中低速磁浮車輛懸浮故障工況動力學(xué)分析

摘 要：為研究中低速磁浮車輛電磁鐵失效失去懸浮力時的故障工況對磁浮車輛動力學(xué)性能的影響，建立三懸浮架中低速磁浮車輛動力學(xué)模型，對直線運行和曲線通過性能的各項動態(tài)指標進行仿真分析。結(jié)果表明：電磁鐵失效故障對平穩(wěn)性指標和導(dǎo)向間隙影響較小，對懸浮間隙、懸浮模塊點頭角和通過速度影響較大；發(fā)生電磁鐵失效故障時，直線路段需要限速60 km/h運行，R100曲線路段需要限速38 km/h運行。

關(guān)鍵詞：中低速磁浮車輛；故障工況；平穩(wěn)性；曲線通過

中圖分類號：U237; U270.1+1" 文獻標志碼：A" 文章編號：1671-5276（2024）05-0017-05

Dynamic Analysis of Suspension Fault Condition for Medium-Low Speed Maglev Vehicle

Abstract：To study the fault condition of medium-low speed maglev vehicle in its electromagnet failure and suspension force loss and the influence on its vehicle dynamic performance， a dynamic model of medium-low speed maglev vehicle with three suspension frames was established， and the dynamic indexes of linear operation and curve passing performance were simulated and analyzed. The results show that electromagnet failure has little influence on stability index and guide clearance， but grealy affects suspension clearance， suspension module nod angle and passing speed. When electromagnet fails， vehicle speed should be limited at 60 km/h in the straight section and 38 km/h in the R100 curve section.

Keywords：medium and low speed maglev vehicle；fault condition；stability；curve passing

0 引言

磁懸浮列車與軌道之間無直接機械接觸，不受傳統(tǒng)輪軌系統(tǒng)黏著極限的限制，具有轉(zhuǎn)彎半徑小、噪聲低、加速快和線路適應(yīng)性強等特點［1］。目前國際上已形成較為成熟的常導(dǎo)磁型和低溫超導(dǎo)磁懸浮交通技術(shù)體系。

常導(dǎo)磁浮列車采用電磁懸浮系統(tǒng)。懸浮系統(tǒng)主要包括懸浮電磁鐵、傳感器和懸浮控制系統(tǒng)，依靠電磁鐵通電后與F型軌道的磁極之間產(chǎn)生電磁吸力實現(xiàn)懸浮。隨著磁浮列車技術(shù)的不斷發(fā)展，國內(nèi)外學(xué)者對常導(dǎo)磁浮車輛動力學(xué)進行了大量研究，文獻［2-3］對磁浮車輛磁軌相互作用進行了理論分析，并提供了磁浮車輛/軌道系統(tǒng)動力學(xué)建模的方法，為我國磁浮車輛技術(shù)研究及其工程應(yīng)用提供了參考與借鑒。文獻［4］根據(jù)磁懸浮車輛動力學(xué)拓撲關(guān)系，給出了利用SIMPACK建立多體動力學(xué)模型的方法。文獻［5］建立低速磁浮車輛空間模型，根據(jù)其曲線通過動態(tài)響應(yīng)，給出低速磁浮列車大、小半徑曲線通過能力限制因素以及曲線設(shè)置建議。文獻［6］分別采用彈簧阻尼法和懸浮控制法建立磁軌關(guān)系模型，分析兩種磁軌關(guān)系對中低速磁浮車輛垂向動力學(xué)的影響。文獻［7］考慮了線路不平順對低速磁浮車輛的影響，根據(jù)動態(tài)響應(yīng)給出了磁浮車輛線路不平順的具體形式及變量限值。

對于中低速磁浮車輛而言，車輛和軌面之間的間隙與吸引力的大小成反比，不是自穩(wěn)定系統(tǒng)，必須精確地控制電磁鐵的懸浮力，懸浮系統(tǒng)故障可能會導(dǎo)致車輛無法運行。懸浮系統(tǒng)的典型故障有懸浮控制器故障、間隙傳感器故障和懸浮電磁鐵失效［8］。發(fā)生故障時，故障部位可能失去部分或者全部懸浮能力，使磁浮列車直線運行性能和曲線通過能力變差，嚴重時可能會發(fā)生落車事故。因此對中低速磁浮車輛電磁鐵失效導(dǎo)致電磁鐵失去懸浮力的工況進行動力學(xué)仿真分析，研究其直線運行和曲線通過性能是否滿足要求是非常必要的。本文考慮發(fā)生懸浮電磁鐵失效故障時，該位置電磁鐵不再提供懸浮力和導(dǎo)向力，對懸浮故障工況進行動力學(xué)仿真分析，從動力學(xué)角度對懸浮故障工況展開研究。

