摆式列车

铁路运输的复兴主要得益于火车速度的提高。即使如此,现在火车的运营速度还远不能跟上当今世界的快节奏和人们的希望。为此,许多国家试图摆脱传统火车运行的模式,如何在各国已经建有的密如蛛网的铁路资源的基础上来安全而有效地提高 列车运行速度,是一条高效率、低成本之路。

原有铁路线路由于受弯道限制,火车无论在直线跑多快,通过弯道时都需减速,限速运行,影响全程速度,因而火车提速的瓶颈在于提高火车通过弯道时的速度。这种能快速通过弯道的新车型就是"摆式列车"。

我们知道,列车转弯时需要一个指向弯道内侧的向心力,否则,列车将会由于离心作用而脱轨。传统的轮轨铁道是采用将弯道外侧铁轨适当升高,列车转弯时稍微内侧,只要倾斜度与列车在弯道时的速度配合恰当,路基对列车的斜上的支持力和列车重力的合力便刚好提供列车转弯时所需的向心力。但是,外侧铁轨高度的提高有限,而且是修建时就固定了的,列车过弯道时速度也不可能太高,并且运行速度也不可能与设计值完全吻合,这样,在弯道处就会增加铁轨的不均衡磨损。同时,列车通过过渡弯道(由直道进入弯道的部分)和通过稳态弯道所需的向心力是逐渐变化的,单考列车速度的调节也难以适应。

随着车辆设计制造技术的不断提升以及电脑控制技术的成熟和应用,列车转弯时的提速难题便较好地解决了。简单地说,就是应用电脑控制液压机构,与检测仪器配合,根据转弯的半径和速度,自动调节每节车厢的倾斜角度,从而达到高速、安全、舒适转弯。

第一列摆式列车于1972年在美国投入运行,二十世纪九十年代,摆式列车技术日趋成熟,逐渐成为一种标准的铁路技术,而其应用也扩大到了十几个国家,包括10个欧洲国家,所有大型车辆制造商现在都供应行驶在地方铁路和高速铁路上的摆式列车。

摆式列车与现有普通列车的最大区别在于,第一,当列车进入弯道运行时,根据列车速度、弯道半径和轮轨作用力大小等情况,由动力车上的微机网络系统向列车发出信号,给出每节车厢应倾摆多少、什么时间开始倾摆等指令,并通过安装在车辆上的特殊装置向内侧倾斜,抵消离心作用,使列车可以较快速度通过弯道,有效提高列车的全线运行速度,同时,乘客也会由于列车在弯道上的自然适度倾斜而感到舒适,驶离弯道后受控计算机按设定程序使各拖车伺服机构依次恢复原状；第二,采用新型径向转向架,在弯道时可使轮对的轴线接近曲线半径方向,可大大减缓轮轨间横向作用力和磨耗,为列车在曲线上高速运行创造了条件。

我国大连机车车辆厂自主研制的摆式列车牵引动力车设计方案2002年3月通过评审,设计最高时速为160公里,车头为流线型,车上装有WTB机车网络系统,实现对全列车的全面监控。这种列车的全称是"动力分散内燃液传摆式列车", 特点是内燃式液压传动,采用新型径向转向架,当列车通过曲线时,列车前端的传感器检测到的有关线路和列车运行参数,将通过电脑计算出每节车厢的倾摆角度,然后通过每节车厢的机电动作器实现车辆主动倾摆,可有效地减少机车车轮与钢轨间的磨擦,降低轮缘磨耗,其磨耗 量仅为普通转向架的十分之一左右,可以延长机车车轮和钢轨的使用寿命,同时有效地提高了弯道通过能力,速度至少可以提高30%。图4是我国自主研制的首列摆式列车。

　　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。若果车速高，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。法国及日本的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。这些国家于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。

早期的车体倾斜装置可区分为：利用惯性把离心力透过连杆等机械装置使车体自然倾斜的自然倾斜式(被动摆式)与利用传感器检测离心力大小再透过电动或油压等方式强制使车体主动倾斜的控制形倾斜式(主动摆式)；前者主要是由日本于国铁时代所研发并加以实用化，而后者主要是由欧洲方面所主导，其中又以意大利所开发的倾斜式列车最为成功与普及！

在日本，自然倾斜式的列车开始营运以后，便有许多乘客出现类似晕车或晕船的不适应感。经追查后发现其最大原因在于：自然倾斜装置在使列车倾斜地通过曲线轨道后，恢复正位时会产生如钟摆效应般的左右来回晃动。在了解原因后，开发者为此增加了抑制来回晃动的机构。之后又为了加强自然倾斜式列车的性能：增加了利用列车上的ATS检知系统，预先得知前方弯曲路线的资料；使列车在进入曲线轨道前先缓缓地倾斜车体，并在通过曲线后迅速地恢复正常位的控制形自然倾斜式。此种倾斜方式于1990年代开始进入实用化，并受到民营化之后的各家JR旅客铁道公司青睐而纷纷加以采用。

