磁動力物料運輸列車方案設(shè)計及動力學(xué)仿真分析

宗凌瀟 胡俊雄 李騰飛 馬衛(wèi)華

(1.中鐵磁浮交通投資建設(shè)有限公司 湖北武漢 430000；2.西南交通大學(xué) 四川成都 610000)

1 概述

鐵路運輸作為現(xiàn)代化運輸業(yè)的最主要運輸方式之一，與其他運輸方式相比，具有運量大、運輸風(fēng)險和成本低、準確性和連續(xù)性好、線路受自然環(huán)境影響小的優(yōu)點[1]，是鋼鐵、煤炭等大宗貨物最佳的運輸方式[2]。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，目前我國在全國范圍內(nèi)雖已逐步建立起了完善的鐵路貨物運輸網(wǎng)絡(luò)，但對于中短途的物料運輸系統(tǒng)還存在技術(shù)落后、運輸效率低等不足之處，有待進一步發(fā)展完善[3-4]。而傳統(tǒng)鐵路運輸存在始建投資大、建設(shè)周期長、周邊基建設(shè)施復(fù)雜等缺點[5-6]，使得其在中短途的貨物運輸業(yè)務(wù)中投資回報率不高，適用性不強。所以發(fā)展新形式的中短途物料運輸系統(tǒng)顯得尤為迫切。

目前新興的中短途運輸方式主要有[7-8]:(1)磁管道技術(shù)。源于麥格普林磁飛機技術(shù)公司所開發(fā)的直線同步電機(磁推進)的磁飛機技術(shù)，由美國麥格普林磁管道技術(shù)公司(MPT)于2000年研發(fā)出來，它基于磁懸浮載客運輸系統(tǒng)的幾個基本要素，將磁懸浮技術(shù)的基本技術(shù)運用到了磁管道運輸上。(2)磁動力物料運輸系統(tǒng)。以張家口物料運輸系統(tǒng)為代表。該磁動力物料運輸系統(tǒng)主要可分為車輛及軌道、直線電機、驅(qū)動及運行控制、基礎(chǔ)土建四大系統(tǒng)，其中前三個系統(tǒng)是其核心技術(shù)。車輛與軌道系統(tǒng)主要需考慮車輛的裝卸需求、軌道設(shè)計的經(jīng)濟性、系統(tǒng)運輸?shù)陌踩缘葐栴}。

其中，磁動力物料運輸系統(tǒng)是近年來發(fā)展的一種新的運輸方式，通過改變傳統(tǒng)驅(qū)動方式，優(yōu)化車輛和軌道設(shè)計，使其具有運行平穩(wěn)快速、曲線通過性強、結(jié)構(gòu)簡單、控制靈活方便等優(yōu)點，在中短途運輸中具有廣闊的應(yīng)用前景。故本文提出了一種新型的磁動力物料運輸小車技術(shù)方案，采用永磁直線同步電機為驅(qū)動，輪軌支撐的新型軌道運輸方式，這種方式具有線路建設(shè)簡單且成本低、靈活性高等特點，為中短途物料運輸提供了一種新的解決方案。

2 整車技術(shù)方案

磁動力物料運輸小車的基本原理與直線電機地鐵車輛類似，通過輪軌接觸關(guān)系來支撐和導(dǎo)向，永磁同步直線電機驅(qū)動。車輛系統(tǒng)作為整個磁動力物料運輸系統(tǒng)的核心部分，其基本方案是:單節(jié)車采用短車體支撐在一個轉(zhuǎn)向架上，車體為帶可翻轉(zhuǎn)蓬蓋的篷車結(jié)構(gòu)。構(gòu)架通過一系懸掛支撐在軸箱上，構(gòu)架設(shè)計為中部下沉結(jié)構(gòu)，下沉區(qū)域的底部吊掛永磁陣列模塊，與軌道上的定子線圈相互作用為車輛提供驅(qū)動力和制動力。單節(jié)車主要技術(shù)參數(shù)如表1。

