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。

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。

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。

高速磁浮轨道功能件适用范围分析

研究目的:为探明高速磁浮轨道功能件拟合曲线线路时所产生轨道形位偏差的规律,指导高速磁浮轨道功能件的设计、选型,提升磁浮线路的拟合效果,满足高速磁浮线路高平顺性的要求,建立功能件拟合曲线线路的几何模型,探究不同曲线半径工况下功能件的功能面的位置、偏转值的理论偏差变化规律,提出功能件的适用范围。研究结论:(1)功能件在曲线段的拟合效果与功能件的长度、定子排列方式、导向面曲率半径、曲线线路参数有关;功能件长度越短、曲线半径越大拟合效果越好,定子径向(折曲)排列曲线拟合效果优于定子直线排列,带有曲率半径导向面对改善小半径平面曲线的拟合效果明显;(2)2.064 m、3.096 m、6.192 m长的定子直线(折曲)排列的功能件能够拟合的竖曲线半径应分别大于1900 m(950 m)、2800 m(950 m)、5700 m(1950 m),直线型、R=790 m和R=1550 m导向面的功能件,在平面曲线半径分别为∞、790 m、1550 m的线路上拟合效果最优;(3)本研究成果可为功能件的设计/选型、施工误差控制、优化功能件拟合磁浮线路的效果等提供参考。

基于中低速磁浮轨排特征的线型校正方法研究

研究目的:中低速磁浮一般按双线设计,线路线型由曲线、缓和曲线及直线构成。中低速磁浮特殊的轨排特征,对线路线型精度要求较高,其轨道几何状态直接关系磁浮列车的安全和运行的稳定性。为满足轨排安装的静态平顺度要求,轨排在铺设前已经加工完毕并与线路资料对号入座,且一一对应。当线下工程施工误差导致线路线型与设计不匹配时,就不能采用与轮轨铁路一样的校正方法,需要研究适用于中低速磁浮的校正方法对线路线型进行校正。研究结论:(1)为满足轨排安装的静态平顺度要求,解决由于线下工程施工误差导致线路线型与设计不匹配的问题,研究了一种适合于中低速磁浮的线路线型校正方法,区别于轮轨铁路线路线型校正方法,其主要步骤为:轨排预铺设→线路线型拟合→轨排重排→线路线型匹配性分析→轨排铺设;(2)通过实际案例分析,在施工精度可控的条件下,该校正方法可以解决线下工程施工偏差带来的铺轨问题,避免了线下基础重新施工、轨排重新生产等导致产生废弃工程的情况;(3)本研究结论可为中低速磁浮线路线型校正提供参考。

高速磁浮轨道(梁)安装测控平面控制网测量技术实验研究

首先提出高速磁浮轨道(梁)安装测控平面控制网的精度要求,然后建立了小范围的CFⅢ平面控制测量实验网,在实验网中分别进行了基于高精度智能型全站仪和激光跟踪仪的观测实验,并对观测数据进行了处理与分析,以验证用这2种仪器及其对应的测量方法建立高速磁浮轨道安装测控平面控制网的精度及其可行性。实验结果表明,利用激光跟踪仪进行高速磁浮轨道(梁)安装测控平面控制网测量是可行的,且能够满足平差后方向改正数≤±1.5″、距离改正数≤±1 mm、相邻点的相对点位中误差≤±0.5 mm的精度要求。

激光跟踪仪CFIII三维控制网数据采集软件研制

根据激光跟踪仪自身特点和实际工程应用需要,设计开发了一款激光跟踪仪CFIII三维控制网数据采集软件,该软件主要为高速磁浮、火箭撬滑轨测设一类具有特殊精度要求的测量工作提供外业数据采集服务。本文首先按照软件开发的一般流程进行需求分析和功能设计,并以此为基础对激光跟踪仪控制网测量等相关功能算法进行研究,然后对其中一些关键的功能算法进行阐述,再对各项子功能进行编码实现。最后,本文设计了一系列测量对比分析和仿真计算实验对软件各项功能进行可靠性验证,实验结果表明,本文研制的软件运行正常,测量结果正确、可靠。

