直线电机地铁车辆-板式轨道耦合系统动力响应研究

摘要

直线电机轮轨交通采用直线电机牵引，轮轨系统支承和导向，具有技术先进、安全可靠、经济合理、绿色环保和容易实现等优点。特别是其爬坡能力强、转弯曲线半径小及隧道断面要求小等线路工程上的特点，使其具有较强的地形适应能力，尤其适宜在地下空间资源紧张、建筑物密集和地形起伏较大的现代城市中应用。而且，其牵引方式是由安装在转向架上的直线电机定子（感应线圈）与铺设在轨道上的转子（感应板）相互作用，产生牵引力和制动力，可以大幅缓解轮轨表面损伤，是值得研究和推广的新型轨道交通形式，应用前景广阔。
　　直线电机轮轨交通有一个典型特点，就是悬挂在转向架下的感应线圈与固定在轨道板上的感应板间的气隙量(通常为8～12mm)是随机动态变化的，线路特性、轮轨型面变化、感应板安装公差等均会对电机气隙大小产生影响，从而影响直线电机牵引效率和车辆-轨道耦合动力性能，甚至发生感应线圈与感应板刮蹭现象，危及行车安全。尤其是直线电机轮轨交通系统以轮轨关系和磁轨关系为纽带有机连接，而且轮轨关系和磁轨关系之间亦互相影响，形成独特的动力学特性。因此，弄清直线电机地铁车辆-轨道耦合系统动力相互作用机理，对直线电机轮轨列车行车安全性、平稳性、舒适性和线路轨道结构设计及养护维修等具有重要理论意义和工程实际应用价值。
　　本文受国家自然科学基金项目(51105318)、教育部创新团队（IRT1178，SWJTU12ZT01）和四川省科技支撑计划项目(2011GZ0090)等项目的资助，主要开展了如下研究工作:
　　(1)基于铁道车辆-轨道耦合动力学理论，建立直线电机地铁车辆-板式无砟轨道耦合系统动力学计算分析模型，重点研究直线电机车辆曲线通过的动态行为，以及轮轨纵、横断面几何状态对直线电机车辆动态行为影响和感应板安装公差对直线电机车辆动态服役性能的影响。
　　(2)在动力学模型中，采用多刚体模拟车辆系统，考虑车体、2个构架和4个轮对，它们简化为多刚体，采用欧拉梁模拟直线电机的2个感应线圈，它们之间的连接构件用等效线性弹簧阻尼单元模拟;轨道系统考虑为柔性结构，由离散支撑梁钢轨、离散支撑梁感应板和三维实体有限元轨道板构成，钢轨与轨道板间的扣件、感应板与轨道板间的扣压件以及轨道板与地基间的连接均由等效线性弹簧阻尼单元模拟。
　　(3)为了弄清直线电机地铁车辆通过曲线的动态行为，还建立了直线电机子系统计算分析模型，包括感应线圈动力学模型和感应板动力学模型。模型考虑了垂向电磁力随电机气隙变化的非线性效应，考虑了车轮和轨道垂向几何不规则（车轮多边形、钢轨波浪形磨损和焊接接头几何不平顺）对直线电机气隙变化的影响。
　　(4)考虑直线电机感应板安装公差的影响。感应板安装公差是十分重要的指标，以往关于直线电机车辆-轨道耦合动力学的研究没有涉及感应板安装公差的影响。
　　应用上述直线电机地铁车辆-板式无砟轨道耦合系统动力学计算分析模型，着重开展了以下4个方面内容的研究:
　　(1)研究直线电机地铁车辆通过曲线的动态行为。根据本文建立的模型，研究轮轨相互作用力、电磁力和气隙变化规律，计算分析了曲线半径、行车速度、外轨超高和轨距加宽等参数变化对直线电机车辆通过曲线时的动态行为影响。得出曲线段电机气隙变化规律、直线电机车辆过曲线动力学特性。从曲线行车安全性、平稳性和舒适性等方面，分析结果为直线电机地铁列车的路轨曲线线路参数设计、优化以及曲线段感应板养护维修策略的制定等提供参考。
　　(2)分析了轮轨横断面几何状态对直线电机地铁车辆动态行为影响。结合现场实测轮轨磨耗数据，重点分析行车里程与磨耗量之间的关系，得出直线电机车辆车轮踏面和钢轨的磨耗规律。在车辆运行一定里程后，车轮踏面会发生凹型磨耗，钢轨会发生轨角磨耗，且磨耗量均随运行里程增加而增大。通过磨耗车轮与标准钢轨、标准车轮与磨耗钢轨两种型面组合，分析了不同行车速度下，车轮磨耗和钢轨磨耗对直线电机车辆在直线区段和曲线区段动态行为的影响。分析的动力学指标有轮轨相互作用力、轮对加速度、气隙变化、脱轨系数和轮重减载率。
　　(3)研究轮轨纵向几何状态对直线电机地铁车辆动态行为的影响。结合实测车轮非圆化数据、钢轨焊接接头数据和钢轨波磨数据，分析了不同行车速度下，车轮非圆化、钢轨焊接接头不平顺幅值和钢轨波磨不平顺幅值及其波长变化对直线电机车辆在直线区段动态行为的影响。分析的动力学指标有轮轨相互作用力、轮对加速度、气隙变化、脱轨系数和轮重减载率。
　　(4)研究感应板安装公差对直线电机地铁车辆动态行为影响。1）研究无轨道不平顺激励时，不同行车速度下感应板安装公差变化对直线电机车辆动态行为的影响。2）根据实测钢轨焊接接头数据，研究不同行车速度下，感应板安装公差变化对直线电机车辆动态行为的影响。3）根据实测钢轨波磨数据，研究不同行车速度下，感应板安装公差变化对直线电机车辆动态行为的影响。所分析的动力学指标与上相同。探讨在线路实际维护工作中，为避免轮轨几何不平顺对车辆、轨道以及车辆和轨道其他部件造成疲劳和破坏性影响，使得其反过来影响车辆运行安全性、平稳性和舒适性，提出了对钢轨焊接接头及钢轨波磨这两种几何不规则进行控制的要求。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 世界城市轨道交通发展现状

