高速鐵路曲線處軌旁電磁設(shè)備的應(yīng)用與仿真①

楊菊花，陳光武，孟學雷，鄧體

(1.蘭州交通大學 交通運輸學院，甘肅 蘭州 730070;2.蘭州交通大學光電技術(shù)與智能控制教育部重點實驗室，甘肅 蘭州 730070)

高速鐵路［1］由于其速度快、運能大和能耗小等優(yōu)點在全世界范圍內(nèi)得到了快速發(fā)展，截止2012年底，我國高鐵運營里程9356 km，位居世界第一。國內(nèi)外學者針對高速鐵路展開了廣泛的研究。Christos［2］指出高時速下列車運行過程中將出現(xiàn)的問題并提出了相應(yīng)的解決措施;Degrande［3］等對時速223～314 km/h的高速列車在自由場條件下車體的擺動進行實驗數(shù)據(jù)的匯總;Jung［4］等就高速列車動力系統(tǒng)中輸入輸出并聯(lián)變換器裝置的正相電壓反饋的電荷控制問題展開研究;Madshus等［5］研究了高鐵在軟土地基條件下速度達到臨界值時車體的震動形態(tài)，得出車體的動態(tài)形態(tài)與觀測點土地波長及車體轉(zhuǎn)向架和輪軸之間的關(guān)系;Kaynia等［6］研究了高鐵運行過程中對路面及鐵路路基產(chǎn)生的影響并提出了相應(yīng)的防范措施。劉宏友等［7－8］針對高速鐵路車輛的動力學相關(guān)問題展開研究。以上研究對于高鐵列車在實際運行過程中的有效操控提供了理論依據(jù)，但沒有涉及高鐵列車如何提高曲線處的通過速度。

需要指出的是，高鐵的設(shè)計和修建，需要考慮地形條件、成本和運營效益等諸多因素，不可避免的出現(xiàn)大量曲線橋隧。為了保證列車安全通過曲線地段，通常采用曲線間距加寬或外軌超高，以平衡離心力的不利影響。離心力的大小與列車運行速度成正比，而與曲線半徑成反比。在實際修建中，通常以各種列車的平均運行速度為依據(jù)確定外軌超高值。當列車運行速度過高時會導致欠超高，不僅會降低旅客列車舒適度，還會導致列車脫軌甚至傾覆。因此，高速鐵路列車通過曲線時必須減速運行。根據(jù)《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》，高速鐵路列車在通過曲線路段時的最高限制速度如式(1)所示。

比如，設(shè)計時速350 km/h的京滬、武廣等高鐵，設(shè)計規(guī)范規(guī)定最小曲線半徑不得小于7000 m，根據(jù)式(1)，則其曲線處運行限制速度為180 km/h。可以看出，不同曲線半徑下高鐵列車的限制最高速度相較與高鐵直線段平均時速300 km/h有很大的提升空間。基于此，提出在高速鐵路曲線內(nèi)軌外側(cè)增加電磁設(shè)備以使高速列車能不減速或以較高速度通過曲線，從而提高線路的通過能力。

1 可行性分析

列車與線路間的聯(lián)系是通過輪軌間相互作用力來實現(xiàn)的，左右輪軌間受力不均衡是影響列車安全運行的直接原因。為保證列車安全通過曲線，通常采用外軌超高的方式，當曲線處外軌超高一定時，列車的運行速度越大，未被平衡的離心加速度越大，列車運行的安全性就越低。因此，從輪軌間的受力關(guān)系著手，找出列車運行速度與外軌超高未被平衡的離心力間的關(guān)系，通過在曲線內(nèi)軌外側(cè)軌旁安裝電磁設(shè)備對輪軌間作用力的控制，來動態(tài)平衡列車高速通過曲線時未被平衡掉的離心力，從而實現(xiàn)列車在曲線處的安全高效運行。

安裝電磁鐵后列車的受力關(guān)系如圖1所示［7－8］。

圖1 安裝電磁鐵后列車的受力情況分析圖Fig.1 Analysis graphics for stress force on train after using the electromagnetic equipment

列車理想情況下的受力關(guān)系為:

如果離心力較大時，則會出現(xiàn)未平衡的離心力F未，公式如下:

式中:cosα，sinα，sinθ都是常數(shù)，且α很小在此問題的研究中可以忽略不記，公式(3)可以簡寫為:

由公式(4)可知:在相同條件下，在曲線內(nèi)軌外側(cè)增加電磁鐵后可以抵消一部分離心力，從理論上可以平衡外軌超高未被平衡掉的離心力。

2 基于ADAMS/RAIL的列車模型建立

利用 MSC.ADAMS/postprocessor提供的標準圖形處理工具箱和圖形函數(shù)庫，在ADAMS中建立的車輪曲線圖如圖2所示［9］。

圖2 車輪輪廓線示意圖Fig.2 Diagram for the wheel profile

客車轉(zhuǎn)向架主要由輪對軸箱彈簧裝置，揺枕彈簧裝置，轉(zhuǎn)向架構(gòu)架和基礎(chǔ)制動裝置4個部分組成，其中各參數(shù)設(shè)置如表1所示［10］。

表1 轉(zhuǎn)向架參數(shù)設(shè)置匯總表Table 1 Chart1 Summary sheet for the parameter setting of bogie

則可得客車車底部分的模擬模型如圖3所示。

圖3 建立的轉(zhuǎn)向架模型示意圖Fig.3 Diagram of the bogie model used ADAMS/RAIL

其中，該輪對的質(zhì)量為1813 kg，質(zhì)心距離軌面高度0.46 m，構(gòu)架質(zhì)量為2615 kg，質(zhì)心距離軌面高度0.6 m，車體重量為32000 kg，質(zhì)心距離軌面高度1.8 m。

在ADAMS中建立的列車以及軌道模型如圖4所示。

圖4 建立的列車和軌道模型示意圖Fig.4 Diagram for the train and rail model used ADAMS/RAIL

模型參數(shù)為:最小曲線半徑:2000 m，曲率0.0005，外軌超高量125 mm，超高弧度 0.08722，軌道長度700 m(直線100 m，緩和曲線100 m，彎道300 m，緩和曲線100 m，直線100 m)。

3 列車在ADAMS/RAIL軟件中的模擬運行

MSC.ADAMS/RAIL根據(jù)用戶指定的輸入?yún)?shù)和分析方式對列車在ADAMS/RAIL軟件中模擬運行的情況進行相應(yīng)的仿真計算，主要從以下幾個方面考慮:非線性的輪/軌接觸模型、車輛運行速度、運行線路和軌道的不平順性。執(zhí)行動態(tài)分析的步驟如圖5所示。

圖5 動態(tài)模擬對話框Fig.5 Dialog box for dynamic simulation

在ADAMS/postprocessor中運行模型，其中紅色箭頭為車體受力的大小以及方向。運行過程的一幀截圖如圖6所示。

圖6 ADAMS/RAIL動態(tài)模擬運行圖Fig.6 Running chart of dynamic simulation used ADAMS/RAIL

4 模擬運行結(jié)果

4.1 添加電磁設(shè)備前后離心力模擬曲線圖

根據(jù)列車在ADAMS/RAIL中的模擬運行，可以得到列車的前、后轉(zhuǎn)向架和列車整體通過曲線時未被平衡的離心力曲線圖［11］，如圖7至圖10所示。

圖7 前轉(zhuǎn)向架未被平衡的離心力曲線圖Fig.7 Unbalanced centrifugal force curve of the front bogie

圖8 后轉(zhuǎn)向架未被平衡的離心力曲線圖Fig.8 Unbalanced centrifugal force curve of the back bogie

從圖7和圖8可以看出:在未添加電磁設(shè)備前，列車高速通過曲線時前后轉(zhuǎn)向架處離心力逐漸增加，進入曲線后其離心力趨于平緩，在列車駛出彎道時，離心力逐漸減小直至趨于0。模擬結(jié)果與實際運行情況完全相符。

圖9 車體未被平衡的離心力曲線圖Fig.9 Unbalanced centrifugal force curve of the train

通過比較可知，圖10中列車車體未被平衡的離心力較圖9的大幅減小。此模擬結(jié)果說明在一定的外軌超高下，列車未被平衡的離心力能夠利用電磁設(shè)備來得到有效的控制。不足之處在于由于電磁設(shè)備的磁力是穩(wěn)定的，從圖9和圖10可以得出列車在經(jīng)過緩和曲線時，車體的振動較大。

圖10 增加電磁設(shè)備后車體未被平衡的離心力曲線圖Fig.10 Unbalanced centrifugal force curve of the train after adding the electromagnetic equipment

