基于列车-桥梁耦合振动模型的高温超导磁浮车辆悬挂参数优化.pdf

城市轨道交通翼2023年基于列车-桥架耦合振动模型的高温超导磁浮车辆悬挂参数优化何燕吴吴兴文*杨浚纲法池茂儒？（1.西南交通大学机械工程学院，6 10 0 3 1，成都；2.西南交通大学牵引动力国家重点实验室，6 10 0 3 1，成都/第一作者，硕士研究生）摘要为提高高温超导磁浮车辆在高速运行下的品质，建立了高温超导磁浮列车-桥梁耦合振动模型，分析了桥梁刚度和车辆悬挂参数匹配对车辆系统动力学性能的影响。并通过叠加轨道不平顺谱实现桥梁预拱，分析车辆系统的动力学响应。结果表明：高温超导磁浮车辆在高速运行下，其平稳性对减振器阻尼和桥梁挠跨比的取值较敏感；桥梁挠跨比取1/7 7 52、桥梁挠度取4.1mm、桥梁预拱量取4mm时能抵消车辆高速运行过程中桥梁下挠带来的线路不平顺，使车辆动力学性能达到最优。关键词高温超导磁浮车辆；悬挂参数；列车-桥梁耦合振动模型中图分类号U270.33:U237D0I:10.16037/j.1007-869x.2023.06.005Optimization of High-temperature Supercon-ducting Maglev Vehicle Suspension Parame-ters Based on Train-Bridge Coupling Vibra-tionHE Yan,WU Xingwen,YANG Jungang,CHI Mao-ruAbstract In order to improve the quality of HTS(high-tem-perature superconducting)maglev vehicle under high-speed op-eration condition,the HTS maglev train-bridge coupling vibra-tion model is established,and the influence of bridge stiffnessand vehicle suspension parameter matching on vehicle systemdynamics performance is analyzed.Bridge pre-cambering is re-alized through superimposing spectrum of track irregularitiesand vehicle system dynamic response is analyzed.The resultssuggest that during the high-speed operation of HTS maglev ve-hicle,the stability is more sensitive to the damping of the vi-bration reduction device and the value of bridge deflection-spanratio;when the above ratio is 1/7 752,bridge deflection is 4.1*中国科协青年托举工程项目（2 0 19QNRC001）；四川省自然科学基金项目（2 0 2 2 NSFSC0469）*通信作者24mm and bridge pre-cambering is 4 mm,the line irregularitycaused by bridge deflection in vehicle high-speed operation canbe eliminated and the vehicle dynamics performance is opti-mal.Key wordsHTS maglev vehicle;suspension parameter;ve-hicle-bridge coupling vibrationFirst-authors addressSchool of Mechanical Engineer-ing,Southwest Jiaotong University,610031,Chengdu,China0引言在“后高铁时代”的今天，如何突破轮轨黏着带来的速度限制实现更高速度运营，是当今城市轨道交通行业研究的重点。