基于等效刚度阻尼系统的中低速磁浮列车与大跨度桥梁耦合振动响应分析

针对中低速磁浮列车与大跨度连续梁桥的耦合动力响应问题,本文基于等效刚度阻尼系统建立多编组磁浮列车模型;基于国内在建磁浮专线连续梁桥(35m+55m+35m),采用ANSYS中实体单元建立全桥模型.并将两个独立系统在SIMPACK进行车桥耦合,设定车重参数分别为空载、定员和超载,且列车按单线和双线工况运行,计算耦合系统的动力响应.结果表明,本文建立的列车模型受到轨道激励时,磁浮间隙在额定范围内浮动,即等效刚度阻尼系统有良好的控制效果;车辆磁浮间隙的变化量、车体竖向加速度与车重成反比,而磁浮力与车重成正比;在计算工况下,桥梁主跨及边跨的竖向位移均满足设计要求的限值,双线列车超载运行桥梁跨中最大位移仅为4.503mm.说明连续梁桥具有较大的刚度,能满足磁浮车辆安全运行的要求;对比列车单双线运行,主跨跨中的竖向位移最大值后者达到前者两倍,而边跨位移的最大值后者仅比前者增大70%,表明双线列车对开运行对桥梁的动力响应存在增大效应.相关研究成果对磁浮线路建设有一定参考意义.

高速磁浮列车搭接结构悬浮系统仿真分析

为模拟高速磁浮列车悬浮系统运动过程并分析不同条件下的系统响应,本文围绕悬浮系统建模、控制器设计和仿真分析展开研究.首先,介绍以搭接结构为基本单元的高速磁浮列车悬浮系统的基本结构与工作原理,通过机理分析方法构建理想情况下的悬浮系统数学模型;然后,对悬浮系统模型进行合理简化,并针对简化模型设计标称控制器;最后,仿真验证了标称控制器的控制效果,并对比分析仿真和实验条件下永磁电磁混合悬浮系统的起浮降落过程.研究结果表明:仿真得到的悬浮间隙、悬浮电流等物理量的变化情况与实际系统的变化趋势吻合,稳态时误差小于5%.

轨道不平顺激励对高温超导磁浮列车电机悬挂的影响

高温超导磁浮列车在运行过程中受到轨道随机不平顺激励的影响,车体和磁浮架的振动会传递至直线电机动子而导致气隙变化,变化后的电磁力反作用于电机悬挂系统,进而影响磁浮架和车体振动。二者的耦合振动一定程度上会影响高温超导磁浮列车的安全运行。为了减少轨道随机不平顺激励对电机悬挂系统的影响,文章建立了多刚体动力学理论模型,并在周期性激励的作用下,对理论模型进行了动力学响应的仿真验证,证明了动力学理论模型的正确性。进一步地,在UM软件中以电机法向力和轨道随机不平顺作为外部激励,对高温超导磁浮列车动力学模型进行仿真,研究了电机悬挂系统的垂向刚度对直线电机气隙、车体和悬浮架振动、列车运行平稳性等参数的影响并对该刚度值进行了合理优化。结果表明:增大直线电机悬挂系统的垂向刚度能一定程度提高车体平稳性;同时增大垂向刚度能一定程度上减小气隙的变化和电机的振动,从而降低和悬浮架的耦合作用。研究结果是在特定的结构参数、负载条件下的仿真分析结果,可为高温超导磁浮列车动力学分析提供一定参考作用。

中低速磁浮列车双线隧道交会时的气动特性研究

为探明速度140 km/h的中低速磁浮列车在双线隧道内交会时隧道壁面和车体表面压力变化情况,文章采用数值计算方法研究了车/隧不同参数对隧道壁面和车体表面气动性能的影响,并对比了不同编组长度的列车和不同隧道净空面积对列车车内压力的影响。研究结果表明,4车编组的磁浮列车在双线隧道中部交会时,隧道壁面测点的压力变化峰峰值与隧道净空面积的1.379次方成反比,车体表面压力测点的变化峰峰值与隧道净空面积的1.231次方成反比。当隧道净空面积为66.2m^(2)时,在气密性指数为0.5s条件下,8车编组列车在隧道内交会引起车内测点的3s压力变化值相较于4车编组列车增加102.2%,而在气密性指数为8s条件下该比例降低至50.4%。文章的研究结果可为中低速磁浮隧道工程建设提供参考依据。

