桥梁柔性对中低速磁浮车辆平曲线通过的影响

为研究桥梁柔性对中低速磁浮车辆在曲线半径为70.0 m的平曲线上运行时的动态响应影响,对通过柔性桥梁和刚性轨道时的车辆动态响应开展了对比分析. 首先,建立了122个自由度的车辆空间动力学模型,模型中考虑了具有主动悬浮与被动导向特性的二维磁轨关系;其次,利用三维铁木辛柯梁参数化建模方法,建立了由柔性桥梁组成的平曲线有限元模型;最后,通过悬浮力的联系形成了车辆-曲线桥梁系统刚柔耦合动力学模型. 研究结果表明:17.0 m跨径的圆曲线桥梁的自振特性和动位移响应满足相关标准要求;与车辆通过刚性轨道相比,柔性桥梁作用下的车辆系统动态响应更为剧烈,这种差异在车辆系统的横向动态响应上体现明显,而悬浮间隙和车体垂向加速度的响应差异较小,考虑刚性轨道时将高估车辆的曲线通过能力;柔性桥梁和刚性轨道两种模型计算得到的电磁铁最大横向位移不超过6.0 mm,悬浮间隙可在额定值的 ± 4.0 mm内波动,表明在开展对比计算的工况下车辆具有良好的曲线通过性能.      

磁浮车辆运行平稳性的虚拟激励分析方法

为方便、快速地分析多点输入轨道车辆的平稳性,基于虚拟激励原理,提出了平稳性分析方法。当车辆系统受多点全相关随机激励时,应用此方法将多输入多输出系统的响应功率谱矩阵的计算化简为两个矢量相乘,利用所获得的功率谱和随机振动中的反演技术,分析轨道车辆的平稳性指标。以TR08磁浮车辆为原型,建立了磁浮车辆的垂向动力学模型,运用虚拟激励分析方法计算了磁浮车辆的响应功率谱。在频域中,磁浮车辆车体中心处的Sperling指标为1.653,车辆的平稳性等级为优,通过反演运算获得了响应的幅值谱和时间历程,分析过程简单,计算结果准确。     

中低速磁浮车辆研究综述

基于电磁悬浮型中低速磁浮列车的工作原理,阐述了中低速磁浮各核心子系统(悬浮导向系统、牵引电机、走行机构、制动系统、轨道-桥梁结构等)的技术特征,综合分析了各子系统存在的技术问题和解决方案;梳理了日本Linimo列车、韩国EcoBee列车、长沙磁浮快线、北京磁浮S1线和西南交通大学自主研发的(悬挂)中置式磁浮列车的发展历程及技术特点,总结了中低速磁浮列车的技术重点和难点。研究结果表明：车-轨耦合振动应综合考虑悬浮控制、车辆结构参数、桥梁结构参数、空气动力效应、直线电机等因素的影响,建立完备的车-轨耦合振动研究模型;悬浮冗余匮乏可综合利用机械冗余和电气冗余的技术特点,对中低速磁浮的冗余设计方案进行改进;磁浮靴轨受流应与地铁靴轨受流区分,充分考虑磁浮列车的耦合作用特性,探索无缝供电轨技术在中低速磁浮中的工程实用性;悬浮控制由于控制器主频较低,程序运行周期过长,应提高控制算法和悬浮系统故障诊断技术的精确性和稳定性;车辆轻量化设计应在保证结构强度的基础上,综合考虑车体、走行机构等多因素的结构特点,以提高中低速磁浮列车运载能力;应综合不同磁浮线路要求,建立统一的线路标准,提高中低速磁浮工程化应用能力。     

中低速磁浮车辆-桥梁耦合系统动力性能试验

为探究中低速磁浮车辆-桥梁耦合系统的振动特性,对其在上海临港中低速磁浮试验基地开展了现场动力学试验,研究了车速和桥梁结构形式对耦合系统动力响应的影响;试验车辆采用(悬挂)中置式悬浮架,试验桥梁为25 m混凝土简支梁和25 m钢结构简支梁;为明确2种桥梁的固有振动特性,对其进行了模态测试;提取了不同工况下车辆-桥梁耦合系统的加速度及桥梁的垂向动位移信号;计算了垂向和横向Sperling指标、动力系数、梁端转角等车辆-桥梁耦合系统关键动力指标,详细分析了耦合系统的动态响应特性,评估了系统的振动水平。研究结果表明：混凝土梁和钢梁的垂向一阶固有频率分别为7.32、7.72 Hz,2种桥梁的各项关键动力指标均满足相关标准要求;混凝土梁和钢梁的最大加速度分别不超过0.2、1.4 m·s^-2;当车速为5 km·h^-1时,钢梁的垂向动力响应幅值约为混凝土梁的7.6倍;在测试的速度范围内,车辆的横向Sperling指标均小于2.5,表明车辆在混凝土梁和钢梁上运行时均具有优秀的横向平稳性;车辆空气弹簧悬挂系统的垂向固有频率峰值在车速为25 km·h^-1时达到最大,通过混凝土梁和钢梁的垂向Sperling指标分别达到2.687、3.340。测试结果可为中低速磁浮车辆-桥梁耦合系统的优化设计和数值模型验证等提供有价值的参考。     

