高速磁浮车磁浮关系研究

摘要

高速磁浮轨道交通技术是未来快捷轨道交通技术的发展方向之一。对于高速磁浮车辆而言，磁浮关系包括磁浮电磁悬挂(EMS，Electro-MagneticSuspension)和导向EMS，在主动控制下它们构成了稳定的非完整性约束。对于磁浮EMS，其非完整性约束是由悬浮气隙及其一阶、二阶导数建立的，而对于导向EMS，则是由左右导向气隙差及其一阶、二阶导数建立的。磁浮关系稳定性研究的主要难点在于：由于磁浮/导向系统采用的是分散独立的控制策略，其控制器应当具有对非结构摄动的鲁棒稳定性。本文研究的重点是磁浮轨道(如几何变化、道梁刚度等)对磁浮关系稳定性和车辆性能的影响。 基于单轨正交模型及2-DOF主动控制策略，应用三类基本模块(悬浮/导向单元、悬浮框架和车体及牵引机构)建立了整车和一列三车编组模型。由于现有曲线公式存在近似误差，采用了基于样条函数的新算法，并进行了如下两种线型的匹配性能对比：正弦型和圆整三次抛物线型缓和曲线。利用离散柔性体模型技术建立了多孔高架桥的道梁模型，并在如下三个层面上探讨了磁浮车辆的车桥耦合机制问题：(1)道梁挠度对磁浮关系的影响；(2)悬浮框架高频自振的机械一电磁力学条件；(3)车辆-控制器-道桥的耦合条件。 首先，通过摆杆力的试验数据对比确认了所建立的组装模型正确性。其次，两种线型匹配性能对比表明：对于限速通过的有超高曲线，应当采用正弦型缓和曲线；而无超高曲线(如侧线、道岔和小半径曲线等)则可以采用圆整三次抛物线型缓和曲线。最后，基于车桥耦合模型的仿真得到如下三个分析结论：应当尽量减小道梁垂向挠度变形以避免对磁浮关系稳定性带来不利影响；由于高速磁浮车辆垂向上具有三级悬挂(2机械悬挂+1电磁悬挂)，因而悬浮框架自振条件就是电磁悬挂与一系机械悬挂的耦合条件；由于目前电子电路技术制约，电磁悬挂系统的低频回路增益还不可能降低到理想的程度。因而随着悬浮气隙变化，电磁悬挂固有频率有可能产生摄动，进而导致与一系机械悬挂发生耦合并产生车桥共振现象。 在线型匹配性能对比和车桥耦合分析中采用了如下新的观点和方法：(1)单轨正交模型及2-DOF主动控制策略；(2)参数化模块化子系统组装建模技术；(3)基于样条函数的曲线计算新算法；(4)离散柔性体模型技术。

目录

文摘

英文文摘

绪 论

第一章多体系统动力学理论

1.1多体系统动力学的研究现状

1.2多刚体系统动力学非完整约束

1.3多体系统动力学的刚性问题

1.3.1刚性方程与刚性稳定性

1.3.2刚性微分方程的数值方法

本章小结

第二章 曲线线型设计理论及发展

2.1曲线线型设计

2.1.1缓和曲线

2.1.2曲线线型设计及发展

2.2两种线型传统公式计算误差

本章小结

第三章 车桥耦合理论

3.1车桥耦合研究概况

3.2车桥系统动力相互作用分析模型

3.3车桥系统共振分析

本章小结

第四章 高速磁浮车动力学仿真建模

4.1协同仿真技术平台及“无缝”集成方案

4.1.1协同仿真技术的问题及技术对策

4.1.2“无缝”集成的解决方案

4.2高速磁浮车组装模型及导向机理

4.2.1高速磁浮车三类基本模块

4.2.2磁浮导向原理

本章小结

第五章 主动控制作用下的高速磁浮关系

5.1主动悬浮/导向的2-DOF控制

5.1.1三个主要稳定性影响因素

5.1.2四点假设

5.1.3单轨正交模型

5.1.4 2-DOF主动悬浮/导向控制器

5.2主动控制下的车辆稳定性

5.2.1高速横向稳定控制

5.2.2高速垂向稳定控制

5.2.3车轨耦合专题

5.3主动控制磁浮关系仿真模型

5.3.1线型匹配仿真建模

5.3.2车桥耦合仿真建模

5.4仿真与试验对比

本章小结

第六章线型匹配动态仿真

6.1高速车辆动力学指标要求

6.2线路匹配性能对比

6.2.1新算法及线路巡检

6.2.2两种线型匹配性能对比

本章小结

第七章 车桥耦合动态仿真

7.1车桥耦合问题背景

7.2道梁挠度与磁浮关系

7.2.1高架轨道与过桥活载

7.2.2道梁挠度对磁浮关系的影响

7.3悬浮框架高频自振

7.4车辆-控制器-道桥耦合条件

7.5振动舒适性与气动耦合

本章小结

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