高速磁悬浮列车动力学研究

高速磁悬浮列车动力学研究

摘要：随着物流行业的崛起，同时面临交通发展的瓶颈。经济发展离不开交通基建与交通工具的进步，目前高铁建设的竞赛已经趋于稳定阶段，我国的高铁总里程数超过2.5万公里，现在世界各国竞相开展对磁悬浮列车的研究，准备下一场交通技术的迭代更新，因此对于磁悬浮列车的进行研究很有必要，其中磁悬列车动力学研究尤为关键，它对施工、运行的平稳性有密切关系，本文以我国某市磁悬浮列车为研究对象，通过建立列车动力学模型来研究磁悬浮列车运行稳定性的关键因素。

1.1磁悬浮列车技术发展现状

交通史的发展就是人类历史文明交流的急先锋，从丝绸之路兴起和大航海时代，从工业革命的蒸汽火车到飞机的发展，目前形成飞机、火车、轮船和汽车运输的三位一体的陆海空的运输行业，尤其是近些年高铁的发展，中国的高铁总里程数达到2.5万公里，居世界之首。但是轨道交通未来的发展趋势更趋向于超高速发展模式，即磁悬浮列车。从1970年起外国已经开始了对磁悬浮列车的研发试运行，并取得较好的成果。两千年后我国也开始研制自己的磁悬浮列车，并成功的投入实际运营中。目前世界上最快的磁悬浮列车是日本研制的它的时速超过580Km/h。

1.1.1国外现状

磁悬浮列车是在普通高速列车的基础上提出的新型轨道交通，对于磁悬浮列车最早提出是德国人赫尔曼肯佩尔，他认为磁悬浮的技术主要是两个动力系统，首先是让磁悬浮列车飘起来电磁力，另一个动力是牵引列车运行系统。

1.1.2国内现状

我国是从上世纪八十年代开始进行对磁悬浮列车进行研究的，九十年代初我国的一些科研单位和高校进行合作研究。之后磁悬浮列车技术被列入国家重要科研项目。到九五年是我国正真的突破磁悬浮列车的关键技术，掌握制造中低速列车的能力。

2.1磁悬浮列车的介绍

我国某市的高度磁悬浮列车全称三十公里，车辆的构成见下图2-1，本磁悬浮列车一部分技术是从德国引进，一部分是我国自行研发的。

2.1.1基本运行原理

列车的上浮系统是利用电励磁产生电磁场，电磁场利用和磁悬浮列车的轨道的磁铁之间的引力使得磁悬浮列车上浮一定的高度，这样一来列车就没有了与常规列车与轨道间的摩擦力，这是实现超高度的前提，另一方面是利用电磁场产生牵引力牵引磁悬浮列车前进，这是磁悬浮另一个重要动力系统，是实现磁悬浮列车高速行驶的主要动力。

2.1.2车辆系统

磁悬浮列车中最重要的组成部分就是车辆，是否能实现磁悬浮列车悬浮和高速行驶车辆是重中之重。本文研究的示范磁悬浮列车是参考德国的技术。磁悬浮列车的车厢是三段式组成，主要是由铝构成的，外形进行了风动实验后得到的最佳的空气动力学的外形，磁悬浮列车在行驶中最主要的阻力就是空气阻力，因此减小空气阻力是提升磁悬浮列车高速运行和保证列车安全运行的重要因素。

2.1.3路线系统

本文研究的研究的磁悬浮列车的轨道的曲线主要有六段，占总长的百分之六

十左右。每段曲线都是正选切割进行转弯设计的，曲线是通过工程设计的合理性

和运行安全性进行设计，曲线最重要的设计因素是考虑磁悬浮运行的安全性和舒

适性，以及设计成本和施工的难易程度。出于对安全性的考虑一般在曲线的外侧

增加高度，减小因为惯性导致的侧翻。

2.1.4电磁作用

准确的分析电磁场的作用和设计其垂直于纵向方向对列车的作用力，可以合

理的安排其力的分配，研究其电磁场的规律性，超高速运行的磁悬浮列车遇到曲

线和有坡度的地方时纵向力将很大，这时电磁场对于悬浮力和牵引力分配将出现

混乱，造成升幅力和牵引力比例不稳定分配。因此对悬浮系统的动力进行计算变

的很有必要，悬浮动力公式如下：

3.1列车动力学模型

本节主要建立车辆的动力学模型进行，进行分析车辆各处的受力，同时建立

耦合动力学模型。同时对曲线的纵向横向还有垂直方向的模型进行分析。

3.1.1模型设定

对于高度磁悬浮列车车辆的动力学模型的设定如下：

（1）车辆，磁铁和导向设置为刚体；

（2）主要研究对象设置为堆成结构；

（3）对于多节磁悬浮列车只考虑节车厢，同时不考虑多节车厢之间的相互作用。（4）认为轨道为刚体切无振动；

（5）侧向无纵向运动。

3.1.2磁悬浮动力学模型

本文研究的磁悬浮列车包含车体、悬架、电磁铁和导向电磁铁等部件，利用

等效刚度进行计算。磁悬浮列车包含留个自由度，文章研究纵向的自由度。

模型在曲线上的电磁场主要有十五个间隙与十二个信号控制器，另外有三个

导向信号发射器，研究对象在曲线运行时可以忽略在平面上的横向的运动，通过

模型简化更方便对于单个车厢动力学的研究。

3.1.3电磁力公式

本文中认为电磁力是布满整个磁铁，当遇到曲线路段时则认为电磁力在侧面

方向有一定的损耗，包括悬浮损耗和牵引力的损耗，损耗范围的公式由下图3-2

和公式求得。

根据公式得知损失的范围随着圆曲半径的增加而减小，因此可以通过加大圆

曲率使得损失范围减小，这样有利于电磁力的合理的分配。对于电磁悬浮的模型

可以简化为弹簧悬挂问题，因为电磁力的产生会有反应延迟的因素，因此对于实

际问题采用线性数学问题化进行简化，对于车辆研究对象的动力学问题的探讨利

用简化的刚度与线性公式进行计算，电磁力公式如下：

真是的电磁力是连续的同时其作用方式是包含立体空间上的各个方向的，对

于连续性出力的计算一般采用连续函数记性研究，但是对于连续性方程的计算过

于复杂，一般采用大量的离散式进行简化计算。

4结论

本通过介绍磁悬浮列车的发展历史和对于磁悬浮列车的动力学的主要影响因

素电磁力和轨道曲线运行问题的研究。磁悬浮车辆的动力学主要是由电磁力提供，并在曲线运行上电磁动力将受到侧方的惯性力的影响，影响车辆的舒适度。