（道路与铁道工程专业论文）磁浮交通车线动力响应及工程应用研究.pdf

同济大学博士后研究工作报告内容摘要本文围绕高速磁浮交通车线运动学和动力学问题开展研究，对线路平纵横断面设计参数和轨道结构参数取值方法、车线动力建模方法、高速磁浮小半径曲线通过性能、中低速磁浮车线匹配关系进行理论分析和研究，主要内容如下：l 、对高速磁浮线路平纵横断面设计参数的选取依据和取值范围进行研究，给出具体的参数取值。同时对线路偏差、轨道结构主要技术参数进行总结分析。2 、通过桥梁动力学、车辆动力学和电磁学理论，建立车线动力分析数学模型，模型应考虑线路平纵横断面主要特征、轨道结构参振特性、电磁作用关系、车辆部件多体动力学特征等因素。在此基础上探讨合理的求解方法，并设计求解程序。3 、根据高速磁浮列车工作原理与构造特点，对小半经曲线车线运动学关系进行了初步分析，得到了小半径曲线地段各部件运动量，并采用车线动力分析模型对小半径曲线车辆通过性能进行仿真计算。4 、针对中低速磁浮交通工作原理和构造特点，分析平曲线、竖曲线、缓和曲线车线运动学匹配关系，得出线路参数和车辆各部件运动量之间的定量关系。关键词：磁浮交通，线路，轨道，车辆，动力学同济大学博士后研究工作报告a b s t r a c tt h et h e s i sf o c u s e so nt h es t u d i e so nh i g h - s p e e dm a g l e vv e h i c l e g u i d e w a yk i n e m a t i c sa n dd y n a m i c s ，i n c l u d i n gd e s i g np a r a m e t e r so fh o r i z o n t a l ，l o n g i t u d i n a la n dc r o s ss e c t i o n ,g u i d e w a ys t r u c t u r ed e s i g n ，d y n a m i c a lm o d e l i n go fv e h i c l e g u i d e w a ys y s t e m ，c u r v en e g o t i a t i o no nh i g h - s p e e dm a g l e vl i n e ，a sw e l li t sm a t c h e sb e t w e e nv e h i c l ea n dg u i d e w a yo nl o w m e d i u ms p e e dm a g l e vl i n e ，e t c 1 t h ec h o o s i n gb a s i s e sa n dr a n g ec o n s t r a i n t so fd e s i g np a r a m e t e r so fh o r i z o n t a l ，l o n g i t u d i n a la n dc r o s ss e c t i o no nh i g h s p e e dm a g l e vl i n ea r ea n a l y z e da n dr e f e r e n c er a n g ea r ep r o v i d e d s u m m a r i e sa n da n a l y s i sh a v ea l s ob e e nd o n eo nl i n ed i v i a t i o na n dg u i d e w a ys t r u c t u r ep a r a m e t e r s 2 av e h i c l e s t r u c t u r ec o u p l i n gm o d e li se s t a b l i s h e db a s e do nb r i d g ed y n a m i c s ，v e h i c l ed y n a m i c sa n de l e c t r o m a g n e t i c s t h ed y n a m i cm o d e lt a k e sh o r i z o n t a l ，l o n g i t u d i n a la n dc r o s ss e c t i o nf e a t u r e s ，g u i d e w a yv i b r a t i o nc h a r a c t e r s ，e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r a c t i o n ，m u l t i b o d yd y n a m i cp r o p e r t i e so fv e h i c l ec o m p o n e n t si n t oa c c o u n t an u m e r i c a li n t e g r a lm e t h o di sd e v e l o p e da n dt h e nac a l c u l a t i n gp r o g r a mi sw r i t t e n 3 k i n e m a t i cr e