车轮多边形化对车辆运行安全性能的影响

用Timoshenko梁、Euler梁分别模拟钢轨、直线电机定子与反力板,用集中质量块、三维实体有限元分别模拟有砟轨道、板式轨道,建立了直线电机车辆/轨道耦合动力学模型,分析了2种轨道上不同磨耗程度车轮对轮轨法向力和脱轨系数的影响.计算结果表明:当车辆以速度为60 km·h-1通过半径为300 m的曲线轨道时,在板式轨...     

高速磁浮悬浮架柔性特征对曲线通过性能的影响

为研究高速磁浮悬浮架小曲线通过动力学性能,考虑高速磁浮悬浮架柔性振动,建立悬浮架有限元模型,并计算其弹性模态,建立高速磁浮整车车辆动力学模型;应用同济大学磁浮试验线线路条件、试验速度曲线及拟合的轨道不平顺,分析了悬浮架柔性振动对悬浮、导向电磁铁间隙、电磁力的影响;同时,建立了刚性悬浮架动力学模型与之对比. 研究结果表明:R400小曲线通过时,电磁铁动力学性能受悬浮架柔性振动的影响较大,两种模型的导向力相差约12.5 kN,悬浮力相差约6.0 kN;通过试验仿真比较,考虑悬浮架柔性的计算结果更接近于实测结果;悬浮架垂向和横向振动的主频分别为10.4 Hz和13.2 Hz,分别与前后悬浮框相对点头、反相摇头模态频率相近;在研究控制参数优化、悬挂参数优化、运行稳定性等高速磁浮关键问题时应考虑悬浮架的柔性振动.      

悬挂参数对直线电机跨座式单轨车辆气隙稳定性和运行平稳性影响

胶轮驱动的跨座式单轨车辆在冰雪天运行时走行轮易打滑,影响车辆安全行驶.为解决该问题,设计了直线电机驱动跨座式单轨车辆方案,建立了直线电机跨座式单轨车辆动力学模型,分析了不同悬挂参数下车辆的气隙稳定性和运行平稳性.结果 表明:支撑轮刚度和橡胶弹簧刚度对电机气隙影响很大,但支撑轮刚度和橡胶弹簧刚度对车辆运行平稳性影响很小.     

基于全尺寸台架试验的中低速磁浮列车悬浮架强度评估

为评估某中低速磁浮列车悬浮架构架是否满足强度要求,利用自主研发的全尺寸中低速磁浮强度试验台对该悬浮架构架开展了静强度与疲劳强度试验,基于有限元和多体动力学仿真结果,确定了悬浮架构架的应力集中部位与承载特性;据此,在悬浮架构架上合理布置了系列测点,测量了车辆在超常载荷、模拟主要运营载荷和模拟特殊运营载荷3类工况下悬浮架构架的应变响应信号,根据悬浮架构架不同部位的材料特性,通过转换计算评估了悬浮架构架的应力水平。研究结果表明：在静强度试验中,悬浮架构架的较大应力点主要分布于托臂拐角、支撑轮安装座与防侧滚梁连接处、停放制动滑橇安装座等处,而在疲劳强度试验中的薄弱点主要为纵梁与托臂连接的焊缝处;相比于列车的常规运行工况,在悬浮失效、超载落车制动等特殊运行条件下,悬浮架构架的静强度和疲劳强度的应力幅值分别增加了1.06和4.77倍;所有测试工况下悬浮架构架受到的最大拉应力、最大压应力分别为67.22、-20.30 MPa,且最小安全系数为1.71,说明悬浮架构架满足结构强度要求;所有测试数据结果均在各自材料的Goodman-Smith疲劳极限图包络线内,说明悬浮架构架满足疲劳强度要求;经渗透探伤查验,悬浮架构架的任何位置上均未发现裂纹,验证了悬浮架构架疲劳强度评估结果的可靠性。     

