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電磁型磁懸浮列車動力學(xué)研究的綜述論文
摘 要: 在綜合分析各國電磁型磁懸浮列車的發(fā)展現(xiàn)狀和及其動力學(xué)研究的基礎(chǔ)上,考慮車輛和軌道的相互作用,將懸浮列車和軌道作為一個整體,就電磁力、轉(zhuǎn)向架、軌道變形和控制動力學(xué)穩(wěn)定性分析等方面的問題,提出了今后研究的方向。
關(guān)鍵詞:電磁型懸浮列車; 動力學(xué); 綜述; 彈性軌道
在磁懸浮列車系統(tǒng)中,列車和軌道是互相作用的, 穩(wěn)定的懸浮狀態(tài)[ 1 ] 。1939 年,Braunbek 對此作了物理懸浮氣隙的變化量由氣隙傳感器測出傳給控制系統(tǒng), 剖析:唯有抗磁性材料才能依靠選擇恰當(dāng)?shù)挠谰么盆F控制系統(tǒng)調(diào)整磁鐵電壓,使電磁力相應(yīng)變化,實(shí)現(xiàn)懸浮結(jié)構(gòu)與相應(yīng)的磁場分布實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定懸浮[ 2 ,3 ] 。為使磁力氣隙調(diào)整。正常運(yùn)行時(shí),電磁型懸浮列車的懸浮高度能夠用于穩(wěn)定的自由懸浮,必須根據(jù)物體的懸浮狀態(tài)不超過1 cm , 對氣隙的波動非常敏感。然而,由于負(fù)連續(xù)不斷地調(diào)節(jié)磁場。利用受控的磁吸引力來進(jìn)行懸載變化、驅(qū)動加速度或減速力、空氣動力、軌道彎度、坡浮是由 Graeminger 首次提出的。電磁型懸浮列車是道和不平整等原因產(chǎn)生的外部擾動力,以及控制系統(tǒng)利用受控直流電磁鐵進(jìn)行懸浮,這一技術(shù)是目前世界本身固有的非線性及傳感器的測量誤差等原因產(chǎn)生的上最先進(jìn)的。它不僅用于磁懸浮列車系統(tǒng),還可用在內(nèi)部擾動力,都會引起氣隙的變化。因此,將磁懸浮列軸承、陀螺以及磁懸掛天平等磁懸浮裝置中。車和軌道作為一個整體來研究是十分必要的。下面就電磁型懸浮列車在車體內(nèi)裝有電磁鐵,軌道為導(dǎo)電磁力、轉(zhuǎn)向架、列車與軌道耦合動力及穩(wěn)定性方面的磁體,車輛和軌道構(gòu)成長定子同步電機(jī),車輛為轉(zhuǎn)子, 問題闡述如下。電磁鐵繞組中的電流大小根據(jù)氣隙傳感器的信號進(jìn)行調(diào)節(jié),懸浮力的大小與車速無關(guān),任何速時(shí)均能保持穩(wěn)定的懸浮。車身前進(jìn)的動力由直線感 1842 年,Earnshow 證明了僅僅用永久磁體是不應(yīng)電機(jī)(或直線同步電機(jī)) 提供。因此,電磁鐵的電磁能使一個鐵磁體在所有6 個自由度上都保持在自由、力和力矩特性對列車的影響是基本的。
1 磁場與承載能力
1 .1 波器的輸出電流; 另外,熱損耗、漏磁通、磁心和導(dǎo)軌中的磁阻也會影響單鐵力的大小。文獻(xiàn)[4 ] 針對軌道轉(zhuǎn)彎處或軌道不平處電磁鐵與導(dǎo)磁軌發(fā)生傾斜的情況,提出了小滾動下電磁鐵的計(jì)算公式。文獻(xiàn)[ 5 ] , 以保角變換和無窮級數(shù)理論為基礎(chǔ),在電磁鐵為無限大導(dǎo)磁率的非飽和磁性材料、電磁鐵與反應(yīng)板表面磁勢為常值的假設(shè)下,提出了在較大滾動條件下升力、側(cè)向力及滾動力矩計(jì)算的新方法。
2 轉(zhuǎn)向架
