中低速磁浮列車動力學特性測試方法初探

尹力明, 趙 華, 劉俊艷

(上海軌道交通設備發展有限公司，上海 200233)

經過十余年的努力和研究,中國的實用型中低速磁浮列車分別在上海磁浮研究中心與上海電氣集團共同組織、投資下,聯合了國內的運營企業、大學、研究所和制造企業,組成了“產學研用”的聯合體,先后研制了多種車型并建設了多條試驗線路,如圖1所示。在各自的試驗線上,開展了全面的車輛、線路和部件的試驗研究工作,取得了一系列的應用成果。

圖1 中低速磁浮列車試驗線

目前,幾種試驗列車,都完成了懸浮和導向、牽引和制動、網絡和運行控制等試驗,運行速度均超過了100km/h,試驗運行里程也達到了5000km以上。在中國經濟高速發展和城市化進程加快的社會環境促進下,北京率先規劃了一條示范性的運營線路,還有許多經濟發達的城市,也在開始考慮采用中低速磁浮列車,擴大城市軌道交通的運營模式。

中低速磁浮列車盡管具備噪聲低、軌道的轉彎半徑小、爬坡能力強的優點,但畢竟是近代的軌道交通列車,到目前為止,只有日本的愛知線已經實現了載客運營。中低速磁浮列車在我國軌道交通列車發展史上,才剛剛起步,要想達到設計的技術水平,對列車的運行條件和運行品質,還需要進行測試和考核,以檢驗懸浮控制、牽引和電制動系統的穩定性、可靠性。磁浮列車由于沒有輪對,其運行中的動力學特性無法通過國內的現有試驗設備進行測試[1]。為此,設計了一種對列車進行動力學試驗的方法,除了可以得到列車各關鍵部件的固有特性外,還可以在駐留的條件下進行系統的特性考核和參數調試。

1 磁浮列車的支撐系原理

由圖2所示,中低速磁浮列車的轉向架上安裝著懸浮電磁鐵,當其線圈上通入直流電流時,它將對倒U型軌道產生電磁吸力,并將轉向架的懸浮模塊抬起,起到一次支撐作用[2]。但是,如果電磁鐵的電流不能調節,電磁鐵將與軌道吸死,無法實現懸浮。利用安裝在電磁鐵上的氣隙傳感器,可以實時地測量其與軌道之間的間隙,并用電信號傳輸的方式,送到懸浮控制器中,通過懸浮反饋控制算法的運算,調節電磁鐵的電流和電磁吸力,從而實現在當前支撐的重力下,使電磁鐵和軌道始終保持在8mm的氣隙不變,產生一次支撐系的穩定懸浮的效果。

圖2 磁浮轉向架的原理示意圖

每輛磁浮車的車體下,均勻布置3至5臺轉向架。每臺轉向架的兩側懸浮模塊上分別串行安裝了4只懸浮電磁鐵,可以正常懸浮支撐約10 t的質量。懸浮模塊上的4只電磁鐵又分成兩組,分別由兩個懸浮控制系統施加懸浮控制,即一個轉向架有4個懸浮支撐點,可以實現差動和平動點頭、差動和左右搖頭等功能,見圖3。

圖3 轉向架和懸浮模塊

轉向架的兩個懸浮模塊上還各安裝了1臺感應式直線電機,位于軌道的上方,當向其通入頻率和電壓都可變的三相交流電壓時,它與軌道間的氣隙中將形成平移磁場。這個磁場再與軌道上的鋁反應板產生切割作用,從而建立直線牽引力,推動轉向架及車體運動。

車體和轉向架之間,還安裝了空氣彈簧,可以起到二次隔振的作用,并提高列車運行的舒適性。

2 在氣隙傳感器的信號輸入端加激擾

氣隙傳感器傳送到懸浮控制計算機中的懸浮氣隙信號,是一個線性的模擬電壓或電流信號,它跟隨電磁鐵和軌道的氣隙變化而改變。如果在氣隙信號中迭加一個正弦變化的信號,則相當于人為地改變了輸入的氣隙值,從而調節了電磁鐵的電流,使電磁鐵原來設定的懸浮氣隙發生周期變化。這個迭加的偽氣隙信號的等效電壓的幅值,應該相當于改變了約±2～4mm的氣隙值,這個信號的表達式為