表1 主要技術(shù)參數(shù)

轉(zhuǎn)向架為實現(xiàn)運動和承載的主要部件，是磁動力物料運輸車輛結(jié)構(gòu)中核心部件之一。轉(zhuǎn)向架構(gòu)架為中空的框架結(jié)構(gòu)型式，用于安裝和承載物料儲箱。采用獨立輪對方案實現(xiàn)直線電機動子的安裝空間要求，同時可以增加車體的裝載空間。獨立輪對系統(tǒng)包括中間下凹結(jié)構(gòu)的軸橋，軸橋兩側(cè)軸頸部分通過軸承安裝車輪，利用密封環(huán)、鎖緊裝置等軸承進行鎖緊。由于列車不載人以及運行速度低，轉(zhuǎn)向架不設(shè)置二系懸掛，僅通過螺旋鋼彈簧加橡膠墊構(gòu)成的一系懸掛來緩解振動。

列車采用Halbach磁體的長定子永磁同步直線電機牽引與制動。定子電樞繞組分段敷設(shè)在軌道中部，動子(次級)則由多塊不同充磁方向的Halbach永磁體陣列組成[9]，動子通過吊桿和螺栓吊掛在構(gòu)架下凹位置。電機采用地面牽引供電和控制，牽引供電系統(tǒng)把電網(wǎng)的電能經(jīng)過降壓、整流、逆變、轉(zhuǎn)化為電壓頻率可控的輸出電源，通過分段的電纜和開關(guān)，對軌道上的長定子電樞繞組供電。牽引控制系統(tǒng)按照運控系統(tǒng)的設(shè)定值執(zhí)行控制命令，對列車進行閉環(huán)控制，實現(xiàn)完全自動運行。

車體主要由儲料箱和頂蓋組成。車體和頂蓋之間采用合頁連接，利用頂蓋的翻蓋來實現(xiàn)物料裝載和卸載功能。5節(jié)相同技術(shù)規(guī)格的車輛構(gòu)成一組列車單元，如圖1，車輛間采用牽引桿連掛。由于采用地面牽引控制實現(xiàn)自動駕駛，車上不設(shè)司機室。

圖1 列車編組單元裝配

3 永磁同步直線電機分析

3.1 永磁同步直線電機理論模型

本設(shè)計采用永磁同步直線電機由安裝在構(gòu)架上的Halbach永磁體陣列和安裝在軌道上的長定子線圈組成。永磁同步直線電機的工作原理如圖2所示，永磁體和線圈的極距必須相同，因此可將直線同步速度Us表達為:

圖2 永磁同步直線電機示意

式中，f為三相交流電頻率；lt為極距。

針對同步直線電機，基本假設(shè):動子產(chǎn)生的磁場遠大于定子產(chǎn)生的磁場，忽略由于交流電樞電流引起的電樞反應(yīng)(即氣隙磁場的畸變)[10]可得:

式中，P為電機功率；V0為電樞感應(yīng)電壓；I為相電流；φ為功率因數(shù)角；Fx為電機推力；Us為直線同步速度；R為相電阻。

基于上述假設(shè)可令車載Halbach永磁在動子線圈處產(chǎn)生的磁通密度垂向分量滿足余弦函數(shù)分布[11]:

式中，x為縱向坐標；B0為垂向分布最大值；ω0為分布角頻率。

電機電樞線圈一極包圍的磁通量為:

式中，s為磁場寬度；xo＝Ust為線圈相對于磁場的位置。

綜合式(3)、(4)可得一極電樞的感應(yīng)電壓:

式中，n為繞組匝數(shù)。

在忽略諧波影響的理想條件下，穩(wěn)態(tài)時的電壓平衡方程表達為:

式中，V為外加電壓；R為相電阻；L為相電感；I為相電流；Vei為感應(yīng)電壓Vi的振幅；δ為外電壓與感應(yīng)電壓的相位差；ω＝πUS/It。

功率因數(shù)cosφ為:

可知每相產(chǎn)生的機械功率為:

由此確定推力為:

3.2 參數(shù)設(shè)計案例

根據(jù)列車的技術(shù)要求，確定初步電機參數(shù):輸入電壓V＝750 V，同步速度Us＝10 m/s＝36 km/h，線圈匝數(shù)n＝10，磁場寬度s＝0.6 m，線圈處的磁感應(yīng)強度垂向分量峰值B0＝0.2 T，電機極數(shù)N＝8，相電阻R＝1.8 Ω，相電感L＝42.2 mH，極距l(xiāng)t＝0.3 m。

結(jié)合上述理論計算公式進行設(shè)計驗證，代入?yún)?shù)計算可得輸入頻率f＝16.67 Hz，此時同步電機的特性曲線如圖3所示。

圖3 同步電機特性曲線

結(jié)合特性曲線計算可得，若電機以推力7 000 N運行，功率角約為38.3°，此時相電流為128 A，功率因數(shù)為0.55，可以滿足最大功率要求。對于其他技術(shù)參數(shù)可以類比進行設(shè)計分析。

3.3 Halbach永磁體陣列參數(shù)分析

永磁體選取N48H，其最高工作溫度為120℃，矯頑力約為1×106 A/m，確定永磁陣列設(shè)計要求如表2所示。基于Maxwell軟件建立不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的Halbach永磁陣列有限元模型，校核磁場強度滿足定子線圈的要求。

表2 永磁陣列設(shè)計要求

根據(jù)3.2節(jié)的理論設(shè)計案例，要求永磁陣列的垂向磁場強度不小于0.2 T?；谏鲜鲈O(shè)計的永磁陣列參數(shù)，校核工作間隙15～35 mm時的永磁陣列垂向磁場強度，如圖4所示?？梢钥闯鲈诓煌ぷ鏖g隙內(nèi)，磁場強度峰值絕對值均大于0.2 T。

圖4 垂向磁場強度分布

4 動力學(xué)建模與仿真

4.1 動力學(xué)建模

列車采用5節(jié)編組，每節(jié)車配有1個轉(zhuǎn)向架，單個轉(zhuǎn)向架包含1個H型構(gòu)架，2個軸橋，2個獨立輪對和4個導(dǎo)框式定位軸箱，共9個剛體。利用多體動力學(xué)仿真軟件SIMPACK建立磁動力物料運輸小車的動力學(xué)模型[12]。

在建模時考慮:傳統(tǒng)輪對具有6個自由度，而獨立車輪與之不同的是，左右獨立車輪及與之相連的軸橋組成所謂“輪組”，共有7個自由度(即三個方向的平移、轉(zhuǎn)動自由度及相對于軸橋的轉(zhuǎn)動自由度)。車體和構(gòu)架具有垂向、橫向、縱向、側(cè)滾、點頭、搖頭6個自由度；軸箱只有點頭自由度，因此單節(jié)整車共計17個自由度。

4.2 動力學(xué)仿真分析

仿真時考慮空載與滿載兩種工況，并以設(shè)計最高速度36 km/h進行仿真分析，按照GB/T 5599—2019進行動力學(xué)性能評定，直線平穩(wěn)性分析時采用美國5級軌道譜模擬實際軌道不平順。

4.2.1 直線平穩(wěn)性

(1)平穩(wěn)性指標

在GB/T 5599—2019中規(guī)定，車輛平穩(wěn)性指標一般采用Sperling指數(shù)。Sperling指數(shù)是對在機車車輛上的旅客和乘務(wù)員乘坐舒適性、運送貨物完好性的度量方法，是評價列車運行平穩(wěn)性的綜合指標，計算公式如下:

式中，W是平穩(wěn)性指標；A為振動加速度；F(f)為頻率修正系數(shù)；f為振動頻率。

式(11)的平穩(wěn)性指數(shù)只適用一種頻率一個振幅的單一振動，但實際上車輛在線路上運行時的振動是隨機的，即振動頻率和振幅都是隨時間變化的。因此在整理車輛平穩(wěn)性指數(shù)時，通常把實測的車輛振動加速度按頻率分解，進行頻譜分析，求出每段頻率范圍的振幅值，然后對每一頻段計算各自的平穩(wěn)性指數(shù)，再求出全部頻段總的平穩(wěn)性指數(shù)，如下式:

我國對貨車平穩(wěn)性指標的相關(guān)規(guī)定見表3。

表3 貨車平穩(wěn)性指標等級

表4是通過仿真數(shù)據(jù)計算出的空、重車工況下橫向和垂向得平穩(wěn)性指數(shù)。可以看出最大的平穩(wěn)性指數(shù)也遠小于3.5，達到了優(yōu)秀的平穩(wěn)性水準。

表4 平穩(wěn)性指數(shù)

(2)振動加速度

圖5、圖6是空載和滿載兩種狀態(tài)下列車的時域振動加速度?？傮w來看重車的振動狀態(tài)要優(yōu)于空車，空車最大的橫向振動加速度絕對值為2.5 m/s2，垂向加速度峰值約為1 m/s2。

圖5 車體橫向加速度

圖6 車體垂向加速度

貨車的振動加速度的評定限值為標準:垂向加速度≤5.0 m/s2，橫向加速度≤3.0 m/s2。因此無論是空載還是滿載狀態(tài)，列車的橫向加速度和垂向加速度值均在限值范圍內(nèi)，滿足使用要求。

4.2.2 曲線通過安全性

曲線通過安全性主要關(guān)注列車的脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軌橫向力等指標。目前，針對非木軌枕軌道線路，輪軌橫向力一般取不大于0.4倍軸重時即是符合允許限度的要求，即:

由于研究對象為3.6 t軸重小車，因此要求輪軌橫向力不大于14.4 kN，由圖7a可知，空車工況和重車工況下的輪軌橫向力最大值遠低于最小限度14.4 kN，故輪軌橫向力指標滿足標準要求。

GB/T 5599—2019規(guī)定，當(dāng)作用于車輪的橫向力Q時間大于0.05 s，車輛的脫軌系數(shù)應(yīng)符合以下條件:

式中，Q為輪軌橫向力(kN)；P為輪軌垂向力(kN)。

從圖7b可以看出該列車在空車和重車工況下的脫軌系數(shù)最大值分別為0.6和0.38，遠小于最小限度1，故脫軌系數(shù)指標滿足安全要求。

圖7 輪軌橫向力與脫軌系數(shù)

GB/T 5599—2019規(guī)定，輪重減載率評定按速度分類如下:

式中，ΔP為輪重減載量(kN)；為減載側(cè)和增載側(cè)車輪的平均輪重(kN)。

由圖8a可知，兩種工況下的輪重減載率最大值都不超過0.25，遠遠小于最小限度0.65，故輪重減載率指標也滿足安全要求。

圖8 輪重減載率與相鄰車最小距離

小曲線通過時相鄰車體可能發(fā)生機械干涉行為，圖8b是監(jiān)測的相鄰車端距離，可以看出列車通過50 m半徑的曲線時的最小距離在80 mm左右，不會存在部件干涉問題，滿足安全運行要求。

5 結(jié)論

(1)設(shè)計了由輪軌支撐和永磁同步電機驅(qū)動的新型磁動力物料運輸列車方案，列車在運控系統(tǒng)的指令下自動駕駛，能夠高效率、低成本地解決運輸問題。

(2)建立了永磁同步直線電機理論模型，基于列車的技術(shù)指標對定子線圈以及Halbach永磁陣列進行了設(shè)計案例分析。

(3)建立了列車動力學(xué)模型，仿真分析了列車的直線平穩(wěn)性和曲線安全性，結(jié)果表明設(shè)計列車具有較好的動力學(xué)性能，能夠滿足使用要求。