除了上述的车体倾斜控制系统，另外还有一种利用转向架上空气弹簧气压控制列车微幅倾斜的装置。相对于传统的倾斜装置，这种利用空气弹簧内的气体压力改变，而使列车能微幅左右倾斜的装置有着低成本与轻量化的好处；故也被称为简易型倾斜装置。在日本，最新型的N700系新干线也采用了这套简易系统来提升其过弯的速度！　

1969年，首列摆式列车UnitedAircraftTurbo（UAC）在加拿大国家铁路投入服务，一直在多伦多至蒙特利尔之间行驶，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年代曾研究发展出名为AdvancedPassengerTrain（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。

加拿大之后亦发展出LRC（Light,Rapid,Comfortable）摆式列车，由庞巴迪公司制造。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，之后在加拿大使用至今。

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。之后曾尝试在莱茵河谷使用，后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于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。

台湾铁路管理局（台铁）已向日本日立公司采购与日本JR九州“885系”电车同型之傾斜式列車，于2007年5月8日正式投入树林～台北～花莲间营运。详见太鲁阁号。

日本亦有不少的摆式列车，称为振子列車，除了新干线的N700外，都是窄轨车型。澳大利亚昆士兰州的长途火车，从布里斯班至凯恩斯有混合的电气柴油列车，而布里斯班至洛咸顿之间为电器化的窄轨摆式列车（TiltTrain），是目前最快的窄轨铁路。　

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。

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。

"摆式列车"和" 高速列车"

摆式列车可以有效地提高列车弯道速度,其实就是对列车采用了"倾摆技术",现代的高速列车也可以引进"倾摆技术"以提高列车在弯道处的速度,从而全面提高高速列车的速度。我国具有国际先进水平的,完全自主知识产权的"中华之星"高速列车将于7月前后投入北京至沈阳北的试运营其运行时速将达250公里,而最高设计运行速度为每小时270公里,。即使达到了这样高的速度,西南交大牵引动力中心目前仍在对"中华之星"采用"摆式技术"进行可行性研究,一旦高速列车"中华之星"采用摆式技术后,意味着其不但在高速路轨上运行速度还可进一步提高,而且可以在普通铁路线上营运。交大牵引动力中心负责人李芾教授说："从技术上讲,中华之星采用摆式技术已完全具备"。

"摆式列车"、"高速列车"和" 磁悬浮列车"

"摆式列车"、"高速列车"和"磁悬浮列车"都是为了提高列车运行速度而打造,它们之间各有强弱。

与现在的普通铁路系统相比,磁悬浮列车虽然具有显著的高速度,但也具有同样显著的高成本(修建和运营)。它的机车、轨道和信号控制系统与现在铁路系统完全不同,因此不能对现有的铁路系统进行改造利用,而且目前磁悬浮技术的供应商只有德国一家,无从选择,当然,磁悬浮代表未来的新新技术和发展方向。但是,许多国家目前已建成了自己的铁路网,要摆脱这些铁路网,建造全新的磁悬浮列车系统,不但是一种浪费,也是很多国家无力承担的。因此,与建设磁悬浮列车线路相比,怎样利用现有的铁路网是许多国家面临的更现实的问题。

摆式列车是一种可以在原来轨道上运营的新型列车,它通过采用新的悬挂体系、转向仪和加速仪,使列车运行速度提高了1/3。十多年来,摆式列车技术发展很快,现已运营于欧洲大陆,菲亚特公司的摆式列车穿梭于意大利、德国、芬兰、西班牙、捷克等国,英国、瑞典也开始把自己的摆式列车投入运营,美国准备在华盛顿到波士顿线路上使用摆式列车,就连高速列车技术上的强国法国,也准备开发在传统线路和磁悬浮线路上都适用的摆式列车技术。摆式列车虽然在知名度上没有磁悬浮列车高,但它却有前者无可比拟的成本优势。把传统列车线路改成摆式列车线路,成本只是建造磁悬浮车线路的1/20,其设施更新费用在国外只相当于新建高速铁路的1～2%。而摆式列车本身的价格只比传统列车多1/3左右。"摆式列车"和"高速列车"都是基于轮轨技术,特别是摆式技术与高速列车相结合将会大大提高列车的运行速度和运营效益,并且,目前国际上基于高速轮轨技术的供应商有德、日、法等国,选择余地较大。