真空管道磁悬浮系统构想

真空管道磁悬浮的悬浮和低空气阻力以最大化减少了列车前进的阻力,使得它具有平稳、舒适、超高效、超高速、超快捷的特点,从而决定了它必然是载人公共交通的发展方向之一。通过对真空管道磁悬浮系统和子系统磁浮列车、真空管道、真空设备系统(含密闭门、密闭窗、真空设备)、磁浮轨道系统、供电系统、自动控制系统、通信系统、售检票系统、综合维护系统的构想,及其相关子系统关键技术和运营场景的描述,提出了各子系统的主要构成和关键技术的解决思路,以及部分利用既有技术的思路。其运营场景的详细描述,对于相关子系统的研发提供了功能需求的支撑。

高速磁悬浮轨道板高精度整体预制关键技术

基于某高速磁悬浮试验线工程,针对传统预制工艺复杂、梁体运输困难等缺陷,开展了高速磁悬浮轨道板高精度整体预制关键技术研究,开发了预制高精度高速磁悬浮轨道板的专用模具和高精度集成功能区定位技术。结果表明:精确合模卡位技术可有效保证梁板的尺寸精度,提高施工效率;高精度集成功能区定位技术大大提升了各部件的定位准确程度,显著简化了后续施工流程,精度和效率都得到了保障;该技术具有明显的时间经济效益、技术经济效益和社会效益。

中低速磁浮轨排测量工装及软件设计与应用

为了保证磁浮列车的安全性、平稳性和舒适性,磁浮列车离地“飞行”,其核心技术在于磁浮轨道F轨。如果F轨铺设精度达不到要求,轨道内的传感器就会使上方的磁浮体频繁调整,使列车产生振动,严重导致事故发生。在长沙磁浮施工经验基础上,本文结合清远磁浮旅游专线轨排的结构特点,解决现有测量工装在定位和使用性能上的缺陷,设计研发了一种中低速磁浮轨排测量精调工装及软件,经工程实践应用验证,效果满足测量精度要求。

600 km/h高速磁浮线路参数研究

线路参数是铁路选线最基本的设计参数,不仅是列车安全、快速和舒适运行的技术保障,而且直接影响着铁路项目的工程造价及投资等重大问题。本文基于车线行驶动力学理论,以旅客乘坐舒适度要求为标准,对600 km/h高速磁浮铁路线路平纵断面参数进行研究,总结线路参数变化规律,提出600 km/h高速磁浮铁路线路设计参数建议值。研究成果可为高速磁浮铁路选线设计提供技术参考。

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。

提速情况下磁浮轨道结构振动响应及传递特性研究

中低速磁浮交通提速是目前研究趋势,但速度的提升会影响车辆运行稳定性。为探究提速后轨道的动力响应及其适应性,通过建立中低速磁浮车-轨-桥耦合动力学模型,对更高速度下轨道的振动响应进行仿真分析,并以长沙磁浮快线为对象,测试100~140 km/h速度区间内轨道的振动加速度及振动位移。研究结果表明:轨道各结构的振动响应存在差别,沿着F轨-轨枕-轨道梁逐渐减弱,车辆对轨道的垂向冲击大多被F轨的振动及弹性变形吸收,而横向冲击则更多地传递至下方的轨枕和轨道梁;随着车辆运行速度的提高,轨道的振动加速度响应逐渐加剧,轨道梁横向振动加速度较之垂向振动加速度增加更为明显,而轨道的振动位移响应则基本未表现出与速度的相关性;当车辆的运行速度提升至140 km/h后,轨道梁的垂、横向最大振动加速度分别为2.37 m/s^(2)和0.96 m/s^(2),速度提升至160 km/h时,轨道梁的垂向最大振动位移为3.55 mm,F轨内外磁极面最大高度差为0.44 mm,均在规定的限值范围内,轨道的振动响应满足要求。

