中低速磁浮车辆悬浮控制器可靠性优化设计研究

[目的]悬浮控制器是中低速磁浮车辆的关键部件,其可靠性直接影响中低速磁浮车辆悬浮系统的稳定性及可靠性,需对悬浮控制器的可靠性进行优化。[方法]以单个悬浮电磁铁(内含2个悬浮控制器)为研究对象,分析了悬浮控制器的可靠性,建立了悬浮控制器的可靠性模型,开展了悬浮控制器故障树分析,找出影响悬浮控制器的关键因素。提出了悬浮控制器的优化方案,将单个悬浮电磁铁内含的2个悬浮控制器优化为1个悬浮控制器,并对部分关键部件进行了冗余设计。基于优化后悬浮控制器的电路原理,建立了优化后悬浮控制器的可靠性模型及故障树模型,并对悬浮控制器优化前后的可靠性进行对比分析。[结果及结论]与优化前单个悬浮电磁铁中2个悬浮控制器的总失效率(2.282×10^(-6)h^(-1))相比,优化后单个悬浮电磁铁悬浮控制器的失效率为1.064×10^(-6)h^(-1),失效率降幅为53.37%。优化后悬浮控制器的可靠度明显高于优化前悬浮控制器的可靠度。

中低速磁浮车辆空气弹簧动力学建模及其应用研究

建立合理的适用于中低速磁浮车辆的空气弹簧动力学模型是预测中低速磁浮车辆动力学性能的必要条件。基于振动力学与弹性力学基本原理,建立了中低速磁浮车辆空气弹簧系统非线性动力学模型,依据测试结果辨识了系统参数,试验验证了模型的准确性,并结合线路动态测试结果对比了线性模型与非线性模型的差异。结果表明:空气弹簧在±70 mm有效行程范围内,其垂向载荷‑内压‑位移之间呈三次函数关系,行程大于70 mm时,载荷‑位移呈线性关系;磁浮车辆空气弹簧横向刚度极大,可以分段线性近似表示;直线线路车辆速度大于30 km/h以及曲线线路半径小于100 m时,线性模型计算结果偏差较大,非线性模型计算精度显著高于等效线性模型。研究结果可为中低速磁浮车辆设计、动力性能预测提供理论依据。

故障工况下常导磁浮车辆悬浮架载荷特性研究

针对中低速常导磁浮车辆运行过程中可能出现的故障工况,对悬浮架的载荷特性展开研究。首先根据实际参数建立动力学模型并分析其振动特性,研究了悬浮架构架在电磁铁失效、空气弹簧失效等故障工况下的位移特点;然后分析故障工况下悬浮架的载荷特性,并对悬浮架各部件的强度进行评估。研究结果表明:磁浮车辆的车体与悬浮架通过滑台间接相连,使得振动形式比较丰富;在电磁铁失效故障工况下,悬浮架构架质心的位移相对较大,与轨道碰撞后使得悬浮架载荷发生突变;相对于正常运行工况,左侧电磁铁失效时纵梁的应力最大值增长为原来的3.87倍,左后空簧失效和紧急落车时托臂的应力最大值分别增长为原来的2.59倍和8.11倍。对故障工况下悬浮架的载荷特性进行研究,可以为疲劳寿命计算和结构强度设计提供参考依据。

电机法向力对两种磁浮车辆动力学的影响

中低速磁浮列车采用直线感应电机进行牵引,电机在产生牵引力的同时也会产生法向力,电机法向吸力会对悬浮模块产生垂向激扰,增加悬浮系统的负担。本文利用有限元法对比分析不同气隙下电机牵引力、法向力随速度的变化;建立两种中低速磁浮车辆-轨道耦合动力学模型,分析忽略电机法向力及车体和悬浮架分别在1 kN、3 kN、5 kN冲击力下两种磁浮车辆-轨道耦合系统的垂向动力学响应。结果表明:磁浮车辆在运行速度5 km/h时车辆-轨道耦合共振严重;在法向冲击力小于5 kN时,桥梁动力学响应均符合要求,车体平稳性均为优秀,但当法向冲击力越大时,控制电流越大,因此为减轻悬浮系统负担、提高中低速磁浮车辆-轨道耦合系统的动力学性能,电机法向力应尽可能小。