高速磁浮列车-轨道梁耦合系统轨道不平顺敏感波长研究

轨道不平顺是诱发车-桥系统耦合振动的主要激励源之一,探明系统耦合振动不平顺敏感波长,对线路管理具有重要参考价值。首先,建立了高速磁浮列车-轨道梁耦合系统空间模型,其中磁浮列车被模拟为具有537个自由度的多体动力学模型,轨道梁被模拟为空间有限元模型,两者之间通过基于比例-微分(proportional-differentiation, PD)控制理论的磁轨关系耦合。其次,以上海高速磁浮为研究背景,选用5车编组列车驶过20跨简支梁桥为计算条件,通过与实测结果对比,验证了模型的正确性。最后,考虑轨道谐波不平顺激励,探讨了不同方向的轨道不平顺组合、不同轨道不平顺幅值和不同车速对列车和桥梁动力响应敏感波长及列车运行平稳性的影响。结果表明:磁浮列车-桥系统横向振动和竖向振动耦合性很弱;在设计车速430 km/h下,车体竖向、侧滚和点头加速度敏感波长分别为140~180 m、60~100 m和120~160 m,车体横向和摇头加速度敏感波长大于200 m;当波长为80、105、115、140和160 m时,会分别引发车体侧滚、摇头、横向、点头和竖向方向的共振;车体和主梁的响应幅值与轨道不平顺幅值基本呈线性关系;当轨道不平顺幅值为1 mm时,在计算车速200、250、300、350、390和430 km/h工况下,车体侧滚加速度峰值随车速变化不大,其他4个自由度方向的加速度峰值随着车速的增大而减小,主梁竖向加速度幅值随车速的增大呈线性增大;从车体的横向和竖向Sperling指标可以看出,车体的Sperling指标均小于2.5,磁浮列车的运行平稳性良好。

计及实时最大功率约束的高速磁浮列车再生制动能量存储利用

针对高速磁浮列车牵引供电系统结构及运行规则特殊性导致再生制动能量无法主动利用、能量回馈方式对局域网电压影响大的问题,在对高速磁浮列车牵引供电系统结构和能量流动机理进行分析的基础上,给出基于地面式超级电容储能的高速磁浮列车再生制动能量回收利用系统拓扑结构;考虑高速磁浮列车再生制动能量回收系统容量配置小、超级电容工作电压变化明显的特性,以高效回收再生制动能量为目标,将储能系统实时的可运行最大功率作为约束功率,制定相应的能量管理策略,实现系统不同工况下的能量管理,并通过分层控制策略实现整个再生制动能量利用系统的高效运行。通过仿真验证所提再生制动能量回收利用系统及控制策略的有效性,结果表明:所提方案可使高速磁浮列车牵引能耗降低21.83%;与储能系统采用固定功率约束的功率分配方式相比,再生制动能量利用率提高了11.9%。

基于加权融合的常导高速磁浮列车UKF定位算法

为提高高速磁浮列车测速定位的精确性,本文针对基于长定子齿槽检测的常导高速磁浮列车测速定位方法在列车运行过程中可能因测速定位信号缺失、干扰、测速定位安装误差等原因引起的定位不准问题,提出一种基于加权融合无迹卡尔曼滤波(UKF)的常导高速磁浮列车测速定位算法.介绍了高速磁浮列车基于长定子齿槽的测速定位方法,并对多路冗余速度位置信息进行预处理和自适应加权融合处理;给出基于加权融合UKF的常导高速磁浮列车测速定位算法模型;基于磁浮列车测速定位在环测试试验台试验,对改进后的无迹卡尔曼滤波磁浮定位算法与原定位算法进行了对比分析.分析结果表明:磁浮列车平均速度误差减小了32.6%,速度极差降低了49.3%,有效消除了信号采集噪声,提高了磁浮列车测速定位精度.

考虑四极子声源的高速磁浮列车气动噪声数值模拟方法

随着列车速度的提高,四极子声源对列车气动噪声的贡献增大,高速磁浮列车的运行速度达到600 km/h时,有必要考虑四极子声源对高速磁浮列车气动噪声的影响.为此,本文建立考虑四极子声源的高速磁浮列车气动噪声数值模拟方法,对高速磁浮列车流线型尾部、头部区域的积分面进行局部外推,探索流线型尾部、头部区域的四极子声源对高速磁浮列车气动噪声的影响.研究发现:高速磁浮列车的尾涡会穿过下游的积分面,流线型尾部区域不能采用全封闭积分面,否则会产生非常大的伪声;流线型尾部区域的积分面需要较多地向尾涡区延伸,并去除尾涡穿过的区域;高速磁浮列车流线型头部区域四极子声源的贡献很小,流线型头部区域的积分面可以取为流线型头型表面;在600 km/h下,高速磁浮列车四极子声源引起的气动噪声能量占比达到42%.

