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电磁型磁悬浮列车动力学研究的综述
电磁型磁悬浮列车动力学研究的综述 摘 要: 在综合分析各国电磁型磁悬浮列车的发展现状和及其动力学 研究的基础上,考虑车辆和轨道的相互作用,将悬浮列车和轨道作为一个整体,就 电磁力、转向架、轨道变形和控制动力学稳定性分析等方面的问题,提出了今后 研究的方向。关键词:电磁型悬浮列车;
动力学;
综述;
弹性轨道 在磁悬浮列车系统中,列车和轨道是互相作用的, 稳定的悬浮状态 [ 1 ] 。1939 年,Braunbek 对此作了物理悬浮气隙的变化量由气隙传感器测出传 给控制系统, 剖析:唯有抗磁性材料才能依靠选择恰当的永久磁铁控制系统调整 磁铁电压,使电磁力相应变化,实现悬浮结构与相应的磁场分布实现稳定悬浮 [ 2 ,3 ] 。为使磁力气隙调整。正常运行时,电磁型悬浮列车的悬浮高度能够用于 稳定的自由悬浮,必须根据物体的悬浮状态不超过1 cm , 对气隙的波动非常敏感。
然而,由于负连续不断地调节磁场。利用受控的磁吸引力来进行悬载变化、驱动 加速度或减速力、空气动力、轨道弯度、坡浮是由 Graeminger 首次提出的。电 磁型悬浮列车是道和不平整等原因产生的外部扰动力,以及控制系统利用受控直 流电磁铁进行悬浮,这一技术是目前世界本身固有的非线性及传感器的测量误差 等原因产生的上最先进的。它不仅用于磁悬浮列车系统,还可用在内部扰动力,都 会引起气隙的变化。因此,将磁悬浮列轴承、陀螺以及磁悬挂天平等磁悬浮装置 中。车和轨道作为一个整体来研究是十分必要的。下面就电磁型悬浮列车在车体 内装有电磁铁,轨道为导电磁力、转向架、列车与轨道耦合动力及稳定性方面的 磁体,车辆和轨道构成长定子同步电机,车辆为转子, 问题阐述如下。电磁铁绕组 中的电流大小根据气隙传感器的信号进行调节,悬浮力的大小与车速无关,任何速 时均能保持稳定的悬浮。车身前进的动力由直线感 1842 年,Earnshow 证明了仅 仅用永久磁体是不应电机(或直线同步电机) 提供。因此,电磁铁的电磁能使一个 铁磁体在所有6 个自由度上都保持在自由、力和力矩特性对列车的影响是基本的。
1 磁场与承载能力 1 .1 波器的输出电流;
另外,热损耗、漏磁通、磁心和导轨中的磁阻也 会影响单铁力的大小。文献[4 ] 针对轨道转弯处或轨道不平处电磁铁与导磁轨发 生倾斜的情况,提出了小滚动下电磁铁的计算公式。文献[ 5 ] , 以保角变换和无穷 级数理论为基础,在电磁铁为无限大导磁率的非饱和磁性材料、电磁铁与反应板 表面磁势为常值的假设下,提出了在较大滚动条件下升力、侧向力及滚动力矩计算的新方法。
2 转向架 磁悬浮列车进入实用阶段,不可避免的问题是转向问题。日本关于 HSST21001 型磁悬浮列车进展报告中[ 6 ] ,有近1/ 4 的篇幅涉及转向架机构,但 目前几乎看不到有关的理论分析和设计资料, 仅有一些概述[ 7 ,8 ] 。悬浮系统与 车厢的支撑关系,经历了3 个研究阶“飞行器结构”“ 磁轮结构”及“ 转向架模块结 段:、构”[ 9 ] 。早期的悬浮理论是建立在飞行器的运行原理上,把磁悬浮列车看 作为刚体自由度运动,在车厢底板上直接固定4 块电磁铁,用偏航、仰俯、滚动等 概念来描述和控制磁浮列车运动。德国的TR201 型、日本的HSST201 型、我国 的KDC2I 型都采用了这种理论。这种结构在低速时,矛盾并不突出,但速度稍有提 高时, 问题就很严重,如TR204 型,原设计速度为250 km/ h , 但速度临近200 km/ h 就发生严重的振动、摇摆,出现悬浮不稳定的现象。“ 磁轮结构”的磁浮列车, 每个悬浮单元在悬挂方向上是自由的,可由悬浮控制系统独立控制,能够适应不同 的轨道平面,如德国的TR205 型、TR206 型磁浮列车。“ 磁轮”结构完全保证了 电磁铁之间的运动解耦,同时也保证了车辆的曲线通过能力。在一定程度上, “ 磁轮”概念是在“ 飞行器结构”概念碰壁以后从一个极端走到另一 个极端。“ 转向架模块结构”是前二者的折衷,如HSST 型的悬浮系统,在悬浮方向 和导向方向无机械的约束,日本HSST203 型实现了5 个自由度模块悬挂。TR207 型和TR208 型也采用了这一概念。
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。
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 ] 。
