基于车桥耦合模型的高温超导磁浮车辆悬浮架结构对比分析.pdf
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1、第 20 卷 第 7 期2023 年 7 月铁道科学与工程学报Journal of Railway Science and EngineeringVolume 20 Number 7July 2023基于车桥耦合模型的高温超导磁浮车辆悬浮架结构对比分析吉宇昂1,池茂儒1,吴兴文2(1.西南交通大学 牵引动力国家重点实验室,四川 成都 610031;2.西南交通大学 机械工程学院,四川 成都 610031)摘要:高温超导磁悬浮(High Temperature Superconducting,HTS)列车因其自悬浮导向自稳定特性被认为是未来超高速交通运输中较为理想的运行方式之一。作为高温超导磁悬
2、浮列车最重要的部件之一,悬浮架的结构至关重要。因此有必要对不同方案的悬浮架结构建立车桥耦合模型,从运行平稳性、舒适度、振动传递率等方面对不同结构设计的悬浮架进行对比。研究结果表明:3种结构的悬浮架在动力学性能方面存在一定共性,双层悬浮架结构下车辆平稳性与舒适度指标更好,双层结构受空簧刚度影响最大。垂向减振器阻尼对3种结构的振动传递率影响均为阻尼越大,低频传递率越低,高频传递率越高。在车辆动态载荷作用下,桥梁跨中垂向位移的变化均为先略有上翘再下挠,而后呈现较大幅度的上翘与下挠,最后恢复正常。双层结构的悬浮架引起的桥梁跨中垂向加速度变化最为平顺。单层结构的悬浮架产生的跨中垂向加速度明显大于其余2种
3、结构。桥梁的上挠随着车辆运行速度的增加呈现增大趋势,桥梁的下挠则是速度越大垂向位移越小。所得的结果是在特定的结构参数、负载条件下的仿真分析结果,可以为高温超导磁悬浮列车悬浮架结构的设计与选择提供一定的参考。关键词:高温超导磁浮;悬浮架;车桥耦合;结构对比;动力学性能中图分类号:U270.1+1 文献标志码:A 开放科学(资源服务)标识码(OSID)文章编号:1672-7029(2023)07-2431-12Comparative analysis of suspension frame structure of HTS maglev vehicle based on vehicle bridg
4、e coupling modelsJI Yuang1,CHI Maoru1,WU Xingwen2(1.State Key Laboratory of Traction Power,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China;2.School of Mechanical Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China)Abstract:Because of the self-levitation,self-guidance,and self-stability
5、 characteristics,high temperature superconducting(HTS)trains are regarded as one of the ideal operation modes in ultra-high speed transportation.The suspension frames structure is critical because it is one of the most important components of the high-temperature superconducting maglev train.The veh
6、icle bridge coupling models of different suspension frame structures were established.They need to be compared in terms of running stability,comfort,vibration 收稿日期:2022-07-20基金项目:国家自然科学基金区域联合基金资助项目(U21A20168)通信作者:池茂儒(1973),男,四川通江人,研究员,博士,从事车辆系统动力学研究;Email:DOI:10.19713/ki.43-1423/u.T20221431铁 道 科 学 与
