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原文传递磁浮列车车轨耦合振动分析及试验研究

论文题名：	磁浮列车车轨耦合振动分析及试验研究
关键词：	磁浮列车;轨道梁结构;耦合振动;计算机仿真
摘要：	磁浮列车悬浮架包住悬浮轨运行，因此普遍采用高架桥结构。磁浮车辆运行时车辆与轨道梁之间会产生特有的耦合振动现象，形成“车辆系统-悬浮控制系统-轨道梁系统”三者之间的相互作用、相互影响的耦合振动。　　主动悬浮控制过程对车辆和轨道梁是一个外部能量输入激励过程，使它们的振动状态发生变化，而这些变化又会对悬浮间隙产生影响，因此车辆、轨道梁和控制系统共同组成了一个自激振动系统。当该自激振动系统对外部激励的响应能够迅速收敛时，就可实现稳定、安静的悬浮;当对外部激励的响应既不会扩大、也不会完全收敛，而是保持在一个振幅范围内达到动态平衡时，也可实现稳定但不安静的悬浮，持续的动态调整会产生一定程度的结构振动辐射噪声;当对外部激励的响应不能收敛，而是由小到大不断扩大时，最终将不能保持稳定悬浮，产生打轨甚至出现悬浮崩溃现象。　　因此磁浮列车在高架桥轨道梁运行时的耦合振动是磁浮列车一项关键技术问题，涉及机械工程、控制工程、土木工程等多个学科，国内外磁浮应用中已发生多起磁浮车辆与轨道梁耦合振动现象。例如，上海TR08磁浮列车在库线的较大振动、过道岔钢梁时的较大振动，以及中低速磁浮列车对线路的敏感性等问题，目前大多采用增大轨道梁质量、提高轨道梁刚度等较高的线路要求来缓解车轨耦合振动现象，但是这样既提高了磁浮线路工程造价，又增大了施工难度，不利于磁浮交通技术的推广。　　因此，研究磁浮列车车轨耦合振动所涉及的三个子系统的特点和耦合振动产生的条件，进而提出缓解车轨耦合作用的措施，是降低磁浮交通系统建设成本，推动磁浮交通技术走向市场的必然要求，由于线路工程建设占据了磁浮交通建设60％以上的总投资成本，因此在确定的车辆及控制系统条件下，研究轨道梁特性对耦合振动的影响，合理确定轨道梁的基本要求，对系统的推广运用具有重要意义。　　本文针对磁浮列车车轨耦合振动问题，以特定车辆及控制系统为基础，开展了理论分析、数值仿真和试验研究。首先从原理上研究了最基本的单电磁铁悬浮单元，仿真分析了间隙反馈系数、速度反馈系数、加速度反馈系数对单电磁铁悬浮系统的影响，以及不同频率的外部激扰和弹性支承对单电磁铁悬浮系统稳定性的影响;接着以目前中低速磁浮列车所采用的一种悬浮控制策略为基础，重点研究了在外界干扰下，考虑微小间隙波动的垂向磁轨关系，以及车辆在运行环境中各参数，如车体质量、行车速度、桥梁特性、不平顺激扰对垂向磁轨关系的影响;针对试验装置的实际情况，基于相似理论，对比分析了1∶2比例轨道梁与1∶1实际轨道梁的特性相似性问题，通过车轨相互耦合作用仿真计算表明，试验台所模拟的比例轨道梁，基本满足车轨耦合振动试验研究的需要，为实验室内进行车轨耦合振动研究提供了理论依据，为预测新建或待建线路的车轨耦合振动问题提供了可靠的试验条件。　　对于车轨耦合振动问题，常导高速磁浮列车和中低速磁浮列车本质上是相同的，本文最后以新研制的时速140km/h中低速磁浮列车单个悬浮架实物，利用试验台进行了车轨耦合振动试验，对不同轨道梁质量、轨道梁弹性、车体质量等条件下，单悬浮架的车轨耦合振动稳定性进行了试验研究。　　本文研究得到的主要结论如下: 　　(1)对单电磁铁悬浮系统的分析表明，对所选用的特定悬浮控制方法，对于低频激扰具有较好的跟随性，能够保证其稳定的悬浮间隙，而对高频激扰具有较强的自稳定能力，但振动加速度较大，利用该方法进行车-轨耦合振动仿真和试验研究具有合理性。　　(2)对所选用的悬浮控制方法各反馈系数的影响进行分析，确定了其取值的合理范围，在车-轨耦合振动仿真中间隙反馈系数取6000，速度反馈系数取20，加速度反馈系数取0.5。　　(3)垂向轨道不平顺是磁浮列车振动的主要激励源。车辆振动响应随车速提高呈增大的趋势，轨道高频不平顺对车辆的影响要大于低频的影响。　　(4)轨道梁支座安装刚度对轨道梁挠度变化影响明显，支座安装刚度最小值应不低于6.5×107N/m范围。简支梁和两跨连续梁对磁浮列车的悬浮稳定影响不大，但从动力响应的角度，两跨连续梁要优于单跨简支梁。　　(5)利用专门研制的车-轨耦合振动试验台，在实验室环境下模拟磁浮列车运行中复杂的车-轨耦合振动环境，并开展相关试验研究是可行的，对特定的悬浮架，可研究其对不同轨道梁特性的适应性，并据此提出轨道梁基本特性要求，但需要注意实验室条件下轨道梁特性与工程实际运用中轨道梁特性的相似性关系。　　(6)试验台实物试验表明，磁浮列车稳定悬浮能力对轨道梁的质量较为敏感，过轻的轨道梁质量列车稳定悬浮非常不利;当轨道梁质量满足一定要求后，过小的轨道梁等效刚度也对磁浮列车稳定悬浮有不利影响;车体载重越大，越不利于列车的稳定悬浮，因此应基于列车最大载重，合理确定轨道梁的质量和等效刚度。
作者：	梁鑫
专业：	车辆工程
导师：	罗世辉
授予学位：	博士
授予学位单位：	西南交通大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文