缓和曲线线型对铁道车辆动力学性能的影响

分析了车辆在缓和曲线上的受力情况, 利用动力学仿真软件SIMPACK对转向架为ZK6的25t载货车辆通过3次抛物线型、4-3-4型、5次型缓和曲线时的动力学性能进行了仿真计算, 并与理论分析结果进行对比。对比结果表明: 缓和曲线线型对车辆动力学性能的影响较大, 特别是在连接点处; 3次抛物线型缓和曲线连接点处的动力学性能相对4-3-4型与5次型较差, 车体垂向加速度最大相差达到83%, 其他指标相差也在10%左右; 4-3-4型相对于5次型只是在缓和曲线上的分段点处的车体垂向加速度相差63%, 而其他动力学性能指标相差均在2%以内; 4-3-4型和5次型要体现其优势则需要增加其长度。     

滑差对重载列车轮轨黏着特性与表层损伤的影响

在自行研制的小型轮轨滚动磨损实验机上,以CL60车轮钢和U71Mn钢轨钢配副为研究对象,通过控制轮轨的转速,研究滑差对重载列车轮轨黏着特性与表层损伤的影响.结果 表明:滑差对轮轨黏着特性存在显著影响,在所测试的若干工况下,随滑差增大,轮轨黏着系数增大;滑差影响轮轨的磨损量,随滑差增大,轮轨磨损量增加;轮轨表面硬度随滑差...     

超导EDS磁浮列车多级悬挂方案优化与动力学性能

研究了超导电动悬浮(EDS)磁浮列车悬浮架的悬挂方案,分析了超导EDS磁浮列车的工作原理和既有悬浮架的悬挂系统技术特征,提出了一种多级悬挂系统优化方案,从理论上推导了多级悬挂车辆的动力学微分方程;基于多体动力学软件SIMPACK与数学工具MATLAB/Simulink搭建了超导EDS磁浮列车动力学联合仿真框架,分析了超导EDS系统的磁力特性;将计算得到的电磁力组建成一个查找表,利用SIMPACK分别构建了既有悬挂方案和多级悬挂方案下3车体和4悬浮架的三编组超导EDS磁浮列车机械模型,借助MATLAB/Simulink建立了电磁力查找模型,通过SIMAT模块将查找表与机械动力学模型耦合,并通过联合仿真对比了在轨道随机不平顺条件下不同悬挂方案的超导EDS磁浮列车动力学响应。研究结果表明：与既有方案相比,采用多级悬挂方案时列车悬浮架和车体的振动响应明显减小,二者振动加速度峰值降幅均达到50%以上,车体振动加速度均小于1 m·s^-2,车体各向平稳性指标基本保持在2.5以下的优秀水平,证明采用多级悬挂方案可以改善列车运行时的动力响应,提高车辆整体的乘坐舒适性。研究工作可为超导EDS磁浮列车的悬浮架方案优化设计和动力学研究提供理论依据和参考。     

地铁车辆直线电机恒隙控制仿真

为了研究直线电机悬挂方式对车辆动力学性能的影响, 以及通过主动悬挂以减小直线电机气隙变化和轮轨冲击力, 建立了基于多体动力学的地铁车辆仿真模型。采用经典电磁场理论建立了直线电机电磁力仿真模型, 以及机电作动器驱动的直线电机恒隙控制系统模型。采用数值仿真研究了直线电机恒隙控制方法及其对车辆动力学性能的影响。仿真结果表明: 直线电机采用架悬结构并选择大挠度的一系垂向弹簧时, 气隙变化主要是由载荷变化引起的, 变化频率很低, 易实现恒隙控制。恒隙控制可以保证车辆在不同荷载工况下满足气隙要求, 降低轮轨垂向作用力10 kN左右, 减小车体垂向平稳性指标0.1左右。车辆动力学性能较传统直线电机车辆得到改善, 并能提供平稳的牵引力。     

基于SIMPACK的磁悬浮车辆耦合动力学性能仿真模型

为了有效评价磁悬浮车辆动力学性能,引入SIMPACK仿真软件,根据磁悬浮车辆多体系统动力学拓扑关系图,建立了磁悬浮车辆-轨道-控制系统的耦合动力学模型,分析了试验结果和仿真结果。在模型中,磁悬浮车辆被视为多刚体,并具有两系悬挂系统,轨道被视为弹性欧拉梁,并考虑了磁悬浮车辆的控制系统性能。数值分析结果表明:梁的最大变形的计算值为1.5mm,试验值为1.6mm,车体的垂向加速度仿真结果与试验结果基本一致,利用仿真模型能较准确地预测耦合系统的动力学性能。     

