中低速磁浮车辆技术详解

中低速磁浮车辆日本Linimo低速磁浮列车韩国仁川机场磁浮车辆中国低速磁浮车辆车体走行机构迫导向机构牵引动力系统悬浮系统制动系统网络及控制系统车辆主要组成端车与中车采用了相同车厢长度，车长为：16.0m。主要部件分别进行独立装配，然后再组装在一起，形成一节完整的车辆。在16.0m车厢长度的列车上采用了5对（左右两侧）10个悬浮磁铁模块（5个悬浮架）。每个悬浮架是独立的（在电气控制上有联系），长度为2.8m。车辆结构车辆总体图以走行机构的纵向对称面、横向对称面和F轨道滑行面形成的交点为坐标0点；车辆E1前进方向为X轴正方向，车体横向为Y向

，z轴正方向向上。如图所示。车辆的设计状态为滑橇与滑行面接触状态（列车落下状态）。车辆坐标系最高运行速度： 110km/h最大载重量： 10.0t/节轨距： 1900mm最小平曲线半径： R50m，20km/h

最小竖曲线半径： R1500m最大爬坡能力： 70‰（60km/h）最大横披角： 6o最大运行加速度：

≦1.15m/s2快速制动减速度：

≦1.15m/s2常用制动减速度：1.15m/s2最大制动减速度：1.3m/s2最大横向冲击：0.5m/s3最大牵引和制动冲击：0.7m/s3车辆总体性能滑橇摩擦制动减速度： 0.83m/s2运行环境：

海拔高度

≦1200m相对空气湿度

≦99%全天候运行，并能承受风、沙、雨、雪的侵袭大气环境温度：

标准工况 -15ºC～+45ºC车辆平稳性指标：不大于2.5。运控系统是ATP、ATS模式，预留ATO。车厢之间能实现机械自动连挂和电气、气路的人工连接。供电方式：电压1500VDC（波动范围1000～1800VDC）、供电轨/受流器车辆自重：

端车（E）22.5t/节、中车（M）22.0t/节；车辆满重：

端车（E）32t/节、中车（M）32t/节。外形尺寸：16000×2900×3530mm（车体外形）车辆总体性能最大悬浮能力： 32t/节（直线轨道）车辆定员（AW2）：E车：131人（坐46人；站85人；站立标准：6人/m2）M车：135人（坐52人；站83人；站立标准：6人/m2）车辆超载（AW3）：E车：172人（坐44人；站128人；站立标准：8人/m2）M车：181人（坐52人；站129人；站立标准：8人/m2）乘客的非均匀分布规定为20％，即允许在车辆一端或一侧的乘客重量比另一端或一侧的乘客重量多20%。承载能力车辆零部件的设计充分考虑具有通用性、互换性和方便更换，采用模块化设计、生产，形成系列化、标准化生产。车辆零部件具有良好的防腐、耐磨性能，具有足够强度和刚度，使检修工作量减少到最小程度。

保证其安全、可靠外，车辆的强度与刚度根据计算满足列车运行时的载荷和30年设计寿命要求。可靠性、可用性、可维修性及安全性（RAMS）基本要求F铁几何尺寸车辆和轨道的耦合关系F轨中心线反应板的中心线水平基准面除了轨排安装外，在轨道梁上还安装有供电轨、车辆测速定位交叉电缆、热伸缩装置、接地电缆等设备。正线轨道与道岔，直线段与曲线段的轨道结构有所不同。轨道全断面车辆和轨道的耦合关系车辆与轨道的两种状态项目极限值容许安装误差设计目标值轨距（mm）431900两轨面高低偏差（mm）430竖向（mm）43每长轨道为0.5偏差。横向（mm）43轨道接缝（mm）竖向110横向1.51.50轨道安装要求在衡量走行机构的弯道适应性时，主要考虑：1）必须保证走行机构的平移在横向移动装置的范围内（有待试验验证）；2）必须保证悬浮磁铁应随轨道F铁的走向拟合；3）必须保证悬浮磁铁在轨道F铁相对应面积大于直线段的相对面积的90％，否则难以维持悬浮力；在R70m弯道处，磁极偏移的最大值为14.0mm。