中低速磁浮列车悬浮控制系统冗余设计方案探讨

悬浮控制系统作为中低速磁浮列车的核心子系统,其可靠性和容错能力对于列车正常运行至关重要。为提高悬浮控制系统容错能力,通过分析工程应用中的悬浮控制系统故障数据设计了一种处理器模块冗余、电源冗余以及悬浮传感器冗余相结合的悬浮控制系统方案,通过软、硬件设计搭建了新方案的样机实物并进行了初步测试。处理器模块采用双机热备冗余,电源采用双路DC24V冗余,悬浮传感器采用二乘二取二冗余。其次运用马尔可夫理论建立了悬浮冗余控制系统的可靠性模型,对系统进行可靠性分析,研究故障率、故障检测率对悬浮冗余控制系统可靠性的影响,将悬浮冗余控制系统与常规悬浮控制系统的可靠性进行对比分析。并通过Simulink和Stateflow建立主从切换状态机模型和主从切换控制系统模型,实现了逻辑仿真。研究结果表明,在悬浮控制系统生命周期内,本文提出的悬浮冗余控制系统方案相比于常规悬浮控制系统的可靠性提高了50%,提升主模块的故障检测率和降低各单元的故障率均能有效提升悬浮控制系统可靠性。在制定合适的故障检测和切换控制策略前提下,双机热备冗余设计的悬浮控制系统相比于常规悬浮控制系统更具可靠性,是提升悬浮控制系统可靠性和容错能力的有效措施,适合在中低速磁浮列车上推广应用。

基于射频识别的高温超导磁浮列车定位方法

[目的]为解决目前传统列车定位技术不适用于高温超导磁浮列车,以及高温超导磁浮列车现有定位技术具有局限性的问题,提出一种基于RFID(射频识别)技术的列车定位监测方法。[方法]介绍了RFID定位技术,提出该定位技术在系统应用中的理论误差模型,设计并搭建完成定位软件及硬件系统。为提高系统的定位精度,分析了列车运行速度、读写器响应时间、读写器信标距离等参数对定位误差的影响。在此基础上,结合高温超导磁浮列车具体运行环境搭建试验平台,验证所提RFID定位方法的可行性。[结果及结论]所设计的基于RFID的高温超导磁浮列车定位方法,能够对环形试验线中运行的磁浮列车进行较高精度的定位,所提RFID系统具有可靠性高、成本低、易于维护等优点。

高速磁浮列车泡沫三明治板在冲击载荷下的吸能特性与参数优化

建立模拟高速磁浮列车泡沫三明治裙板冲击的有限元模型,基于搭建的钢球冲击试验装置验证模型的有效性,研究冲击速度、前后金属面板厚度和支撑间距对泡沫三明治板吸能量和冲击载荷的影响。采用响应面法建立泡沫三明治板内能和初始峰值载荷的代理模型,基于遗传算法提出冲击速度、前后面板厚度和支撑间距等参数的优化方法。研究结果表明:在低速(8 m/s)冲击下,泡沫三明治板具有更好的吸能效率,吸能效率能达到90%以上;随着冲击速度增加,吸能效率显著下降;增加冲击间距不仅能延长冲击作用时间,也能显著降低冲击载荷峰值力,降幅达到13.59%;针对高速磁浮列车泡沫三明治板的吸能设计要求,通过调整前、后金属面板的厚度可有效改善其吸能效果。内能和峰值力的预测值与其真实值之间的最大相对误差分别为4.14%和0.96%,满足高速磁浮列车泡沫三明治板吸能特性预测的精度要求。

磁浮列车悬浮力的公式优化及悬浮系统的建模与实验

EMS (Electro-magnetic suspension)型中低速磁浮列车的悬浮系统在建模过程中,通常利用泰勒公式将悬浮力在平衡点处线性化。线性化后的近似悬浮力公式与标称悬浮力公式之间存在一定的误差。本文将该误差作为一种不确定性进行研究,由此得到了新的悬浮力公式并创新性地构建了具有不确定性的悬浮系统模型。随后,利用所建立的模型设计了一个基于广义内模控制算法的悬浮控制器,并在悬浮系统的单转向架平台上进行了抗干扰能力测试和过台阶能力测试。实验结果表明在本文所提出的悬浮控制器作用下,系统具有良好的悬浮性能和鲁棒性。

