Aerodynamic Features of High-Speed Maglev Trains with Different Marshaling Lengths Running on a Viaduct under Crosswinds

The safety and stability of high-speed maglev trains traveling on viaducts in crosswinds critically depend on their aerodynamic characteristics.Therefore,this paper uses an improved delayed detached eddy simulation(IDDES)method to investigate the aerodynamic features of high-speed maglev trains with different marshaling lengths under crosswinds.The effects of marshaling lengths(varying from 3-car to 8-car groups)on the train’s aerodynamic performance,surface pressure,and the flow field surrounding the train were investigated using the three-dimensional unsteady compressible Navier-Stokes(N-S)equations.The results showed that the marshaling lengths had minimal influence on the aerodynamic performance of the head and middle cars.Conversely,the marshaling lengths are negatively correlated with the time-average side force coefficient(CS)and time-average lift force coefficient(Cl)of the tail car.Compared to the tail car of the 3-car groups,the CS and Cl fell by 27.77%and 18.29%,respectively,for the tail car of the 8-car groups.It is essential to pay more attention to the operational safety of the head car,as it exhibits the highest time average CS.Additionally,the mean pressure difference between the two sides of the tail car body increased with the marshaling lengths,and the side force direction on the tail car was opposite to that of the head and middle cars.Furthermore,the turbulent kinetic energy of the wake structure on the windward side quickly decreased as marshaling lengths increased.

Disturbance rejection tube model predictive levitation control of maglev trains

Magnetic levitation control technology plays a significant role in maglev trains.Designing a controller for the levitation system is challenging due to the strong nonlinearity,open-loop instability,and the need for fast response and security.In this paper,we propose a Disturbance-Observe-based Tube Model Predictive Levitation Control(DO-TMPLC)scheme combined with a feedback linearization strategy for the levitation system.The proposed strategy incorporates state constraints and control input constraints,i.e.,the air gap,the vertical velocity,and the current applied to the coil.A feedback linearization strategy is used to cancel the nonlinearity of the tracking error system.Then,a disturbance observer is implemented to actively compensate for disturbances while a TMPLC controller is employed to alleviate the remaining disturbances.Furthermore,we analyze the recursive feasibility and input-to-state stability of the closed-loop system.The simulation results indicate the efficacy of the proposed control strategy.

Physical modeling of long-term dynamic characteristics of the subgrade for medium-low-speed maglevs

To investigate the dynamic characteristics and long-term dynamic stability of the new subgrade structure of medium-low-speed(MLS)maglevs,cyclic vibration tests were performed under natural and rainfall conditions,and the dynamic response of the subgrade structure was monitored.The dynamic response attenuation characteristics along the depth direction of the subgrade were compared,and the distribution characteristics of the dynamic stress on the surface of the subgrade along the longitudinal direction of the line were analyzed.The critical dynamic stress and cumulative deformation were used as indicators to evaluate the long-term dynamic stability of the subgrade.Results show that water has a certain effect on the dynamic characteristics of the subgrade,and the dynamic stress and acceleration increase with the water content.With the dowel steel structure set between the rail-bearing beams,stress concentration at the end of the loaded beam can be prevented,and the diffusion distance of the dynamic stress along the longitudinal direction increases.The dynamic stress measured in the subgrade bed range is less than 1/5 of the critical dynamic stress.The postconstruction settlement of the subgrade after similarity ratio conversion is 3.94 mm and 7.72 mm under natural and rainfall conditions,respectively,and both values are less than the 30 mm limit,indicating that the MLS maglev subgrade structure has good long-term dynamic stability.