中低速磁浮列车在我国城轨交通中的应用前景

主要介绍中低速磁悬浮列车的技术原理、发展过程,以及该项技术在国内外的应用现状；通过对中低速磁悬浮列车优缺点的分析,探讨它在我国轨道交通中的应用前景,并简要指出应用中低速磁悬浮技术需要注意的问题。

中低速磁浮列车-大跨度连续梁耦合振动研究

研究目的:本文针对目前世界上最大跨度中低速磁浮桥梁,建立中低速磁浮车辆-控制器-桥梁系统耦合动力学模型,考虑轨道不平顺的影响,研究3节编组中低速磁浮列车以不同速度、不同车辆载荷(空载、定员和超员状态)通过桥梁时车辆和桥梁的竖向动力响应,评价主跨110 m中低速磁浮连续梁车桥系统的动力性能。研究结论:(1)车体的最大垂向加速度为0.447 m/s^2,Sperling舒适度指标最大值为1.664,垂向乘坐舒适度达到"优";(2)悬浮间隙最大波动值为2.26 mm,除车速100 km/h外,其余工况波动值均在2 mm以内,悬浮系统具有足够的悬浮稳定性;(3)梁体跨中最大竖向加速度为0.065 m/s^2,远远小于限值0.5g;(4)本研究成果可为大跨度中低速磁浮桥梁的设计和应用提供参考。

中低速磁浮简支箱梁车桥耦合动力响应

为探究较低车速情况下磁浮列车和简支梁桥的车桥耦合振动情况,以国内某中低速磁浮轨道交通试验线工程的20 m跨度简支箱梁为工程背景,采用动力仿真分析软件Midas和UM,建立考虑磁浮控制系统的磁浮列车-桥梁系统仿真分析模型,针对3节编组的磁浮列车以10~80 km/h速度通过简支箱梁的过程,开展磁浮列车与简支箱梁的耦合振动分析,对磁浮列车和桥梁的动力响应结果进行分析探讨。研究结果表明:随着车速提高,列车车体的最大位移和加速度响应值逐渐增大,但均在规范限值之内;悬浮架位移和加速度响应明显大于车体,空气弹簧系统有效衰减了悬浮架传递到车体的振动;梁体跨中挠度和加速度随着车速提高明显增大,均远小于规范限值。

长沙南至机场中低速磁悬浮工程限界研究

为合理制定土建工程断面尺寸,保障行车安全,对长沙南至机场中低速磁悬浮工程限界设计进行深入研究。长沙南至机场中低速磁悬浮工程将限界划分为车辆限界、设备限界和建筑限界。从车辆、线路和轨道相关技术参数入手,详细阐述车辆限界、设备限界的计算因素和计算结果,并给出详尽的典型地段建筑限界图。长沙南至机场中低速磁悬浮工程已按期试运营,经实践检验,其限界设计安全、经济、合理,为后续同类工程提供强有力的技术支撑。

中低速磁浮交通小线间距单渡线道岔设计研究

为了减小中低速磁浮交通单渡线道岔区线路的线间距,降低工程总体造价,研究设计一种小线间距单渡线道岔。详细介绍这种小线间距单渡线道岔设计的完整思路和随动移梁装置、梁端抬轨装置的设计结构,并阐述防止单渡线道岔转动时梁端对接不发生干涉的方法及梁间合理的预留间隙。该设计采用UG软件进行转辙驱动仿真模拟,为中国首条中低速磁浮商业运营示范线工程化设计提供技术保障,为其他新型城市轨道交通制式小线间距道岔的设计提供设计理念和方法。

接触轨安装精度对中低速磁浮列车受流的影响

通过建立运动学模型,对接触轨的安装精度影响中低速磁浮列车受流可靠性进行了动力学分析,得出接触轨相邻点的安装相对误差控制在0.5 mm以内,为接触轨系统工程设计和安装施工提供必要参考。