曲线适应性要求R50m曲线上车线错位情况线路设计最大横坡扭率： 0.12º/m线路横坡扭转段横坡角的变化规律应当与线路平面中的缓和曲线的曲率变化相对应。允许最大扭转率和扭转段最小长度应考虑到车辆的走行机构与悬浮解耦控制能力和行车动力学特性。

线路横坡扭转段走行机构每节车有5个独立的悬浮架，组装后形成整车的走行机构。端车和中车下部走行机构结构基本相同，每个端车仅在第一位悬浮架的前部安装有测速定位系统。每个端车的其中两个悬浮架装置上各安装两对受流器装置。走行机构组中低速磁浮列车走行机构主要由以下15个部分组成：(1)悬浮架；(2)悬浮电磁铁；(3)空气弹簧悬挂系统；(4)滑台装置；(5)迫导向机构；(6)抗侧滚装置；(7)制动装置；(8)滑橇；(9)限位止挡装置；(10)电机悬挂装置；(11)液压支撑装置；(12)牵引拉杆装置；(13)受流器装置；(14)管线布置；(15)列车接地装置。走行机构组成承载车体重量、车辆悬浮、牵引，实现列车沿着轨道前进、制动，适应轨道设计规范所规定的各种几何扭曲与不平顺，保证列车最大速度下的运行安全并使列车行驶中具有较高平稳性。走行机构还应具有合理的制造装配工艺和运行维护方便的特点。要求在走行机构设计时应进行运动解耦及运动状态分析校核，确保走行机构内部各组装部件以及与轨道线路之间没有干涉发生。走行机构具备以下几项主要功能走行机构曲线姿态悬浮架是走行机构的一个最小独立的单元，承受着车辆的各种载荷，同时环抱轨道并沿着线路运动。电磁铁产生的悬浮力传递到悬浮架上；直线电机的牵引力和制动力、卡钳制动力、各种滑橇的支撑力也直接作用在悬浮架上，并通过空气弹簧和牵引拉杆系统传递到车厢。悬浮架装置主要由托臂（4套）、纵梁（2套）、抗侧滚装置（2套）、左右一套牵引拉杆装置组成。2套托臂装置、1套纵梁装置组成一个装配模块，每个悬浮架装置左右各有一套装配模块。悬浮架悬浮架3维模型悬浮架装置是直线牵引电机、悬浮电磁铁、空气弹簧悬挂系统等多种组件的安装基础，是走行机构的核心结构部件。悬浮磁铁安装在悬浮托臂的固定座上，布置在车辆的两侧。同样直线电机安装在纵梁的下部，布置在车辆的两侧。空气弹簧悬挂系统以悬浮托臂的上方的“基洞”为安装位置与其上部的滑台固定。在纵梁上表面与滑台之间安装牵引拉杆装置。悬浮架的作用托臂抗侧装置滚装置：抗侧滚片梁安装座通过螺栓固定在托臂上，每个抗侧滚片梁安装座上有两个关节轴承。两片相同的抗侧滚通过垫片梁块组装成一个片梁组件，通过关节轴承与抗侧滚片梁安装座相连，连接后该部件能够绕垂直轴转动。