小型化磁浮轨道结构设计与分析

研究目的:小型化磁浮应用场景与定位和常规中低速磁浮不同,现有的轨道方案难以满足线路要求,并且成本不易控制,为适应磁浮巴士试验线线路短、曲线半径小、运量及速度要求不高等特点,开展小型化磁浮轨道结构设计,并通过建立有限元模型,研究导轨周围的磁场分布、悬浮力及导向力变化特性,分析和验证轨道结构在多种荷载工况下的可靠性。研究结论:(1)新型轨道整体结构简单,施工安装方便,曲线适应性好,造价低,适用于小批量生产;(2)悬浮力与悬浮间隙及横向偏移呈负相关关系,8 mm额定悬浮间隙下,轨道提供的悬浮力能够满足车辆载重的需求;(3)导向力与横向偏移呈正相关关系,横向偏移超过±3 mm后,导向力增速逐渐变缓;(4)在不同荷载工况下,轨道各结构的应力均满足材料强度要求,导轨内外磁极面高度差始终低于0.5 mm;(5)相关研究成果可为小型化磁浮轨道结构设计提供参考和借鉴。

基于改进自抗扰控制器的磁浮列车速度跟踪控制研究

磁浮列车的速度跟踪控制具有典型的非线性、大时滞、多约束等特点,制约磁浮列车在节能运行、智能驾驶和精准停车等方向的发展。针对磁浮列车的速度跟踪控制的大时滞问题,首先运用自抗扰控制理论,改进并分解控制器结构,推演分析其改进后的传递函数;其次,对控制系统结构进行了优化,并在低频域对控制系统进行传递函数等效;第三,基于等效传递函数,提出1阶惯性环节加时滞环节(First order plus time delay,FOPTD)模型;第四,基于FOPTD模型,提出改进自抗扰控制器的参数调整方法;最后,在Simulink仿真环境下,搭建了磁浮列车速度跟踪系统。验证了基于改进自抗扰控制器的列车速度跟踪系统对正弦信号的跟踪能力,并比较了其与基于其他2种控制器(常规自抗扰控制器、2自由度比例-积分-微分控制器)(Two-Degree-of-Freedom Proportion-Integral-Derivative Controller,2DOF-PID)的列车速度跟踪系统的抗阶跃扰动能力,同时,在具体算例中,对比了改进自抗扰控制器与常规自抗扰控制器、2DOF-PID跟踪目标速度曲线效果,并进行了误差分析。仿真结果表明:在相同路况条件下,相比于基于其他2种控制器的磁浮列车速度跟踪系统,本文设计的磁浮列车速度跟踪系统能够在不同路段精准跟踪目标速度曲线。该控制方法对其他运动控制问题的学术研究和工程应用也具有很好的参考价值。

基于中点弦测法的中低速磁浮轨道不平顺误差研究

中低速磁浮轨道10 m弦测值作为评价轨道几何平顺性的标准时,由于弦测值在幅频范围内存在畸变并受基准线选取的影响而产生较大误差。本文推导了弦测法“以小推大”的传递函数,进一步定义了“以小推大”及其逆推算法的误差放大系数;分析了弦长、矩阵维度对误差积累特性的影响,结合传递函数分析不同波长对误差的敏感性差异,并通过数值模拟进行验证。结果表明:“以小推大”算法及其逆推算法在传递函数为0的波长范围内误差积累较严重,轨道不平顺功率谱密度出现阶跃信号;随着矩阵维度的增加,“以小推大”逆推算法的误差快速积累,推得的小弦长越小则误差积累越小。应用“以小推大”算法时应减小大小弦长比值;对于“以小推大”逆推算法,要减小采样步长、可换算最小弦长以及矩阵维度。

