磁浮列车车辆—轨道耦合振动及悬挂参数研究

基于磁浮列车车辆－轨道耦合振动模型,建立了动力学方程,利用编制的仿真程序对车辆轨道的耦合动进行仿真分析,对于悬挂参数特别是模块侧滚约束参数的影响进行定量研究,确定了悬挂参数的取值范围,并据此对青城山磁浮试验车的悬挂参数和设计提供出了建议。     

一系垂向悬挂对重载货车轮轨动力作用的影响

为了实现机车车辆低动力作用,基于车辆/轨道耦合动力学原理,应用车辆与线路最佳匹配设计方法和车辆/轨道空间耦合动力学模型,仿真分析了重载货车一系垂向悬挂对轮轨动力作用的影响,优化了一系悬挂参数,降低了重载货车轮轨动力的相互作用.研究结果表明:一系垂向刚度对车辆轮轨动力作用影响甚微,一系垂向阻尼在高量值范围增加阻尼值,减轻轨道结构的振动,加剧车辆本身振动;重载货车一系垂向阻尼取50～500 kN.s/m为宜.     

车辆-轨道系统耦合高频振动的研究

车辆-轨道垂向耦合振动是车辆-轨道耦合动力学主要研究课题.建立了车辆-轨道垂向耦合Timoshenko梁高频振动模型,运用快速积分方法编制仿真程序,对扁疤激励情况下的轮轨垂向高频振动进行系统仿真与分析,并与Euler梁模型仿真结果进行比较.结果表明,车辆速度与车轮扁疤的长度对轮轨系统振动有很大的影响;在高频情况下,进行振动与噪声的研究时,建议使用Timoshenko梁模型.     

车辆-轨道系统耦合高频振动的研究

车辆-轨道垂向耦合振动是车辆-轨道耦合动力学主要研究课题.建立了车辆-轨道垂向耦合Timoshenko梁高频振动模型,运用快速积分方法编制仿真程序,对扁疤激励情况下的轮轨垂向高频振动进行系统仿真与分析,并与Eu ler梁模型仿真结果进行比较.结果表明,车辆速度与车轮扁疤的长度对轮轨系统振动有很大的影响;在高频情况下,进行振动与噪声的研究时,建议使用Timoshenko梁模型.     

基于目标级联分析法的车下设备悬挂参数优化设计

为改善高速列车运行舒适度和车下悬挂设备的振动水平,建立了车辆-设备系统垂向动力学模型,推导了车辆系统振动加速度频率响应函数;结合轨道不平顺激励谱函数计算了车下悬挂设备振动加速度均方根,联合人体舒适度加权滤波函数计算了车体振动参考点的垂向舒适度指标;引入目标级联分析(ATC)法逐层分解车辆-设备系统振动指标,构建了车辆-设备系统两层指标分解数学模型,采用指数罚函数策略协调两层振动指标之间的耦合问题;提出了以车辆运行舒适度和车下悬挂设备振动加速度为指标的多目标优化方法,建立了以车下设备悬挂刚度和阻尼为设计变量的优化模型;联合车下设备悬挂参数动力吸振器(DVA)设计法对比探讨了ATC法在复杂车辆系统参数优化设计中的应用效果。分析结果表明:与DVA设计法相比,ATC法优化后车辆中部舒适度在300 km·h-1工况下提高了8.5%,设备振动水平减小了约20%;在全速域区间,ATC法对车体中部的振动衰减是DVA设计法的2倍,且对设备的振动衰减比DVA设计法大4.5 dB;与优化前相比,ATC法优化后车辆中部舒适度指标最大提升了15%,设备振动加速度减小了0.18 m·s-2。由此可见,ATC法可以运用于复杂轨道车辆结构参数优化设计中,能有效改善车辆系统的振动水平,也可为车下设备悬挂参数优化设计提供指导。      

车下设备对车体振动的影响

为了考虑车体的弹性振动,将车体等效成欧拉伯努利梁,建立了车体与设备垂向耦合振动模型,研究了车下设备刚性悬挂与弹性悬挂对车体振动幅频特性的影响。基于模态叠加法原理建立了考虑车体弹性振动和车下设备的高速动车组三维刚柔耦合动力学模型,分析了车下设备悬挂方式、重心偏载与弹性悬挂参数对车体振动响应的影响规律。采用欧拉伯努利梁模型的数值分析结果表明：基于动力吸振器原理,当车下设备采用合理的弹性悬挂参数时能够有效抑制车体的弹性振动,并提高车体的垂向弯曲频率。采用三维刚柔耦合动力学模型仿真结果表明：车辆运行速度越高弹性悬挂的优点越明显,车下设备横向偏载主要影响车体的横向振动特性,纵向偏载主要影响车体的垂向振动特性;当车下设备的悬挂频率接近车体的垂向弯曲频率时能够降低车体的整体振动水平,当车下设备的悬挂频率低于车体的垂向弯曲频率时,提高车下设备弹性悬挂系统的阻尼能够在一定程度上抑制车体的弹性振动。     

