摘 要: 在綜合分析各國電磁型磁懸浮列車的發展現狀和及其動力學研究的基礎上,考慮車輛和軌道的相互作用,將懸浮列車和軌道作為一個整體,就電磁力、轉向架、軌道變形和控制動力學穩定性分析等方面的問題,提出了今後研究的方向。
關鍵詞:電磁型懸浮列車; 動力學; 綜述; 彈性軌道
在磁懸浮列車系統中,列車和軌道是互相作用的, 穩定的懸浮狀態[ 1 ] 。1939 年,Braunbek 對此作了物理懸浮氣隙的變化量由氣隙感測器測出傳給控制系統, 剖析:唯有抗磁性材料才能依靠選擇恰當的永久磁鐵控制系統調整磁鐵電壓,使電磁力相應變化,實現懸浮結構與相應的磁場分佈實現穩定懸浮[ 2 ,3 ] 。為使磁力氣隙調整。正常執行時,電磁型懸浮列車的懸浮高度能夠用於穩定的自由懸浮,必須根據物體的懸浮狀態不超過1 cm , 對氣隙的波動非常敏感。然而,由於負連續不斷地調節磁場。利用受控的磁吸引力來進行懸載變化、驅動加速度或減速力、空氣動力、軌道彎度、坡浮是由 Graeminger 首次提出的。電磁型懸浮列車是道和不平整等原因產生的外部擾動力,以及控制系統利用受控直流電磁鐵進行懸浮,這一技術是目前世界本身固有的非線性及感測器的測量誤差等原因產生的上最先進的。它不僅用於磁懸浮列車系統,還可用在內部擾動力,都會引起氣隙的變化。因此,將磁懸浮列軸承、陀螺以及磁懸掛天平等磁懸浮裝置中。車和軌道作為一個整體來研究是十分必要的。下面就電磁型懸浮列車在車體內裝有電磁鐵,軌道為導電磁力、轉向架、列車與軌道耦合動力及穩定性方面的磁體,車輛和軌道構成長定子同步電機,車輛為轉子, 問題闡述如下。電磁鐵繞組中的電流大小根據氣隙感測器的訊號進行調節,懸浮力的大小與車速無關,任何速時均能保持穩定的懸浮。車身前進的動力由直線感 1842 年,Earnshow 證明了僅僅用永久磁體是不應電機(或直線同步電機) 提供。因此,電磁鐵的電磁能使一個鐵磁體在所有6 個自由度上都保持在自由、力和力矩特性對列車的影響是基本的。
1 磁場與承載能力
1 .1 波器的輸出電流; 另外,熱損耗、漏磁通、磁心和導軌中的磁阻也會影響單鐵力的大小。文獻[4 ] 針對軌道轉彎處或軌道不平處電磁鐵與導磁軌發生傾斜的情況,提出了小滾動下電磁鐵的計算公式。文獻[ 5 ] , 以保角變換和無窮級數理論為基礎,在電磁鐵為無限大導磁率的非飽和磁性材料、電磁鐵與反應板表面磁勢為常值的假設下,提出了在較大滾動條件下升力、側向力及滾動力矩計算的新方法。
2 轉向架
磁懸浮列車進入實用階段,不可避免的問題是轉向問題。日本關於HSST21001 型磁懸浮列車進展報告中[ 6 ] ,有近1/ 4 的篇幅涉及轉向架機構,但目前幾乎看不到有關的理論分析和設計資料, 僅有一些概述[ 7 ,8 ] 。懸浮系統與車廂的支撐關係,經歷了3 個研究階“飛行器結構”“ 磁輪結構”及“ 轉向架模組結段:、構”[ 9 ] 。早期的懸浮理論是建立在飛行器的執行原理上,把磁懸浮列車看作為剛體自由度運動,在車廂底板上直接固定4 塊電磁鐵,用偏航、仰俯、滾動等概念來描述和控制磁浮列車運動。德國的TR201 型、日本的HSST201 型、我國的KDC2I 型都採用了這種理論。這種結構在低速時,矛盾並不突出,但速度稍有提高時, 問題就很嚴重,如TR204 型,原設計速度為250 km/ h , 但速度臨近200 km/ h 就發生嚴重的振動、搖擺,出現懸浮不穩定的現象。“ 磁輪結構”的磁浮列車,每個懸浮單元在懸掛方向上是自由的,可由懸浮控制系統獨立控制,能夠適應不同的軌道平面,如德國的TR205 型、TR206 型磁浮列車。“ 磁輪”結構完全保證了電磁鐵之間的運動解耦,同時也保證了車輛的曲線通過能力。在一定程度上,
