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电磁型磁悬浮列车动力学研究综述(1)(2)

2015-04-02 01:03
H. Yoshioka 等在文献[ 10～13 ] 中介绍了山梨磁悬浮试验线ML X01 型磁浮列车车辆结构的有关细节,给出了试验车辆转向架简图,并进行了两组车试验,分析了车辆动力学性能,包括悬浮性能、横向定位及稳定性能。
赵志苏等分析比较了磁悬浮列车3 单元、4 单元、5 单元转向架的几何结构和转弯时的运动关系[ 14 ] ,认为: ① 在同一车厢长度的条件下,应选用5 单元结构转向架; ② 从简化结构和缩短导向滑槽长度角度,应选用3 单元结构转向架; ③ 从减小进入弯道时的冲击角度应选用4 单元结构转向架。上海磁悬浮列车是德国TR208 型的改进型,每节车由4 个完全相同的磁浮架连接而成,每个磁浮架由2 个相同的模块组成,每个模块上由4 个电磁铁和一个推进电机组成,具有独立悬浮、导向与推进功能[15～17 ] 。

3 　磁悬浮列车2轨道动力学
在磁悬浮列车推进技术研究中,人们发现许多磁悬浮列车特有的现象,例如:德国的TR204 型及日本的HSST204 型在实验中发现: ① 运行时车体发生结构振动; ② 双面直线电机引起侧向不平衡; ③ 在钢架桥上悬浮时与桥架一起振动,而在混凝土桥上则无此现象[ 18 ,19 ] 。上海磁悬浮试验车在调试时,就发现了车辆与钢梁共振的现象。
认为轨道是刚体,列车悬浮系统与轨道之间没有耦合关系,故不考虑轨道对车的影响,这在轨道刚度系数很大的实验室内模型车分析时具有足够的精度。但实际线路中,轨道是有弹性的,轨道存在振动。引起振动的原因有: ① 当磁浮车通过轨道时,引起轨道在垂直方向上的静态弯曲; ② 由于轨道梁和悬浮系统间相互作用而引起的轨道动态弯曲; ③ 由于轨道梁的连接和轨道表面引起的几何不规则。因此,轨道的弹性振动和动态变形必须要考虑。
评定磁悬浮列车运行品质的一个重要指标是保证磁悬浮列车能够在各种扰动作用下具有平衡稳定的悬浮。由于磁浮列车的车厢是通过弹簧、阻尼系统与磁悬浮转向架联结的,分析测试悬浮体与二次悬挂体质量、运行速度、轨道长度、磁轮长度、轨道阻尼等对磁悬浮系统的动力特性的影响,研究车厢、悬浮转向架与弹性轨道之间的耦合动力特性是必要的。

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轨道的弹性变形对列车的安全和动力特性的影响是目前磁浮列车研制中所关注的主要问题之一。悬浮力作用下的轨道动力学问题最初由Chiu 等人[20 ] 提出,Meisenholder 及Wang[ 21 ] 和Katz 等人[ 22 ] 做了初步研究,给出了轨道变形特性。Chu 和Moon[23 ] 提出考虑横向2 自由度(横移和摇头) 的模型,理论和实验证明出现了离散现象。Chiu 等[24 ] 和Katz 等[ 25 ] 研究了磁力作用下轨道梁的特性。Cai 等人[ 26 ,27 ] 又在Katz 模型基础上建立了多体、多载磁悬浮列车与弹性轨道耦合的动力学模型,定量揭示了车体垂向加速度、车体所装磁体组数、列车车体个数及运动速度等对轨道动力变形和列车动力特性的影响规律。在这些研究中, 悬浮磁力多数是通过等效线性悬浮刚度来描述的,弹性轨道对动力控制稳定性及其动力特性的影响还不清楚,未能完整地反映出磁悬浮系统的动力特性。谢云德等在分析EMS 列车系统结构特性的基础上,建立了铅垂方向的动力学模型,仿真分析了弹性轨道、悬浮电磁铁、弹簧及液压阻尼对系统频带和刚度的影响[ 28 ] 。
针对车厢、悬浮转向架与轨道之间的耦合动力特性,武建军等通过对弹性变形轨道上2 自由度磁悬浮列车耦合系统动力特性的数值研究,讨论了系统特征参数(悬浮体质量、运行速度、轨道长度等) 对磁悬浮系统的动力学特性的影响方式,并分析了弹性轨道变形特性[ 29 ] 。根据数值仿真结果,得出系统受控稳定性情况下的控制参数。谢云德等建立了轨道梁有限单元的动力学方程组,对轨道结构参数与频率、振型、极限速度之间的关系作了初步探讨,分析了车轨耦合系统发生自激振荡的原因,并对单铁加载试验过程中出现的自激振荡现象作出解释[ 30 ] 。Y. Zhang 等[ 31 ] 根据机械悬浮车辆的实际参数,用随机振动理论对HTS 型磁浮车进行了动力学分析,建立了简单的模型。这篇文献同样侧重数值仿真。S. Ohashi 等[ 32 ] 计算了有3 个车厢、4 个转向架的电磁式和电动式磁悬浮列车通过曲线时的位移和扭矩。