磁懸浮列車進(jìn)入實(shí)用階段,不可避免的問題是轉(zhuǎn)向問題。日本關(guān)于HSST21001 型磁懸浮列車進(jìn)展報(bào)告中[ 6 ] ,有近1/ 4 的篇幅涉及轉(zhuǎn)向架機(jī)構(gòu),但目前幾乎看不到有關(guān)的理論分析和設(shè)計(jì)資料, 僅有一些概述[ 7 ,8 ] 。懸浮系統(tǒng)與車廂的支撐關(guān)系,經(jīng)歷了3 個研究階“飛行器結(jié)構(gòu)”“ 磁輪結(jié)構(gòu)”及“ 轉(zhuǎn)向架模塊結(jié)段:、構(gòu)”[ 9 ] 。早期的懸浮理論是建立在飛行器的運(yùn)行原理上,把磁懸浮列車看作為剛體自由度運(yùn)動,在車廂底板上直接固定4 塊電磁鐵,用偏航、仰俯、滾動等概念來描述和控制磁浮列車運(yùn)動。德國的TR201 型、日本的HSST201 型、我國的KDC2I 型都采用了這種理論。這種結(jié)構(gòu)在低速時(shí),矛盾并不突出,但速度稍有提高時(shí), 問題就很嚴(yán)重,如TR204 型,原設(shè)計(jì)速度為250 km/ h , 但速度臨近200 km/ h 就發(fā)生嚴(yán)重的振動、搖擺,出現(xiàn)懸浮不穩(wěn)定的現(xiàn)象�！� 磁輪結(jié)構(gòu)”的磁浮列車,每個懸浮單元在懸掛方向上是自由的,可由懸浮控制系統(tǒng)獨(dú)立控制,能夠適應(yīng)不同的軌道平面,如德國的TR205 型、TR206 型磁浮列車�！� 磁輪”結(jié)構(gòu)完全保證了電磁鐵之間的運(yùn)動解耦,同時(shí)也保證了車輛的曲線通過能力。在一定程度上,
“ 磁輪”概念是在“ 飛行器結(jié)構(gòu)”概念碰壁以后從一個極端走到另一個極端。“ 轉(zhuǎn)向架模塊結(jié)構(gòu)”是前二者的折衷,如HSST 型的懸浮系統(tǒng),在懸浮方向和導(dǎo)向方向無機(jī)械的約束,日本HSST203 型實(shí)現(xiàn)了5 個自由度模塊懸掛。TR207 型和TR208 型也采用了這一概念。
H. Yoshioka 等在文獻(xiàn)[ 10~13 ] 中介紹了山梨磁懸浮試驗(yàn)線ML X01 型磁浮列車車輛結(jié)構(gòu)的有關(guān)細(xì)節(jié),給出了試驗(yàn)車輛轉(zhuǎn)向架簡圖,并進(jìn)行了兩組車試驗(yàn),分析了車輛動力學(xué)性能,包括懸浮性能、橫向定位及穩(wěn)定性能。
趙志蘇等分析比較了磁懸浮列車3 單元、4 單元、5 單元轉(zhuǎn)向架的幾何結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)彎時(shí)的運(yùn)動關(guān)系[ 14 ] ,認(rèn)為: ① 在同一車廂長度的條件下,應(yīng)選用5 單元結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向架; ② 從簡化結(jié)構(gòu)和縮短導(dǎo)向滑槽長度角度,應(yīng)選用3 單元結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向架; ③ 從減小進(jìn)入彎道時(shí)的沖擊角度應(yīng)選用4 單元結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向架。上海磁懸浮列車是德國TR208 型的改進(jìn)型,每節(jié)車由4 個完全相同的磁浮架連接而成,每個磁浮架由2 個相同的模塊組成,每個模塊上由4 個電磁鐵和一個推進(jìn)電機(jī)組成,具有獨(dú)立懸浮、導(dǎo)向與推進(jìn)功能[15~17 ] 。