式中:ug為加到懸浮控制器中的偽氣隙信號電壓,并與給定的氣隙信號進行疊加;gg為懸浮電磁鐵與軌道間的懸浮氣隙;Gm為等效的氣隙變化幅值,約為±2～4mm;Um為偽氣隙信號的幅值。

在外加這個偽氣隙信號后,由于懸浮電磁鐵相對于軌道產生周期性的氣隙變化,電磁鐵將帶動轉向架上下運動,必然會引起車體也發生相對的運動,相當于給列車加入了一個交變的激勵信號。如果將這個偽氣隙信號改變為有一定周期的方波信號,還可以考核懸浮系統的動態跟蹤響應品質。

如果將這個正弦的偽氣隙信號全部以同相位的條件,加到5個轉向架上的20個懸浮系統中,只要改變交變頻率,就會引起所有轉向架上的懸浮電磁鐵上下同步運動,同時改變了懸浮電磁鐵的電磁吸力和運動速度,從而檢測和考核到各主要部件的固有振動頻率、功率電源設備對懸浮系統的適應能力。

比如:由于 ω=2πf,當 f從0.2～200Hz慢慢掃頻時,初期列車的車體會隨著轉向架的上下運動而運動。由于車下二系懸掛空氣彈簧的固有頻率在1Hz左右,當 f≥1Hz之后,電磁鐵的運動逐漸加快,但是車體的運動卻逐漸停止,甚至不再運動。當5Hz≤f≤10Hz時,轉向架會發生第一次劇烈震動,這個頻率就是懸浮反饋控制系統的固有調節頻率。如果繼續升高偽氣隙信號的頻率,可以發現電磁鐵不再運動,而軌道會震動起來,這樣就找到了軌道的固有震動頻率。

顯然,一個穩定的列車懸浮系統,其懸浮控制系統的固有調節頻率,應該大于二系空氣彈簧的固有振動頻率近10倍頻程,軌道的固有振動頻率也應該大于懸浮控制系統近10倍頻程為好。在實際的設計和調試中,一般很難滿足這樣的條件。但是,這幾個固有頻率的分配關系,還是應該越遠越好。

在這種外加激擾的條件下,也可以用來精細地調節系統的主要關鍵參數,從而考核懸浮控制系統的品質。這種條件在運行狀態下是很難實現的,許多事件一瞬而逝,難以及時捕捉。一旦為此修改了一個參數,還要反復地運行檢驗,即費時又費錢,常常難以浮現以往出現的狀態。

如果以相同的頻率,用不同相位的偽氣隙信號,加在前后轉向架不同位置的懸浮控制器上,還可以模擬軌道不平順的運行條件,以考核懸浮控制系統適應軌道變化的各種能力,從而精細地選擇系統的主要關鍵參數,以及附加的懸浮支持和保護軟件的功能。在這種條件下連續工作,還可以考核懸浮系統的穩定性和可靠性。

對于軌道不平順的激擾方式,各種偽氣隙信號需要考慮不同的列車運行速度v以及均布轉向架的等效長度l。如果設定軌道的最小不平順周期長度為S,則轉向架在運行時的點頭周期頻率為

還可以看到,轉向架的等效長度l相對最小不平順周期長度S的比值為l/S,如果把列車運行S距離看成一個點頭運行周期,則轉向架運行l距離所等效的相位差為

這個偽氣隙信號可以表述為

式中:m為車輛上均布的轉向架編號;ugm為加到懸浮控制器中的偽氣隙信號電壓,并與給定的氣隙信號進行疊加。

由于兩個轉向架相鄰的兩個懸浮系統中的各自氣隙傳感器的間距相對轉向架的等效長度l比較小,故可以認為這兩個懸浮系統是同步運動的。

如果以相同的 f≤2Hz頻率,并互差180°相位的偽氣隙信號,分別加在轉向架兩側的懸浮模塊的懸浮控制系統中,轉向架的上下運動將產生差動,列車的車體會引起左右搖擺。記錄這個搖擺的幅度和衰減速率,從而可以測量和考核列車抗搖擺阻尼的能力,以便選擇合適的懸浮控制系統的阻尼參數。如果采用改變阻尼系數的方式,仍然不能改善車體的搖擺品質,就需要考慮加入抗側滾的部件,如抗側滾扭桿。

將車體用拉桿進行約束,在進行這種激擾測試的同時,還可以對牽引電機實施牽引和電制動控制,并使電機的電流加載到最大值,以測量懸浮系統對直線電機法向力的適應能力。快速地增減電機的工作電流,還可以檢測懸浮系統對列車運行中的抗電機沖擊干擾的能力和品質。

