任曉博,趙春發(fā),馮 洋,張宇生
(西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610031)
中低速磁浮交通具有綠色環(huán)保、安全性高、線路適應(yīng)性強(qiáng)和乘坐舒適等優(yōu)點(diǎn),近年來在中、日、韓等國得到快速發(fā)展。目前,我國已建成并開通運(yùn)營長沙磁浮快線和北京地鐵S1線,廣東清遠(yuǎn)、成都和太原等地也正在規(guī)劃建設(shè)中低速磁浮線,中低速磁浮交通已進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化和工程推廣應(yīng)用的關(guān)鍵期,急需針對(duì)其工程應(yīng)用中出現(xiàn)的問題開展深化研究[1]。例如,國際上已商用的中低速磁浮線上列車的運(yùn)營速度不超過100 km/h,但在試運(yùn)營期間都曾出現(xiàn)過強(qiáng)烈的車軌耦合振動(dòng)問題。盡管后期通過調(diào)整懸浮控制參數(shù)或強(qiáng)化線路結(jié)構(gòu)等措施減緩了車軌耦合振動(dòng),但并沒有完全了解磁浮車軌耦合振動(dòng)機(jī)理和特征,導(dǎo)致減振措施的制定和實(shí)施仍缺乏足夠的理論指導(dǎo)。
國內(nèi)外學(xué)者很早就開展了磁浮車軌耦合振動(dòng)研究,文獻(xiàn)[2-4]回顧了20世紀(jì)后半葉國內(nèi)外磁浮車輛與軌道系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究工作,指出早期研究中簡化或忽略電磁懸浮控制系統(tǒng),軌道梁采用簡單的伯努利-歐拉梁模型,研究成果為磁浮車輛與軌道結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)提供參考。21世紀(jì)以來,隨著磁浮交通工程化應(yīng)用開發(fā),學(xué)者們建立了更細(xì)致的車輛與軌道動(dòng)力學(xué)模型,用于預(yù)測和評(píng)估磁浮車軌耦合振動(dòng)。文獻(xiàn)[5-6]采用等效線性化電磁力模型,開展了磁浮車軌耦合振動(dòng)研究,分析了軌道梁跨度和剛度對(duì)列車動(dòng)力性能的影響。文獻(xiàn)[7]考慮電磁懸浮反饋控制規(guī)律,建立了中低速磁浮車輛三維動(dòng)力學(xué)模型,分析了磁浮車輛的曲線通過性能。文獻(xiàn)[8-9]完整考慮了包括濾波器、觀測器和控制器的電磁懸浮控制系統(tǒng),建立磁浮車輛-控制器-軌道梁動(dòng)力學(xué)模型,研究了磁浮車軌耦合振動(dòng)響應(yīng)特性。文獻(xiàn)[10]分析了位置和速度時(shí)滯反饋控制條件下中低速磁浮車軌系統(tǒng)的分岔和共振行為。結(jié)合株洲中低速磁浮試驗(yàn)線和長沙磁浮快線工程,文獻(xiàn)[11]建立磁浮列車-橋梁豎向耦合模型,對(duì)比了軌道梁仿真結(jié)果與實(shí)測結(jié)果;文獻(xiàn)[12]采用SIMPACK軟件和ANSYS軟件聯(lián)合仿真,分析了F軌對(duì)磁浮列車與橋梁耦合振動(dòng)的影響。上述研究表明,電磁懸浮控制使得車輛與軌道形成既不接觸、又不分離的非線性動(dòng)力系統(tǒng),要準(zhǔn)確模擬工程中出現(xiàn)的磁浮車軌耦合振動(dòng)現(xiàn)象,建立符合實(shí)際的車輛模型、懸浮控制模型和軌道結(jié)構(gòu)模型非常重要。然而,目前大多數(shù)已有研究沒有建立完整的懸浮控制模型,沒有考慮或簡化了軌道梁上部的軌排結(jié)構(gòu),而這兩者對(duì)磁軌動(dòng)力作用有直接而重要的影響,不可忽視。例如,軌排結(jié)構(gòu)中的F軌內(nèi)側(cè)翼板通過螺栓與軌枕連接,外側(cè)磁極面承受電磁力,這相當(dāng)于一個(gè)懸臂結(jié)構(gòu),受彎矩作用后磁極面將出現(xiàn)明顯的豎向振動(dòng),并影響磁軌動(dòng)力作用,需要在車軌耦合模型中進(jìn)行更細(xì)致的建模。
