磁轨不平顺激扰下高温超导钉扎高速磁浮车—轨耦合动力学研究

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诞生于我国的高温超导钉扎磁浮是轨道交通领域自主创新的代表性技术,具有卓越的高速运行潜能和环保优势。目前,该项技术尚处在中低速验证阶段,想实现在高速条件下安全平稳运行,仍存在一些关键科学问题亟待解决,其中最为重要的就是高速下车辆-轨道耦合振动问题。因此,本文对高温超导钉扎磁浮车辆-轨道间的耦合振动展开研究,主要包含如下几个部分:首先,结合实验测量与有限元仿真,得到了高温超导钉扎磁浮悬浮导向力,并基于最小二乘法对磁浮系统的振动过程进行动态参数识别,获得了滞回非线性悬浮导向力模型。利用此方法,得到工程杜瓦的悬浮导向力模型,为车辆-轨道耦合动力学研究提供了磁轨关系。该磁轨关系由非线性刚度项和线性阻尼项组成,基于该磁轨关系的振动仿真与实验数据有较高的吻合度。其次,针对永磁轨道几何不平顺和磁场不均匀设计了两套检测设备,选取其中一套对环形轨道进行了实验测量。分析结果表明,磁场不均匀主要是由磁轨间的接缝造成的,该接缝导致的磁场不均匀可通过几何上的正弦坑进行模拟。将磁轨不平顺统一表征为几何形式,分析处理数据后得到不平顺轨道谱,可为车辆-轨道耦合动力学分析提供输入。再次,详细地分析了由六个悬浮架和一个车体组成的磁浮车的受力情况,基于牛顿第二定律建立了含35个自由度的车辆动力学模型。进一步,在MATLAB中实现了车辆动力学模型仿真,与商业软件UM的数值计算结果有较高的吻合度。对永磁轨道的受力情况进行分析,基于拉式方程建立了轨道动力学模型;并用本文所建立的“磁轨关系”对车辆模型和轨道模型进行耦合,获得高温超导钉扎磁浮车-轨空间耦合动力学模型。然后,针对高温超导钉扎磁浮系统的弱阻尼特性,设计了无机械接触的减振方案。利用永磁轨道提供的稳定磁场,引入了一系电磁分流阻尼器,并详细地给出了优化方法。以二自由度垂向振动模型为基础,对磁浮车振动情况进行解析分析,并对二系悬挂参数提出建议值。通过对代入磁轨不平顺激扰后的仿真结果进行分析,发现磁场不均匀所带来的高频激扰会引起悬浮架高频振动。二系悬挂系统可为车辆系统提供良好的隔振功能,使得磁浮车辆几乎不受磁场不均匀的影响。最后,基于车-轨耦合动力学仿真,详细地分析了悬挂参数、磁轨不平顺、轨下支撑等因素对车轨耦合系统的影响。结果表明:车辆的振动主要由轨道不平顺导致,而轨道振动对其影响较小;同时,轨道的振动主要由磁浮车辆突然加载的重力冲击引起,与轨道不平顺关系较小。本文结合运行平稳性分析,进一步给出了磁浮车辆二系悬挂参数建议。进一步的动态曲线通过仿真和车-线-桥耦合振动仿真表明该磁浮系统在所建议的参数下具有良好的动力学性能。本文所建立的动力学模型可为更为详细的车辆-轨道耦合动力学分析提供仿真工具;所引入的电磁分流阻尼器为高温超导钉扎磁浮系统的减振设计提供了一个可行思路;本文所做的参数分析可以为磁浮系统的设计提供一定的参考依据。
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