中低速磁浮道岔振動(dòng)與控制研究現(xiàn)狀與展望

徐 浩,李忠繼,蔡文鋒

(1.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都 610031；2.四川高新軌道交通產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，四川成都 610031)

隨著人民生活水平和出行方式的要求提高，城市軌道交通發(fā)展迅速。中低速磁浮軌道交通以其噪聲小、低振動(dòng)、安全可靠等優(yōu)勢(shì)日益成為城市軌道交通的首選，在美國、德國、日本、韓國和我國廣泛應(yīng)用。磁浮道岔作為中低速磁浮軌道交通的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)之一，是實(shí)現(xiàn)列車到發(fā)、會(huì)讓、越行的關(guān)鍵[1]。由于磁浮列車電磁懸浮力是動(dòng)態(tài)調(diào)整，持續(xù)變化的，車輛與軌道梁不可避免存在耦合振動(dòng)，影響行車平穩(wěn)性。磁浮道岔梁相對(duì)于區(qū)間軌道梁，質(zhì)量輕、剛度和阻尼小，磁浮列車—道岔耦合振動(dòng)問題尤為突出。為了降低磁浮列車—道岔耦合振動(dòng)，目前常用的增加軌道梁質(zhì)量和抗彎剛度的方法將大大提高了道岔梁的造價(jià)[2-5]，不利于磁浮道岔技術(shù)的推廣。因此，中低速磁浮道岔振動(dòng)與控制是道岔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的基礎(chǔ)，也是制約磁浮道岔發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。

1 磁浮道岔振動(dòng)研究現(xiàn)狀

磁浮列車—橋梁的耦合振動(dòng)是磁浮交通不可避免的問題，尤其是磁浮列車與較輕的橋梁和鋼橋間均出現(xiàn)過耦合振動(dòng)問題[6]，為此，國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)磁浮列車—橋梁振動(dòng)問題開展了大量的理論與仿真研究[6-8]，然而針對(duì)磁浮列車—磁浮道岔的耦合振動(dòng)仿真研究相對(duì)較少。

結(jié)合上海高速磁浮試驗(yàn)線的建設(shè)與運(yùn)營，部分學(xué)者針對(duì)高速磁浮列車—磁浮道岔耦合的振動(dòng)問題開展了研究。2004年，Karl Fichtner等[9]根據(jù)上海磁浮線道岔梁現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果，指出了道岔劇烈振動(dòng)的頻率與懸浮電磁力的調(diào)整頻率相當(dāng)；Florian Dignath等[10]通過建立磁浮道岔實(shí)體有限元模型，分析了磁浮道岔的振動(dòng)模態(tài)，得到的第1階扭轉(zhuǎn)頻率為14.99 Hz，與運(yùn)營線上道岔強(qiáng)振頻率14.9 Hz接近；洪芳鵬等[11]采用瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)方法，研究了移動(dòng)荷載作用下磁浮道岔的振動(dòng)響應(yīng)；殷月俊等[12]測(cè)試了上海磁浮線7號(hào)道岔的加速度響應(yīng)，認(rèn)為行車速度低于20 km/h時(shí)，道岔梁易出現(xiàn)振動(dòng)加劇。然而上述研究主要采用靜態(tài)和瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)的方法研究磁浮道岔梁的振動(dòng)特性，未考慮磁浮列車—道岔的耦合振動(dòng)，顧行濤等[13-14]建立了磁浮道岔梁的有限元模型，并利用多體動(dòng)力學(xué)軟件，研究了磁浮列車通過道岔的振動(dòng)特性。肖舟和趙春發(fā)[15-16]編制了磁浮車輛—道岔耦合動(dòng)力學(xué)仿真程序，模擬了列車通過時(shí)道岔梁振動(dòng)響應(yīng)和動(dòng)應(yīng)力，并開展了道岔梁疲勞壽命預(yù)測(cè)分析。上述研究均針對(duì)高速磁浮道岔，近年隨著長(zhǎng)沙中低速磁浮線的建設(shè)與運(yùn)營，國內(nèi)外研究人員開始研究中低速磁浮列車—磁浮道岔的耦合振動(dòng)研究。