l a t i o n s h i pb e t w e e nv e h i c l ea n dl i n ed e s i g no nc u r v e si ss t u d i e dp r i m a r i l ya c c o r d i n gt oo p e r a t i n gp r i n c i p l ea n ds t r u c t u r a lc h a r a c t e r so fh i g h s p e e dm a g l e vs y s t e m t h ek i n e m a t i cr e s p o n s e so fv e h i c l ec o m p o n e n t sa r eo b t a i n e d t h e nt h ec u r v en e g o t i a t i o ni ss i m u l a t e db yt h ed y n a m i cm o d e la b o v e 。4 k i n e m a t i cm a t c h e sb e t w e e nv e h i c l ea n dl i n ed e s i g no nh o r i z o n t a l ，l o n g i t u d i n a la n dc r o s ss e c t i o na c c o r d i n gt oo p e r a t i n gp r i n c i p l ea n ds t r u c t u r a lc h a r a c t e r so fl o w m e d i u ms p e e dm a g l e vs y s t e m t h e nt h eq u a n t i t a t i v e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nl i n ep a r a m e t e r sa n dk i n e m a t i cr e s p o n s e so fv e h i c l ec o m p o n e n t sh a sb e e np o i n t e do u t 同济大学博士后研究工作报告1 1 引言第一章绪论从1 8 2 5 年世界第一条铁路出现算起，轨道交通已有1 8 2 年的历史。特别是上个世纪中叶以来，随着科技的进步，轨道交通运输在速度、密度、重量等性能方面有了很大提高，使轨道交通呈现出高速化、重载化、便捷化的特点。人类对科技进步的追求是永无止境的。自上世纪初磁力悬浮物体的专利被发明以来，人类一直在探索将这一原理应用到地面轨道交通的途径，历经几代人的努力，出现了磁悬浮交通这一轨道交通领域的新成就，以日本m l x 超导高速磁悬浮系统和德国常导高速t r 磁悬浮系统为代表的接近成熟的高速磁悬浮交通系统使人类“无轮飞驰 的梦想成为了现实。1 2 磁浮交通技术发展概况1 2 1 德国常导磁浮交通技术发展概况1 9 2 2 年德国工程师h e r m a n nk e m p e r 首次考虑将磁悬浮应用到铁路交通，并于1 9 3 4 年获得了制造磁悬浮铁路的基本专利，次年他以1 5 6 k g 浮力的试验模型证实了电磁悬浮，但所用的电子管控制器重达2 1 0 k g 。直到上个世纪6 0 年代中期晶体管技术有了长足的进步后，e m s 磁浮列车才有了技术可行性。1 9 6 9 年德国k r a u s s m a f f e i 公司制造了一个重8 0 k g 的磁浮列车模型，其车辆底板上直接固定四个电磁铁，导磁轨道长5 m ，图1 1h e r m a n nk e m p e r它是世界上最早的电磁悬浮模型车，后来德国把它命名为t r 0 1 ，依据同样的结构原理，k r a u s s m a f f e i 公司研制了t r 0 2 、t r 0 4 两个试验车，这些早期的e m s 磁浮车证明了磁浮列车的可行性，但因为采用了类似于飞行器的刚体自由度控制概念，同济大学博士后研究工作报告使得磁浮车辆电气功率低、悬浮可靠性差，对轨道要求苛刻，并在时速2 0 0 k m h以上出现了振动激烈，横向摆动大，车辆与钢结构轨道耦合共振等问题。1 9 7 4 年底，k r a u s s m a f f e i 公司和m b b 航空公司联合起来，对磁浮列车控制概念重新加以研究，并于1 9 7 9 年在汉堡国际交通展上推出了采用独立悬浮控制的t r 0 5 磁浮车辆，形成了“磁轮”、磁转向架以及分散独立悬浮控制的概念，初步形成了e m s 高速磁浮列车的基本工作原理和结构形式。1 9 8 3 年，t r 0 6 磁浮车辆在刚建成的埃姆斯兰( e m s l a n d ) 一期工程试验线上开始试验运行，1 9 8 7 年在德国政府支持下建成了3 1 5 k m 的埃姆斯兰试验线，t r 0 6在该线上最高试验速度达到4 1 2 k m h 。1 9 8 6 年德国开始开发应用型t r 0 7 磁浮列车，1 9 8 9 年初投入试验运行，1 9 9 3 年3 月载人试验速度达到4 5 0 k m h 。1 9 9 9 年研制完成t r 0 8 系统，并在我国上海磁浮线投入使用。