Current status and reflection on the development of high-speed maglev transportation

Purpose–High-speed maglev technology can address the issues of adhesion,friction,vibration and highspeed current collection in traditional wheel-rail systems,making it an important direction for the future development of high-speed rail technology.Design/methodology/approach–This paper elaborates on the demand and significance of developing high-speed maglev technology worldwide and examines the current status and technological maturity of several major high-speed maglev systems globally.Findings–This paper summarizes the challenges in the development of high-speed maglev railways in China.Based on this analysis,it puts forward considerations for future research on high-speed maglev railways.Originality/value–This paper describes the development status and technical maturity of several major high-speed maglev systems in the world for the first time,summarizes the existing problems in the development of China’s high-speed maglev railway and on this basis,puts forward the thinking of the next research of China’s high-speed maglev railway.

A study on aerodynamic noise characteristics of a high-speed maglev train with a speed of 600 km/h

Purpose–This study aims to explore the formation mechanism of aerodynamic noise of a high-speed maglev train and understand the characteristics of dipole and quadrupole sound sources of the maglev train at different speed levels.Design/methodology/approach–Based on large eddy simulation(LES)method and Kirchhoff–Ffowcs Williams and Hawkings(K-FWH)equations,the characteristics of dipole and quadrupole sound sources of maglev trains at different speed levels were simulated and analyzed by constructing reasonable penetrable integral surface.Findings–The spatial disturbance resulting from the separation of the boundary layer in the streamlined area of the tail car is the source of aerodynamic sound of the maglev train.The dipole sources of the train are mainly distributed around the radio terminals of the head and tail cars of the maglev train,the bottom of the arms of the streamlined parts of the head and tail cars and the nose tip area of the streamlined part of the tail car,and the quadrupole sources are mainly distributed in the wake area.When the train runs at three speed levels of 400,500 and 600 km$h1,respectively,the radiated energy of quadrupole source is 62.4%,63.3%and 71.7%,respectively,which exceeds that of dipole sources.Originality/value–This study can help understand the aerodynamic noise characteristics generated by the high-speed maglev train and provide a reference for the optimization design of its aerodynamic shape.

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%.

基于遗传算法的悬浮电磁铁磁热耦合参数优化

中低速磁浮列车依靠悬浮电磁铁产生电磁吸力,实现悬浮和导向,针对悬浮电磁铁结构参数设计问题,提出一种基于磁热耦合仿真的方法对悬浮电磁铁进行优化研究。通过对电磁铁结构分析,提出对悬浮电磁铁进行内扣和外扣两种方式,并分别建立三维有限元参数化计算模型,分析其主要发热源和热流量计算方法。在电磁铁温升不超过设定值的情况下,以提升悬浮电磁铁的浮重比为目标,采用遗传算法对结构参数进行寻优求解。仿真试验结果表明,在保证悬浮力达到要求的情况下,所提方法对电磁铁进行内扣操作后,其质量减少43%,进行外扣操作后,电磁铁质量减少58%,并且电磁铁的稳态温升没有超过设定值。所提出的设计方案更加符合实际,为后续设计提供一定的参考依据。

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.

基于电磁铁复合线圈的磁浮车悬浮间隙检测方法

针对传统电涡流传感器体积大、无法直接测量真实电磁间隙等问题,提出了一种基于电磁铁复合线圈的磁浮车悬浮间隙检测方法。首先,分析了悬浮系统等效电磁间隙检测原理,针对电磁铁和F轨表面高频涡流对复合线圈磁场耦合作用建立了复合线圈等效阻抗模型。其次,通过有限元仿真优化了复合线圈激励频率和复合线圈间隙检测系统结构以提高检测灵敏度,设计了谐振检测电路和信号解调电路有效抑制了悬浮系统与间隙检测系统之间的串扰。最后,进行了静态性能测试和悬浮实验,校正后的线性度为0.4%,恒定间隙时静态输出最大波动峰峰值为89μm,悬浮系统能够在给定间隙、阶跃扰动和偏移扰动的不同工况下稳定悬浮。实验结果表明,间隙检测的响应速度和检测误差均满足系统要求。