以長沙磁浮快線五轉(zhuǎn)向架磁浮車輛和25 m簡支梁為對(duì)象,采用ANSYS參數(shù)設(shè)計(jì)語言APDL,建立考慮F軌懸臂結(jié)構(gòu)和軌縫伸縮接頭的磁浮軌道和軌道梁上部結(jié)構(gòu)有限元模型,以及12個(gè)自由度的磁浮車輛垂向動(dòng)力學(xué)模型和基于狀態(tài)觀測器的PD懸浮控制模型,編制了磁浮車輛-軌道-橋梁垂向耦合動(dòng)力學(xué)數(shù)值仿真程序,計(jì)算車速80 km/h條件下磁浮車軌橋系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng),并與已有文獻(xiàn)的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證,分析磁浮車軌橋垂向耦合振動(dòng)響應(yīng)基本特征,為中低速磁浮交通技術(shù)的優(yōu)化與提升提供理論支撐。
圖1 中低速磁浮車輛轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)
長沙中低速磁浮列車每車安裝有5個(gè)轉(zhuǎn)向架單元。如圖1所示,轉(zhuǎn)向架主要由左右2個(gè)磁鐵模塊、2根側(cè)梁、2組定子繞組和4片防側(cè)滾梁組成,磁鐵模塊與側(cè)梁之間采用螺栓固結(jié),防側(cè)滾梁通過鉸銷與側(cè)梁連接,4個(gè)空氣彈簧分別位于左右側(cè)梁的前后端部。每個(gè)磁鐵模塊包含了沿縱向分布的4個(gè)電磁鐵和位于前后端部的2組傳感器(檢測懸浮間隙和電磁鐵加速度信號(hào)),磁鐵模塊的4個(gè)電磁鐵分成前后2組,分別由2個(gè)獨(dú)立的懸浮控制器控制其線圈電流,實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向架4點(diǎn)主動(dòng)懸浮控制。
圖2 中低速磁浮車輛垂向動(dòng)力學(xué)模型
本文主要分析磁浮車輛-軌道-橋梁系統(tǒng)的垂向動(dòng)力學(xué)響應(yīng),因此,將車輛簡化為由車體、轉(zhuǎn)向架組成的剛體系統(tǒng),僅考慮車體和轉(zhuǎn)向架的垂向和點(diǎn)頭運(yùn)動(dòng)自由度,建立了圖2所示12個(gè)自由度的磁浮車輛垂向動(dòng)力學(xué)模型。模型中空氣彈簧考慮為線性剛度-阻尼器,將連續(xù)分布的電磁力簡化為集中力。如果將每個(gè)磁鐵的懸浮力簡化為1個(gè)集中力,間距0.68 m的等間隔集中力將在F軌接縫處造成明顯的周期性沖擊,這會(huì)夸大F軌的中高頻振動(dòng)響應(yīng),故將每個(gè)電磁鐵的懸浮力等效為4個(gè)集中力,以16個(gè)集中力模擬長度2.72 m磁浮模塊的縱向連續(xù)分布力,如圖3所示。表1列出了中低速磁浮車輛動(dòng)力學(xué)模型的主要參數(shù)。
圖3 等效電磁力分布示意
名稱參數(shù)車體質(zhì)量/t20轉(zhuǎn)向架質(zhì)量/kg2000車體點(diǎn)頭慣量/(kg·m2)4.11×105轉(zhuǎn)向架點(diǎn)頭慣量/(kg·m2)2.3×103空簧垂向剛度/(kN·m-1)160空簧垂向阻尼/(kN/m·s-1)12