t r 0 6 、t r 0 7 、t r 0 8 继承了t r 0 5 悬浮系统设计的基本原理，其中t r 0 8 是基于2 0 世纪8 0 、9 0 年代微电子革命以及t r 0 7 十年试验运行后推出的高速磁浮铁路准商业运行车型，它提供了一种集高技术、高速、安全、可靠、经济于一体的新型高速地面交通技术。黼圈圜翻嘲f莉孵譬图1 2t r 0 8 列车1 2 2 日本高速磁浮交通技术发展概况1 9 6 2 年，日本开始磁浮交通的研究工作。1 9 7 2 年日本国铁推出短定子直线电机驱动的m l l 0 0 磁浮试验车，1 9 7 7 年建成7 k m 长的宫崎试验线，m l 5 0 0 试验车在该线上创造了5 1 7 k m h 的当时陆路交通最高速度世界记录。1 9 8 0 年研制成的m l u 0 0 l 开始在改造后的宫崎试验线上运行，并进行了人为不平顺轨道上的动力学测试。1 9 8 7 年推出了为商业运行准备的试验车m l u 0 0 2 ，同济大学博士后研究工作报告它采用了弹性连接的超导磁铁转向架和集成悬浮、导向和推进的边墙结构，该车在宫崎试验线上进行了侧向通过道岔试验，1 9 9 1 年m l u 0 0 2 在一次试验运行中被火灾毁坏，日本随后又推出了改进的m l u 0 0 2 n 型磁浮车。1 9 9 3 年计划长4 2 8 k m 的山梨磁浮试验线1 8 4 k m 优先段建成，1 9 9 7 年日本超导准商业运行磁浮车m l x 0 1 开始在山梨试验线上进行高速试验运行，并在1 9 9 9年创造了5 5 2 k m h 的当时地面轨道交通最高速度记录以及1 0 0 3 k m h 的迎面会车相对速度。2 0 0 3 年再一次以5 8 1 k m h 的速度刷新了新的世界记录。图l 一3 日本超导磁浮系统1 2 3 日本中低速磁浮交通技术发展 f 1 5 况在发展高速磁浮技术的同时，日本航空公司自1 9 7 2 年以来一直致力于中低速常导磁浮系统( h s s t ) 的研究，并于1 9 7 5 年研制成功h s s t - 0 i 型磁浮试验车辆，其后各地博览会上均能见到h s s t 磁浮系统走行的展示。1 9 8 8 年成立中部h s s t开发公司后，开始对h s s t 系统进行面向实用化的走行试验，得到了“实际使用无问题”的结论。其间在1 5 k m 名铁筑港线( 大江一名古屋港) 上试验了多种类型车辆，最终选定了应用型h s s t - 1 0 0 系统。1 9 9 9 年，名古屋东部丘陵线( l i n i m o )开工建设，采用h s s t - 1 0 0 系统，2 0 0 5 年在爱知世博会期间投入运营，取得了良好的效果。同济大学博士后研究工作报告图1 4 名古屋东部丘陵线1 2 4 中国磁浮交通技术发展概况我国磁浮交通的研究主要集中在中低速常导磁浮技术上，研究始于二十世纪八十年代。1 9 9 1 年国家科委将“磁浮列车关键技术研究”列入“八五”国家科技攻关计划，研究“常导电磁悬浮+ 短定子牵引”的低速磁浮技术。铁道科学研究院、国防科技大学、中科院电工所和西南交通大学等单位在实验室中对低速悬浮、导向、推进等技术进行了成功的试验。西南交通大学和国防科技大学分别研制了试验样车并建成了试验线。西南交通大学在成都青城山建成4 0 0 m 的磁浮线路；国防科技大学建成2 0 4 m 的试验线并己试验运行。图1 5 网防科技大。学中低速磁浮系统我国对高速( 3 0 0 5 0 0 k m h ) 磁浮技术的研究十分重视。2 0 0 1 年3 月e 海市孑同济大学博士后研究工作报告德国t r a n s r a p i di n t e r n a t i o n a l 、s i e m e n s 、a d t r a n z 和t h y s s e nk r u p p 公司正式签订了合作修建上海高速磁浮线项目合同，首次引进了高速磁浮技术。上海磁浮线采用德国t r a n s r a p i d 0 8 系统，全线从浦东国际机场至龙阳路地铁站长3 3 k m ，最高运行速度为4 3 0 k m h 。目前上海线成功运行超过5 0 0 万公里，验证了磁浮技术的可行性。图1 - 6 上海高速磁浮不范线此外，我国在高温超导磁浮领域与国际同步。高温超导磁浮列车利用y b a c u o超导体与n e f e b 永磁轨道之间的斥力实现悬浮稳定，由高温超导体针钉效应提供强大的横向恢复力，它具有悬浮高度大、悬浮导向稳定、重量轻、耗电小等优点，同时也存在永磁轨道造价高、超导块需要定时制冷等缺点，但高温超导磁浮技术无疑是无接触地面交通又一新的途径。在其它国家如英国、美国、加拿大、前苏联、瑞士、韩国等，磁浮技术也得到了发展，但他们有的得不到本国政府支持，有的起步较晚，还没有取得如同本德国那样突出的成果。1 3 高速磁浮交通主要技术优势1 3 1 技术先进1 先进的牵引技术高速磁浮交通系统采用直线同步电机( l s m ) 牵引，先进的牵引方式使之具有立下优点：( 1 ) 速度高：高速磁浮交通运营速度可达到3 0 0 5 0 0 k m h ，在1 0 0 0 k m 左右同济大学博士后研究工作报告的中程和远程线路上，乘坐高速磁浮列车旅行所耗用的时间比乘坐飞机所用的总旅行时间要少，填补了高速铁路与航空运输之间的速度断档。