中低速磁悬浮铁路路基轨道梁计算方法

研究目的:中低速磁悬浮铁路是一种新型交通运输系统,其路基-轨道梁结构对系统的安全性、运行稳定性和乘坐舒适性有重要影响。为简单合理确定车辆荷载作用下路基-轨道梁结构的挠度和内力以便为实际工程设计提供理论依据,基于Winkler弹性地基上的Timoshenko梁模型,建立中低速磁悬浮铁路路基轨道梁计算方法。研究结论:(1)通过拟静力法将车辆动力荷载转换为等效惯性力,结合梁体边界条件,采用Laplace变换方法,推导出了竖向集中荷载作用下轨道基础梁的挠度和内力的计算公式,并通过室内模型试验和现场测试进行了验证;(2)轨道基础梁的挠度和弯矩沿梁体长度均呈中间大、两端小的抛物线型分布模式,二者理论值与试验值的最大误差分别约为10%、5.6%;(3)梁体剪力沿长度呈跨中为零的线性分布,理论值与试验值最大误差约为5%;(4)本文所建立的计算方法可为中低速磁悬浮铁路路基轨道梁的实际工程设计提供参考。

高温超导磁浮车水平曲线通过适应性研究

针对高温超导磁浮车刚性悬浮架曲线通过性差,文章提出了一种具有一定点头和摇头自由度的半解耦悬浮架结构,将高温超导的悬浮力和导向力简化为线性特性,建立了高温超导磁悬浮车辆的动力学理论模型,通过UM软件,在周期性激励的作用下,对理论模型进行了动力力学响应的仿真验证,证明了动力学理论模型的合理性。文章进一步利用UM软件分析了高温超导磁浮车的水平曲线通过性能,对比了悬浮架不同垂向扭转刚度、横向扭转刚度、空气弹簧垂向刚度对杜瓦的横向位移、垂向位移的影响。仿真结果表明,释放一定点头自由度和摇头自由度的半解耦悬浮架,能够更好地适应曲线轨道的线路弯曲和线路扭曲,减少了构架对悬浮系统的不利影响,充分发挥了高温超导钉扎效应的特性,提高了车辆的曲线通过性能,同时合理的空气弹簧刚度能够很好地抑制杜瓦的振动,使车辆运行平稳。最后提出了满足车辆安全运行的悬浮架方案,高温超导磁悬浮车辆曲线通过性能有明显的提升。

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。

基于Adaline算法的高速磁浮列车谐波检测及抑制方法

[目的]为了减小高速磁浮谐波对牵引网产生的影响,保障高速磁浮列车的正常运行,需研究高速磁浮牵引供电系统中的谐波特性及其相应的谐波抑制方法。[方法]分析了高速磁浮牵引供电系统的构成,并对双三相半控12脉冲多重整流电路及其谐波进行了理论分析和仿真。根据Adaline神经网络算法原理和高速磁浮谐波特性,构建基于Adaline的高速磁浮谐波检测模型。采用谐波补偿控制策略,产生与检测出的谐波方向相反、大小相等的电流作为补偿信号,对系统畸变电流进行谐波抑制。[结果及结论]仿真结果表明:采用基于Adaline算法的谐波检测及抑制方法前,谐波畸变率为11.16%,而采用该方法后,各次谐波含量明显降低,谐波畸变率下降为1.41%。研究结果表明:所提谐波检测及抑制方法可以有效减少谐波畸变,提高牵引供电系统的稳定性和工作效率。

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。

内嵌式中低速磁浮线路平面最小曲线半径

[目的]内嵌式中低速磁浮系统作为一种新型的轨道交通制式,其车辆及轨道系统依靠非接触式支撑运行,且车辆走行机构内嵌于轨道梁内,因此需针对其车线匹配原理、车辆和轨道梁结构特点,研究线路平面最小曲线半径取值,以支撑工程设计。[方法]介绍了内嵌式中低速磁浮系统的特点;介绍了平面最小曲线半径取值的基本原理;基于车辆行驶动力学理论,分析了内嵌式中低速磁浮线路的旅客舒适度标准及平面最小曲线半径取值。[结果及结论]在列车运行速度一定的情况下,平面最小曲线半径主要取决于横坡角允许值和未被平衡离心加速度允许值。在参考国内外其他轨道交通制式的试验结果、相关标准规定、传统中低速磁浮系统实际建设运营情况的基础上,建议最大横坡角不大于8°,最大未被平衡离心加速度在一般和困难情况下分别不大于0.4 m/s^(2)和0.6 m/s^(2)。当内嵌式中低速磁浮系统设计速度为200 km/h时,线路平面最小曲线半径一般和困难情况下分别可取为1800 m和1600 m。