中低速常導(dǎo)磁浮車輛利用U形電磁鐵與F型導(dǎo)軌之間的電磁吸力支撐車體,電磁懸浮力和懸浮間隙的平方成反比,與線圈電流的平方成正比,其計(jì)算公式為
(1)
式中,I為電磁鐵線圈電流;N為線圈匝數(shù);A為有效磁極面積;δ為懸浮間隙;μ0為空氣磁導(dǎo)率。
開環(huán)的電磁懸浮系統(tǒng)是不穩(wěn)定的,受到很小的外部干擾,系統(tǒng)都會(huì)失去平衡。為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定懸浮,必需進(jìn)行主動(dòng)反饋控制,采用了基于狀態(tài)觀測器的間隙、間隙速度和間隙加速度的反饋控制系統(tǒng),其控制流程如圖4所示。首先,實(shí)時(shí)檢測磁鐵模塊端部的懸浮間隙信號(hào)δ和電磁鐵加速度信號(hào)a,經(jīng)濾波處理后輸入觀測器,狀態(tài)觀測器生成間隙變化量、間隙變化速度和加速度預(yù)測值,最后控制器利用預(yù)測值生成控制電流。
圖4 懸浮控制系統(tǒng)流程
懸浮控制器輸出的控制電流可表示為
(2)
中低速磁浮的軌道結(jié)構(gòu)主要是指軌排結(jié)構(gòu),它由F形導(dǎo)軌、工字形或箱形鋼枕、F軌和軌枕連接件、軌枕與承軌臺(tái)扣件系統(tǒng)等組成,如圖5所示。軌排單元長度一般與軌道梁跨徑相匹配,長沙磁浮快線標(biāo)準(zhǔn)軌道梁跨徑為25 m,每跨軌道梁上方鋪設(shè)2個(gè)長度為12.5 m的軌排單元。軌排中部9根軌枕的間距為1.2 m,端部軌枕間距為1.05 m。相鄰軌排之間采用了如圖6所示的Ⅰ型伸縮接頭,該結(jié)構(gòu)通過在F軌端部翼板和外腿處設(shè)置連接副,滿足軌排間可縱向相對(duì)伸縮的要求,同時(shí)還能限制軌排間橫向和垂向的錯(cuò)位[13]。圖7所示是25 m跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁梁端和跨中處橫斷面圖。軌道梁主體為變截面混凝土箱型梁,現(xiàn)場澆筑承軌臺(tái),鋼枕和承軌臺(tái)通過扣件相連。
圖5 軌排結(jié)構(gòu)示意
圖6 F形導(dǎo)軌Ⅰ型伸縮接頭
圖7 軌道梁橫斷面(單位:mm)
依據(jù)圖5~圖7所示軌排及軌道梁結(jié)構(gòu)形式,采用ANSYS參數(shù)設(shè)計(jì)語言APDL,建立了中低速磁浮軌道與橋梁結(jié)構(gòu)有限元模型,如圖8所示。為了準(zhǔn)確模擬F軌的變形與變位,F(xiàn)軌采用三維8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元Solid185建模,在F軌端部設(shè)置了橫向和垂向連接彈簧,連接軌縫兩端F軌,模擬伸縮接頭對(duì)F軌端部的支撐作用,剛度數(shù)量級(jí)在1×108kN/m,軌縫處約束布置位置如圖9所示。為了減小有限元模型單元數(shù)量,提高車軌橋系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)計(jì)算效率,對(duì)F軌以下結(jié)構(gòu)不再使用實(shí)體單元建模,其中,軌枕采用了可承受平面內(nèi)荷載和法向荷載的殼單元Shell63,軌枕扣件采用Combin14彈簧單元,梁體采用Beam188單元建模。軌道-橋梁結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所列。
圖8 軌排及軌道梁有限元模型
圖9 F軌軌縫處約束布置