1 動力學(xué)模型簡介

在多體動力學(xué)軟件SIMPACK中建立中低速磁浮車輛動力學(xué)模型。本模型包括3個懸浮架結(jié)構(gòu)，左右懸浮模塊依靠兩套抗側(cè)滾結(jié)構(gòu)進行連接，懸浮架結(jié)構(gòu)呈“口”字型。動力學(xué)參數(shù)如表1所示，模型如圖1所示。

本文仿真所采用軌道譜為文獻［9］所得到的功率譜，如式（1）所示。

2 懸浮故障工況介紹

對懸浮模塊進行簡化，受力分析如圖2所示。對于單個懸浮模塊，電磁鐵失效故障包括單點和兩點失效。兩點失效故障發(fā)生時，單個懸浮模塊沒有足夠的懸浮力支撐懸浮，很可能會發(fā)生落車，需要依靠應(yīng)急輪進行支撐。當應(yīng)急輪裝置運行時，車輛同時失去導(dǎo)向能力，此時列車由各模塊上的側(cè)向?qū)蚧翆?dǎo)向，故本文僅討論電磁鐵單點故障工況。本文假設(shè)1位懸浮架左側(cè)懸浮模塊的2位電磁鐵（記作L12）失效，且該位不再提供懸浮力，懸浮力變?yōu)镕′1、F′3、F′4。

假設(shè)懸浮模塊轉(zhuǎn)動θ角，質(zhì)心向下運動位移z。正常工況的懸浮模塊運動方程如式（2）、式（3）所示，故障工況的懸浮模塊運動方程如式（4）、式（5）所示。

對于中低速磁浮車輛而言，懸浮電磁鐵產(chǎn)生的力可以分解為兩部分，垂向分力為懸浮力，橫向分力充當曲線路段的導(dǎo)向力。對于垂向，中低速磁浮規(guī)定懸浮間隙為（8±4）mm，本文得到的動態(tài)響應(yīng)結(jié)果為懸浮間隙波動值，不超過±4 mm；對于橫向，通過橫向滑橇進行限位，本文規(guī)定橫向不超過15 mm。

3 故障工況動力學(xué)仿真

3.1 直線動力學(xué)分析

1）車體振動加速度和平穩(wěn)性指標

根據(jù)標準GB/T 5599—2019的規(guī)定，選取車體加速度測點，并根據(jù)公式對平穩(wěn)性指標計算，平穩(wěn)性等級如表2所示。將正常運行工況和故障運行工況分別記作工況1和工況2。

運行速度選取10 km/h和80 km/h，車體振動加速度隨時間的變化如圖3所示（本刊黑白印刷，相關(guān)疑問咨詢作者）。由圖3可知，發(fā)生電磁鐵失效故障時，車輛系統(tǒng)會有較大的初始振動加速度，垂向振動更加明顯。隨著時間增加，波動值逐漸恢復(fù)到正常值范圍，運行速度越大，振動加速度數(shù)值越大。

兩種工況橫向平穩(wěn)性和垂向平穩(wěn)性指標隨速度的變化如圖4、圖5所示。由圖4和圖5可知，橫向和垂向平穩(wěn)性指標隨速度的增大而增加，兩種工況下，平穩(wěn)性指標均未超過2.5，平穩(wěn)性等級為優(yōu)。故障工況平穩(wěn)性指標更大，懸浮故障使車輛運行平穩(wěn)性略有變差。

2）懸浮模塊點頭角

兩種工況一位懸浮架左右懸浮模塊（記作L1和R1）點頭角隨速度的變化如圖6所示。由圖6可知，懸浮模塊點頭角隨速度的增大呈上升趨勢。同一速度下，故障工況懸浮模塊的點頭角與正常工況相比數(shù)值更大，主要是因為2位電磁鐵失效后，與其相鄰的1位、3位電磁鐵及懸浮負擔加重，懸浮模塊會產(chǎn)生較大的點頭角。

3）懸浮力和懸浮間隙波動值

列車運行速度設(shè)置為50 km/h，懸浮力和懸浮間隙選取一位懸浮架左側(cè)懸浮模塊1位、3位（記作L11和L13）以及右側(cè)懸浮模塊1位、3位（記作R11和R13），懸浮力隨時間的變化如圖7所示。由圖7可知，懸浮系統(tǒng)穩(wěn)定后，兩側(cè)懸浮模塊各個位置懸浮力大小并不相同，左側(cè)模塊靠近故障部位的1位、3位電磁鐵懸浮力較大，幅值分別為14.5 kN和12.8 kN。左右側(cè)懸浮模塊通過前后兩套防側(cè)滾梁和吊桿相連，左側(cè)2位電磁鐵失效后，懸浮模塊前端由于重力作用向下運動，通過防側(cè)滾梁和吊桿將力傳遞到右側(cè)前端懸浮模塊，右側(cè)1位、2位電磁鐵懸浮力為10.5 kN，與正常工況懸浮力（9.5 kN）相比增大。