不同线路条件及运行速度下高速列车振动性能分析

高速列车的振动特性直接影响旅客乘坐的舒适性和列车运行的安全性．为了分析不同线路条件和运行速度对高速列车振动特性的影响,建立了车辆-轨道耦合系统模型,并以德国高速轨道谱和我国干线轨道谱产生的轨道随机不平顺作为耦合系统的激励,通过Newmark数值积分和Matlab仿真,计算了高速车辆在高速线路和提速干线条件下车体、构架、轮对等车辆各部件和轨道部件的振动响应．研究结果表明,随着列车运行速度的提高,高速车辆各部件振动响应均显著增大;线路条件对高速列车轮对及轨道系统振动的影响较对车体系统振动的影响明显．     

高速综合检测列车车体与车下设备耦合振动分析

针对时速400km高速检测列车,建立了刚柔耦合的车辆非线性系统动力学模型,探讨了车下弹性悬挂系统的振动特性．通过仿真和理论分析,研究了检测列车整备状态车体结构模态参数与车下悬挂设备模态参数间的匹配关系,给出整备状态车体与车下有源设备最佳模态参数匹配原则,确定了车体与车下设备悬挂件最佳匹配参数．研究结果表明：该方法可以根据车下悬挂系统的动态响应,有效确定时速400km高速检测列车的最佳车下悬挂方案．     

基于有限元和模态法的轮轨动力对比分析

目前,分析车辆-轨道耦合动力学的主要方法有有限元法和模态法,为深入对这两种方法进行比较,分别利用有限元法和模态法建立车辆-轨道垂向耦合动力学计算模型。同时将轨道高低不平顺视为平稳各态随机特征,考虑美国轨道6级谱,仿真计算系统垂向耦合振动。在时域范围内对二者仿真结果进行比较。通过对所获结果的观察分析得出有限元法和模态法这两种方法在仿真计算车辆-轨道垂向动态耦合响应上具有同等的计算效果,但模态法计算速度快,有限元法比模态法精确。     

机车车辆横向动力学性能仿真——车辆-轨道耦合模型与传统车辆模型的比较

运用经过大量线路实车运行试验验证的车辆－轨道耦合动力学仿真软件TTISIM，对传统车辆动力学和车辆－轨道耦合动力学两种类型模型的横向动力性能进行了比较与分析。结果表明：车辆无论是在直线上运行 是通过曲线轨道和道岔时,采用传统模型计算所得的轮轨横向相互动作用力均较采用耦合模型计算的大；仿真计算车辆蛇行失稳临界速度时，采用前一模型俐到的结果较后者偏高；而两者计算所得的车辆垂向与横向振动差别甚小。     

磁浮列车静悬浮车轨耦合振动对比分析

为研究二系悬挂中置与端置的两种三悬浮架低速磁浮列车的车轨耦合振动特性,依据牛顿第二定律建立了其垂向车轨耦合动力学模型.首先通过动力学方程分别分析了两种磁浮列车车体和悬浮架之间的耦合关系,然后研究了两种磁浮列车悬浮架均存在0.09°的初始角位移时的动力学特性,最后研究了两种磁浮列车中二系悬挂对悬浮架作功的差异.研究结果表明:与二系悬挂端置的磁浮列车相比,二系悬挂中置的磁浮列车,车体与悬浮架之间的耦合关系更少;当两种磁浮列车悬浮架均存在0.09°的初始角位移时,采用二系悬挂中置的磁浮列车与采用二系悬挂端置的磁浮列车相比,前者具有更小的车体位移、车体垂向振动加速度、轨道梁振动位移和悬浮间隙波动;以上4个参数前者最大值分别为0.005 mm、0.004 m/s²、0.004 mm和0.005 mm;而后者最大值分别为0.023 mm、0.02 m/s²、0.021 mm和0.02 mm;与二系悬挂端置的磁浮列车相比,二系悬挂中置的磁浮列车,其二系空气弹簧对悬浮架作功更小,仅为前者的50%.     

