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磁悬浮车辆系统动力学研究

赵春发  
【摘要】: 磁浮列车是21世纪极具竞争力的无接触地面有轨交通工具,具有高安全性、超高速度、良好的乘坐舒适性以及环境兼容性等优点。磁浮列车技术经过30余年的研究与发展,目前已经出现了以德国TR08、日本MLX01和HSST-100为代表的具备商业运营水平的磁浮交通系统。我国的中低速磁浮列车技术研究经过近20年的发展,已经在悬浮和导向等关键技术上取得重大突破,开始进入试验线建设与试运行阶段;同时,采用德国TR08技术的上海高速磁浮线工程已经进入尾声,可以预见我国将和国际同步迎来磁浮交通技术应用的高潮。众所周知,磁浮列车系统动力学问题直接影响到其技术经济性及其应用前景,因此,及时开展磁浮列车系统动力学的研究对推进我国磁浮列车技术应用水平显得十分重要。 本文主要就磁/轨关系、磁浮车/桥耦合作用、磁浮车辆随机振动及其平稳性、磁浮车辆横向动力学及其动态曲线通过等方面开展理论分析与仿真研究,目的在于探明电磁悬浮的力学特性,认清磁浮车辆/轨道系统动力作用的基本规律,评价磁浮车辆的稳定性、运行平稳性以及曲线通过性能,为我国磁浮列车系统的技术评价、车辆和轨道结构动力优化设计提供一定的理论依据和指导原则。具体来说,本文主要开展了以下几方面的研究工作。 磁浮列车不同于轮轨列车的关键在于以电磁悬浮(磁轨关系)取代了轮轨关系,电磁悬浮的力学特性是决定磁浮列车动力特性的最本质原因,因此,磁轨关系的研究是磁浮系统动力学研究的基础和关键。本文基于国内磁浮列车控制技术的研究成果,考虑磁浮机械系统—电磁系统—控制系统的耦合作用,对电磁悬浮刚度与阻尼特性以及主动导向和被动导向的横向电磁力学特性进行了研究;并建立单铁—轨道—控制器耦合作用模型,仿真计算了单铁系统起浮时的动态响应,指出磁浮系统车/轨耦合共振的原因。这些研究结果揭示了电磁悬浮的力学特性,提供了避免电磁悬浮共振失稳的频率设计原则,有利于我们从本质上认识主动有源控制下的磁浮车辆动力学特性,为开展磁浮车辆系统动力学研究提供了基础。 磁浮车辆/高架桥的耦合作用是十分显著的,本文第三章以德国高速磁浮列车Transrapid及其线路结构为对象,开展了磁浮车辆/高架梁垂向相互作用仿真研究,比较了混凝土简支梁、混凝土两跨连续梁和钢结构两跨连续梁线路上磁浮车辆/轨道系统的动力响应,仿真分析表明高架梁的垂向动挠度未超过高架桥的设计容许限值。与轮轨高速列车对线桥的动力作用比较结果表明,磁浮车辆的动力响应较高速轮轨的小得多,小跨度桥梁受到磁浮车辆的动力作用小于轮 第*页 西南交通大学博士研究生学位论文 轨车辆,但中长跨度桥梁刚好相反,这些结论为磁浮高架线路结构动力设计提 供理论依据与指导原则。此外,还对青城山磁浮车辆在 12m高架梁线路上的动 力作用进行了仿真计算。 磁浮车辆运行平稳性是其重要的动力学性能指标之一,第四章为了开展磁 浮车辆随机振动响应分析及其运行平稳性研究,在综合考虑磁浮线路的结构特 点及其不平顺管理的特殊要求后,引入了磁浮线路随机不平顺分段功率谱模型。 相比于高速轮轨线路谱,该磁浮线路不平顺功率谱在 60m波长以上、3 m波长 以下的功率谱密度要小得多。在此基础上,第四章建立磁浮系统车/线、车/桥垂 向动力学模型,通过仿真研究磁浮车辆系统随机振动响应,得出磁浮车辆随机 振动的主频范围为 0.5-IHZ,而车体加速度功率谱没有超过 UTACV车辆走行品 质规范,采用铁道车辆Sperling平稳性指标法评价磁浮车辆运行平稳性时,其 指标值小于25,磁浮车辆的平稳性能属优级。 中低速常导磁浮列车没有专门的导向磁铁,模块导向力来自悬浮电磁铁的 横向分力,而且电磁铁横向、垂向运动同时影响到电磁力变化,因此,必需对 中低速磁浮车辆的横向动态响应进行细致的研究,以确保其横向安全性和舒适 性以及其良好的曲线动态通过性能。本文第五章建立磁浮车辆系统的空间耦合 模型,并考虑电磁力的空间耦合作用,比较研究了主动、被动导向和电磁铁横 向对中、错位布置下磁浮车辆的横向动力性能,为低速磁浮车辆电磁铁导向结 构设计及控制方式的参数选取提供动力学理论依据。第五章还对三转向架磁浮 七辆通过超高 l“、半径 300m曲线和无超高、半径门 00m曲线时的车辆系统响 应进行了仿真计算,评价了中低速磁浮车辆曲线动态通过性能,建议我国中低 速磁浮线路缓和曲线采用超高圆顺改善型三次抛物线型,同时仿真结果也为磁 转向架结构设计、电磁铁电气参数设计以及磁浮曲线线路设置提供了基本数据。 综上所述,本文不仅开展了常导磁浮系统磁/轨关系的基础理论研究,而且 较为系统地开展了磁浮车辆系统垂向、横向动力学及曲线动态通过研究,本文 的研究成果填补了我国在磁浮列车系统动力学方面的研究空白,跟踪了国外磁 浮列车技术的发展,对提高我国磁浮列车技术研究与应用水平具有极大的科学 意义与工程应用价值。


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