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常导高速磁浮列车车轨耦合非线性动力学问题研究

施晓红  
【摘要】: 车轨耦合振动是导致磁浮线路标准高、投入大的主要原因之一,对车轨耦合振动特性进行深入研究对磁浮交通技术的推广应用有着重要意义。 本文选择高速磁浮列车系统悬浮方向的车轨耦合动力学特性作为研究对象,分析车轨耦合动力学的两个基本问题:系统渐近稳定性和车轨耦合振动特性,重点研究控制、结构和各种耦合参数与这两项系统特性的关系,目的在于寻找车轨耦合振动的规律,为轨道、车辆结构和控制器设计提供参考。 本文采用循序渐进的结构,从一维结构的单点悬浮控制系统分析入手,进而研究二维平面结构的双控制器耦合电磁铁模块悬浮控制系统,最后分析三维空间结构的四控制器耦合单转向架悬浮控制系统。 针对一维单点问题,给出了双环PID控制算法,研究了单点悬浮控制系统的渐近稳定性、Hopf分岔点附近的振动特性和非线性振动的幅频特性。在此基础上研究二维电磁铁模块系统的弹性结构耦合因素,分析渐近稳定条件下耦合系数与其它系统参数的制约关系,考察耦合参数对车轨耦合振动幅频特性的影响。为了能够进行三维单转向架系统的分析,本文采用固定界面模态综合超单元方法,建立了两种基于复杂弹性结构的转向架超单元模型。最后利用仿真方法研究了直线段单转向架悬浮控制系统的悬浮稳定性,以及转向架系统在钢轨和砼轨两种缓和曲线段运行的动态响应情况。 本文在高速磁浮车轨耦合动力学研究的以下几个方面有所创新:①将高速磁浮车轨耦合悬浮控制系统划分为单点、悬浮电磁铁模块和单转向架三个层次,降低了动力学分析难度;②给出了轨道耦合和悬浮电磁铁耦合与系统渐近稳定性的关系,说明了系统结构、控制和耦合参数对稳定性的影响;③推导出了两种车轨耦合振动的条件和动态特性:a)动态Hopf分岔振动;b)轨道自由振动与车辆结构自激振动产生的耦合振动;④建立了采用弹性解耦方式的复杂转向架降阶模型,验证了高速磁浮转向架结构在不同轨道条件下的缓和曲线通过能力,可以作为转向架结构设计的参考。


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