常导高速磁浮列车折返间隔时间研究

[目的]列车折返间隔时间作为影响常导高速磁浮线路通过能力的重要因素之一,由于其列车运行控制原理与传统轨道交通系统存在较大差异,传统轮轨交通的列车折返间隔研究难以直接应用,需结合常导高速磁浮运行控制特点开展针对性研究。[方法]以高速磁浮列车交通系统典型的单渡线折返方式为研究对象,通过分析其折返作业流程,建立了一种列车折返间隔时间计算模型,得到其解析算法。结合列车折返方式、列车编组、列车停站作业时间、牵引供电分区划分等多种影响因素,参考上海磁浮列车示范运营线的线路情况进行仿真计算分析。[结果及结论]结果表明,车站按单分区划分时,站前折返间隔时间小于站后折返,车站按双分区或四分区划分时,则反之;牵引分区划分对站前折返间隔时间基本无影响,而对站后折返间隔时间缩短明显,且四分区下的折返间隔时间一般小于双分区,但对于上客作业时间明显大于下客作业时间的折返站,两者折返间隔相近。

侧风下磁浮列车-箱梁组合系统气动特性

与轮轨列车-桥梁组合系统不同,常导磁浮列车-桥梁系统采用“车抱轨”的结构形式,且列车底部与桥梁之间的空气通道极其狭窄,使得侧风下磁浮列车-桥梁组合系统的空气流动、气动力出现新的特征。本文以常导抱轨式高速磁浮列车和简支箱梁桥为研究对象,建立侧风数值分析模型,探讨组合系统的雷诺数效应,确定合适的模拟风速。在此基础上,对侧风下磁浮列车-箱梁组合系统的侧风气动特性进行分析,为磁浮交通的抗风运营安全提供参考。结果表明:磁浮列车-箱梁组合系统的气动特性与雷诺数密切相关,列车、箱梁气动性能受组合影响变化较大,线间距对系统气动性能的影响不明显,增大梁高会使系统气动力略有增加。

考虑悬浮牵引耦合的常导高速磁浮列车牵引性能仿真

常导高速磁浮列车长定子直线同步电机(LLSM)定子电枢电流和动子励磁电流产生的磁动势共同作用形成气隙磁场,实现车辆悬浮和牵引,所以悬浮力和牵引力之间存在耦合。基于MATLAB/Simulink建立了牵引供电系统的仿真模型,采用不考虑悬浮牵引耦合的LLSM数学模型,在恒定励磁电流条件下仿真计算了牵引性能;采用考虑悬浮牵引耦合的LLSM数学模型,其以有限元仿真数据为样本库,基于线性回归最小二乘方法拟合得到,在恒定悬浮力条件下仿真计算了牵引性能。通过对比两种仿真结果,分析了耦合作用的影响。

超导电动磁浮列车电磁特性及悬浮稳定性控制

超导电动磁浮列车运行过程中电磁阻尼较小,借助列车直线同步电机牵引控制,设计悬浮稳定性控制系统,为列车的悬浮稳定提供一种技术手段。以MLX01型超导电动磁浮列车为研究对象,结合单个转向架与地面线圈组成结构的场-路-运动耦合数值模型,揭示了超导电动磁浮列车的悬浮特性。研究了超导电动磁浮列车超导磁场强度、悬浮位移、运行速度以及标准空气气隙之间的关系特性,分析了不同超导磁场强度和标准空气气隙下单个转向架悬浮方向电磁弹簧系数变化规律。采用矢量控制策略实现了超导磁浮列车直线同步电机直轴和交轴分量的解耦,建立了直轴电流与悬浮力之间的数值表达式,设计了悬浮稳定性控制结构,并采用状态反馈实现悬浮系统的极点配置。通过对比采用悬浮稳定性控制结构前后转向架平衡位移响应,证明了采用悬浮控制结构的有效性。研究结果表明,采用悬浮稳定性控制系统可有效抵抗外部干扰,维持列车的悬浮稳定,也可进一步提高列车的乘坐舒适性。