轻合金助“飞”磁浮列车

磁(悬)浮列车在离轨面8 mm〜10 mm的空间沿着轨道向前“飞”,目前中低速(约100 km/h)、中速(不大于160 km/h)、高速(约500 km/h)磁浮列车车辆都是用铝合金材料制造的。日本计划2027年投入运营的01型磁浮列车车辆则准备用阻燃镁合金制造。较详细地阐述了中国磁浮铁路的建设历程、现状、发展趋势与轻合金材料在磁浮车辆中的应用,制造车辆用的铝材中国都能制造。2019年中国有挤压力不小于45 M N的大挤压机142台,占世界总台数215台的66%。

中低速磁浮车辆悬浮架检修设备

为了更换、维修中低速磁浮车辆任意一组悬浮架,研发了磁浮车辆悬浮架检修设备。该设备为3 m的活动轨道,分为上下两层,上层可以在车辆悬浮架从车辆上拆下后向下移动,或安装时向上移动,同步性良好。当上层轨道与两侧轨道接平,磁浮车辆可以开到上面。重点介绍了该设备的设计思路、主体结构及在500 mm位移时接触力的有限元计算方法;介绍了该设备上、下梁调整定位锁紧装置,如何快速实现活动轨道与两边固定轨道的精确对接设计;介绍了保证升降平稳的导向结构,该设备样机经试验测试达到预期效果。

迫导向机构对中低速磁浮车辆曲线通过性能的影响

为研究迫导向机构对中低速磁浮车辆的影响,建立了精细化的四模块、五模块中低速磁浮车辆动力学模型。对比分析了四模块、五模块中低速磁浮车辆通过曲线线路时有、无迫导向机构的动态响应差异,以及迫导向机构在不同未平衡加速度下的作用机制。结果表明,当未平衡加速度较大时,迫导向机构发挥导向作用;反之,迫导向机构发挥抗导向反作用。抗导向时,四模块中低速磁浮车辆迫导向机构转臂受力较大时,可采取中间移动滑台拆分的方式降低受力。在横风等强激扰下,迫导向机构对中低速磁浮车辆曲线通过性能具有积极意义。

不同磁轨关系对中低速磁浮车辆垂向动力学性能的影响

为分析中低速磁浮车辆在直线段上2种不同磁轨关系的动力学性能的差异,分别采用弹簧阻尼法和悬浮控制法建立磁轨关系模型,分析2种磁轨关系力学特性,对采用PID控制的悬浮控制法的悬浮刚度和阻尼进行等效处理,并转换成弹簧阻尼法中的线性刚度和阻尼。通过仿真分析发现:2种模型在直线段的垂向平稳性、车体和构架的垂向加速度相差很小,有相近的计算精度;悬浮力最大值和3б统计值相差很小,均不超过0.2kN。因此,在计算中低速磁浮车辆直线动力学性能时,弹簧阻尼模型可以替代悬浮控制模型。

中低速磁悬浮设备限界研究

中低速磁悬浮交通方式发展潜力巨大,合理的建筑限界能够保证安全、降低成本,而设备限界是制定建筑限界的基础,以某型号磁悬浮车辆轮廓及车辆限界为例提出设计磁悬浮设备限界的方法。以《地铁设计规范》和《地铁限界标准》为参考依据,并结合磁悬浮自身特点设计直线地段设备限界;以磁悬浮车辆通过曲线时的几何关系制定曲线地段设备限界内外侧加宽公式,计算出相应加宽量,并创新性地提出了在小曲线半径地段内外侧非对称加宽量,更有利于实际工程建设。

