适合高速客运列车行驶的倾斜角度,并不适合普通速度的客车和货车。法国及日本高速铁路结果都需要建造专线,尽量减少弯曲的路线。至於其他因为多山,或者没有空间或金钱投资建设新路线的国家,唯有采用其他方法提高铁路的营运\速度。例如英国,多数的铁路都是早年车速甚低的时候建造。这些路线现在都变成了建筑密集的地区,要重建比较困难。意大利则因为多山,路线必然多弯。这些国家於是投资发展了摆式列车。
摆式列车供乘客乘座的车体在转弯时可以侧向摆动。当车辆向左转时,车体向左倾摆,让重力抵销向右推的离心力。列车可以是靠惯性自行摆动的被动摆式,亦可以是由电脑控制,动力辅助的主动摆式。
摆式机构只能减少乘客的不舒适,不能减少车轮和轨道的作用力,所以,为了减少车轮和轨道损伤,摆式列车多采用径向转向架以减少通过曲线时的轮轨作用力。

分类

摆式列车按照车体倾斜方式的不同,可分为自然摆式和强制摆式两种。
自然摆式又称为无源摆。车体由滚轮装置和高位空气弹簧支承, 当车辆通过曲线时产生离心力, 使车体绕其摆心转动, 自然地向曲线内侧倾斜, 而没有外加动力。无源摆式车体倾斜角度可达到3.5°~5°,能提高常规列车曲线运行速度14 %~16 %。
强制摆式又称为有源摆。就是利用曲线检测装置、车载计算机控制装置和倾摆传动装置倾摆, 其倾摆角度一般为8°, 最高可达到10°。有源摆式车体能提高常规列车曲线运行速度30 %~35 %。

各国发展历程

欧洲

1969年,首列摆式列车United Aircraft Turbo(UAC) 在加拿大国家铁路投入服务,一直在多伦多至蒙特娄之间行驶,直至1984年。UAC 属被动摆式,行驶舒适程度一般,亦有不少机械毛病。
意大利的 Pendolino 摆式列车最初由飞雅特菲亚特(FIAT)制造,ETR401型最先在1975年投入服务。1980年代Pendolino发展出非常成功的ETR450型,在欧洲其他国都有使用。
英国在1970至80年代曾硏究发展出名为Advanced Passenger Train (APT) 的摆式列车,但由于技术原因没有投产。最后英国将知识产权转移给意大利的 Pendolino。
加拿大之後亦发展出 LRC (Light, Rapid, Comfortable)摆式列车,由 Bombardier 制造。LRC 的车辆是独立的,由动力辅助摆动,可以跟普通非摆式的车辆混合行走。1980年首先在美国Amtrak 行驶,之後在加拿大使用至今。
德国的403型摆式列车在1978年投入服务,在法兰克福提供机场铁路服务。之後曾尝试在莱茵河谷使用,後来因为乘客投诉在转弯时感到晕车不适而暂停摆动功能。
瑞士的ICN摆式列车在2000年8月开始提供服务,行走日内瓦经苏黎世至圣嘉伦之间的路线。
早期摆式列车使用传统的伺服马达。因为伺服马达未能对转弯时产生的转向力即时作出反应,这些些微差别引起了非常轻度的摇晃。乘客虽然不会意识到这种轻微的晃动,但仍然会感到有晕车的不适感。Pendolino 的ETR401於每辆车使用独立的陀螺仪,这种构造亦是必然会产生少量的时间延缓。英国的APT 试图将陀螺仪放在列车的两端,由它们控制全车的摆动。但当时的控制技术似乎仍未成熟。
现在欧洲铁路上奔驰着一种快速列车,从意大利的罗马到米兰600多公里路程,只需要4个多小时就到了。这就是意大利研究开发的摆式列车(Pendolino)。

亚洲

现代的摆式列车能够透过讯号系统知道前面路轨的弧度,准确改变每一车辆的倾侧。乘客已经很少会感到晕车不适。
台湾铁路局业已向日本日立公司采购与日本JR九州「885系」列车同型之倾斜式列车,将於2007年底於台北-花莲间服务,命名为太鲁阁号(TAROKO)。
日本亦有不少的摆式列车,称为振子列车,而且都是在窄轨上行走;。澳洲布理斯班至洛咸顿之间的窄轨摆式列车是目前最快的窄轨铁路。

