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EMS型磁浮列车—桥梁耦合振动控制技术研究

李金辉  
【摘要】:磁浮交通因其非接触、无磨损、噪声低等特点,在我国城轨交通中呈现出很好的发展前景。然而,悬浮系统的有源特性引发的磁浮列车-桥梁耦合自激振动是传统轮轨交通中没有的新问题,也是影响磁浮交通性能和造价的关键问题。本文围绕磁浮列车-桥梁耦合自激振动问题,以北京市中低速磁浮交通示范线(S1线)首列车等的试验调试为平台,从耦合系统建模,振动机理分析、主要影响因素探讨、抑制算法验证等方面开展了研究。从建模上,首次提出了用于研究磁浮列车-桥梁耦合自激振动的最小动力学模型。车桥耦合系统包括桥梁子系统和悬浮子系统。对于桥梁子系统,包含桥梁、轨排及橡胶垫片等,难以有效建模。本文采用实验建模方法,分析了实际系统自激振动时的状态信号和特征参数,证明可以忽略各部分的连接关系,建立桥梁子系统的简支梁模型。对于悬浮子系统,考虑到磁浮列车包含多个转向架,每个转向架包含四个悬浮点,转向架和车体之间通过二次悬挂系统连接,本文采用逐层简化的方法,证明了单悬浮点是研究自激振动的最小悬浮单元。从而提出了磁浮列车-桥梁耦合自激振动系统的最小动力学模型。从机理上,首次从三个角度阐述了出现自激振动的原因。本文推导了耦合系统的特征方程及稳定性条件,得出了二次耦合项是导致磁浮列车-桥梁耦合系统不稳定的原因。其次从能量的角度,得到了悬浮系统的有源功率以及桥梁不断积聚能量的条件,推导出了自激振动的频率范围。最后根据耦合系统的开环传递函数,利用Nyquist稳定性判据,分析了自激振动的机理,得到了桥梁模态频率、悬浮系统有源临界频率、耦合系统能量临界频率对自激振动稳定性的影响,为优化桥梁的设计提供了理论参考。从抑制策略上,首次借鉴电磁能量俘获器的原理,将悬浮电磁铁本身作为能量俘获器的执行机构,将桥梁作为能量俘获器的激励源,把桥梁振动的机械能转化为电能,从而实现磁浮列车-桥梁耦合系统的稳定。此外,首次提出利用磁通内环简化耦合自激振动框图的方法,并基于磁通内环的状态反馈算法,首次提出了引入桥梁速度信号和剔除桥梁位置信号反馈的自激振动抑制策略,并进行了充分的数值仿真和实验验证。本文建立的最小动力学模型,为深入认识耦合自激振动提供了必要条件。从三个角度对自激振动机理的探讨,为指导桥梁和悬浮控制系统的设计提供了理论依据。从多个角度提出的自激振动抑制策略,已应用于S1线首列车,提高了耦合系统的稳定性,降低了系统造价,有利于电磁型磁浮列车的商业化推广。


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