常导吸引式低速磁悬浮车辆动态曲线通过性能研究_卜继玲

文章编号:1001-8360(2001)01-0029-04

常导吸引式低速磁悬浮车辆动态曲线通过性能研究

卜继玲1,　傅茂海1,　严隽耄1,　万庸宝2

(1西南交通大学机车车辆研究所,四川成都　610031;2长春客车厂地铁研究所,吉林长春　130062)

摘　要:通过对磁悬浮车辆基本结构的分析,建立了低速常导磁吸式(EM S)磁悬浮车辆动态通过曲线的动力学

模型,编制了磁悬浮车辆系统动力学仿真程序,并对青城山磁悬浮试验车辆的动态曲线通过性能进行了系统仿

真。

关键词:磁悬浮车辆;曲线通过;转向架;仿真

中图分类号:U237 文献标识码:A

Study on dynamic performance of the Low-speed EMS

maglev car in curve negotiation

BU Ji-ling1,　FU Mao-hai1,　YAN Jun-mao1,　W AN Yong-bao2

(1Inst.of Rail Vehicles,S ou th w est Jiaoton g U nivers ity,Chengdu610031,China;

　2M etro Vehicle Institute,Changchun Car C om pany,Changchun130062,C hina)

Abstract:T his paper describes the basic structur e of the maglev car and develops the computational m odel to inv estig ate the curve neg otiation of the EM S maglev car.The simulatio n prog ram is desig ned to simulate the mag lev car's dy namic system.As an ex ample,the m aglev car o f the Qingcheng M ountain m ag lev test line is used to sim ulate the dy namic per for mance of the mag lev car passing curve w ith the pr ogram.

Keywords:maglev car;curve nego tiation;bog ie;simulation

磁悬浮车辆作为有轨车辆的一种,因其结构形式与传统的轮轨车辆(如铁道机车车辆、城市轻轨车辆及地铁等)有明显的区别,所以磁悬浮车辆运行时的受力情况与传统的轮轨车辆有很大的不同。磁悬浮车辆依靠支承电磁铁产生的电磁力使车辆悬浮而运行,在运行当中列车与轨道之间不存在机械接触,没有机械摩擦力,所以磁悬浮列车可以达到较高的运行速度,且运行平稳。并且由于它在运行时没有机械噪声,对环境的影响小。一些发达国家,如德国、日本等都在很早就开始研制磁悬浮列车。德国自Tr ansrapid05在1979年成功展出后,经过进一步研究,到1991年德国联邦铁路证明T ransrapid系统方案已达到实用程度,在1995年动工的柏林-汉堡磁悬浮铁路上,TR型车将以420 km/h的速度运行[1]。日本的磁悬浮列车Yam anashi 在试验线上达到550km/h的试验速度[2]。为了跟踪世界先进技术,我国也对这一领域进行了研究,如西南收稿日期:1999-11-09;修回日期:2000-03-03

作者简介:卜继玲(1974—),男,湖南浏阳人,博士研究生。交通大学、铁道部科学研究院、国防科技大学等都做了不少工作,铁道部科学研究院研制了6t单转向架磁悬浮试验车[3],西南交通大学已成功研制出在室内运行的可载人磁悬浮车辆,目前正与有关单位一起,在青城山风景区建设磁悬浮试验线。

由于磁悬浮车辆在运行过程中不与轨道发生接触,也就不存在传统机车车辆的轮轨接触关系。因此它在运行中的受力情况和运行情况就与传统的有轨车辆不同。为了研究磁悬浮车辆动态通过曲线时的性能,本文从车辆系统动力学角度对磁悬浮车辆的受力情况进行分析,建立动力学仿真模型,并且编制了动态曲线通过的动力学仿真计算机仿真程序,以西南交通大学与长春客车厂为青城山磁悬浮试验线设计的磁悬浮车辆为原型进行了仿真,得出磁悬浮车辆动态通过曲线的规律。

1　磁悬浮车辆的结构特点及力学模型

1.1　磁悬浮车辆的结构特点

第23卷第1期铁 道 学 报V o l.23　N o.1 2001年2月JO U RN A L OF T HE CHIN A R A IL WA Y SOCIET Y Febr uary2001

与常规有轨车辆一样,磁悬浮车辆也是由磁转向架和车体组成的。只是每辆磁悬浮车辆有3个磁转向架。磁转向架的基本结构如图1

所示。磁转向架由侧

图1　磁转向架结构示意图1——导向机构;3——牵引拉杆;5——滑块装置;

2——抗侧滚梁;4——侧梁;

6——空气弹簧。

梁、抗侧滚梁、空气弹簧、滑块、牵引拉杆和导向机构等组成。两个侧梁通过抗侧滚梁连接。导向机构可以将车辆通过曲线时,车体中心线相对于线路中心线的位移传递给空气弹簧上部的滑块,带动磁转向架转动,以提高转向架通过曲线的能力。每个转向架侧梁端部安装有8个空气弹簧,空气弹簧内有节流孔,可起到垂向减振器的作用。侧梁下的内部安装电磁铁。磁悬浮车体通过空气弹簧坐落在磁转向架上。1.2　磁悬浮车辆的力学模型

根据磁悬浮车辆的结构特点,建立了如图2所示的磁悬浮车辆的力学模型。在图2所示的力学模型中,只考虑磁悬浮车辆的横向运动,每个侧梁和车体有横移、侧滚和摇头位移,整车系统一共有21个自由度。

2　磁悬浮车辆动态通过曲线计算原理

在直线上,线路无曲率,无超高;在圆曲线上,曲线半径及超高均为常数;在缓和曲线上,曲线半径由直线部分的无穷大均匀变化为圆曲线的半径,其半径随缓和曲线的位置按一定函数关系变化,超高也由零变为圆曲线的常数。车辆通过曲线时,车辆各部件将受到离心力的作用。在圆曲线上,离心力是一固定值,在缓和曲线上,离心力随走行距离变化。随着磁转向架与轨道间的相互位置关系的变化,磁力也要发生变化。

磁悬浮车辆由直线驶入曲线,特别是通过缓和曲线时,

由于各种外部激扰因素的输入,磁转向架各零部

图2　磁悬浮车辆力学模型

件之间、转向架与车体之间将产生复杂的相互作用力,

这些因素对磁悬浮车辆不同部位的作用都是各不相同的,也是随车辆运行距离而不断变化的。因此磁悬浮车辆通过有限长的曲线(特别是缓和曲线)时的响应是一个动态过程。这一动态过程可用一多自由度的整车模型来模拟,通过数值积分法求解转向架各零部件之间、转向架与车体之间相互振动的位移、速度和加速度,进而可求出各部件之间的相互作用力。

2.1　磁悬浮车辆通过曲线时的电磁力及其变化

为了保证磁悬浮车辆能够平稳运行,尤其是能够顺利通过曲线,磁悬浮车辆的电磁铁除了提供垂向的磁力支承车体以外,还提供横向磁力保证转向架的横向定位。在通过曲线段时,由横向磁力实现导向功能。

支承磁铁的磁力分配原理如图3所示。磁铁和轨道都有两个宽度相同的凸极。根据电磁学原理,两个凸极之间气隙中的磁道被限制在凸极之间。如果忽略磁道的边缘效应,且气隙磁道穿过空气的面积与磁极面积相同,则气隙中的电磁力为[4～6]

F d =

2

0S

式中, 为气隙中的磁通;S 为磁极截面积; 0为空气导磁系数。

如果忽略电磁铁铁心的磁压降,则

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　铁 道 学 报第23卷