兩種工況左側(cè)懸浮模塊的1位、3位懸浮間隙波動值隨時間的變化如圖8所示。由圖8可知，故障工況時，與失效部位2位電磁鐵相鄰的1位、3位電磁鐵的懸浮間隙值較正常工況有所改變，懸浮間隙波動幅值增大，根據(jù)1）和2）的分析可知，故障工況會導(dǎo)致懸浮模塊產(chǎn)生較大的點頭角，導(dǎo)致懸浮間隙產(chǎn)生一定的變化，懸浮間隙波動幅值增大，更容易超過限值。

圖9和圖10所示為左側(cè)和右側(cè)懸浮模塊懸浮間隙波動幅值隨速度的變化。由圖中數(shù)據(jù)可知，懸浮間隙波動幅值隨速度的增大呈上升趨勢，對比兩種工況相同部位的懸浮間隙波動幅值，可以發(fā)現(xiàn)，故障工況時，同側(cè)懸浮模塊其余部位懸浮間隙波動幅值更大，當速度達到60 km/h時，1位懸浮點的懸浮間隙波動值超過限值。

4）空簧垂向力與空簧垂向位移

空簧作為中低速磁浮車輛二系懸掛的關(guān)鍵部件，其性能會對車輛的舒適度和安全性產(chǎn)生影響［10］?？栈纱瓜蛄痛瓜蛭灰齐S時間的變化如圖11所示。由圖11可知，空簧垂向力和垂向位移的初始波動值較大，隨著時間增加，波動值逐漸恢復(fù)到正常值范圍。系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定后，當速度為10 km/h時，空簧垂向力最大值為8.9 kN，空簧垂向位移最大值為5.08 mm；當速度為80 km/h時，空簧垂向力最大值為9.95 kN，空簧垂向位移最大值為15.48 mm。速度越大，空簧垂向力和垂向位移波動值范圍越大。

3.2 曲線通過性能分析

本文所采用模型曲線最小半徑100 m，根據(jù)標準TB 10630—2019［11］的規(guī)定，曲線工況未平衡離心加速度不超過0.4 m/s2。設(shè)置曲線通過速度為30～40 km/h，曲線設(shè)置工況如表3所示。

1）懸浮間隙

圖12所示為曲線路段懸浮間隙波動幅值隨速度的變化。由圖12可知，曲線路段變化趨勢與直線路段相同，故障工況曲線路段的懸浮間隙波動幅值高于正常工況；當曲線通過速度達到38 km/h時，懸浮間隙波動值超過4 mm，建議R100曲線路段通過速度不超過38 km/h。

2）導(dǎo)向間隙

圖13所示為以速度40 km/h通過R100曲線路段時，懸浮模塊導(dǎo)向間隙幅值隨速度變化。由圖13可知，以不同速度通過R100曲線路段時，其導(dǎo)向間隙均未超限。

3）滑臺橫向位移

中低速磁浮車輛的滑臺有固定滑臺和移動滑臺之分。當車輛通過曲線時，移動滑臺可以實現(xiàn)相應(yīng)位置的懸浮架相對于車體發(fā)生橫向位移，發(fā)生橫向位移時，相應(yīng)的懸浮架側(cè)架以固定滑臺為回轉(zhuǎn)中心。移動滑臺橫向位移是衡量曲線通過能力的重要指標。圖14所示為曲線路段兩種工況下滑臺位移隨速度的變化趨勢。圖中結(jié)果表示，滑臺橫向位移隨速度的增大而增加，兩種工況滑臺橫向位移相差不大，故障工況對滑臺位移影響較小。

4 結(jié)語

本文以中低速磁浮列車為研究對象，通過動力學(xué)建模，分析磁浮列車電磁鐵失效情況，設(shè)置正常工況和故障工況兩種工況，進行動力學(xué)仿真分析，得出以下結(jié)論。

1）電磁鐵失效故障對橫向平穩(wěn)性和垂向平穩(wěn)性影響較小，對懸浮間隙影響較大。直線路段，當速度達到60 km/h時，故障工況懸浮間隙波動值超過限值。發(fā)生故障工況時，建議列車運行速度不超過60 km/h；R100曲線路段，當速度達到38 km/h時，懸浮間隙波動值超過限值，建議曲線路段列車運行速度不超過38 km/h。

2）電磁鐵失效故障對懸浮模塊點頭角影響較大。

3）曲線路段時，電磁鐵失效故障對導(dǎo)向間隙和滑臺橫向位移影響較小。

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