軌道結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)值彈性模量/GPa206F軌泊松比0.2密度/(kg·m-3)7840彈性模量/GPa210軌枕泊松比0.2密度/(kg·m-3)7850彈性模量/GPa35.5混凝土梁泊松比0.2密度/(kg·m-3)2500
對(duì)建立的軌排和軌道梁整體結(jié)構(gòu)有限元模型進(jìn)行了模態(tài)分析,圖10分別給出了整體結(jié)構(gòu)前三階垂彎模態(tài)和軌排局部垂向振動(dòng)模態(tài)。整體結(jié)構(gòu)前三階垂向自振頻率分別為6.74、22.77 Hz和32.15 Hz,軌排局部垂向振動(dòng)固有頻率分布在50~70 Hz。文獻(xiàn)[14]在長沙磁浮快線上開展了25 m軌道梁動(dòng)力響應(yīng)測試,結(jié)果表明,軌道梁一階整體垂彎頻率約為7.0 Hz,這與本文有限元模態(tài)分析結(jié)果接近。本文計(jì)算值略大于實(shí)測值的原因是,長沙磁浮快線在左右軌道梁之間設(shè)置了5個(gè)橫隔板,而且實(shí)際預(yù)制軌道梁的剛度一般要大于其設(shè)計(jì)值。
圖10 軌排和軌道梁整體結(jié)構(gòu)及局部振動(dòng)模態(tài)
針對(duì)建立的磁浮車輛-軌道-橋梁耦合振動(dòng)模型,分別推導(dǎo)了車輛剛體動(dòng)力學(xué)方程和電磁懸浮控制系統(tǒng)方程。軌排和橋梁結(jié)構(gòu)采用有限元法進(jìn)行建模,在ANSYS中生成了質(zhì)量、剛度和阻尼矩陣。為了快速求解車-軌-橋耦合振動(dòng)響應(yīng),采用了顯隱式混合積分的方法分別求解上述三類動(dòng)力學(xué)方程,并通過積分步內(nèi)迭代求解獲得系統(tǒng)響應(yīng)。具體而言,采用文獻(xiàn)[15]提出的新型快速顯式積分方法求解車輛動(dòng)力學(xué)方程,對(duì)于質(zhì)量矩陣對(duì)稱的二階微分方程,該方法無需進(jìn)行矩陣運(yùn)算,具有計(jì)算速度快、精度高的特點(diǎn)。對(duì)于懸浮控制系統(tǒng)方程,采用了四階龍格庫塔法求解,軌道和橋梁系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)求解則采用Newmark-β隱式積分法,確保了有限元模型的計(jì)算穩(wěn)定性。
基于以上數(shù)值計(jì)算方法,利用ANSYS的APDL語言,編制了磁浮車軌橋耦合動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算程序,限于篇幅,不再給出詳細(xì)的數(shù)值計(jì)算流程圖。
建立了三跨軌道梁模型,計(jì)算了磁浮車輛以80 km/h速度通過時(shí)車軌橋系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。仿真計(jì)算時(shí),單節(jié)車輛總質(zhì)量為30 t(AW2定員工況),采用了文獻(xiàn)[16]提出的中低速磁浮軌道不平順譜(有效波長0.5~50 m)經(jīng)反演得到軌道不平順空間樣本,如圖11所示。磁浮軌道的垂向不平順最大幅值為±2 mm,這與中低速磁浮交通設(shè)計(jì)規(guī)范中軌排的安裝精度要求是一致的。
圖11 磁浮軌道垂向不平順空間樣本
