[科普中国]-摆式列车

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左右倾斜摆动的列车，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。

简介摆式列车（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左右倾斜摆动的列车，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1。

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运动的影响。这是因为车内的物件以本来惯性向转弯路径切线方向前进，与转弯中车辆的前进方向不一致，于是需要额外的向心力使其沿轨道行进。在铁路列车上，这种"向心力"需要车内物体与车底的摩擦力和支持物提供，如果摩擦力不够就会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，而站着的乘客更可能失去平衡而跌倒。

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，高速公路及高速铁路的路轨在弯曲处都被建成向内倾斜的弧形。这样车内的乘客需要的向心力便可以由支持力的水平分力提供。

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，向心力过大使轮胎和地面的摩擦力无法提供足够的向心力而引致汽车打滑。对铁路来说，钢轨对轮对没有摩擦力，靠轨道挡住向外的轮对。过高速度过弯道所需要的向心力在轨道与轮对形成的变形杠杆上超过了阻力，车皮就会翻侧。将路轨建成斜的弧形亦是避免这种可能的方法。但是如果速度过低，重力的水平分力远大于列车需要的向心力，车皮就会向弯道内侧翻，这就是为什么铁路上的限速不是最大速度而是必须速度的原因。（如标注80即列车行驶速度必须为80左右，不得高于或低于80）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。法国及日本的高速铁路结果都需要建造专线，尽量减少弯曲的路线。至于其他因为多山，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，有的摆式列车采用径向转向架以减少通过曲线时的轮轨作用力1。

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°,采用带控制的无源摆的角度可达3-6度，能提高常规列车曲线运行速度10 %～20 %。

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 %。但是采用改变转向架二次悬挂空气弹簧充气高度不同的模式实现的强制摆，最大角度为2度。提速幅度多为10%以内但是造价更低廉。

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1。

各国发展历程欧美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。

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。

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）。

亚洲日本于1972年投入的381系是世界最早投入运营的动力分散摆式列车，最高速度120，曲线600米+25kph。最大倾摆角度5度，不带受电弓反摆，属于无源摆。381系仍有不少车次使用。由于无源摆固有的缺点，381系被有晕车电车、跳舞的电车等别称。

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。

中国台湾地区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，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最快的窄轨铁路。

中国大陆（SJ 2000列车，国内定名广九直通车，运营时期1998年8月28日至2007年4月止）

自1994年中国的广深铁路完成160km/h级别准高速改造后，经长时间实际运用证明了广深铁路有在既有线运行200km/h高速列车的潜力，但广深线弯道较多是一个主要限制。而同时中国铁道部已了解到当时中国缺乏先进的高速铁路技术，希望引进国外技术。经考察后，广铁集团于1996年11月与瑞典ADTranz签订租用一列X2000列车，租期两年，租金每年为180万美元。用以服务在广铁集团运营的广深线铁路上，并尝试以最快速度引进X2000的技术，及测试摆式列车在中国的可行性。当时引进X2000的主要考虑是摆式列车能广泛应用于既有线的提速，无需建设新线，投资较少，只需在现有铁路信号系统加装部分设备即可运行。列车于1998年初运抵中国天津，被命名为“新时速”高速列车，其编组比北欧的增加了一节客车。X2000在中国铁道科学研究院北京环行铁路完成试验后，由1998年8月28日起担当每天各两对广九直通车和广深城际列车。但瑞典方面并未提供电子维修技术给予中国，当时列车的维修工作需在香港由瑞典工程人员进行。后来广铁集团把整组X2000买下，用以取得电子维修技术。此后各级维修都是由中国的维修人员完成，配件主要由国外购入，部分在国内制造，由收购了ADTranz的“庞巴迪瑞典”提供有限的技术支援。

随着新型动力分散式高速动车组CRH1于2007年投入到广深线上，广深线的信号系统也做了更新和升级，原本在X2000列车上的车载信号系统已经不能适应线上的新系统，而且X2000因长期超负荷运行，故障率和维修成本也相应增加。2007年1月15日，X2000途径深圳笋岗站时车尾突然冒烟。X2000由2007年4月19日起停运。随后被调往成都铁路局并于2007年9月27日运抵重庆，当时预计最快会于2007年11月底起运行成都和重庆之间，但后来并没有投入载客运行，却在重庆搁置了一年，最终在2008年12月21日运返广州。据闻有两个原因，其一是因2008年5月12日发生汶川大地震，成都铁路局急需修复四川省内的铁路（因宝成线、成昆线及相关支线线路多处塌方而要急于重修），而且X2000维修费用高昂，以致成都铁路局无能力替列车进行维修而退还予广铁集团。其二是因为有当地司机违章操作造成列车车辆轮对被损坏。2012年5月21日早上，停靠在广深石牌动车所的X2000列车被牵出准备运回瑞典。列车由东风5D-0008调机先拖往广州东站，随后由DF4B-3859机车拖往黄埔港支线，在黄埔塘口更换DF5D-0001机车后，进入黄埔港停放。2012年5月27日早上10点，X2000开始拆解吊装上香港籍货轮“大彤云”号，货轮在8月上旬到达瑞典。瑞典国铁表示中国的X2000回到瑞典后将进行更新工程，将于2013年8月重新投入瑞典本土使用。

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1。

国际应用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。

国内应用2003年5月我国自主设计研制的首台摆式列车牵引动力车——普天号在大连机车车辆厂问世，并与唐山机车车辆厂制造的摆式车厢组成摆式列车，从而填补了我国这一产品领域的空白。普天号摆式动车组动车装用12V240ZJD-1型柴油机，机车标称功率为3250kw，采用微机网络控制以及国际领先的径向全悬挂转向架。唐山机车车辆厂和南京浦镇车辆厂还研制了时速160km的动力分散内燃液力传动摆式动车组。该摆式列车采用了德国先进的机电主动倾摆技术，曲线通过速度将比普通客车提高20%-30%。列车编组为4到5节车厢，为保证安全性和可靠性，该车运用了大量的先进技术，并可采用两种编组方式运行。当前中国还将在引进吸收国内外摆式高速列车先进技术的基础上开发时速250公里的摆式动车组1。

本词条内容贡献者为:

石季英 - 副教授 - 天津大学