“ 磁輪”概念是在“ 飛行器結構”概念碰壁以後從一個極端走到另一個極端。“ 轉向架模組結構”是前二者的折衷,如HSST 型的懸浮系統,在懸浮方向和導向方向無機械的約束,日本HSST203 型實現了5 個自由度模組懸掛。TR207 型和TR208 型也採用了這一概念。
H. Yoshioka 等在文獻[ 10~13 ] 中介紹了山梨磁懸浮試驗線ML X01 型磁浮列車車輛結構的有關細節,給出了試驗車輛轉向架簡圖,並進行了兩組車試驗,分析了車輛動力學效能,包括懸浮效能、橫向定位及穩定效能。
趙志蘇等分析比較了磁懸浮列車3 單元、4 單元、5 單元轉向架的幾何結構和轉彎時的運動關係[ 14 ] ,認為: ① 在同一車廂長度的條件下,應選用5 單元結構轉向架; ② 從簡化結構和縮短導向滑槽長度角度,應選用3 單元結構轉向架; ③ 從減小進入彎道時的衝擊角度應選用4 單元結構轉向架。上海磁懸浮列車是德國TR208 型的改進型,每節車由4 個完全相同的磁浮架連線而成,每個磁浮架由2 個相同的模組組成,每個模組上由4 個電磁鐵和一個推進電機組成,具有獨立懸浮、導向與推進功能[15~17 ] 。
3 磁懸浮列車2軌道動力學
在磁懸浮列車推進技術研究中,人們發現許多磁懸浮列車特有的現象,例如:德國的TR204 型及日本的HSST204 型在實驗中發現: ① 執行時車體發生結構振動; ② 雙面直線電機引起側向不平衡; ③ 在鋼架橋上懸浮時與橋架一起振動,而在混凝土橋上則無此現象[ 18 ,19 ] 。上海磁懸浮試驗車在除錯時,就發現了車輛與鋼樑共振的現象。
認為軌道是剛體,列車懸浮系統與軌道之間沒有耦合關係,故不考慮軌道對車的影響,這在軌道剛度係數很大的實驗室內模型車分析時具有足夠的精度。但實際線路中,軌道是有彈性的,軌道存在振動。引起振動的原因有: ① 當磁浮車通過軌道時,引起軌道在垂直方向上的靜態彎曲; ② 由於軌道樑和懸浮系統間相互作用而引起的軌道動態彎曲; ③ 由於軌道樑的連線和軌道表面引起的幾何不規則。因此,軌道的彈性振動和動態變形必須要考慮。
評定磁懸浮列車執行品質的一個重要指標是保證磁懸浮列車能夠在各種擾動作用下具有平衡穩定的懸浮。由於磁浮列車的車廂是通過彈簧、阻尼系統與磁懸浮轉向架聯結的,分析測試懸浮體與二次懸掛體質量、執行速度、軌道長度、磁輪長度、軌道阻尼等對磁懸浮系統的動力特性的影響,研究車廂、懸浮轉向架與彈性軌道之間的耦合動力特性是必要的。
軌道的彈性變形對列車的安全和動力特性的影響是目前磁浮列車研製中所關注的主要問題之一。懸浮力作用下的軌道動力學問題最初由Chiu 等人[20 ] 提出,Meisenholder 及Wang[ 21 ] 和Katz等人[ 22 ] 做了初步研究,給出了軌道變形特性。Chu 和Moon[23 ] 提出考慮橫向2 自由度(橫移和搖頭) 的模型,理論和實驗證明出現了離散現象。Chiu 等[24 ] 和Katz 等[ 25 ] 研究了磁力作用下軌道樑的特性。Cai 等人[ 26 ,27 ] 又在Katz 模型基礎上建立了多體、多載磁懸浮列車與彈性軌道耦合的動力學模型,定量揭示了車體垂向加速度、車體所裝磁體組數、列車車體個數及運動速度等對軌道動力變形和列車動力特性的影響規律。在這些研究中, 懸浮磁力多數是通過等效線性懸浮剛度來描述的,彈性軌道對動力控制穩定性及其動力特性的影響還不清楚,未能完整地反映出磁懸浮系統的動力特性。謝雲德等在分析EMS 列車系統結構特性的基礎上,建立了鉛垂方向的動力學模型,模擬分析了彈性軌道、懸浮電磁鐵、彈簧及液壓阻尼對系統頻帶和剛度的影響[ 28 ] 。