抗侧滚片梁吊杆两端有关节轴承，通过关节轴承将吊杆与另一边的抗侧滚片梁组件连接起来，吊杆在沿杆长方向应具有一定的拉压弹性和限位功能，因此吊杆为金属橡胶件，吊杆的弹性技术参数应通过计算分析来确定。牵引拉杆紧急救援支撑轮滑橇：滑橇作用模块单元固定在悬浮托臂上，起到支撑车辆整体载荷的功能。在额定悬浮高度下，滑块滑行面距F轨道滑行面的名义间隙为8mm。磁铁固定座纵梁装置：固定直线电机、牵引拉杆固定端、气液转换器固定结构件，直线电机在安装设计上可上下调节，直线电机出线插头固定在纵梁的侧面几个重要的功能件紧急救援支撑轮的作用？为什么是两个轮子？牵引拉杆的作用？问题悬浮电磁铁用于产生电磁吸力，采用同时具备悬浮和导向功能的U型磁铁，F型悬浮导轨（被迫导向功能）使列车在运行中与轨道无接触。每节车5个悬浮架共10个电磁铁，总悬浮重量32t/节，每个磁铁绕制4组相同的线圈。电磁铁上需安装制动器、传感器、横向限位止挡、防吸死板等。悬浮电磁铁布置每个悬浮电磁铁上安装有四个磁极，选择铜匾线或铝箔作为悬浮线圈，经绕包、浸漆、封装后制成整体磁极。选择高强螺栓固定的方式将磁极与侧向磁极板固定，恰好形成宽度为220mm，磁极宽度为28.0mm的悬浮磁铁。悬浮电磁铁悬浮电磁铁悬浮电磁铁装置由托臂连接件、内侧极板、外侧极板、横向止挡滑橇、垂向抗吸死滑块、磁轭、极板间支撑、以及若干传感器安装座组成。悬浮电磁铁装置通过螺钉与相对应的托臂装置连接在一起。内、外侧极板通过螺钉与两端的托臂连接件（铸铝件）相连，内外侧极板之间适当位置还布置有极板支撑块，采用螺钉固定。在极板适当位置，为安装有关传感器，布置有安装座，采用螺钉与极板固定。悬浮电磁铁安装悬浮磁铁应设计时在考虑：磁轭与磁极板固定和定位牢固，防止工作受力时出现相互位移和窜动；防吸死滑橇固定可靠，容易更换。悬浮传感器安装座定位准确，拆卸方便。悬浮磁铁的悬浮能力应满足约2t/m（按16m长度计算车辆载荷），磁极最大偏移极限值在14.0mm～16.0mm范围。对悬浮磁铁要求二系悬挂系统由空气弹簧、端部滑台、中间滑台、固定滑台、固定滑台连杆、线性轴承、防脱开装置、以及各种连接座等组成。空气弹簧在功能上可以缓冲和衰减来自线路的横向和垂向振动，隔离来自车下的高频振动，补偿通过曲线时车体与走行机构间的横向运动，缓和曲线工况下走行机构与车体的不均等垂向位移。空气弹簧悬挂系统是中低速磁浮车辆的主要缓冲减振装置，关系到车辆运行的平稳性和舒适性，同时对悬浮控制系统影响较大。确定车体的自振频率。二系悬挂系统二系悬挂图片和模型空气弹簧设计参数：横向刚度：Ch=80～140N/mm；竖向刚度：Cv=40～70N/mm；弹性橡胶止档刚度：