磁浮技术依靠电磁吸力或者斥力实现悬浮，规避了轮轨接触带来的滚动噪声；采用直线电机进行驱动，突破了轮轨黏着带来的速度限制。因此，磁浮技术成为更高速度列车的首选制式。磁浮技术主要分为永磁电动悬浮、常导电磁浮和超导钉扎悬浮（高温超导磁浮）等制式：永磁电动悬浮利用铝感应板切割磁力线产生磁场实现车体悬浮，车辆在静止或低速时不能悬浮，且需设专门的导向机构。常导电磁浮采用电磁吸力悬浮，通过调节电磁铁中的电流大小来实现稳定悬浮，需要外部供电和精确的主动控制系统，且车辆速度的提升受列车-轨道耦合振动的影响和限制。高温超导磁浮为我国自主研发技术，该制式相比其他制式具有自稳定、自悬浮和自导向的优点；车辆的悬浮与导向均通过“钉扎”现象实现，无需主动控制,适用于全速度域。因此，高温超导磁浮技术成为高速磁浮列车的首选技术之一。第6 期磁浮列车在高速运行时，除了受到外部气动载荷的影响，磁轨不平顺带来的磁轨关系扰动是影响列车运行平稳性的关键因素。为了减小地面空间的使用量以及控制轨道不平顺度，现有高速磁浮和中低速磁浮车辆大多行驶在高架桥上。然而，当车辆运行在桥梁上时，桥梁挠度的波动会使磁轨不平顺发生突变，从而为车辆的运行平稳性带来巨大影响。文献 1 研究了考虑列车-桥梁垂向耦合作用下的车辆系统动力响应。结果表明，车辆运行速度处于40 0 km/h以下对车辆系统的动力响应影响不大；但当车辆运行速度超过40 0 km/h后，车辆的运行平稳性急剧恶化。因此，需对车辆和线路参数重新进行优化匹配才能取得较好的性能。文献 2 基于ANSYS软件平台，建立了考虑F轨和柔性桥梁的中低速磁浮列车-轨道-桥梁垂向耦合动力学模型,研究了列车-桥梁系统在8 0 km/h时的振动响应。文献 3 采用移动荷载模拟磁浮车辆作用,建立并求解桥梁动力方程，分析不同行车速度、不同桥梁阻尼比等工况下的桥梁动力响应。结果显示，桥梁动力系数随列车运行速度的增加逐渐增加。文献 4 采用数值分析方法分析了超高速磁浮车辆通过简支桥梁时列车-桥梁耦合系统的动力响应。结果表明，桥梁竖向振动加速度是磁浮车辆行车安全的控制性指标之一。文献 5 采用Euler-Bernoul-li桥梁模型,对控制参数导致的车轨耦合振动失稳进行了分析,研究不同轨道梁结构参数对中低速磁浮车轨耦合振动的影响。结果表明,调整轨道梁刚度、改变轨道梁固有频率，以及增大系统阻尼比，可以抑制控制参数引起的车轨高频耦合振动。文献6结合上海磁浮轨道梁，根据磁浮列车通过桥梁的有限元仿真，分析过桥时列车-桥梁动力响应规律,并指出轨道梁刚度对车辆动力响应有显著影响，需要对轨道梁刚度进行优化设计。以上文献表明，列车-桥梁耦合振动对车辆动力响应的影响不可忽略。在列车高速运行工况下,列车-桥梁耦合振动会急剧恶化列车的运行平稳性。因此，在进行车辆悬挂参数优化设计时，非常有必要考虑车辆悬挂参数与桥梁刚度的优化匹配关系。本文的研究对象为高温超导磁浮列车，由于其自稳定、自悬浮和自导向的特性,在车辆设计中不考虑悬浮控制系统。因此，在外部激励作用下，整个系统可以简单考虑为仅有一个悬挂系统的车辆系统。高温超导体能量损耗的主要形式为磁滞损耗，即磁学木专公滞效应。而在一次循环运动内，磁滞损耗只与外磁场变化的幅值有关，和外磁场变化的频率无关。外磁场激励振幅具有临界值，当外磁场激励振幅大于该值时,其能量损耗随外加激励振幅的增加而增加;而当激励振幅小于该值时，外磁场激励振幅的变化对能量损耗几乎无影响 7 。因此,在建立动力学模型时忽略磁滞效应具有一定的合理性。