7、 工 程 学 报2023 年 7月transmission rate,and so on.In terms of dynamic performance,the three structures had some similarities.The vehicle stability and comfort index are better under the double-layer structure.And this kind of structure was most affected by the stiffness of the air spring.The damping of v
8、ertical dampers had the following effect on the vibration transmissibility of the three structures,which were the greater the damping,the lower the low frequency transmissibility and the higher the high frequency transmissibility.The vertical displacement of the bridges midspan fluctuates gradually
9、when a vehicle dynamic load is applied,moving first upward and then downward before exhibiting a wide range of deflection,finally returning to normal.The change of vertical acceleration of the bridges midspan caused by the suspension frame of the double-layer structure is the smoothest.The structure
10、 of the single-layer frame produces an obviously greater mid-span vertical acceleration than the other two structures.The upward deflection of the bridge increases with the increase of vehicles running speed,while the downward deflection of the bridge tends to decrease.The results are all simulation
11、 analysis results under specific structural parameters and load conditions,which can provide some reference for the design and selection of the suspension frame structure of HTS maglev train.Key words:high temperature superconducting maglev;suspension frame structure;vehicle bridge coupling;structur
12、al comparison;dynamic performance 我国幅员辽阔、人口众多,繁盛的商业贸易与春运等人口流动造成运输需求强度极高,因此必须建设一套高效便捷且运量大的交通运输体系来满足日益增长的运输需求。党的十九大提出了建设交通强国的重大战略决策;2019年9月,中共中央、国务院印发了交通强国建设纲要,明确提出“合理统筹安排时速600 km级高速磁悬浮系统”。因此,加大在轨道交通领域的创新,研究下一代的高速列车技术刻不容缓。磁浮列车与轨道间无机械接触,不受轮轨系统黏着极限、蛇行失稳等限制,具有速度高、振动小、噪声低等技术优势,是轨道交通发展的一个重要方向13。磁悬浮列车按悬浮原理来
13、区分主要可分为:常导电磁悬浮、低温超导电动悬浮、高温超导磁悬浮等类型,其中高温超导磁悬浮为我国自主技术。高温超导块材由于自稳定、自导向、自适应等显著特点45,具有巨大的工业价值,尤其适合应用于磁悬浮运输68。依靠车载高温超导块材与永磁轨道之间的钉扎作用实现悬浮导向一体化的“无源自稳定”磁浮技术,在全速度域,特别是时速600 km级具有重要应用前景。磁悬浮列车最重要的部位之一便是悬浮架,悬浮架的结构极大地影响了列车运行的动力学性能。目前动车大多在高架桥梁上运行,磁浮车也大概率运行在桥梁之上,因此针对悬浮架以及桥梁的研究一直在推进。余华9结合上海磁浮轨道梁,通过有限元仿真,分析了过桥时车桥动力响应