4.2 列車脫軌系數(shù)模擬曲線圖

列車在通過曲線時，如果側(cè)向力達到一定程度，動輪重不足以阻止車輪上爬時，輪緣就沿鋼軌側(cè)面滾動，甚至出現(xiàn)車輪落出軌外，即所謂的脫軌。通常用Q(作用在車輪上的橫向力)和P(作用在車輪上的垂向力)的比值來表示脫軌系數(shù)。《高速鐵路線橋隧設(shè)計參數(shù)的研究》中規(guī)定第一限度脫軌系數(shù)Q/P ＜0.8。

圖11和圖12為添加電磁設(shè)備前后列車脫軌系數(shù)的模擬曲線圖［12］。

圖11 未添加電磁設(shè)備列車運行脫軌系數(shù)曲線Fig.11 Train derailment coefficient curve before adding the electromagnetic equipment

圖12 添加電磁設(shè)備后列車運行脫軌系數(shù)曲線Fig.12 Train derailment coefficient curve after adding the electromagnetic equipment

通過比較可以得到，圖12中列車的最大脫軌系數(shù)較圖11有明顯的減小，且列車在曲線運行時的脫軌系數(shù)曲線較為平緩，運勢更加穩(wěn)定。

4.3 機械動力學仿真分析

車輛在線路上運行時，由于線路和車輛動力的相互作用，將使車輛產(chǎn)生各種復雜的振動。車輛在運行中振動的主要形態(tài)有:沉浮振動、搖頭振動、側(cè)擺振動、點頭振動、伸縮振動和側(cè)滾振動等［13］，這些振動的結(jié)果將會使列車在運行過程中受到垂直慣性力和橫向慣性力等的影響，因此有必要對其進行模擬和分析。

可以利用ADAMS/RAIL建立的完整的、參數(shù)化的機車車輛或列車模型，以及各種子系統(tǒng)模型和各種線路模型，并根據(jù)分析目的不同定義相應(yīng)的輪/軌接觸模型，然后組裝成所需要的系統(tǒng)模型，執(zhí)行相應(yīng)的分析。添加電磁設(shè)備前后搖頭振動模擬曲線圖如圖13和圖14所示。

圖13 未添加電磁設(shè)備搖頭振動模擬曲線圖Fig.13 Shaking head vibration simulation curve before adding the electromagnetic equipment

圖14 添加電磁設(shè)備后搖頭振動模擬曲線圖Fig.14 Shaking head vibration simulation curve after adding the electromagnetic equipment

通過比較可以得到，圖14中列車的搖頭振動幅度較圖13有所減小，說明添加電磁設(shè)備后列車整體運行趨于平緩，且列車的最大搖頭振動有所減小。

其他幾類振動模擬曲線圖結(jié)果類似。

5 結(jié)論

(1)在建立基本的列車車輪、轉(zhuǎn)向架、車體等基礎(chǔ)模型和既定的列車、線路運行狀況的基礎(chǔ)之上，在ADAMS/RAIL軟件提供的模擬運行環(huán)境下，得到了添加電磁設(shè)備前后列車未被平衡的離心力、脫軌系數(shù)和車體振動形態(tài)曲線圖。通過模擬比較可以看出，添加電磁設(shè)備后能很好的緩解由于列車不減速通過曲線從而產(chǎn)生的可致使列車脫軌傾覆的離心力，有效降低脫軌系數(shù)，增加列車運行的平穩(wěn)和安全性，很好的驗證了在高速鐵路曲線處內(nèi)軌外側(cè)增加電磁設(shè)備后可以使列車不減速通過曲線的設(shè)想。

(2)在本次模擬中，假定列車通過曲線時的速度為200 km/h，且曲線處曲線半徑、外軌超高、緩和曲線等參數(shù)都為設(shè)定值，計算出的所需電磁設(shè)備的電磁吸力是固定值，從而在圖9和圖10中可以看出，列車不減速通過曲線時車體振動幅度較大，與實際應(yīng)用有一定的差距。

(3)由于列車通過曲線時的速度、線路鋪設(shè)狀況不盡相同，所需的電磁力會隨著具體狀況的改變而不同，因此該電磁設(shè)備的應(yīng)用需要與之相配套的硬件設(shè)備才能投入運用。具體應(yīng)包括列車運行速度傳感器、核心計算控制模塊、電流調(diào)節(jié)控制器、電磁線圈和繼電器等設(shè)備，真正做到軟硬件的有效結(jié)合。

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