楊奇科和程雄運(yùn)用錘擊法測(cè)試了中低速磁浮道岔主動(dòng)梁在初始和配重兩種條件下的振動(dòng)模態(tài)，并測(cè)試了磁浮列車以5 km/h速度通過磁浮道岔時(shí)的道岔振動(dòng)加速度，測(cè)試結(jié)果表明初始條件下列車與道岔在49.80 Hz處發(fā)生共振；當(dāng)磁浮道岔梁配重以后，磁浮列車與道岔沒有出現(xiàn)共振現(xiàn)象[17]。劉大玲等[18]通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試磁浮道岔的振動(dòng)加速度，分析道岔梁的共振頻率，認(rèn)為中間支撐狀態(tài)對(duì)道岔梁自振特性有顯著影響，逐級(jí)增大中間支撐剛度，道岔豎向共振頻率由16.25 Hz增大到18.25 Hz。柴小鵬等[19]等現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試磁浮列車低速通過初始道岔和有沙袋的道岔時(shí)，磁浮道岔梁的振動(dòng)加速度分別為4.16g和1.22g，對(duì)于未采取措施的初始道岔，磁浮列車與道岔的共振頻率為18 Hz，并出現(xiàn)了“砸軌”現(xiàn)象。祁寶金[20]測(cè)試道岔在有無列車、有無沙袋下的振動(dòng)頻率和振幅，在5 km/h和10 km/h的速度條件下，無沙袋工況均出現(xiàn)了沖擊現(xiàn)象，共振頻率為15.3～16.8 Hz，并測(cè)試了設(shè)有道岔梁阻尼器的振動(dòng)特性。羅華軍等[21]基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果，分析了增加臺(tái)車、沙袋、液體質(zhì)量雙調(diào)諧阻尼器時(shí)的車岔耦合振動(dòng)特征。李忠繼等[22]建立了磁浮列車—控制器—道岔的耦合系統(tǒng)模型，仿真了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中的車岔耦合振動(dòng)，并分析了車岔耦合振動(dòng)的規(guī)律。李苗[23]利用SIMPACK和ANSYS建立了磁浮列車—道岔耦合動(dòng)力學(xué)模型，研究了車速、空簧布置方式、主動(dòng)梁的質(zhì)量及剛度等因素對(duì)磁浮道岔動(dòng)力特性的影響規(guī)律，認(rèn)為車速越低，更易發(fā)生耦合振動(dòng)現(xiàn)象。

從中低速磁浮車岔耦合振動(dòng)研究現(xiàn)狀可以看出，目前主要通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試磁浮列車—道岔振動(dòng)特性以及磁浮道岔本身的模態(tài)，從而得到車岔耦合振動(dòng)的共振頻率，但通過建立磁浮車輛—控制器—道岔耦合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，研究磁浮列車—道岔的振動(dòng)特性相對(duì)較少。

2 磁浮道岔振動(dòng)控制研究現(xiàn)狀

磁浮道岔梁通常采用鋼板焊接的箱梁，存在磁浮列車和道岔梁的耦合共振現(xiàn)象，嚴(yán)重影響行車安全性和舒適性，亟需采取措施來降低磁浮列車通過道岔時(shí)出現(xiàn)的耦合振動(dòng)。目前國內(nèi)外學(xué)者主要從道岔梁入手，采取了多種方案和措施來抑制車岔耦合振動(dòng)。

曾國鋒等[24]介紹了中低速磁浮道岔的設(shè)計(jì)以及出現(xiàn)共振現(xiàn)象后，采用在主動(dòng)梁跨中堆放沙袋和設(shè)置阻尼器的措施能顯著減小磁浮道岔梁的共振。劉大玲等[18]通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，驗(yàn)證了在主動(dòng)梁中間支撐增加一定厚度的鋼板墊板可降低主動(dòng)梁的振動(dòng)加速度。柴小鵬[19]、祁寶金[20]等則提出采用調(diào)諧式阻尼器控制車岔耦合振動(dòng)，通過測(cè)試證明在實(shí)際道岔梁上安裝TLMD后可基本消除車岔耦合共振頻率，減振效果明顯。羅華軍等[21]則通過試驗(yàn)驗(yàn)證主動(dòng)梁加臺(tái)車、主動(dòng)梁加臺(tái)車和沙袋、TLMD阻尼器均能顯著抑制道岔主動(dòng)梁的振動(dòng)，且采用TLMD阻尼器完全可以替代加沙袋配重方案。李忠繼等[22]認(rèn)為車岔耦合振動(dòng)主頻固定，在道岔梁上安裝動(dòng)力吸振器可有效抑制道岔振動(dòng)，且隨著TMD質(zhì)量的增加吸振效果更明顯。李苗[23]通過建立磁浮列車-道岔耦合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，分析不同工況下系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)，認(rèn)為增大主動(dòng)梁質(zhì)量和剛度可降低磁浮道岔的振動(dòng)響應(yīng)。靖仕元[25]通過測(cè)試有無阻尼器的道岔梁振動(dòng)響應(yīng)，提出了多重調(diào)諧質(zhì)量調(diào)諧阻尼器的磁浮道岔減振方案。

