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1、高速磁浮车辆垂直动力学仿真与平稳性研究摘 要 通过建立高速磁浮车辆的动力学模型,研究输入线路激励后车辆的运行平稳性和舒适度。通过对高速磁浮车辆的悬挂参数分析研究并优化,来评价车辆在不同速度下的运行平稳性和舒适度。在这些研究分析的基础上,对现有上海磁浮车辆的悬挂参数进行更为合理的优化设计,以实现磁浮车辆良好的平稳性和舒适度。关键词 磁浮车辆,车辆动力学,悬挂参数,平稳性指标0概述磁浮车辆系统动力学的研究主要包括系统运行稳定性及控制研究、系统垂向和横向动力稳定性及参数优化研究、列车纵向动力学和空气动力学研究等方面。这些动力学问题将直接影响到磁浮车辆交通系统的安全可靠性、平
2、稳性、舒适性、环境兼容性及技术经济性。在EMS(常导电磁悬浮)系统中,作为主动控制的电磁悬浮从本质上来讲是不稳定的,并且必然是和电磁悬浮控制技术紧密联系在一起的。磁浮车辆系统的运行平稳性和动力稳定性是其核心的问题之一,对系统运行平稳性和动力稳定性的研究具有重要的意义。磁浮车辆的随机振动及其平稳性是十分重要的动力学指标,上海的磁浮运营示范线已投入运营,从中将可获取实测的功率谱,以开展磁浮车辆振动和悬挂参数优化的研究。磁浮车辆的横向动力学主要研究车辆的横向运动稳定性和横向动态响应以及曲线通过性能。虽然磁浮车辆不会像轮轨车辆那样出现横向蛇行失稳运动,但也存在横向稳定性问题。
3、已有的研究都表明,不论何种悬浮方式的磁浮车辆,在正常工况下它在横向上都是一个自稳定系统。因此,磁浮车辆横向动力学研究的主要目的就是引入适度的横向阻尼、设计合理的磁浮车辆转向架结构,从而减小车辆横向动态响应,以提高车辆动态通过曲线的能力。除了上述的动力学问题以外,纵向动力学和空气动力学问题也是十分重要的。磁浮车辆的纵向动力学涉及到车辆加速和制动时的纵向冲击、车辆纵向阻力以及车辆碰撞安全等内容。其中最重要的是计算车辆运行阻力,由此才可以确定车辆牵引特性。而对于地面高速车辆来说,速度越高空气阻力占行车阻力的比例也就越大。可以通过对高速磁浮车辆系统的多体动力学仿真来研究系统的
4、运行稳定性以及性能的优化。随着磁浮试验线和上海磁浮示范运营线的投入运用,高速磁浮车辆系统动力学仿真分析研究将有可能和现车试验更好地结合在一起,来指导和改进磁浮车辆系统的结构设计和参数优化。1动力学仿真模型本文在分析高速磁浮车辆的主要部件、悬挂系统结构的基础上,建立整个磁浮车辆的多体动力学仿真模型(见图1)。磁浮车辆的多体动力学仿真模型包括1个车体、4个悬浮架、8对抗侧滚摇枕、8对吊杆、7对悬浮电磁铁、6对导向电磁铁、1对制动电磁铁、8对空气弹簧(由于端部空气弹簧在额定工况下的承载低于其它空气弹簧,所以在设计时端部的空气弹簧和其它空气弹簧选用不同的参数),以及车体横向弹
5、性止档、横向弹性辅助弹簧、悬浮电磁铁和导向电磁铁与悬浮构架之间的金属橡胶件支承等弹性连接部件,共有246个自由度。其中悬浮架(见图2)是连接车体和电磁铁的受力承载结构件,需要具备足够的刚度和强度要求。在悬浮架中间的纵向连接梁的抗扭特性是柔性的,目的是实现前后悬浮架的弱抗扭刚度,以使得车辆高速通过曲线时可以更好地适应线路曲率的变化。但本文考虑的是车体在有激励的直线线路上运行的工况,所以在动力学仿真中可忽略这一影响,将车体和悬浮架做成刚体结构。从而研究在线路激励条件下稳态运行时,磁浮车辆的运行稳定性、平稳性、舒适性和悬挂参数的优化等问题。 磁浮车辆的悬挂结构设计要求体现
6、各向连接刚度的独立性。垂向刚度在一系是由悬浮电磁铁和导向电磁铁上的金属弹性橡胶件支承,在二系是由空气弹簧、吊杆独立承担;在二系的横向刚度是由空气弹簧、横向弹性止档、横向弹性辅助弹簧承担;纵向刚度则由安置在悬浮构架纵梁位置的Z字形牵引装置独立提供。在建模时,着重对磁浮车辆(通过导向和悬浮电磁铁)和轨道之间的悬浮与导向电磁力,以及悬浮架一系悬挂、车体二系悬挂等金属橡胶件和空气弹簧等弹性元件进行了力学模拟。悬浮和导向电磁力采用弹簧+阻尼力的模型进行模拟,各个刚体之间按照实际结构,通过刚性铰接、弹性橡胶件和弹性止档等方式连接。悬浮电磁铁上的金属橡胶件将悬浮磁铁和悬浮架弹性地连
7、接起来,支撑着整个磁浮车辆的重量,并通过对应的弹簧+阻尼力传递到轨道上。一般将这部分结构叫做磁浮车辆的一系悬挂,其作用是:定位悬浮电磁铁和导向电磁铁于悬浮架上;提供垂向、横向悬挂刚度和阻尼;弹性连接各悬浮架;隔离纵向、横向振动。磁浮车辆的二系悬挂包括左右摇枕、空气弹簧、垂向吊杆、横向止档等,其功能和作用是:隔离车体与悬浮架之间的垂向振动;限制车体的侧滚;解耦车体和悬浮架之间的横向运动;在垂向多点均衡支承车体重量。磁浮车辆的抗侧滚摇枕一直都承受车体的重量,连接左右两个抗侧滚摇枕的剪切金属橡胶件在悬浮构架没有侧滚时是不受力的。空气弹簧的垂向刚度较小,提供