低速磁浮车辆动力学建模与导向机构仿真分析

在分析低速磁浮车辆结构及其运动学关系基础上, 利用SIMPACK软件, 建立了含主动悬浮控制的76个自由度的磁浮车辆虚拟样机模型, 开展了基于整车动力学的低速磁浮车辆导向机构仿真分析, 研究了T形臂、横向滑台及两者之间的运动学规律。仿真结果表明: 在300 m半径曲线和三转向架结构条件下, 为了保证磁浮车辆顺利通过曲线, 磁浮车辆导向机构前T形臂长度应大于后T形臂长度, 两者比值的优化区域在1.50和2.00之间; 车辆头尾T形臂相对于车体的转角幅值大小基本相同, 方向相反, 对应滑台的横向位移曲线形状与幅值基本相同; 同一转向架前后滑台的最大横移量之比等于前后T形臂长度之比。     

基于交叉感应回线的磁浮车辆连续测速定位方法

分析了交叉回线区域空间磁场分布, 利用磁通密度纵向分布周期性特征, 将车辆位移、速度用感应电压包络信号相位角与角速度来表征; 建立了采用简单交叉回线的车辆测速定位状态空间方程组, 将车辆运行位置和速度作为状态变量在测试过程中连续输出; 考虑实际运行工况下的复杂电磁环境, 引入了噪声自适应算法, 提出了基于新息自适应的磁浮车辆实时连续测速定位计算方法; 在实验室条件下建立了交叉感应回线标定系统, 验证了方法的基本原理; 为了验证方法的有效性和准确性, 进了数值仿真算例分析, 考虑正常噪声和突变噪声工况, 并对比了包含和不包含自适应噪声处理过程的计算结果。试验结果表明: 不同间隔距离条件下, 感应电压包络线都接近于正弦波, 1次谐波是包络信号的主要成分, 相同阶次的谐波幅值与间隔距离成近似线性关系, 与理论分析结果一致; 在正常噪声区段, 速度误差不超过0.03 m·s^-1, 定位误差约为3 mm, 在突变噪声区段, 速度误差均值为0.027 m·s^-1, 最大值为0.130 m·s^-1, 定位误差均值为4.82 mm, 最大值为23.39 mm, 说明测速定位方法可以满足实际应用需求; 数值仿真中突变噪声区段的低信噪比信号在实际应用中是极端情况, 对比正常噪声区段和突变噪声区段的计算结果可知改善输入信号的信噪比可以明显提高测试精度。     

Structure analysis of levitation chassis of medium-to-low speed maglev vehicles based on left-right decoupling

Levitation chassis,as an extremely important component of maglev vehicles,provides functions of transmitting levitation force and steering force,and directly affects the safety performance of the vehic...     

轨道随机不平顺下磁浮车辆非线性动力学特性

基于柔性轨道研究了随机不平顺下磁浮车辆的动力学特性, 在将轨道受力分解为分段链式结构的基础上, 提出了一种磁浮车辆垂向悬浮稳定性分析方法, 定义了不同悬浮力作用于各自悬浮点时柔性轨道的振动固有频率和模态矩阵; 建立了轨道分段链式结构的离散形式和轨道结构的运动方程, 采用虚拟激励法将轨道不平顺产生的随机激励转化为系统输入激励, 并将轨道随机高低不平顺作为振动激励源进行车轨振动控制; 在不同反馈控制参数下采用电压反馈双环PID控制器数值仿真车辆的悬浮状态, 并分析了轨道随机不平顺激励下反馈控制参数对磁浮系统稳定性的影响。研究结果表明: 当磁浮车辆速度为50~80 km·h^-1, 位移反馈参数、速度反馈参数和电流反馈参数分别为140 000、50、500时, 车辆可以从起始间隙16 mm快速定位到平衡位置间隙9 mm, 在2.2 s时即可稳定悬浮, 系统的超调量和稳态误差分别为1.50和0.13 mm, 且系统振动频率趋近于0;当位移反馈参数、速度反馈参数和电流反馈参数分别为15 000、50、400时, 磁浮车辆在轨道随机不平顺作用下的悬浮稳定性变差, 系统在9 s左右逐渐趋于稳定, 但仍旧在平衡位置上下浮动, 且系统振动频率和振动幅值分别为7 Hz和0.5 mm; 当磁浮车辆的速度超出50~80 km·h^-1时, 第1组反馈控制参数不再适用, 磁浮系统在1.7 s左右发散, 车辆失稳, 表明在不同车辆速度和反馈控制参数的作用下, 轨道随机不平顺能显著影响磁浮车辆的悬浮稳定性。