圖12是單節(jié)磁浮車輛以80 km/h速度通過時(shí),第二跨橋梁跨中截面處橋梁頂面和F軌頂部感應(yīng)板的垂向位移響應(yīng)時(shí)程曲線。由圖12可見,橋梁跨中垂向撓度最大值為2.66 mm,小于長沙磁浮快線設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定的簡支梁垂向撓度比限值L/4 600(L為橋梁跨徑)??缰刑嶧軌感應(yīng)板的垂向位移最大值為3.04 mm,大于橋梁跨中最大位移,說明F軌相對(duì)橋梁發(fā)生了約0.4 mm的垂向變形,占F軌垂向總位移的13%,F(xiàn)軌垂向位移主要由橋梁變形產(chǎn)生。需要指出的是,計(jì)算得到的橋梁跨中垂向撓度大于文獻(xiàn)[14]給出的實(shí)測值1.7 mm(列車空載),但與文獻(xiàn)[11]中株洲磁浮試驗(yàn)線20 m跨徑簡支梁的實(shí)測撓度值2.2 mm接近。
圖12 跨中處F軌和橋梁垂向位移響應(yīng)
圖13和圖14分別給出了橋梁跨中垂向加速度響應(yīng)時(shí)程曲線及其頻譜圖。由圖可見,橋梁跨中垂向加速度響應(yīng)很小,最大值僅為0.28 m/s2;橋梁垂向加速度響應(yīng)的優(yōu)勢(shì)頻率在30 Hz以內(nèi),其中第一、二階主頻為8.0 Hz和6.74 Hz,前者對(duì)應(yīng)于車速與轉(zhuǎn)向架單元長度2.8 m之比,后者為軌排和橋梁結(jié)構(gòu)整體一階垂彎自振頻率??梢?,雖然電磁懸浮力近似為縱向連續(xù)分布力,但間隙傳感器和磁鐵加速度傳感器均設(shè)置在磁鐵模塊端部,相當(dāng)于在磁鐵模塊端部存在兩個(gè)主動(dòng)控制的“磁輪”,而且二系空氣彈簧也位于側(cè)梁的兩端,因此,類似于輪軌車輛轉(zhuǎn)向架軸距引起的橋梁沖擊,磁浮車輛的轉(zhuǎn)向架單元長度也會(huì)引起磁浮軌道梁的周期性振動(dòng)。
圖13 橋梁跨中垂向加速度響應(yīng)
圖14 橋梁跨中垂向加速度頻譜
F軌是軌排結(jié)構(gòu)中最重要的功能件,其頂部感應(yīng)板與車載短定子相互作用,提供列車牽引力;底部磁極面與電磁鐵磁極面相互作用,提供車輛懸浮和導(dǎo)向力。F軌上下功能面的變形變位與振動(dòng)對(duì)磁軌動(dòng)力作用有直接的影響。圖15分別給出了橋梁跨中處F軌端部感應(yīng)板和翼板相對(duì)于橋梁頂面的垂向位移。當(dāng)車輛通過跨中軌縫時(shí),F(xiàn)軌感應(yīng)板和翼板的垂向相對(duì)位移均值為0.37 mm和0.21 mm,兩者相差0.16 mm,這是F軌懸臂結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的位移,約占感應(yīng)板相對(duì)垂向位移的43%。
圖15 橋梁跨中處F軌相對(duì)垂向位移
進(jìn)一步分析車輛通過時(shí)F軌內(nèi)外磁極面的垂向位移變化,圖16給出了第二跨橋梁上前半跨右側(cè)F軌內(nèi)外磁極面垂向位移沿線路方向的分布圖??梢钥闯觯诳缰?11號(hào)軌枕)附近,F(xiàn)軌磁極面的垂向位移較梁端處要大得多,這是因?yàn)闃蛄嚎缰凶冃巫畲?。沿線路方向F軌內(nèi)外磁極面垂向位移差變化不大,均小于設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的0.5 mm限值[17];最大差值為0.31 mm,出現(xiàn)在了軌排中部第6~8號(hào)軌枕處,原因是中部軌枕的間隔要大于兩端。
圖16 F軌內(nèi)外磁極面垂向位移縱向分布
圖17給出了梁端、軌排中間和橋梁跨中處F軌的垂向振動(dòng)加速度時(shí)程曲線。梁端和跨中處F軌最大垂向加速度達(dá)到20.7 m/s2和18.3 m/s2,遠(yuǎn)大于軌排中間F軌的最大加速度值4.6 m/s2??梢?,雖然梁端和跨中伸縮接頭為F軌提供了一定的橫向和垂向限位剛度,但仍遠(yuǎn)小于F軌截面抗彎剛度,故F軌端部的垂向加速度幅值遠(yuǎn)大于中部。