3 磁懸浮列車2軌道動力學(xué)
在磁懸浮列車推進(jìn)技術(shù)研究中,人們發(fā)現(xiàn)許多磁懸浮列車特有的現(xiàn)象,例如:德國的TR204 型及日本的HSST204 型在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn): ① 運(yùn)行時(shí)車體發(fā)生結(jié)構(gòu)振動; ② 雙面直線電機(jī)引起側(cè)向不平衡; ③ 在鋼架橋上懸浮時(shí)與橋架一起振動,而在混凝土橋上則無此現(xiàn)象[ 18 ,19 ] 。上海磁懸浮試驗(yàn)車在調(diào)試時(shí),就發(fā)現(xiàn)了車輛與鋼梁共振的現(xiàn)象。
認(rèn)為軌道是剛體,列車懸浮系統(tǒng)與軌道之間沒有耦合關(guān)系,故不考慮軌道對車的影響,這在軌道剛度系數(shù)很大的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模型車分析時(shí)具有足夠的精度。但實(shí)際線路中,軌道是有彈性的,軌道存在振動。引起振動的原因有: ① 當(dāng)磁浮車通過軌道時(shí),引起軌道在垂直方向上的靜態(tài)彎曲; ② 由于軌道梁和懸浮系統(tǒng)間相互作用而引起的軌道動態(tài)彎曲; ③ 由于軌道梁的連接和軌道表面引起的幾何不規(guī)則。因此,軌道的彈性振動和動態(tài)變形必須要考慮。
評定磁懸浮列車運(yùn)行品質(zhì)的一個重要指標(biāo)是保證磁懸浮列車能夠在各種擾動作用下具有平衡穩(wěn)定的懸浮。由于磁浮列車的車廂是通過彈簧、阻尼系統(tǒng)與磁懸浮轉(zhuǎn)向架聯(lián)結(jié)的,分析測試懸浮體與二次懸掛體質(zhì)量、運(yùn)行速度、軌道長度、磁輪長度、軌道阻尼等對磁懸浮系統(tǒng)的動力特性的影響,研究車廂、懸浮轉(zhuǎn)向架與彈性軌道之間的耦合動力特性是必要的。
軌道的彈性變形對列車的安全和動力特性的影響是目前磁浮列車研制中所關(guān)注的主要問題之一。懸浮力作用下的軌道動力學(xué)問題最初由Chiu 等人[20 ] 提出,Meisenholder 及Wang[ 21 ] 和Katz等人[ 22 ] 做了初步研究,給出了軌道變形特性。Chu 和Moon[23 ] 提出考慮橫向2 自由度(橫移和搖頭) 的模型,理論和實(shí)驗(yàn)證明出現(xiàn)了離散現(xiàn)象。Chiu 等[24 ] 和Katz 等[ 25 ] 研究了磁力作用下軌道梁的特性。Cai 等人[ 26 ,27 ] 又在Katz 模型基礎(chǔ)上建立了多體、多載磁懸浮列車與彈性軌道耦合的動力學(xué)模型,定量揭示了車體垂向加速度、車體所裝磁體組數(shù)、列車車體個數(shù)及運(yùn)動速度等對軌道動力變形和列車動力特性的影響規(guī)律。在這些研究中, 懸浮磁力多數(shù)是通過等效線性懸浮剛度來描述的,彈性軌道對動力控制穩(wěn)定性及其動力特性的影響還不清楚,未能完整地反映出磁懸浮系統(tǒng)的動力特性。謝云德等在分析EMS 列車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特性的基礎(chǔ)上,建立了鉛垂方向的動力學(xué)模型,仿真分析了彈性軌道、懸浮電磁鐵、彈簧及液壓阻尼對系統(tǒng)頻帶和剛度的影響[ 28 ] 。
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