( 2 ) 爬坡能力强：磁浮交通系统利用电磁相互作用来实现车辆的启动、制动以及走行，不受轮轨粘着限制，理论上限制坡度可以达到1 0 0 , 。( 3 ) 曲线半径小：磁浮交通系统由于不存在轮轨接触，不会脱轨，也不会对轨道造成磨耗，因而可以采用较大的超高值，从而实现小半径的曲线。( 4 ) 具有良好的加、减速性能：磁浮高速列车从静止状态加速到时速3 0 0 k m h ，只需要5 k i n 的距离。而轮轨高速铁路的列车却需要约3 0 k i n ，约是磁浮列车加速里i程的5 倍。( 5 ) 平稳舒适：磁浮交通系统的无接触技术和先进的车辆技术保证了行驶平稳性。2 先进的控制系统磁浮交通运行控制系统( 简称o c s ) 不仅实现列车运行安全控制和防护，还兼有运行管理和调度等功能。运行控制系统可以确保列车运行安全，实现高效率的运输组织，达到列车运行自动化。1 3 2 绿色环保l 。低噪音磁浮交通系统通过无接触方式实现支承、导向、起动、制动和供电，避免了车轨界面接触，不产生机械噪声。在相同速度下，磁浮交通的噪声比轮轨铁路噪声要低得多。在速度高达2 5 0 k m h 时，磁浮列车几乎可以无声地悬浮驶过城市和人口密集的地区。2 低振动磁浮交通由于无接触特性，使之引起的环境振动很小。德国埃姆斯兰线测试表明，列车以2 5 0 k m h 速度运行时，距离列车2 5 m 处的振动在人的“感觉阈”之下，距离5 0 m 处无任何振动感觉。3 。污染少磁浮列车的发展不受能源结构，特别是燃油供应的限制。并且有害气体排放少，环境污染小。磁浮交通的强磁场存在于车辆与线路界面的间隙处，对人体的，6同济大学博士后研究工作报告影响来自从间隙处泄漏的磁通量。e m s 磁浮系统由于间隙很小( 约1 0 m m ) ，且磁力线通过间隙闭合，故磁通的泄漏量很少，与地球磁场相当，远低于家用电器，电磁污染强度非常低。1 3 3 安全可靠高速磁悬浮交通系统列车和轨道梁之间相互抱合，即使较大的超高也不会发生脱轨。达到商业化运营水平的磁悬浮交通运行控制系统能够保证每一段长定子只有- n 车运行，如果定子段被前- n 车占用，占用段将被锁闭，后一列车将无法驶近，列车相撞和追尾事件不会发生。列车牵引供电系统采取了比较全面的冗余措施，当某一牵引模块发生故障时，系统将启用其它牵引模块保证列车安全运行，当外部电网发生故障时，列车能借助自身动能，在安全制动模式下行驶到下一车站或辅助停车区。磁悬浮列车安全制动功能独立于牵引系统和外部电源，受自动列车控制与保护系统控制，在运行速度由5 0 0 k m h 降至1 0 k m h 过程中，列车采用涡流制动器制动，当速度降至1 0 k m h 后，列车通过滑橇降落在滑行轨上滑行，靠摩擦力制动，保证列车停在预定位置。上海磁悬浮示范线6 年多的运营实践证明，高速磁悬浮交通系统是安全可靠的。1 3 4 经济合理1 能耗较低在5 0 0 k m h 速度下磁浮交通每座位公里能耗仅为飞机的l 3 1 2 ，比汽车低3 0 ；在3 0 0 k m h 的相同速度下，德国t r 磁浮交通每座位公里能耗比i c e 轮轨高速列车低3 3 ，在4 0 0 k m h 时其能耗与i c e 3 0 0 k m h 相当。2 维护少由于磁浮交通的无接触和无磨损特性，轨道和轨道设施的养护维修大大减少。并且设备部件都是模块化结构，维护时各组件都能方便地更换。3 造价并不太高7同济大学博士后研究工作报告磁浮交通由于具备灵活的选线特性，能够更好地适应地形情况，大大降低拆迁量和工程量。作为一种全新的技术，从发韧之初到大规模应用，成本一定是不断降低的。磁浮交通线路轨道、牵引供电设备、运行控制系统都是以传统产业为依托的，如果能形成合理的分工和产业化生产，其造价是可以大大降低的。从上海磁浮示范线每公里约3 亿的造价来看，低于地铁，与高架轻轨交通相当，并且随着线路长度增加，造价还有较大的降低余地。1 5 磁浮车线动力学研究现状车辆通过线路时将引起线路结构的振动，而结构的振动及线路条件等因素又反过来影响车辆的振动，这种相互作用、相互影响的问题就是轨道交通系统移动车辆和固定结构之间的耦合动力问题。磁浮线路是由轨道梁、轨道设备和支承建筑物组成的一个整体工程结构。磁浮车线动力学主要对磁浮车辆在不同条件的线路结构上起浮和运行时所产生的车辆与线路动力相互作用问题进行研究。悬浮力作用下轨道动力学问题最初在2 0 世纪7 d 年代由c h i u 等人提出，m e i s e n h o l d e r 及w a n g 和k a t z 等人作了初步研究，给出了轨道变形特征。c a i 和c h e n 等在k a t z 基础上建立了多体、多车的磁浮列车与弹性轨道耦合动力学模型，定量揭示了车体垂向加速度、车体所装磁铁组数、列车车体个数及运动速度等对轨道动力变形和列车动力特性的影响。m n a g a i 考虑两转向架和分布电磁力，建立了4 自由度垂向分析模型，研究结果表明由于均匀分布电磁力的缘故，磁浮车辆传递给桥墩的动力作用较轮轨车辆的作用要小且更平缓，车辆轨道系统在轨道的基频处出现共振现象。国内赵春发、曾佑文及作者等也建立了各自的垂向分析模型，得到了一些车辆轨道梁响应的基本规律。