磁浮车辆起浮参数控制及其动力性能研究

磁浮车辆的起浮性能是磁浮交通系统研究的一个重要方向。为探究控制参数在磁浮车辆起浮过程中对起浮稳定性与振动舒适性的影响,通过建立单悬浮刚性电磁铁模型,从PD控制下的电磁力出发,推导电磁铁起浮过程中动力响应的特征与表达式。由起浮稳定性条件与振动舒适性要求,得到悬浮间隙反馈系数KP的上下限值。将获得的PD控制参数分别应用于单悬浮刚性电磁铁模型、单悬浮弹性电磁铁模型、单悬浮弹性电磁铁—轨道梁模型以及整车—轨道梁模型中,分析起浮过程中电磁铁或车体的位移和加速度响应以及轨道梁跨中加速度响应。研究结果表明:电磁控制参数KP和KD分别调控了起浮过程中系统的刚度和阻尼;KP具有上下限值,下限由电磁铁物理参数及承担质量确定,以抑制起浮失稳现象,上限值由加速度限值、初始位移、额定悬浮间隙、电磁铁物理参数及承担质量共同确定以保证满足规范所要求的振动舒适性;起浮过程中,二系悬挂可以降低电磁铁或车体的加速度,但增大了磁浮架的振动加速度;对于所研究的案例,车轨耦合振动频率较低的情形下,轨道梁对电磁铁或车体的起浮振动影响较小。

中低速磁浮轨检仪方案选型及参数动态优化研究

为提高中低速磁浮轨检仪对轨缝、错台及轨向等轨道几何参数的检测精度,保证其运行稳定性,利用多体系统动力学理论,分别建立了3种设计方案的轨检仪动力学模型,通过比较过轨缝时检测传感器处的振动加速度大小,提出新一代轨检仪的设计方案。根据定义的检测精度和动力学评价指标,基于多参数动态协同优化分析,获得了新一代轨检仪的关键参数最优值,并在中国铁建重工中低速磁浮试验线上进行测试试验验证。研究结果表明:采用四组双走行轮/双导向轮的新一代轨检仪,能够明显降低过轨缝时各检测传感器处的振动;关键参数最优值分别为走行轮组纵向间距Wx=600 mm,导向轮组纵向间距Gx=500 mm,导向弹簧组刚度C=0.3 MN/m且其预压量为2 mm。通过测试试验,验证了该轨检仪能够满足检测精度和评价指标要求,为新一代轨检仪的设计和结构布局提供了数据输入和理论支撑。

地震作用对中速磁浮列车-轨道-桥梁系统耦合振动的影响研究

随着磁浮交通线路的不断扩展,地震作用对磁浮交通系统的安全性构成了严重威胁。为探究地震作用对中速磁浮列车-轨道-桥梁系统振动响应特性的影响,基于考虑比例-积分-微分(PID)主动悬浮控制的磁浮车轨耦合关系,在绝对坐标系下建立磁浮列车-轨道-桥梁系统地震响应数值计算模型,其中将车辆简化为具有45个自由度的多刚体,轨道-桥梁结构采用有限元法建立。在此基础上,编制相应的仿真程序,计算只考虑车辆作用、只考虑地震作用以及同时考虑车辆和地震作用3种工况下系统的动力响应,并分析车速对系统地震响应的影响规律。研究结果表明:地震作用对磁浮列车-轨道-桥梁系统耦合振动影响明显,尤其是对横向耦合振动的影响;轨道-桥梁结构跨中竖向位移受车辆作用影响较大,跨中横向位移主要受地震作用影响;轨道-桥梁结构的频域响应与车辆荷载的特征频率及结构固有频率密切相关,地震作用会显著放大轨道-桥梁结构的1阶固有频率振动响应;同时考虑车辆作用和地震作用时,随着车速提高,车体加速度幅值与桥梁跨中竖向位移幅值并非单调变化,而桥梁跨中横向位移幅值呈现下降趋势。研究成果可为后续磁浮列车-轨道-桥梁耦合系统地震响应分析和轨道-桥梁结构设计提供理论支撑。