1．2 直线电机城市轨道交通系统发展及研究现状

1．2．1 直线电机城市轨道交通系统的原理和特点

1．2．2 国内外发展现状

1．2．3 直线电机的悬挂方式

1．2．4 需要研究的问题

1．2．5 直线电机车辆-轨道耦合系统动力学研究现状

1．3 研究背景及意义

1．4 论文的研究思路及主要工作

第2章 直线电机车辆-轨道耦合系统动力学模型及其性能评价指标

2．1 车辆-轨道系统动力学模型

2．1．1 车辆动力学模型

2．1．2 轨道动力学模型

2．2 直线电机子系统动力学模型

2．2．1 感应线圈动力学模型

2．2．2 感应板动力学模型

2．3 车辆-轨道耦合关系

2．3．1 轮轨耦合关系

2．3．2 直线电机电磁耦合作用

2．4 评价指标

2．4．1 安全性评价

2．4．2 平稳性与舒适性评价

2．4．3 轮轨磨耗率评价

2．5 模型验证

2．6 本章小结

第3章 直线电机车辆曲线通过动态行为影响分析

3．1 曲线线路参数分析

3．2 曲线半径对直线电机车辆动态行为的影响

3．2．1 曲线段车辆系统动态响应分析

3．2．2 曲线半径变化对车辆曲线通过特性的影响规律

3．3 行车速度对直线电机车辆动态行为的影响

3．4 外轨超高对直线电机车辆动态行为的影响

3．5 轨距加宽对直线电机车辆动态行为的影响

3．5．1 轨距加宽车辆通过曲线动态响应

3．5．2 轨距加宽量变化的影响规律

3．6 本章小结

第4章 轮轨横向廓形状态对直线电机车辆动态行为影响

4．1 直线电机车辆车轮踏面磨耗规律及研究

4．2 车轮踏面磨耗对直线电机车辆动态行为的影响

4．2．1 车轮磨耗下直线电机车辆动态响应

4．2．2 车轮磨耗影响规律

4．3 钢轨型面磨耗对直线电机车辆动态行为的影响

4．3．1 钢轨磨耗下直线电机车辆动态响应

4．3．2 钢轨磨耗影响规律

4．4 本章小结

第5章 轮轨纵向几何状态对直线电机车辆动态行为影响

5．1 车轮非圆化对车辆动力学性能的影响

5．1．1 车轮非圆化调查

5．1．2 车轮非圆化响应

5．1．3 车轮非圆化影响规律

5．2 钢轨焊接接头对车辆动力学性能的影响

5．2．1 钢轨焊接接头调查

5．2．2 钢轨焊接接头响应

5．2．3 钢轨焊接接头影响规律

5．3 钢轨波磨对车辆动力学性能的影响

5．3．1 钢轨波磨调查

5．3．2 钢轨波磨响应

5．3．3 钢轨波磨影响规律

5．4 本章小结

第6章 感应板安装公差对直线电机车辆动态行为影响

6．1 无不平顺激励时的响应

6．1．1 感应板随机型安装公差

6．1．2 随机型安装公差响应

6．1．3 随机型安装公差影响规律

6．2 钢轨焊接接头对车辆动力学性能的影响

6．2．1 钢轨焊接接头响应

6．2．2 钢轨焊接接头影响规律

6．3 钢轨波磨对车辆动力学性能的影响

6．3．1 钢轨波磨响应

6．3．2 钢轨波磨影响规律

6．4 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文

攻读博士学位期间从事的科研工作