高速常导电磁悬浮车辆系统动力学优化研究

摘要

随着现代社会工作效率的提高，人们对高速交通方式的需求日益增加，然而传统轮轨车辆受限于各方面因素，再突破更高的速度是比较困难的，磁悬浮列车以其高速、低能耗、低噪声和低成本等优点脱颖而出。本文以德国TR08系列常导高速磁悬浮列车及上海高速磁悬浮列车为参考，在深入研究常导高速电磁悬浮车辆结构及原理的基础上，建立了机-电-磁-轨道耦合的常导高速磁悬浮车辆系统动力学模型。根据电磁悬浮系统结构及原理，建立了磁悬浮车辆悬浮系统计算二维有限元模型，将有限元计算结果与简化公式计算结果进行了量化的对比，建立了基于联合仿真的常导高速磁悬浮车辆机-电-磁耦合模型；基于常导电磁悬浮车辆机-电-磁耦合系统模型，以车辆系统模态、车辆运行平稳性及曲线通过性能对车辆悬挂系统结构及参数进行了对比分析和优化设计；根据电磁悬浮控制系统模型，对线性系统、非线性系统及机-电-磁耦合系统的稳定性分岔进行了研究，同时以最短的悬浮电磁铁稳定时间为目标，对机-电-磁耦合系统的悬浮控制参数进行了优化设计；建立了高速磁悬浮轨道梁三维有限元模型并导入到车辆系统中，构成机-电-磁-轨道耦合的高速磁悬浮系统动力学模型，并对车辆-轨道系统的动力学响应进行了仿真分析，如轨道梁支座刚度及车辆速度对车辆系统及轨道梁系统动态响应的影响。　　本文得出以下主要结论：　　1)当激励电流较小以及悬浮间隙不小于一定值且在较小范围内变化时，使用简化公式来进行电磁力的计算是可行的。　　2)根据常导电磁悬浮车辆悬挂系统结构的对比，得出有摇枕和无摇枕两种二系悬挂方案各有优缺点，在曲线通过时，无摇枕方案下的空簧横向位移、垂向位移、车体横向、垂向、侧滚角位移均远大于有摇枕方案，故考虑到实际成本和车辆曲线通过能力，本文仍保留有摇枕的常导高速磁悬浮车辆结构。　　3)以车辆运行平稳性为目标，空簧垂向刚度、辅助弹簧横向刚度、枕绕X轴扭转刚度均应在工程可行范围内取较小值，但从曲线通过的角度来分析，空簧垂向刚度、辅助弹簧横向刚度若取值过小，将会导致车体位移、空簧位移过大；摇枕连接垂向刚度对平稳性影响不大，但较大的取值可以保证在曲线通过时空簧位移、车体位移较小。　　4)根据悬浮控制系统的稳定性研究，得知悬浮控制系统对于参数pK存在上下分岔点，在上下区间内悬浮控制稳定，在区间外不稳定，经过优化分析，得出能够使常导高速磁悬浮车辆垂向振动快速稳定的pK取值范围为15000~20000，dK取值范围为1300~2000。　　5)根据机-电-磁-轨道耦合系统的仿真分析，得知轨道梁支撑刚度对车辆系统动力学指标影响较小，但为了减小轨道梁垂向振动，在工程允许的范围内应该选取较大的支座刚度。随着车辆速度的增加，车辆动力学指标均随之增大，但在设计速度(660 km/h)以内，各指标均未超过优秀的限值，同时，轨道梁的动态响应指标能够满足相关标准的设计要求。

目录

声明

第1章 绪论

1.1.2研究意义

1.2磁浮交通系统发展概况

1.2.1国外磁浮技术发展综述

1.2.2国内磁浮技术发展综述

1.3高速EMS型磁浮车辆机-电-磁-轨道耦合动力学性能研究现状

1.3.2磁浮列车动力学研究现状

1.4论文的主要工作及技术路线

第2章 电磁悬浮交通系统的机-电-磁-轨道耦合动力学模型

2.1.1磁悬浮车辆结构

2.1.2磁悬浮车辆工作原理

2.1.3磁悬浮车辆动力学模型

2.2常导高速电磁悬浮车辆电磁模型

2.2.1电磁悬浮物理模型

2.2.2电磁悬浮控制策略

2.3基于联合仿真的磁悬浮车辆机-电-磁-轨道耦合系统

2.3.2有限元计算方法

2.3.3理论计算方法

2.3.4电磁计算方法对比

2.3.5常导高速磁悬浮车辆机-电-磁-轨道耦合系统模型

2.4本章小结

第3章 高速常导电磁悬浮车辆系统参数优化分析

3.1.2平稳性指标

3.2二系悬挂结构对比优化

3.2.2有摇枕和无摇枕磁悬浮车辆动力学性能分析

3.3基于车辆平稳性的车辆悬挂参数设计研究

3.3.1空簧垂向刚度优化

3.3.3摇枕连接垂向刚度优化

3.3.4摇枕连接绕X轴扭转刚度优化

3.4基于车辆曲线通过性能的车辆悬挂参数设计研究

3.4.2辅助弹簧横向刚度优化

3.4.3摇枕连接垂向刚度优化

3.4.4摇枕连接绕X轴扭转刚度优化

3.5本章小结

第4章 高速常导电磁悬浮车辆控制系统参数优化分析

4.1.2Hopf分岔的代数判据

4.2悬浮控制系统稳定性理论研究

4.2.2单铁磁悬浮系统线性分析

4.2.3单铁磁悬浮系统非线性分析

4.3悬浮控制参数优化设计

4.3.1悬浮间隙控制系数Kp优化

4.3.2悬浮间隙变化速度控制系数Kd优化

4.4本章小结

第5章 高速常导电磁悬浮车轨耦合系统动力学分析

5.1.2轨道梁模型

5.1.3模态分析及自振特性对比

5.2轨道梁支撑刚度对车辆-轨道振动响应的影响

5.2.2车辆运行指标

5.2.3轨道梁动力响应

5.3.1车辆系统动力响应分析

5.3.2轨道梁动力响应

5.4本章小结

总结与展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表论文及参加科研课题

学位论文数据集