＝200N/mm=0.2MN/m；垂向限位：15mm自由+20mm弹性；空气弹簧的最大水平位移按26mm（自由间隙为20mm，弹性剪切变形为6mm）。相关设计参数提供给悬浮控制设计方进行校核，以此为悬浮控制设计依据。迫导向机构中低速磁浮车辆利用迫导向机构使悬浮架平顺跟踪轨道F铁的曲线，同时使车辆施加在走行机构的载荷均匀分布。因此走行机构的迫导向机构成为中低速磁浮车辆是否成功的关键技术。

迫导向机构由长T形臂、短T形臂、横向拉杆、长拉杆组件、以及相应铰接组成。计算分析证明，长T形臂的纵向臂长应为短T形臂纵向臂长的2倍。车辆通过过R50m曲线时，长、短T形臂相对车体的转角达到近35º。迫导向机构滑台是调整车厢在弯道区段时位置的装置，在迫导向装置的驱动下（由悬浮磁铁的导向力作用下）滑台随弯道曲线平滑地调整走行机构的姿态。每个滑台座于两个空气弹簧上，它与空气弹簧的连接后又形成空气弹簧组件。移动滑台内侧与迫导向机构横向拉杆相连，滑台两端是直线轴承安装的滑槽。固定滑台两端无线性轴承，直接与车体托梁固接。滑台装置根据几何分析和动力学计算，过R50m曲线时，端部移动滑台线轴承的滑动量可达到367mm。根据几何分析和动力学计算，过R50m曲线时，中部移动滑台线性轴承的滑动量可达到170mm。为防止车体在非常情况下，车体与走行机构竖向位移过大，造成车体与走行机构脱开，滑台上安装有防脱开装置固定座。具有一定驰度的钢丝绳一端与该座相连，另一端与托臂上的固定座相连。固定和移动滑台抗侧滚装置抗侧滚装置的作用是约束悬浮架中两个模块绕x轴旋转，释放其他5个自由度。抗侧滚吊杆刚度须具有弹性拉压功能，以保证悬浮架在弯道缓和曲线处进行解耦，车辆顺利通过曲线。该机构组成的悬浮架在扭转角0.12º/m的线路上仍须保持必要的刚度和阻尼。抗侧滚装置为确保列车满足安全运行条件，在第2、3、4悬浮电磁铁模块中部安装有液压制动装置。制动装置采用液压推动方式，制动时小液压缸推动闸片夹紧F形轨道的外沿实现摩擦制动，当闸片松开时，小液压缸依靠定位弹簧恢复力将整个装置推回到初始位置，闸片与F形轨道脱离保持一定间隙。基础制动装置液压卡钳的安装位置应采用轻量化高强度材料作为承载部件；液压制动器的支撑（抗拉）杆的强度和刚度应满足最大制动力度要求；液压制动器对悬浮架在竖向不产生约束，即在制动时，对车辆悬浮与落下没有影响；制动器的液压软管耐高温，并有保护套。

制动闸片允许磨损厚度应不小于2.5mm，其摩擦系数应大于0.4。液压制动器设计原则：滑橇磁浮车辆总体载荷的支撑部件，应具有耐磨、耐冲击、耐腐蚀的基本特性。由于走行机构的结构较为紧凑，滑橇应安装在悬浮托臂的下部，以螺栓固定的方式固定。在滑橇外铸钢件体内应设置三块耐磨材料，与F铁的滑行面接触，要求该滑橇的支撑外壳体应满足支撑车辆中体载荷的强度。同时，防止滑橇在滑行面滑行时与接缝相撞击破碎。防吸死滑块是另外一种摩擦副的形式，其表面高出极板上表面2mm。该装置所具有的功能是防止悬浮磁铁与F铁吸死时存在着摩擦的工况，达到保护悬浮磁铁的目的。要求防吸死滑块材料采用耐冲击的耐磨、减摩材料。滑橇滑橇通过轨道接缝的状态横向止挡滑橇组件作用：列车通过小曲线时，当横向力过大导致悬浮导向力无法恢复电磁铁的正常状态时，由横向止档强迫回位。由于该装置传递较大力，所以要求具有足够的强度。该装置内安装的滑块材料采用耐冲击的耐磨、减摩材料。

横向止挡装置悬挂直线电机；电机纵向定位；电机横向定位；电机垂向独立调节正负2mm。直线电机悬挂装置每个悬浮架装置上都装有直线牵引电动机，因此每个悬浮架装置上左右各安装一套牵引装置，将直线电机的牵引力从走行机构传递到车体上。牵引拉杆装置具有3个自由度。牵引拉杆装置每节端车E上设二对受流器，安装在第一和第二悬浮架电磁铁托臂连接板上。受流器装置测速定位系统中的信号接收器与信号处理器（2套）安装在车头与车尾的托臂和抗侧滚梁上。测速定位天线车体与走行机构在滑台处通过直线导轨以及在固定滑台处与一安装座相连接。走行机构与车厢的接口车体结构车体结构长度：头、尾端车（E）：15.6m中间车：15.5m车体宽： 2.8m车高：从滑橇支承轨面至车顶(包括空调)3.45m车内高度：（地板面到车顶）： 2.1m车内最小站立高度（基准面：地板面）： 1.95m车厢地板上平面距滑橇支承面的高度： 820mm枕梁下表面距滑橇支承面的高度： 476mm侧墙直面距车厢地板上平面高度： 800mm侧墙斜面的角度 2