14、规律。李海涛10为高温超导磁悬浮试验车“Super Maglev”建立了包含11个自由度的动力学模型,并引入了悬挂系统研究振动传递。DENG 等11基于工程样车,建立起高温超导磁悬浮3车编组列车在多跨轨道梁上运行的动力学模型,对车辆的悬挂参数和运行速度等给出了建议。汪斌等12采用数值分析方法分析了超高速磁浮车辆通过简支梁桥时车桥耦合系统的动力响应,结果表明桥梁竖向振动加速度是磁浮车辆行车安全的控制性指标之一。由上述文献可知,目前针对高温超导磁悬浮列车悬浮架结构的研究较少,大多采用的是一车体配两悬浮架的结构,这种参照了轮轨车辆的结构设计可能给杜瓦带来较大的负荷。目前已经存在一车体多悬浮架结构的高
15、温超导磁悬浮列车结构设计方案,但是由于研究尚处于起步阶段,并没有不同结构方案的对比。当列车在地面与桥梁上运行时不同方案是否存在不同优缺点,不同悬浮架结构的车辆在桥梁上运行时是否会产生较大的动力学性能差异目前仍有待研究。针对上述问题,本文采用UM软件针对不同悬浮架结构,建立较为完善的车辆动力学模型与弹性桥梁结构,开展数值仿真分析车辆运行时平2432第 7 期吉宇昂,等:基于车桥耦合模型的高温超导磁浮车辆悬浮架结构对比分析稳性、安全性、振动传递等性能,在考虑桥梁柔性的情况下对不同结构的悬浮架进行对比,针对不同工况采取最佳方案。由于高温超导磁悬浮列车具有自稳定自悬浮和自导向的特性,因此在建模过程中不
16、考虑悬浮控制系统。高温超导体能量损耗的主要形式为磁滞损耗。而在一次循环运动内,磁滞损耗只与外磁场变化的幅值有关,和外磁场变化的频率无关。外磁场激励振幅具有临界值,当激励振幅小于这个值时,外磁场激励振幅的变化对能量损耗几乎没有影响13。因此,在建立动力学模型时忽略磁滞损耗。1 高温超导磁悬浮列车车-桥耦合动力学模型1.1高温超导磁悬浮车辆动力学模型本文研究的高温超导磁悬浮列车以西南交通大学提出的悬浮制式14为基础,选取3种高温超导磁悬浮列车悬浮架结构,分别是电机外置、电机内置单层以及电机内置双层结构,主要有车载超导材料、低温系统、地面永磁轨道系统和直线驱动系统等关键部分组成15。连接车体与悬浮架
17、的二系悬挂与悬浮力简化为刚度阻尼单元,由于这3种方案杜瓦均直接与悬浮架连接,因此没有考虑一系悬挂。在模型中空气弹簧采用弹簧阻尼并联模型进行结构简化,减振器模型采用Maxwell弹簧阻尼串联进行构建。杜瓦的悬浮力与导向力采用刚度阻尼模型进行模拟。3种结构中相同构件的数值均相同。电机内置单层悬浮架仅有一层,杜瓦直接连接于悬浮架纵梁之上,每个悬浮架与车体之间由2根横向减振器、2根垂向减振器与2只空气弹簧连接,6个悬浮架相互独立。悬浮架每侧安装6个杜瓦,两侧纵梁通过两根横梁连接,同时前后安装有抗剪架。电机内置双层悬浮架结构设计中单节车厢共分为3组,每组采用构架连接2只悬浮架。最下层悬浮架每侧6个杜瓦,
18、前后安装有抗剪架,通过横梁与上层构架相连,悬浮架与构架之间采用橡胶堆进行连接,每个悬浮架与车体之间通过2只垂向减振器、2只横向减振器和2只空气弹簧连接。电机外置悬浮架结构主要由车载超导材料、地面永磁轨道系统、直线电机驱动系统等部件组成。电机安装在悬浮架两侧,每2个悬浮架之间以牵引拉杆与销连接,6个悬浮架分为3组,每个悬浮架通过4根减振器与2只空簧与车体连接。悬浮架每侧安装6个杜瓦,两侧纵梁通过横梁连接。动力学建模参数如表1所示。第i个悬浮架在横移、浮沉与侧滚模态下的动力学公式如式(1)至(3)所示。mbiyi+k2yi(yi-yc-dz)+c2yi(yi-yc-dz)=Qi1(1)(a)单层悬
19、浮架方案下车辆动力学建模及悬浮架正视图;(b)双层悬浮架方案下车辆动力学建模及悬浮架正视图;(c)电机外置悬浮架方案下车辆动力学建模及悬浮架正视图图1不同悬浮架方案下高温超导磁悬浮列车动力学建模及悬浮架正视图Fig.1Dynamic models and front view of suspension frame of HTS maglev train under different suspension frame schemes2433铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 7月mbizi+k2zi(zi-zc+dy)+c2zi(zi-zc+dy)=Qi2(2)Jbibi+k2x
