考虑悬浮架柔性的中低速磁浮车辆动力学研究

摘要

随着社会经济的发展，人类的沟通与交流越来越密切，对交通运输的需求和依赖程度也越来越高。在这样一种背景下，近年来城市轨道交通建设如火如荼，地铁、轻轨、现代有轨电车等的广泛采用也体现了多元化发展的趋势。本文研究的中低速磁浮列车则是一种新兴起的轨道交通制式，列车悬浮无接触运行，依靠直线电机牵引，具有振动噪音小、爬坡能力强、转弯半径小、结构简洁、运营维护成本低、环境友好等优点，很符合目前绿色、低碳、环保的社会发展理念，因而正在被越来越多的人所关注，作为城市轨道交通的补充具有良好的应用前景。 本文以课题组研制的新一代中低速磁浮车辆为研究对象，介绍了该中低速磁浮车辆的结构组成和技术特点，分析了中低速磁浮车辆悬浮力的等效表达式，推导了中低速磁浮车辆的动力学方程，阐述了中低速磁浮车辆动力学等效建模方法，并建立了中低速磁浮车辆的刚体动力学模型。 中低速磁浮车辆的悬浮架是主要的结构承载部件，为了轻量化设计使用铝合金挤压、铸造成型，实际承载时会产生一定的柔性变形，可能会影响中低速磁浮车辆的动力学性能。因而本文考虑了悬浮架的柔性，将有限元方法与多体动力学相结合，利用有限元软件ANSYS以及动力学软件SIMPACK建立了考虑悬浮架柔性的中低速磁浮车辆刚柔耦合模型。 利用所建立的中低速磁浮车辆刚体模型以及刚柔耦合模型对比分析了悬浮架的振动响应、中低速磁浮车辆的直线动力学性能以及曲线通过动力学性能，研究成果总结如下： 1）悬浮架的前两阶固有频率较低且接近，对其振动影响较大。考虑悬浮架柔性时其质心振动位移及振动加速度略大于刚性悬浮架，重车 160km/h 运行时悬浮架纵梁的最大垂向变形接近3mm，基本与有限元分析结果相符。 2）直线运行时，中低速磁浮车辆刚体模型与刚柔耦合模型计算的电磁铁作用力结果差别不大，说明此时悬浮架的柔性对悬浮系统影响较小。运行速度较低时，刚柔耦合模型计算的车体最大垂向振动加速度以及车辆平稳性指标小于刚体模型，随着速度提高，会激起柔性悬浮架的高频振动，使得刚柔耦合模型的车体最大垂向振动加速度以及车辆平稳性指标将逐渐超过刚体模型。总的来说，中低速磁浮车辆的车体最大振动加速度以及车辆平稳性指标都达到了优秀的等级。 3）曲线通过时，中低速磁浮车辆刚柔耦合模型计算的空簧横移量、电磁铁横移量及横向力、车体横移量及侧滚角均稍大于刚体模型计算结果，这是悬浮架的弹性变形引起。 4）中、大半径曲线的缓和曲线段由于外轨逐步抬高而出现轨道扭曲，电磁铁垂向力即悬浮力会出现波动，刚体模型的波动峰值远大于刚柔耦合模型，说明柔性悬浮架自身提供了一定的弹性刚度，使得左右悬浮模块能够相对扭转来适应线路，而刚性悬浮架则限制了左右悬浮模块的相对扭转，从而导致了较大的悬浮力峰值。从此处可以看出刚性模型有必要进一步考虑由悬浮架柔性所带来的运动解耦效应。 5）曲线通过时，曲线半径越大电磁铁横移量越小，车体相对中间悬浮架的横移量越小，因此更有利于悬浮稳定性和通过性。但是曲线半径越大其通过速度越高，车辆受到的动作用越强，表现为空簧横移量以及车体侧滚角越大。建议设置空簧横向止挡，避免动作用力对空簧带来的负面影响。

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