车顶上面圆弧半径R7000mm侧墙与车顶的过渡圆弧半径 R200mm车钩水平中心线距滑橇支承轨面高度550mm车体结构基本参数车体结构主要包括底架、侧墙、车顶、司机室前脸、司机室后墙和端墙，各部分之间的连接采用焊接方式，也不排除在施工设计中改变结构形式采用铆接连接。底架包括边梁、对应于滑动台位置的横向枕梁（或托梁）、连接车钩的缓冲梁、端梁、地板及安装设备的各连接结构；侧墙包括上、下侧梁、立柱、门柱及侧墙板；车顶包括板弯车顶板、水平车顶板及连接板；司机室结构包括窗下梁、窗上梁及立柱，它的侧墙和车顶采用与客室贯通的方式；端墙包括贯通道框、立柱和端板，车体结构的组成Hsst车骨架车顶由连续的铝合金挤压型材组焊而成。车顶侧墙为挤压型材和梁柱焊接结构。侧墙底架底架是框架式承载结构，与地铁的结构区别很大，复杂很多。采用挤压型材地板梁与贯通中梁、枕梁、边梁组成一种特殊的结构形式。枕梁上安装线性轴承，载荷由线性轴承传递到走行机构。底架刚度一般，但枕梁要求具有较大的刚度，采用铸造件，以保证线性轴承安装精度。底架CAD图车下电气布置车体和迫导向机构的关系用来保证列车的自动连接、具有能量吸收功能，且能传递纵向力。解钩可通过驾驶室远程操纵，或在道边人工完成。最大水平摇摆

20

最大垂直摇摆

6

车钩及车间减振器中低速磁浮车

辆动力学、车辆曲线通过原理

车辆设计情况

车辆几何曲线通过分析悬浮架动力学分析走行机构和车体连接及几何约束走行机构和车体的连接形式影响着整列磁浮车在曲线上的运动学形态。所设计上海低速磁悬浮车走行机构在三个方面和车体发生连接：直线导轨副：直线导轨的滑块安装在滑动台上，滑轨与车体底部连接，整个走行机构与车体理论上有20副直线导轨配合，实际上需要12副。这样车体通过直线导轨配合相对于构架可以发生横移，列车通过曲线特别是半径很小的曲线时，就会产生较大的相对横移。走行机构和车体连接说明迫导向机构转动轴与车体的连接：整车装两套迫导向机构，与车体共有4处销接，在曲线上某些左右滑块的中心点在被动导向力的作用下将占据接近线路中心线的位置（图中的D点），该图中A点则相当于车体与下部走行机构的固定转动点，由于连杆的定位，A点将基本保持在线路中心线上，而车体销接点B、C将偏离左右模块中心线，通过机构作用强迫走行机构导向。滑台和车体的连接：第2和第5位滑台与车体刚性连接，连接处（A点）构成了整车过曲线时的转动中心。通过曲线时车体与走行机构的位置（迫导向原理）走行机构运动仿真模型车辆和走行机构在R50m的状态模块模型在曲线上电磁铁和F轨道错位电磁铁（模块）在曲线上的受力图磁浮架模块在曲线上状态是磁浮车曲线通过分析的基础，是磁浮车曲线通过状态和各相关结构的几何关系分析的依据。模块在曲线受到导向磁力、离心力、二系悬挂力和重力横向分力等共同作用，模块的状态是这些力综合作用的结果。模块在曲线的状态可以分为：相切、内接、相交以及内外横向滑橇和曲线接触极限状态等不同的情况。模块在曲线上的受力分析导向力的计算：