3 多轉向架的不同模態的激擾方法

采用數字信號處理(Digit Signal Process,DSP)計算機系統[3],編制偽氣隙信號發生器的軟件,分成20路電流型輸出信號。這些信號經過采樣、調理、濾波送入對應懸浮控制器中的DSP計算機的一個 A/D(模擬/數字信號)轉換口,通過懸浮控制軟件的簡單修改,讓其與原氣隙傳感器的信號求和,即可以實現這樣的疊加激擾效果。電流型的輸入信號的前置處理,最好在懸浮控制器中附加一塊小電路板來實現,并且離懸浮控制系統信號采集用的DSP計算機板越近越好,以免產生不必要的干擾。在進行激擾試驗時,可以通過軟件的編制來實現20路信號的頻率、相位、激擾方式的改變和選擇等。

如果定義列車的某一個端部的第一臺轉向架為前進方向,則稱其是B1號轉向架。那么,這臺轉向架的右邊懸浮模塊稱其為B1R,左邊的懸浮模塊就稱其為B1L。它們前端的懸浮控制器就稱之為B1Rq、B1Lq,照此辦理,它們后端的懸浮控制器就稱之為B1Rh、B1Lh。接下來,之后的轉向架上的懸浮控制器的編號就可以一一確定了,如:B2Rq、B2Lq、B2Rh、B2Lh、B3Rq、B3Lq、B3Rh、B3Lh、B4Rq 、B4Lq 、B4Rh 、B4Lh 、B5Rq 、B5Lq 、B5Rh 、B5Lh 。

把不同的激擾試驗和對應的激擾信號進行組合,可以用如表1所示的列表來表示。

以上敘述的只是3種動力學激擾的方式,根據需要還能夠衍生成多種動力學的激擾測試條件,可以因列車的測試要求得到不同的組合。由于中低速磁浮列車的導向控制是自穩定的,為此,上述方法無法進行轉向架的側向激擾,應該采用機械裝置來實現。但是,對于有導向懸浮控制系統的高速磁浮列車,則可以用同樣的方法實施側向激擾。

表1 激擾信號的對應關系

不過,這種駐留式的激擾試驗、調試和測量,決不能取代實際的線路運行和試驗,它只能是運行試驗和測試的一種補充,使調試更加便利、規范和減少盲目,需要引起重視。

4 結 語

國內近年來完成的兩個主要的中低速磁浮列車試驗平臺和線路都取得了具有自主知識產權的完整成果,系統和裝備完全可以在國內制造和維護,具備了可持續發展的潛力。但是,從試驗和運行的狀況來講,要想達到安全和可靠地商業載客運營,還需要踏踏實實地做好工程化的研究、測試和型式試驗的工作,才能保證對政府的投資和乘客的旅行安全負責。

商業載客運營的磁浮列車的動力學品質對列車運行的安全性和舒適性有著重要的影響。試驗的數據結果也關系到中低速磁浮列車能否取得運營許可證和能否在行業產生良好信譽,并被乘客所認可。為此,獲得一系列的試驗數據是必須引起關注和重視的技術問題。

成熟的輪軌列車在動力學試驗設備方面,已經通過巨額的投資,建設了多個試驗基地,對我國的軌道列車的研發和試驗做出了巨大和有效的貢獻。中低速磁浮列車的研發還處于小批量和少型號的階段,建立完整的動力學試驗基地,還是缺少產品的支撐。利用現有車載設備,輔助外部試驗裝置,間接地完成同類型的動力學試驗,獲得有參考價值的數據,可以取得事半功倍的效果。

我國近幾年研制的幾型中低速磁浮列車完全具備自主知識產權。鑒于現有的組織和研發的現狀,還是有組合國內各家技術,總結經驗和教訓,共同開展攻關的必要。這種條件的實現,應該由更高層的機構來進行統一的專業協調和技術研討。

[1]戴煥云,曾 京,楊士杰,等.地鐵轉向架滾動振動試驗報告[R].TPL2010-21.西南交通大學牽引動力國家重點實驗室編寫,成都:2010:1.

[2]尹力明,劉俊艷,馮國強.交流變頻調速系統在城市軌道交通中的應用[J].裝備機械,2010(2):44.

[3]劉向東.DSP技術原理與應用[M].北京:中國電力出版社,2007:2.