横向贯通式中低速磁浮一体轨道梁钢-混结合部试验研究

为解决中低速磁浮分离式轨道梁存在的养护难、构件多,以及无法考虑F轨刚度贡献等问题,提出一种横向贯通式梁轨一体轨道梁结构,针对其钢-混结合部的静力性能开展有限元分析和足尺模型试验研究,并对关键设计参数进行参数分析。结果表明,在5倍设计荷载内,钢-混结合部基本处于弹性状态,承载力满足设计要求,且具备较高富裕量;竖向荷载主要通过钢板承压作用传递至混凝土梁体,焊钉对竖向荷载的传递作用较小;设计参数分析表明,适量提高钢连接件钢板厚度有利于竖向荷载的平顺传递。研究结果可以为梁轨一体轨道梁设计提供参考。

磁悬浮轨道梁均匀温度及温差分量极值研究

与一般公铁桥梁不同,磁悬浮轨道梁的温度场会受到周围磁场与功能件升温的影响。由于我国规范暂未对磁浮轨道梁均匀温度和温差分量的极值作出明确规定,研究具有概率保证的温度分量代表值具有重要意义。根据长沙磁浮运营线某混凝土箱梁1年多的现场温度监测数据,分析梁体均匀温度与竖向等效线性温差的时变特征。研究分别采用单变量线性回归法(ULR法)和梯度提升回归树法(GBRT法)建立基于气象因素的结构温度分量预测模型,对比发现GBRT法不仅能提高均匀温度的预测精度,还能克服ULR法无法预测竖向等效线性温差的局限性。而后将1960—2019年的长期气象数据输入到建立好的GBRT预测模型中,得到磁浮箱梁各温度分量60年的长期预测值,经整理后得到均匀温度和竖向等效线性温差的日极值、年极值样本。结合最大熵极值模型和Fourier函数得到各温度分量的日极值时变曲线,对年极值样本建立最大熵模型并确定百年重现期下的温度分量代表值。研究结果表明:磁浮箱梁均匀温度呈现以年为周期的季节性变化,竖向等效线性温差受太阳辐射影响,呈夏季高、冬季低的特点;百年重现期下磁浮箱梁均匀温度和竖向等效线性温差的代表值分别为44.4℃、8.6℃。该方法结合GBRT算法和最大熵极值模型,解决了极值分析中年极值样本不足的问题,结果可为磁浮轨道梁的温度变形设计提供参考。

预应力效应对中速磁浮线路简支梁车-桥耦合振动响应的影响

以长沙磁浮线路简支梁桥为研究对象,建立考虑不同预应力效应的磁浮线路简支梁桥车-桥耦合振动模型,分析预应力效应对中速磁浮线路车-桥耦合振动响应的影响。结果表明:预应力效应的变化对桥梁动力响应影响明显,预应力增加显著加剧桥梁竖向振动加速度,预应力由0.67P0(P0为张拉控制应力)增加到1.33P0时,桥梁跨中竖向最大加速度从0.21 m/s^(2)增至0.44 m/s^(2);车速增加会加剧预应力效应的影响,对桥梁竖向振动加速度的影响尤为明显,车速由20 km/h增加到200 km/h时,在1.00P0作用下,桥梁跨中竖向最大加速度从0.15 m/s^(2)增至0.76 m/s^(2);箱壁局部变形对车-桥耦合竖向振动响应有显著影响,预应力导致的箱壁局部变形不可忽略。

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%.

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。