其中：F0——一个电磁铁的轴线与轨道轴线对齐时的额定悬浮力z——悬浮气隙Wm——磁极宽度d——电磁铁的轴线与轨道轴线的偏移量模块在曲线上的受力分析几何曲线通过分析时，可以只考虑导向磁力的影响。只要模块内外导向磁力相等，模块就能够平衡通过曲线。从受力分析可以看出，为了使模块受力平衡，要求在面积S1的积分等于在面积S2和S3积分之和，即：D2=D3=2D1时，导向力平衡；

所以几何曲线通过分析时取平衡位置为D2=D3=2D1处。以上分析考虑的只是模块的几何曲线通过，实际中模块还要受到悬挂力、离心力和重力横向分量。当模块正好以一定的速度平衡通过曲线时，模块正好在这样的位置达到受力平衡。如果模块通过曲线的速度增大（或减小）或者受悬挂力的影响，模块就向外轨（或向内轨）横移，调整导向力相对的增大（或减小），从而达到受力平衡。在模块受到很大的横向力的情况下（如受到较大的侧风、大的曲线通过速度），横向力超过轨道所能够提供的最大导向力，模块向外轨移动，直到轨道和模块上的横向滑橇接触，靠横向滑橇提供横向力来导向。车体与模块在曲线上的状态迫导向机械机构和空气弹簧构成了走行机构的悬挂系统，由空气弹簧垂向刚度传递垂向载荷，迫导向机构和空簧的横向刚度传递横向载荷。当车体进入曲线时，受到未平衡离心力、侧风等横向力的影响时，平行四边形机构的形态和受力情况发生变化。没有迫导向机构是否可行？从曲线几何通过角度是可行的，但是，无法解决走行机构和空气弹簧均匀承载车体带来的横向载荷力的问题。迫导向机构

迫导向机构在曲线上的形态整个迫导向机构可以把横向力（未平衡的离心力和侧风力）平均的分配到各个模块的悬挂系统上，使所有的模块受力状态相同，从而使得各个模块沿着曲线达到最合理分布。平行四边形机构受力分析车辆的横向载荷，由20个空气弹簧承载。如果没有迫导向机构，横向载荷只能通过第2和第5位于车体刚性连接的滑台传递，即车体横向载荷平均分配到第2和第5位的8个空气弹簧悬挂系统上，由这8个空气弹簧和对应的电磁铁模块承受整车的横向载荷，其余12个空气弹簧和对应的电磁铁模块闲置。结果是固定滑台处的模块难以重负。曲线通过时左右模块的错位关系抗侧滚梁状态中低速磁浮车

辆动力学动力学计算参数与模型:空气簧空车刚度：

水平刚度 1.5×105 N/m

垂向刚度 0.8×105 N/m空气簧限位：

向下压缩 20mm

向上防脱开30mm

横向限位 40mm

纵向限位 40mm牵引杆刚度 5.0×106 N/m抗侧滚吊刚度 2.0×105 N/m一个线圈等效悬浮刚度2.85×108N/m车辆间减振器阻尼系数2.0×105 Ns/m低速磁浮列车动力学计算1为改善列车直线高速运行舒适度，邻车间必须加装减振器。该减振器行程大因此长度长，最大阻尼力大因此直径大，关节偏转角大因此需要一端采用万向节。采取该措施后车辆的侧向乘坐舒适度可达到优秀。2为适应小半径曲线通过，必须采用迫导向机构。3滑台滑键的最大长度不应低于350mm。4空气簧的水平限位应设置为半径方向40mm。5空气簧必须采取垂向限位措施，使车辆相对走行机构的侧滚角不超出0.6°。增大垂向弹性限位行程能改善车体的侧滚。动力学仿真得出以下主要结论6合理设计下，迫导向机构平行四边形杆