诸如，赵春发针对t r 0 6 和e m s l a n d磁浮线路研究得到车速4 0 0 k m h 以下车体加速度小于0 0 3 9 ，2 5 m 单跨梁最大动挠度不超过6 r a m ，钢结构两跨连续梁最大动挠度不超过l l m m ，车辆运行速度在6 2 0 k m h 和6 5 0 k m h 时发生共振，系统动力响应最大。申请者则进一步讨论了跨度、支座刚度对动力响应的影响，研究得到e m s l a n d 磁浮线路混凝土简支轨道梁跨度超过3 2 m 时，梁挠度不再满足变形要求。当支座刚度大于n m 时，支座刚度对系统动力响应影响不大。曾佑文研究了三节编组磁浮列车与轨道垂向耦合动力作用，8同济大学博士后研究工作报告分析了不平顺和车间阻尼对系统动力特性的影响规律，结果表明：悬浮模块对轨道不平顺较敏感，特别是梁交界处的不连续对模块响应极为有害。车间阻尼主要抑制中间车辆点头振动，但对头车尾车的影响不尽相同。如上这些研究中磁轨关系是通过等效线性弹簧阻尼元来模拟的，对初步研究车桥耦合动力相互作用基本规律是合适的，但是更为完善的研究中需要考虑控制系统。针对这一现状，许多学者在磁浮轨道梁动力特性研究方面也逐步开始考虑主动控制的磁轨关系。诸如：谢云德在间隙和速度反馈控制基础上采用加速度反馈控制，建立了车辆控制器轨道动力学模型，分析了弹性轨道、悬浮电磁铁、弹簧及阻尼对系统频带、刚度的影响。李云钢在控制器设计中采用了高速电流环和悬浮子系统串级概念，采用简化模型研究了悬浮系统稳定性、轨道弹性和减振系统对悬浮性能的影响，重点研究了轨道共振问题、频带分配方案及承载能力问题。武建军、郑晓静等对弹性道上二自由度磁浮系统动力特性作了数值研究，讨论了控制参数和系统特征参数( 跨长、运行速度、悬浮质量等) 对系统动力特性的影响方式，分析了弹性轨道变形特征。如上研究对进一步搞清磁浮车轨耦合振动规律奠定了基础，但是由于考虑了主动控制的电磁力，使得动力学模型过于简单，仿真结果还不足以反应实际磁浮车辆线路动力响应特性。随着技术的进步，许多研究机构各自研制的磁浮交通系统也逐步完善并接近和达到运营水平，前述研究已不能解决实际调试和试验过程中的车轨耦合振动问题，需要建立并发展符合具体磁浮交通系统的车轨耦合动力学理论和方法，许多学者在这方面开展了许多探索性的研究，诸如：曾佑文基于青城山磁浮系统，建立了车轨空间耦合振动模型，其中磁轨关系采用等效刚度阻尼元处理，利用编制程序对车辆轨道空间耦合振动进行仿真分析，对悬挂参数特别是模块侧滚约束参数的影响进行了定量研究，确定了悬挂参数取值范围，该项研究对车辆悬挂参数选取具有参考意义。谢云德根据国防科大试验车建立了车辆轨道空间耦合动力学模型，车辆考虑了沉浮、横移、点头、摇头和侧滚自由度，并考虑了控制系统反馈特性，对列车悬浮稳定性、乘坐舒适性、安全冗余性、转弯能力、承载能力、抗干扰能力等作了较为全面的仿真，这一工作对认清磁浮列车基本特性具有重要参考价值，但该模型对轨道简化较多。赵春发建立了青城山磁浮车辆空间动力学模型，采用动态磁轨关系对刚性轨道上车辆曲线通过性能做了全面的数值仿真，9同济大学博士后研究工作报告计算结果表明：低速磁浮车可以6 0 k m h 速度安全通过3 0 0 m 半径曲线，以9 0 k m h速度平顺通过1 1 0 0 m 半径的无超高曲线。低速磁浮车辆小半径曲线通过能力主要受横向间隙影响，大半径曲线可不设超高，但最大通过速度主要受舒适性制约。k o r t i i m 等实际上对高速t r 磁浮交通系统作过一定的研究，从公开发表的资料来看，对t r 0 6 所建立的磁轮模型、控制规律体现了德国在该方面的核心技术，真实反应了系统力学规律。t r 0 7 和t r 0 8 为了提高磁浮列车曲线通过能力，磁走行装置采用了链式结构，t r 0 8 转向架横向还装有防止模块侧滚的分离式摇枕，此外其导向方式与低速磁浮列车悬浮导向合二为一的模式完全不同，故高速磁浮车辆线路空间耦合动力学建模与仿真较为复杂。德国对该方面技术尚保密，需要进一步通过自主攻关得到。上海高速磁浮示范线建设以来，在国家“8 6 3 计划支持下，已初步消化吸收并掌握了高速磁浮关键技术。“8 6 3 高速磁浮重大专项对磁浮动力学问题进行了专项研究，主要对轨道粱垂向动力特性、车辆动力学特性、控制方案等做了深入研究，各研究单位也建立了各具特色的高速磁浮交通车线动力仿真平台。随着磁浮列车运营经验的不断积累，国产化样车调试试验的开展，一些在实际中遇到的技术问题需要从理论和试验两方面加以解决，其中的一些问题需要借助车线动力学的理论和方法加以解决或提供参考。车线动力相互作用问题一直以来是交通工程领域中最具挑战性的课题之一，随着试验线和运营线的建成或运营，我国深入开展车线动力学研究的时机和手段已经成熟。1 6 本报告主要研究内容本研究报告围绕高速磁浮交通车线运动学和动力学问题开展研究，对线路平纵横断面设计参数和轨道结构参数取值方法、车线动力建模方法、高速磁浮小半径曲线通过性能、中低速磁浮车线匹配关系进行理论分析和研究，以期为国产化样车联调和线路轨道设计参数选取提供一定的理论和技术支持。主要内容如下，1 第一章对国内外磁浮技术发展概况、高速磁浮交通主要技术优势、磁浮车线动力学国内外研究现状进行综述，提出本论文研究内容。同济大学博士后研究工作报告2 第二章对高速磁浮线路平纵横断面设计参数的选取依据和取值范围进行研究，给出具体的参数取值。同时对线路偏差、轨道结构主要技术参数进行总结分析。