中低速磁浮系统起浮阶段的振动特性分析

为了研究电磁悬浮(EMS)中低速磁浮系统在起浮阶段的悬浮稳定性问题,建立了"车辆-电磁-轨道梁"耦合系统动力学模型。利用仿真模型分析了EMS中低速磁浮系统在起浮阶段的振动响应特性,对比分析了弹性梁与刚性梁的振动差别,仿真分析了单级悬浮控制与双级悬浮控制的效果差异。结果表明:EMS中低速磁浮列车在弹性轨道梁上起浮时,容易发生悬浮失稳的异常振动现象,原因是单级悬浮控制模式的悬浮架自激振动频率激发了弹性轨道梁的固有频率,从而诱发了车轨剧烈耦合共振;提高轨道梁刚度或采用双级悬浮控制器模式,可以缓解EMS中低速磁浮系统起浮阶段异常振动引起的悬浮失稳现象。

结构拟静力分量对中低速磁浮车-桥系统地震响应的影响

与传统桥梁抗震分析关注系统的相对运动不同,车-桥系统的抗震分析关注车辆系统的绝对运动,需考虑结构拟静力分量的影响.为探讨结构拟静力分量对中低速磁浮车-桥系统地震响应特性的影响,以某典型中低速磁浮线路为研究对象,考虑基于比例积分微分(Proportional Integral Derivative, PID)主动悬浮控制的磁浮车-桥耦合关系,采用相对运动法和直接求解法,分别在相对坐标系和绝对坐标系下建立中低速磁浮车-桥系统地震响应分析模型.在此基础上,重点探讨了结构拟静力分量对磁浮间隙、车辆系统以及桥梁结构动力响应的影响规律.结果表明:结构拟静力分量对车辆系统的动力响应影响较大,忽略结构拟静力分量会严重低估车辆的加速度响应,差异值最大可达447%;结构拟静力分量对桥梁结构位移响应的影响有限;建议采用考虑结构拟静力分量的绝对位移法处理磁浮车-桥系统中的地震输入.

小半径曲线中低速磁浮车辆-轨道耦合系统动力响应分析

小半径曲线上中低速磁浮车辆-轨道系统的动力响应对车辆安全运营具有重要意义,但当前研究极少涉及。运用有限元和多体动力学方法,建立了中低速磁浮车辆-小半径曲线段高架轨道耦合动力学模型,考虑空间动态磁轨作用以及轨道关键部件的参振作用,分析了小半径曲线上的车辆-轨道系统动力响应。结果表明:二维磁轨关系会过大地估算曲线段磁轨作用力;曲线段磁浮车辆车体主要为2 Hz以下的低频晃动;曲线段连续梁钢构高架轨道的振动主要由0~20 Hz的轨道整体弯扭变形和80~100 Hz的F轨局部弯扭变形引起;轨道垂向振动加速度缓和曲线段大于圆曲线段,横向振动加速度圆曲线段大于缓和曲线段,缓和曲线段振动加速度对车速变化更为敏感。研究结果可为曲线段磁浮高架轨道设计和车辆安全运营提供理论依据。

中低速磁悬浮线路维护工程车的可行性分析及建议

以中低速磁悬浮线路维护用工程车为研究对象,结合长沙磁浮线路的特点,通过对常规轨道工程车、中低速磁浮列车和轨道的分析,总结磁悬浮线路维护工程车的功能需求和需解决的问题,并针对具体问题,提出对比分析方案,为基地设计、工程车的研发提供参考。

中低速磁浮运营线工程示范与创新研究

长沙磁浮快线是我国首条中低速磁浮运营线,是我国完全自主知识产权的中低速磁浮交通技术的首次商业应用。经过2a的工程建设与3a的运营考核,长沙磁浮快线在磁浮车辆、线路轨道、运行控制、供电系统等方面进行了全面的工程示范。在工程与运营的实践过程中,建设运营团队针对工程实际与所遇到的技术难题,在各个子系统、车轨耦合、靴轨耦合、技术标准、运营管理等方面进行了系列技术创新,长沙磁浮快线的各项运营指标、实际能耗、噪音及电磁环境监控数据表明,中低速磁浮交通可靠性高、安全性好、噪音低、振动小、节能环保,值得广泛推广应用,未来也必将在我国的轨道交通网络中发挥重要作用。