由于磁滞损耗的忽略不计，外部的激励会直接传递到悬浮架，可以预料在列车高速运行工况下列车-桥梁耦合振动必将为列车的运行平稳性带来严重影响。因此,非常有必要在车辆悬挂参数优化设计时，考虑列车-桥梁耦合振动带来的影响。为此，本文建立了完善的高温超导磁浮列车-桥梁耦合振动模型，在考虑桥梁柔性的情况下研究了车辆悬挂参数与桥梁刚度之间的优化匹配关系；同时提出了基于车辆运行平稳性的桥梁预拱量建议值。1高温超导磁浮列车-桥梁耦合振动模型本文研究的高温超导磁浮列车采用西南交通大学提出的悬浮制式 8 。该列车主要有车载超导材料、低温系统、地面永磁轨道系统和直线驱动系统等关键部分组成,如图1所示 9。悬浮架作为车辆的核心系统，上部通过空气弹簧和减振器与车体连接，下部通过杜瓦与磁轨直接作用。其中,杜瓦作为盛装超导块材的容器均匀布置在杜瓦梁下部。车体轨道梁图1高温超导磁浮列车的关键组成部分Fig.1 Key components of HTS maglev train图2 给出了本文建立的高温超导磁浮列车-桥梁耦合振动模型。考虑到列车长度全覆盖桥梁长度,因此模型中考虑了2 节车辆。每节车辆下方设置6 个悬浮架，每个悬浮架安装12 个杜瓦；悬浮架与车体之间安装空气弹簧、垂向减振器、横向减振器和牵引拉杆等悬挂装置。采用Timoshenko梁对25一杜瓦超导块材永磁轨道Q城市轨道交通翼高速磁浮简支桥梁进行建模，模型中共计考虑了3 2车体车体Timoshenko梁X2023年跨，每跨跨度为3 2 m。空气弹簧减振器杜瓦梁杜瓦悬浮力桥梁支座TT7Fig.2Train-bridge coupling vibration model of HTS maglev train1.17高温超导磁浮列车模型高温超导磁浮列车模型将每节车辆简化为1个车体和6 个悬浮架,其中每个悬浮架中部布置1个电机,两侧各有6 个杜瓦对称固接在杜瓦梁上。将车辆系统各部件均视为刚体，经计算高温超导磁浮列车每节车辆共计115个自由度。其中，每节车辆的2 2 个主要自由度,如表1所示。表1高温超导磁浮车辆系统的主要自由度Tab.1 Freedom degress for HTS maglev vehicle systems自由度名称伸缩横移浮沉侧滚点头摇头数量车体1杜瓦梁12牵引拉杆6中心销3注：表示部件不存在该方向上的自由度；表示部件有该方向上的自由度。车体与每个悬浮架各有2 个空气弹簧和4个垂向减振器左右对称分布，以对轨道不平顺激励传递给车体的振动进行衰减。在模型中，空气弹簧采用弹簧阻尼并联模型进行简化，而减振器采用Max-well 弹簧阻尼串联。每个杜瓦的悬浮力和导向力均采用试验获得的杜瓦特性曲线获得，即选取1个杜瓦以名义悬浮高度固定，力传感器通过夹具连接在杜瓦盖板上，通过伺服电机连接杜瓦控制其偏移量,从杜瓦偏移量为0 的起始位置以1 mm的偏移量横向移动至极限横移量（本文取10 mm），然后再回到平衡位置，如此往复3 次导向力趋于稳定，再依照上述方法开始测量。垂向悬浮力测量方法同上。由此可得到杜瓦悬浮力和导向力特性曲线，如图3和图4所示。1.2桥梁模型由于目前尚无高温超导磁浮车辆下桥梁截面26T77图2 高温超导磁浮列车-桥梁耦合振动模型250002000015000F5000F0图3 杜瓦悬浮力特性曲线Fig.3Characteristic curve of Dewar suspension force1500VVVV777T510悬浮间隙/mmVVVVV15201000F500N/告V-500-1000F-1 500-12-8-404横向位移/mm图4杜瓦导向力特性曲线Fig.4Characteristic curve of Dewar guiding force的设计,因此采用Timoshenko梁模型对桥梁进行简化。式（1）给出了Timoshenko梁模型关于垂向和横向位移及截面转角的振动微分方程 10 ，采用模态叠加法对桥梁的动态响应进行求解。Timoshenko梁关于桥梁的垂向振动微分