Vibration analysis of continuous maglev guideway considering the magnetic levitation system

The dynamic interaction between moving vehicles and two-span continuous guideway was discussed. With the consideration of the magnetic levitation system, the maglev vehicle/guideway dynamic interaction model was developed. Numerical simulation was performed to understand dynamic characteristics of the guide- way used in practice. The results show that vehicle speed, span length and primary frequency of the guideway have an important influence on the dynamic responses of the guideway and there is no distinct trend towards resonance vibration when f1 equals 1.0. The definite way is to control the impact coefficient and acceleration of the guideway. The conclusions can serve the design of high speed maglev guideway.     

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。      

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...     

单磁铁悬浮系统自激振动的稳定性分析及抑制

为了研究EMS型磁浮列车起浮后与轨道相互耦合发生的自激振动对车辆安全性、舒适性造成的影响,建立了单磁铁悬浮系统的车体-悬浮架-轨道的动力学模型.分析了车-轨系统的稳定性及悬浮控制器和系统各主要参数对振动的影响,提出了系统各参数和稳定性关系的表达式,讨论了运用瞬时最优控制算法抑制车-轨自激振动的具体方法.数值仿真了在3组不同系统参数条件下瞬时最优控制对于自激振动的抑制效果.研究结果表明:车辆结构、悬浮控制器、轨道各主要参数在车-轨自激振动中相互影响;当仿真系统起浮10 s时,悬浮气隙振幅分别减少了59%、62%、5%,轨道振幅分别减少48%、94%、73%,表明了控制方法的有效性.      

磁浮列车单铁悬浮车桥耦合振动分析

为研究单铁悬浮车桥耦合振动,将悬浮控制系统、车辆结构、弹性轨道梁及桥梁安装系统作为整体系统,建立整体系统的磁浮列车的悬浮控制-弹性桥梁-机械结构垂向耦合振动模型,以不同频率的外力激扰模拟磁浮列车不同的速度下对桥梁的作用,分析了不同梁型在整体系统耦合条件下的跨中挠度与振动加速度的变化。研究结果表明:单铁悬浮稳定后,简支梁跨中挠度约为两跨连续梁悬浮处挠度的2.5倍;以200km.h-1车速通过桥梁时其挠度略小于400km.h-1车速通过工况,但前者再次达到稳定状态所需时间约为后者的1/3;车辆以相同速度通过桥梁时,连续梁悬浮处跨中挠度约为简支梁的40%,且前者振动加速度小于后者;仿真过程中桥梁安装临界刚度范围为(5.5～6.5)×107 N.m-1;两跨连续梁动力学性能较简支梁更为优秀。     

中低速磁浮车岔耦合振动研究

为研究中低速磁浮道岔主动梁关键参数对车岔耦合振动的影响，进行了各工况下磁浮道岔主动梁的模态测试，并建立了考虑道岔主动梁弹性振动的车岔耦合动力学模型，对悬浮稳定性进行了分析. 通过仿真与试验对比，对道岔主动梁的模态特征进行了修正，并基于修正后的车岔耦合动力学模型，研究了磁浮道岔主动梁不同设计参数对悬浮稳定性的影响规律. 研究结果表明:中间台车采用50 MN/m的弹性约束进行等效，能够达到比较理想的误差要求；二台车支撑方案相比三台车支撑方案，更容易避开磁浮车岔耦合的共振频率；随着主动梁一阶垂向弯曲频率的不断增大，悬浮控制参数的稳定区间越小，当道岔主动梁垂向弯曲频率大于12 Hz时，更容易出现车岔耦合振动现象；随着道岔主动梁刚度的增加，悬浮控制参数的稳定范围越小；增加道岔主动梁结构阻尼比不能解决车岔耦合共振问题，只能降低振动幅值大小；随着道岔主动梁线密度的增大，越不容易出现车岔共振现象，当线密度低于1 500 kg/m时，悬浮稳定区间将急剧下降；中间台车的等效支撑刚度越大，控制参数的稳定区间越小，但影响幅度不大.      

磁悬浮列车横风稳定性的数值分析

利用二维定常不可压缩Navier-Stokes方程、K-E两方程紊流模型,采用有限体积法分析计算了不同车轨结构的磁浮列车横风稳定性,并与轮轨型列车的横风稳定性作了比较。数值分析结果表明,在横向风的作用下,轮轨型列车的横向稳定性优于磁浮列车,而吸力型磁浮列车的横向稳定性又优于U型线路斥力型磁浮列车。     

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。     

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.