3 第三章通过桥梁动力学、车辆动力学和电磁学理论，建立车线动力分析数学模型，模型应考虑线路平纵横断面主要特征、轨道结构参振特性、电磁作用关系、车辆部件多体动力学特征等因素。在此基础上探讨合理的求解方法，并设计求解程序。4 第四章根据高速磁浮列车工作原理与构造特点，对小半经曲线车线运动学关系进行了初步分析，得到了小半径曲线地段各部件运动量，并采用车线动力分析模型对小半径曲线车辆通过性能进行仿真计算。5 第五章针对中低速磁浮交通工作原理和构造特点，分析平曲线、竖曲线、缓和曲线车线运动学匹配关系，得出线路参数和车辆各部件运动量之间的定量关系。7 第七章是本论文总结，明确给出本文研究成果和结论，展望研究的方向与趋势。同济大学博士后研究工作报告第二章线路与轨道结构主要技术参数研究2 1 线路轨道主要组成磁浮交通系统由线路、车辆、供电、运行控制系统等四个主要部分构成f 线路与轨道子系统是磁浮系统的固定设施。线路为磁浮列车的运行提供合适的运行轨迹，保证磁浮列车的平稳运行。轨道子系统既是磁浮线路的具体体现，又是磁浮列车的载体，是磁浮列车运行的平台，承受磁浮列车正常和非常状态下产生的全部荷载。轨道结构的强度和刚度是保证磁浮列车高速、安全、平稳运行的前提。线路平面是空间曲线在水平面上的投影，由直线和曲线组成。曲线包括圆曲线和缓和曲线。不同方向的直线之间用光滑的曲线连接，以实现磁浮列车前进方向在平面上的改变。线路的纵断面是线路中心线在铅垂面上的投影，由直线和曲线组成。曲线包括圆曲线和缓和曲线。不同纵坡之间用光滑的曲线连接，以实现磁浮列车前进方向在铅垂面上的改变。高速常导磁浮交通轨道由两部分组成，一部分是轨道梁及其附着在梁上的轨道设备( 主要为功能件及定子) ，另一部分是支承结构或称为下部结构。轨道梁也称导轨梁，它引导列车前进方向，同时承受列车荷载并将之传至地基。轨道梁一般采用钢筋混凝土梁或钢梁，梁体两侧安装有功能部件，根据功能部件安装方式不同可以分为整体式或复合式轨道梁。下部结构包括墩身和基础。高架结构的墩身结构一般采用独柱墩、双柱墩、门式墩等，低置结构一般采用分离式钢筋混凝柱、墙式柱等。功能件作为磁浮线路轨道设备之，磁浮列车的支承、导向和驱动都与功能件有关。功能件主要部件包括：顶部滑行板、侧向导向板和定子固定件( 图2 一1 ) 。顶部滑行板在列车停止状态时起支承作用，列车运行时，若悬浮架两个悬浮控制电路出现故障或列车安全制动时，磁浮列车通过滑橇降落在滑行板上。滑行板承受机械支承力和摩阻力。侧向导向板与列车两侧的导向磁铁形成闭合磁路，主要用于控制列车运行方向，此外，在列车运行时当悬浮架两个导向控制电路失效或1 2同济大学博士后研究工作报告列车完全制动时，导向磁铁极靴或制动磁铁极靴接触导向板，起机械导向作用或摩擦制动作用。定子固定件用于安装直线电机定子铁芯。根据定子类型，在型钢下缘加工横槽及螺栓孔，用于固定定子铁芯。腹板、竖向及水平肋板也是功能件结构的重要组成部分，用于连接和加强顶部滑行板、侧面导向板及定子固定件。定子部分沿线路纵向铺设在轨道梁上，由硅钢片叠成的铁芯及其叠绕其上的三相线圈组成。一个线圈周期由6 个齿槽周期组成，每个齿槽周期长8 6 m m ，一个线圈周期的基本长度是5 1 6 m m ( 图2 2 ) ，从而定子分段的长度可能是n x 5 1 6 m m( n _ l ，2 ，3 ，：) 。为了安装方便，定子铁芯的基本分段长度为1 0 3 2 m m 。图2 i 功能件主要部件图2 - 2 一个线圈周期的长度2 2 线路轨道系统主要特点2 2 1 线路主要特点由于磁浮交通车辆与轨道之间无接触的牵引和制动特性，其线路设计理论和技术与常规旋转电机驱动轨道交通有所不同，其差异程度与轨道交通类型和形式有关。概括来讲，主要体现在如下几个方面：首先，舒适度成为线路技术参数选择的重要因素。磁浮交通运行速度高，不存在轮轨接触，从构造和技术上避免了脱轨和倾覆，所以舒适度成为了线路技术参数选定的主要控制因素。由于车内环境舒适，车辆悬挂特性优越，线路质量高，主动有源控制对激扰不敏感等特性，使磁浮交通舒适度控制目标值应比轮轨系统宽。其次，线路设计灵活。在曲线段，由于不存在接触，不会脱轨，不会对轨道同济大学博士后研究工作报告造成磨损，有可能采用较大的横坡，从而选择较小曲线半径；线路选择动力学特性较佳线型，避免了设置夹直线；直线电机的牵引力受直线电机功率控制，而电机功率不因坡度增大而降低，故其线路最大坡度主要受旅客舒适度的限制，能够取得较大纵坡。如上特点使得选线特性优良，较好满足长大干线定线要求。第三，线路技术参数要求高。轮轨系统钢轨是弹性体，在运行过程中车辆和线路具有自适应能力，所以可以采用较低标准的技术参数。磁浮交通轨道是以定子和功能件的形式固定在轨道梁上的，因此结构刚度很大，对结构的精度要求高，使线型和线路主要技术参数能在轨道上得到清晰地体现，需要采用较高标准的线路技术参数。第四，线路技术参数与具体线路条件有关。磁浮交通由于速度域宽，可选用的横坡角大，使得不同线路条件下技术参数区别明显，所以线路技术参数合理取值应结合具体线路条件来确定。第五，工程技术要求高。由于磁浮线路采取轨道梁式结构，曲线均由短直梁拟合而成，因此必然存在拟合精度和系统部件制造精度等问题。为减少复合轨道梁模板数量和功能件类型，降低轨道梁制造难度，提高生产和施工效率，磁浮线路参数应适当调整，形成系列化。