20、xi(bi-x)+c2xxi(bi-x)=Qi3(3)车体横移、浮沉、侧滚、点头与摇头模态的动力学运动方程如式(4)至(8)所示:mcyc+i=16k2yi(yc-yi)+i=16c2yi(yc-yi)=Qc1(4)mczc+i=16k2zi(zc-zi)+i=16c2zi(zc-zi)=Qc2(5)Jxx+i=16k2xxi(x-bi)+i=16c2xxi(x-bi)=Qc3(6)Jyy+i=13k2zi(zi-zc)-i=46k2zi(zi-zc)+i=13c2zi(zi-z)-i=46c2zi(zi-z)=Qc4(7)Jzz-i=13k2yi(yi-yc)d+i=46k2yi(yi-yc
21、)d-i=13c2yi(yi-y)d+i=46c2yi(yi-y)d=Qc5(8)其中,mbi为悬浮架质量;Jbi为悬浮架侧滚惯量;yi为第i个悬浮架的横向位移;zi为第i个悬浮架垂向位移;k2yi为车体与第 i 个悬浮架连接的横向刚度;k2zi为车体与第 i 个悬浮架连接的垂向刚度;k2xxi为车体与第 i 个悬浮架连接的纵向转动刚度;yc为车体横向位移;zc为车体垂向位移;d为车体与悬浮架连接处距重心距离;bi为悬浮架侧滚角位移;Jx为车体侧滚惯量;Jy为车体点头惯量;Jz为车体摇头惯量;x为车体侧滚角位移;y为车体点头角位移;z为车体摇头角位移;c2yi为车体与第i个悬浮架连接横向阻尼;
22、c2zi为车体与第i个悬浮架连接垂向阻尼;c2xxi为车体与第 i个悬浮架连接的纵向转动阻尼;Qi1/2/3为第 i 个悬浮架在横移/浮沉/侧滚时所受激励;Qc1/2/3/4/5为车体在对应模态下所受激励。1.2桥梁模型上述3种悬浮架结构的磁悬浮列车的车桥耦合模型示意图如图2所示。由于至今尚没有经过实际验证过的高温超导磁悬浮列车桥梁设计,因此采用Timoshenko梁对桥梁进行简化,将桥梁简化为高速磁浮简支梁桥梁,桥梁每跨32 m,共考虑了55跨。由于轨道梁阻尼比大于0.02时能在一定程度上抑制车轨耦合振动16,故轨道梁阻尼比取0.2。桥梁截面面积为4.5 m2,桥梁线密度为2 500 kg/
23、m2。桥梁的杨氏模量取值为3.551010 Pa,桥梁截面对X轴转动惯量为 2.32 kgm2,对 Y 轴的转动惯量为3.38 kgm2,对 Z轴为 0.84 kgm2,桥梁剪切因子取0.83。列车以600 km/h的速度运行10 s。Timoshenko 梁对于横向、垂向位移以及截面转角振动微分方程如表达式(9),(10)和式(11)所示,对桥梁动态响应采取模态叠加法进行求解。mr2Yr(xt)t2+ArGr (xt)x-2Yr(xt)x2=-i=1NFrsi(t)(x-xi)+j=14Qj(t)(x-xwj)(9)mr2Zr(xt)t2+ArGr (xt)x-2Zr(xt)x2=-i=1N
24、Frsi(t)(x-xi)+j=14Pj(t)(x-xwj)(10)rIY2(xt)t2+ArGr -Zr(xt)x2-表1动力学建模参数Table 1Parameters of dynamic modeling动力学参数车体质量/kg车体侧滚转动惯量/(kgm2)车体点头转动惯量/(kgm2)车体摇头转动惯量/(kgm2)悬浮架侧梁质量/kg侧梁侧滚转动惯量/(kgm2)侧梁点头转动惯量/(kgm2)侧梁摇头转动惯量/(kgm2)数值21 66763 338.591 657 5151 622 555142.9144.9845.512.98动力学参数杜瓦质量/kg杜瓦侧滚转动惯量/(kgm2)
25、杜瓦点头转动惯量/(kgm2)杜瓦摇头转动惯量/(kgm2)空簧横/纵向刚度/(MNm1)空簧垂向刚度/(MNm1)垂向减振器阻尼/(kNsm1)数值330.561.321.070.120.25202434第 7 期吉宇昂,等:基于车桥耦合模型的高温超导磁浮车辆悬浮架结构对比分析IY2(xt)x2=0(11)其中:K为桥梁剪切因子;Ar为桥梁截面面积;E为桥梁弹性模量;Gr为桥梁剪切模量;为弯矩作用下截面转角;IY为桥梁截面对Y轴的转动惯量;Yr为横向振动位移变量;Zr为垂向振动位移变量;mr为梁单位长度的质量;r为线密度;Frsi为轨枕支点反力;Qj为轮轨横向力;Pj为轮轨垂向力。1.3磁轨
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