在磁浮道岔梁振動(dòng)控制方案方面，研究人員從原理上也提出了很多方案，如李忠繼等[26]針對(duì)中低速磁浮軌道車岔耦合振動(dòng)問題，提出了在磁浮道岔主梁底部安裝彈簧阻尼構(gòu)件，并用驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)錨定裝置使彈簧阻尼構(gòu)件處于拉緊和復(fù)拉狀態(tài)，從而達(dá)到抑制道岔梁振動(dòng)的目的。另外，還提出了在道岔梁內(nèi)部設(shè)置多自由度吸振裝置的磁浮道岔吸振型主梁結(jié)構(gòu)[27]。高尚康等[28]提出在道岔梁內(nèi)設(shè)置阻尼油和配重質(zhì)量塊，通過調(diào)節(jié)阻尼油和配重質(zhì)量塊的質(zhì)量達(dá)到一直列車道岔耦合振動(dòng)。靖仕元等[29-30]提出了在道岔梁底部翼緣上設(shè)置預(yù)埋板并在預(yù)埋板上安裝調(diào)諧質(zhì)量阻尼器來實(shí)現(xiàn)道岔梁的振動(dòng)控制。

從中低速磁浮道岔振動(dòng)控制研究現(xiàn)狀來看，目前主要是通過增加道岔梁質(zhì)量和采用阻尼器來控制磁浮軌道車岔耦合振動(dòng)問題，其中設(shè)置臺(tái)車和堆沙袋只能作為臨時(shí)措施，不利于磁浮道岔的推廣，而設(shè)置質(zhì)量阻尼器目前更多注重原理，質(zhì)量阻尼器的參數(shù)如何選取及優(yōu)化還有待實(shí)踐驗(yàn)證。

3 結(jié)論與展望

中低速磁浮軌道交通列車—道岔梁耦合振動(dòng)問題不可避免，為了提高磁浮列車通過道岔時(shí)的安全性和舒適性，需要控制磁浮列車—道岔耦合振動(dòng)。國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)在中低速磁浮道岔振動(dòng)開展了研究，但在系統(tǒng)振動(dòng)及控制機(jī)理、道岔結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面相對(duì)不足，因此建議中低速磁浮道岔振動(dòng)研究注重以下兩方面的研究：

3.1 磁浮列車—懸浮控制器—道岔耦合系統(tǒng)振動(dòng)機(jī)理

磁浮列車和道岔的耦合振動(dòng)與懸浮控制系統(tǒng)、車輛結(jié)構(gòu)和道岔結(jié)構(gòu)均有關(guān)系，是多種因素的綜合結(jié)果，是一個(gè)由懸浮控制器、車輛和道岔所組成的復(fù)雜的非線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題。因此，研究磁浮列車—道岔耦合振動(dòng)問題，需要借助非線性控制理論、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)理論和耦合動(dòng)力學(xué)理論，建立磁浮列車—懸浮控制—道岔耦合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，從系統(tǒng)穩(wěn)定角度研究失穩(wěn)條件，研究關(guān)鍵結(jié)構(gòu)和參數(shù)對(duì)振動(dòng)的影響規(guī)律，挖掘?qū)е麓鸥≤囕v—道岔耦合振動(dòng)的本質(zhì)，探明磁浮列車—道岔耦合振動(dòng)特征和機(jī)理。

3.2 磁浮道岔振動(dòng)控制方法及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

掌握磁浮列車—道岔耦合振動(dòng)機(jī)理后，更重要的是控制道岔振動(dòng)，從而服務(wù)于工程。目前廣泛用于控制振動(dòng)的方法是采用動(dòng)力吸振器和阻尼器，考慮到推廣應(yīng)用，需要進(jìn)一步優(yōu)化質(zhì)量阻尼器、動(dòng)力吸振器的設(shè)置方式和參數(shù)，另外還需要在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐中進(jìn)行驗(yàn)證，優(yōu)化磁浮道岔結(jié)構(gòu)。