2 2 2 轨道主要特点1 以梁代路，全线铺设轨道梁磁浮轨道梁是轨道结构的主要部分，又可作为桥梁的组成部分，即采用了梁桥合一的形式。磁浮交通车辆轨道之间相互抱合，轨道梁是列车走行的支承结构，磁浮线路全线采用轨道梁。大多地段一般采用高架轨道结构，轨道顶面距地面高度在2 2 m 至2 0 m ，轨道顶面距地面高度在1 3 5 m 至3 5 m 的低置轨道结构也有采用。2 中小跨度轨道梁为主磁浮交通对土建工程建筑物刚度要求严格，因此轨道梁跨度不宜过大，应以中小跨度为主。1 4同济大学博士后研究工作报告德国埃姆斯兰线采用将功能件与梁整体制作的整体式轨道梁，约3 1 k i n 的试验线上，2 0 5 k m 高架混凝土线路采用梁高1 8 m 的三角形箱形梁，通常跨度大约为2 5 m ，特殊情况下跨度为3 7 m 。1 0 3 m 钢结构线路跨度为2 2 6 6 4 m 、3 0 8 5 6 m 、2 4 3 2 8 m ，此外还有跨度为1 2 1 6 m 和1 8 m 的特殊梁。上海磁浮线采用复合梁，复合梁将主体承重结构与功能件分开制作、加工，再通过连接机构连成一体。功能件长度为3 0 9 6 m ，轨道梁跨度一般为该数的整数倍，全线主要采用标准跨度2 4 7 6 8 m ，部分约束点附近采用1 8 5 7 6 m 和2 1 6 7 m 跨度，此外桥上轨道梁采用6 1 9 2 m 跨度的短梁。上海嘉定磁浮试验线高架结构基本采用了1 2 3 8 4 m 和2 4 7 6 8 m 两种跨度。3 轨道结构制造安装精度及变形控制要求严格，为保证直线电机气隙满足系统要求，并能适应各子系统的特殊性能，对轨道结构制造安装精度要求非常严格，制造和施工工艺方法都需要机加工和计算机自动化控制。此外还对变形和动力性能设置了严格的控制标准。4 线路受外界干扰少磁浮交通全线封闭行车，轨道梁上不仅安装有驱动、悬浮和导向等功能绕组，而且还敷设运行控制的部件，所以磁浮线路应保证不受外界干扰，以保证正常运行。2 2 线路平面参数2 2 1 平圆曲线半径高速列车在平面曲线上运动时，旅客会产生离心加速度，可以认为该加速度与车体重心处的离心加速度相等：曲线上通过设置横坡，使旅客产生向心加速度，同样与车体重心处的向心加速度相等。对于不同的速度和横坡设置，上述向心加速度能够抵消全部或者一部分离，e , , d h 速度，规定未被平衡的离心加速度不能超过系统安全和旅客舒适所允许的限度。轮轨铁路线路所允许最小平圆曲线半径除舒适度条件限制外，还由安全条件和内外轨均匀磨耗条件共同决定。磁浮交通系统同济大学博士后研究工作报告从构造上采取了避免脱轨和倾覆的措施，因此磁浮铁路平面曲线半径主要由舒适条件限制。在一定线路条件下( 设线路横坡为a 、纵坡为、平曲线半径为如、竖曲线半径为凡) 平圆曲线半径的表达式为r h =( 2 1 )从2 1 可以看出，最小平曲线半径与列车速度、容许自由侧向加速度、横坡、纵坡、竖曲线半径有关系。此外还应考虑列车系统构造容许最小半径和轨道梁安装系统公差的要求。各因素对圆曲线半径取值的影响见表2 1 。在平竖不重合条件下，曲线半径计算公式可简化为：如= ( v 3 6 ) ：_ c o sa( 2 2 )十g s i n 及表2 1 各因素对圆曲线半径取值的影响磁浮列车在一定速度下运行时，式2 - 2 从数学上可以看成是一个反向曲线的表达式，图像如图2 - 3 所示。可见当q 取的极限值时，r h 取得相应极值。即：q 0 并达到绝对值最大值时，心达到下限；q o ，则其值可视为达到上限，若计算得心oooo姗腓撇詈|眦i 襄蚴蚴姗嗽伽蚴蚴| 塞一渤舢姗螂一珊姗蚴一一啪姗姚m| 霎同济大学博士后研究工作报告1 0 02 0 03 0 04 0 05 0 01 4 6 05 8 4 01 3 1 5 08 8 03 5 3 07 9 5 01 4 1 4 06 3 02 5 2 05 6 8 01 0 1 0 04 9 01 9 6 04 4 l o7 8 4 03 9 01 5 9 03 5 9 06 3 9 03 5 01 3 4 03 0 3 05 3 8 01 5 7 9 01 2 2 6 09 9 9 08 4 1 0从表中可见，对于平圆曲线，在某一横坡条件下自由侧向加速度限值分别控制曲线半径的限值。横坡越大，速度越低，平曲线半径下限越小，此时应注意满足轨道梁安装和系统构造最小半径要求。进行线路设计时，若设计速度较低，横坡较大，则曲线半径选择余地不大。若设计速度较高，横坡较小，则曲线半径有较大选择余地，但此时可能会造成曲线过长。在一定的线路条件和列车运行速度下，曲线半径要选在相应的上下限内，而且还要保证当列车低于设计速度运行时，曲线半径也落在该范围内。平曲线半径选定应根据不同设计速度，不同设计横坡等具体线路技术条件选用合理的数值。另外，为方便构件工厂预制，形成系列化，建议曲线半径采取以下系列：4 0 0 ，6 5 0 ，1 0 0 0 ，1 5 0 0 ，2 0 0 0 ，2 5 0 0 ，3 0 0 0 ，3 5 0 0 ，4 0 0 0 ，4 5 0 0 ，5 0 0 0 ，5 5 0 0 ，6 0 0 0 ，6 5 0 0 ，8 0 0 0 ，1 0 0 0 0 ，1 5 0 0 0 ，2 0 0 0 0 m 。最小曲线半径对工程和运营有很大的影响。