高速磁浮列车测速定位问题综述

为研究高速磁浮列车测速定位问题,从系统工程角度阐述测速定位问题的技术本质是车地时空关系的表达,功能目标是实现车地时空信息的实时获取与交互,重点在于信息层面而不是单纯的测速定位技术研究应用或系统构建。分析归纳了在技术选用和系统设计时需充分考虑的时空一致性、时空约束性和时空敏感性特征以及五方面具体特点;汇总了高速磁浮列车测速定位技术研究进展,包括感应环线技术、齿槽检测技术、车载多普勒雷达技术、脉宽编码检测技术、射频应答器技术、卫星导航技术以及光纤测量技术,并分别从原理、优缺点、适用性、应用情况等方面进行分析。鉴于目前的研究绝大多数集中于技术层面,从工程化角度出发展望了测速定位技术和系统的发展,认为雷达技术、通感一体化技术、基于惯导的组合测速定位技术以及摄像测量技术值得关注,以工程化为目标的系统研究、设计和优化还需深入进行,需要跟随技术发展对多种技术组合进行持续研究和试验,并应构建测速定位技术的指标体系和评价方法。针对目前的系统架构下不能充分支持时空信息共享的问题,给出了一种总线架构参考。

时速600 km高速磁浮列车气动声源分布及产生机理初探

高速磁浮的噪声主要来源于气动噪声,并且列车未来时速可达到600 km/h,气动噪声与列车速度的6~8次方成正比,会带来线路环境问题。本文以全尺寸高速磁浮列车模型为研究对象,基于延迟分离涡模型方法(DDES),结合磁浮列车流场特性分析其表面噪声产生的机理,为高速磁浮列车气动噪声性能评估和线路声屏障设计提供了依据。主要研究内容如下:由于气流直接冲击和流动分离,磁浮列车头部流线型区域主要声源分布在鼻尖位置,总声压级最大值为106.48 dB;车尾鼻尖处的复杂局部涡流和涡旋脱落是使其成为车尾流线型区域主要噪声源的原因,车尾鼻尖处总声压级最大值为124.75 dB;风挡间隙中的涡流引起了空腔噪声,风挡底部受到空腔噪声和车轨间隙噪声的耦合作用,其产生噪声能量最大,四位风挡底部的总声压级分别为115.94 dB、118.29 dB、123.36 dB和120.05 dB;无线电终端结构光滑度较高,在其表面气流流动平缓没有发生流动分离,表面各个部位声压级水平整体相似,并且车尾处的噪声水平高于车头处。

中低速磁浮列车新型测速定位系统研究

中低速磁浮列车因其特殊性,无法使用轮轨列车测速方法,且目前普遍采用的测速方法在低速区精度低、数据灵敏性差,难以满足自动驾驶需求。针对该问题,文章提出了一种新型测速定位系统,阐述了该系统的设计方案,介绍了其定位、测速和方向识别的原理,并通过试验平台进行验证,结果显示该系统测速精度高、定位误差小,且便于在工程实践中应用。

EMS型高速磁浮列车轨道间隙静磁暴露乘客安全评估

分段磁浮列车轨道功能区的衔接间隙使悬浮励磁线圈产生的静磁场发生电磁泄漏。为了研究衔接间隙对静磁场泄漏的影响以及量化评估泄漏静磁场对车厢内乘客健康安全风险,考虑到泄漏静磁场在乘客身体具体分布不易测量,基于有限元软件COMSOL,建立3人同排连坐乘客坐姿人体模型以及EMS型高速磁浮轨道、车体模型,通过数值仿真对比分析相邻梁跨间、梁跨内功能区衔接处的功能件衔接间隙和定子衔接间隙大小以及定子铁芯衔接间隙相对功能件衔接间隙位置的错位移动对泄漏静磁场的影响,提出减小轨道上方空间静磁场暴露优化方法;同时,结合静磁场电磁暴露限值标准,计算并量化评估同排连坐3人乘客在轨道较大间隙上方车厢内的电磁暴露情况。研究结果表明:减小轨道间隙衔接距离,可以减小励磁线圈在轨道上方空间电磁泄漏,且错位移动定子铁芯距离-1548mm,轨道平面及上方600mm平面与沿列车行进方向磁极铁芯中心线切面正交线位置轨道间隙泄漏的|B|值均可大幅度减小;同排连坐3位乘客头部、躯干|B|的最大值分别约占标准GB/T 32383—2020中1 mT静磁场限值的1.9%、3.4%,心脏起搏器脉冲发生装置安装区域|B|的最大值约占标准GB 16174.2—2015中静磁场为1mT设备试验值要求的2%。研究成果可为EMS型高速磁浮列车系统电磁暴露剂量学的研究提供数据参考。