圖17 F軌垂向加速度響應(yīng)
圖18和圖19分別為磁浮車輛車體質(zhì)心垂向位移和車體前端垂向加速度響應(yīng)曲線??梢钥吹剑圀w最大垂向位移為3.65 mm(向下為正),3個(gè)峰值對(duì)應(yīng)于車輛通過三跨橋梁,磁浮車輛較好地跟蹤了橋梁垂向變形。車體前端垂向加速度(第一位轉(zhuǎn)向架上方車體處)幅值為0.338 m/s2,與文獻(xiàn)[14]給出的車體豎向加速度最大值0.335 m/s2接近,并遠(yuǎn)小于我國《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》關(guān)于車體垂向加速度應(yīng)小于1.0 m/s2的限值;車體垂向加速度的主頻為1.0 Hz,與車輛二系懸掛頻率一致。
圖18 車體質(zhì)心垂向位移
圖19 車體前端垂向加速度
圖20和圖21分別為車輛頭部第一位控制點(diǎn)處的懸浮間隙與電磁懸浮力時(shí)程曲線。結(jié)果表明,懸浮間隙最大波動(dòng)量為0.6 mm,小于設(shè)計(jì)規(guī)范中允許的間隙波動(dòng)限值±4 mm;懸浮力平均值為7 369 N,標(biāo)準(zhǔn)偏差427 N,最大波動(dòng)量1 766 N,約為平均值的24%。對(duì)比圖20和圖21曲線波形可知,兩者基本同步變化,即懸浮間隙增大時(shí)懸浮力也隨之增大,很好地體現(xiàn)了電磁懸浮控制的基本原理。
圖20 第一位控制點(diǎn)懸浮間隙
圖21 第一位控制點(diǎn)懸浮力
建立了考慮完整電磁懸浮控制系統(tǒng)和細(xì)致軌排結(jié)構(gòu)的中低速磁浮車輛-軌道-橋梁垂向耦合動(dòng)力學(xué)模型,采用APDL參數(shù)設(shè)計(jì)語言編制了數(shù)值仿真程序,模擬分析了車輛以80 km/h速度通過時(shí)車軌橋系統(tǒng)的振動(dòng)響應(yīng),得到以下主要研究結(jié)論。
(1)單節(jié)車輛通過25 m跨徑軌道梁時(shí),橋梁跨中最大垂向位移為2.66 mm,最大垂向加速度為0.28 m/s2,均滿足長沙磁浮線軌道梁設(shè)計(jì)規(guī)范要求??缰写瓜蚣铀俣鹊谝恢黝l為8 Hz,對(duì)應(yīng)于車速與懸浮架(磁鐵模塊)單元長度之比,第二階主頻6.74 Hz對(duì)應(yīng)于橋梁的一階垂向彎曲頻率。
(2)車輛通過時(shí)F軌的最大垂向位移為3.04 mm,出現(xiàn)在橋梁跨中F軌接縫處;跨中處F軌垂向位移主要來自于橋梁變形,軌排結(jié)構(gòu)變形使得F軌產(chǎn)生了約0.4 mm的垂向位移,占F軌垂向總位移的13%;F軌內(nèi)外磁極面最大垂向位移差為0.31 mm,小于設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定的0.5 mm限值。Ⅰ型伸縮接頭可以確保F軌端部不出現(xiàn)過大的垂向變形,但垂向加速度達(dá)到2g,這對(duì)伸縮縫連接可靠性提出了較高要求。
(3)磁浮車輛車體質(zhì)心的垂向振動(dòng)位移最大值為3.65 mm,垂向加速度最大值僅為0.16 m/s2;磁浮車輛第一位控制點(diǎn)處電磁鐵的懸浮間隙波動(dòng)量不超過0.6 mm,小于規(guī)范規(guī)定的±4 mm間隙波動(dòng)限值;電磁鐵動(dòng)態(tài)懸浮力不大,不超過其平均值的24%??傮w上,中低速磁浮車輛振動(dòng)小,懸浮間隙和電磁力波動(dòng)幅度不大,說明中低速磁浮車輛運(yùn)行安全,乘坐舒適性好。
鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)2019年2期