曲线半径下限越低，可选择余地越大，对线路设计越有利，可以使线路充分适应地形，减少工程投资。但是小半径曲线将恶化行车条件，限制行车速度，加大磁浮线路功能件的加工和安装难度。因此设计中应结合具体项目，综合考虑工程施工、投资和运营等方面的因素，避免盲目选用小半径。2 2 2 平缓和曲线线形及长度缓和曲线是设在圆曲线与直线之间的一段曲线，其曲率按照一定的规律连续变化，横坡逐渐增大( 减小) ，列车的离心加速度在缓和曲线段随之渐变，实现平稳运行。列车在缓和曲线上匀速运行时，由于曲率和横坡的变化，导致列车的一系列动力学参数发生改变，从而对旅客列车的舒适度造成影响。根据“8 6 3 ”高速磁浮交通重大专项第一阶段科研工作及德国规范，磁浮线路平缓和曲线一般采用一波正弦缓和曲线，道彷区和纵断面内采用回旋曲线形缓和曲线。在需要设置反向曲线时，如果分两次过渡，则列车在缓和曲线段须经历蹲次最大冲击和最大扭转角速度；如果一次过渡，则列车在缓和曲线段只须经历一1 8篇：-同济大学博士后研究工作报告次最大冲击和最大扭转角速度。显然一次过渡的舒适度条件更好，因此要求对反向曲线要采用一波正弦直接过渡。平缓和曲线最小长度主要取决于舒适度、最大横坡及横坡扭转率要求，采用一波正弦曲线保证了在缓和曲线起终点的侧向加速度时变率和垂向加速度时变率为0 ，但在缓和曲线中点处侧向加速度时变率和垂向加速度时变率将达到最大值。速度越高，缓和曲线长度越短，加速度时变率越大。速度一定的情况下，要满足系统舒适度要求，必须保证缓和曲线要有足够的长度。1 ) 侧向加速度变化率对缓和曲线长度影响波正弦形缓和曲线的曲率按一波正弦变化，在侧向上造成侧向加速度变化。根据式2 - 3 、2 - 4 和一波正弦曲线方程，可知纠k o v 2 - g a o ) x f 舻c n 蚶 拶i 宁2 a q 协3 ，嘭i ( v 6 ) ：k o 嗍 x 警删k 一鳓格i vc o s 刳2 死i 协4 )平缓和曲线长度内列车侧向加速度逐渐增大，最终和圆曲线上一致，而侧向冲击最大值在缓和曲线中点出现，侧向加速度在圆曲线上满足在缓和曲线上必满足，所以应着重控制后者不超限，中点处侧向冲击为：c i y = 2a k a rj v 石2 5 )则缓和曲线长度为丘毛等去协6 ，根据舒适度的要求，对单曲线，参数组合见表2 - 4 。一般情况下，若自由侧向加速度指向内侧，按最不利情况考虑，取z h 点的侧向加速度口。= 0 ，h y 点的侧向加速度= 1 o m s 2 ，侧向加速度时变率最大值瓯恻= o 5 m s 3 ，则式2 - 6 变为k = 矧沼7 ，1 9同济大学博士后研究工作报告o 5 ( 一般情况)1 0 ( 线路控制点)234若自由侧向加速度指向外侧，h y 点的侧向加速度口懈- - 0 5 m s 2 ，则式2 - 6变为l , , m - x - - 8 l协8 )困难情况下，若自由侧向加速度指向内侧，按最不利情况考虑，取z h 点的侧向加速度= 0 ，h y 点的侧向加速度= 1 2 5 m s 2 ，侧向加速度时变率最大值a ，m 双= 1 o m s 3 ，则式2 - 6 变为z $ , m i n - - 蚓( 2 9 )若自由侧向加速度指向外侧，h y 点的侧向加速度= - 0 5 m s 2 ，则式2 - 6 变为k 蚓( 2 - 1 0 )侧向加速度指向内侧及困难情况下的组合同理。则由此根据侧向冲击要求可得到缓和曲线长度见表2 - 5 。由于舒适度对未被平衡离心和向心加速度要求不同，所以缓和曲线长度应有所区别。表2 5 满足侧向冲击的缓和曲线最小长度( m ) 。一般情况a 。= 0 5 m s 3困难情况a 。= 1 0 雕s 3q m l n，7v ( k i n 盼q 指向内侧q 指向外侧唧指向内侧勺指向外侧2 ) 垂向加速度变化率对缓和曲线长度影响2 0同济大学博士后研究工作报告缓和曲线段横坡角的变化规律和范围与曲率相同，按一波正弦变化。由于磁浮线路的横坡设置采用中心不变、内轨降低、外轨抬高式，轨道梁顶面将绕线路中心线旋转，导致列车两侧垂向加速度不一致，且存在一定的垂向冲击。由式2 3 、2 - 4 及一波正弦曲线方程可得：删蜊撇蝉t b g v 2 a o 万d 2 k 一学q 半卜亿垂向冲击删万2 学6 半 3 c o s 协，2 ，垂向加速度在缓和曲线的 和兰处加速度达到最大，垂向冲击在中点达到最44大。由这两项指标决定的缓和曲线最小长度为丘l =丘2 =v3 6y3 6式中p 角度到弧度的换算符；6 车厢内的旅客距列车中心线的垂直距离。分析2 1 3 和2 1 4 两式：l s i t ：( 2 1 3 )( 2 1 4 )1 8 5 x 1 2 x 巫1 0 2 = o 8 9 ，沼显然，垂向加速度变化率，即垂向冲击，对缓和曲线长度的要求更高。一般情况下，按最不利情况考虑，l a z l = 0 5 m s 3 ，b = 1 8 5 m ，则式2 - 1 4 变为t 嘲= 0 3 8 v x3 瓿, 一口。( 2 1 6 )困难情况下，按最不利情况考虑，k l _ 1 o m s 3 ，6 - i 8 5 m ，则式2 - 1 4 变为t 袖= 0 3 0 v x3 瓿, 一口。( 2 - 1 7 )表2 - 6 是在不同横坡设置下满足垂向冲击要求的缓和曲线长度。表2 6 一般条件( 西：= 0 5 ) 下满足垂向