世界第一辆

1960年意大利国家铁路局和菲亚特轨道车辆集团合作测试了一套可以倾斜单一座位的特殊系统,并安装在Aln688车型上。随后建造了第一台摆式列车YO16,并赢得“小摆钟-Pendolino”的雅号。到了1974年,意大利国铁在经过多次路测后,订购了四车一组的摆式原型列车ETR401。这种全世界第一组摆式列车经过深入的研究与测试,进一步改善加装了倾斜控制装置和悬承系统以及反偏驶阻尼器设计,以求最高的安全性、舒适度和行车速度,与1976年顺利交车。 根据发展经验,1985年开始为意大利国铁制造15组9车一组的ETR450自动摆式电联车,并于1988年开始行驶于米兰和罗马之间,后来延伸到其他铁路网中,大大缩短了行车时间。虽然已有改进的ETR460和ETR480,但ETR450仍在使用,自1988年来已行驶了2600万公里,载客量从1988年的每年22万人次增加到每年220万人次。

技术特点

摆式列车可在转向架高程维持2m/sec2的倾向加速度,并安全行驶与轨道上。如果车身容许倾斜到8度,则乘客所感觉到的倾向加速度只有0.65m/sec2,完全在舒适范围(0.8到1.2m/sec2)以内。摆式列车在弯道时主动向内倾斜的原理和轨道在弯道时必须设计超高的原理一样,其目的就是要平衡消除至少一部分因曲线造成的离心加速度。摆式列车可以主动倾斜到8度,抵消大约1.35m/sec2的倾向加速度,减少乘客对倾向加速的感觉。如此的设计可以在不重建或改建轨道及不影响乘客舒适度的情形下,将列车行车速度提升35%。

构造

以最常用的ETR450为例,她是有“块状组合”的概念建造。列车的头尾各具有一个流线型车头及驾驶室,车厢是用轻合金属打造,坚固耐用,每节车厢有两个转向架及两组牵引马达纵向悬挂于车厢底部,使动力均衡分布于整节车厢,平均分配所有重量于车轴(平均每车轴承受13吨)。垂直与水平悬承系统可以减少倾向加速度与车轮与轨道的作用力而增加行车舒适度。车体在弯道的倾斜是由回转仪及加速度计控制的.
车身倾斜是由装在第一节车中的主控制单元处理,由装在最前方转向架的回转迅号电测转换器将所获得弯道的起始与形态,以及由加速度感应器传来的迅号来决定车身的离心加速度。
主控制单元由上而下控制随后各辆车中的子系统,随后各车的子系统再以油压引动器(每车四台)即时控制各车的倾斜角度。因为高速行车,列车控制的反应时间为0.1秒。但是为了保持乘客的舒适度,车身倾斜是采渐进式。另外,子控制系统也可以依靠应到因车轮磨损或反偏阻尼器的偏差所造成的不稳定性而调整主动侧向悬承系统的气压装置。为了安全,所有控制系统及伺服装置均备用系统。倾斜控制系统对列车中每辆车都可以因路线曲率半径和每辆的实际车速而做不同角度的倾斜。
摆式列车的转向架:第三代摆式列车的设计可以减轻火车车轴的负荷(平均每轴14吨)而使得火车的载重平均分配于整节火车。每辆车转向架的轮距相对较小(2.7米)所以在急弯时减少轨道对车轮受力,使得转向架受到离心力作用的质量减到最小。双轴转向架,加上两垂直与水平悬承系统均安有反偏驶阻尼器以及一个创意的转向架安定性量测装置,以维持最高的安全性。

特点

摆式列车可在极舒适和安全条件下,行驶到每小时250公里。
顶级的旅途舒适度:大幅度削减乘客离心加速度,复杂精密的多向悬乘系统,以及高科技隔音、加压和空调系统使摆式列车具有环境概念设计的列车有着最高的舒适度。
环境影响最小:摆式列车不但不需要另外新建轨道,对现有的轨道损害也较小。因为没有额外的施工建设,不仅节省投资,而且摆式列车对环境的影响也最小。
使用上灵活:摆式列车发展方案是采取模组式转向架,动力和辅助系统设计,和中空挤压式铝型材加工的概念。动力可以采用柴油引擎(电力或油压式),或多伏电力马达,也可以安装各种冷暖气设备,可以在任何气候条件下行驶。
高效能和绝对安全的刹车系统:所有系统都配有电气、电子以及辅助系统,符合严格的国际惯用安全标准。摆式列车有两种刹车系统:速度在每小时250公里到45公里时用的是电动及气压式系统,速度在每小时45公里以下用的是气压式圆盘刹车装置。未了避免不同的车轮与轨道作用力而产生不同的刹车距离,摆式列车有一个装有感应点的止滑装置。

国际应用情况

意大利摆式列车为瑞士装配了24组最高时速200公里的ICN摆式列车,为西班牙装配了时速220公里的Alaris摆式列车,为英国装配了时速225公里的Virgin摆式列车,为葡萄牙装配了时速220公里的CPA4000系列摆式列车。
中国首辆摆式客车下线仪式

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