導(dǎo)向機構(gòu)對磁浮車輛橫向載荷分配的影響分析

郭慶升，龔惠華，洪遠卓

（1.中車株洲電力機車有限公司，湖南 株洲 412001；2.磁浮交通車輛系統(tǒng)集成湖南省重點實驗室，湖南 株洲 412001）

0 引言

中低速磁浮列車是一種新型軌道交通工具，通過電磁鐵與特殊的F軌道產(chǎn)生電磁力來提供列車的懸浮力。列車運行時與軌道零接觸，具有噪聲低、磨耗低、轉(zhuǎn)彎半徑小、爬坡能力強、無污染、選線自由度大等優(yōu)點，是安全可靠、經(jīng)濟適用、環(huán)境友好型的城市軌道交通系統(tǒng)，是城市軌道交通發(fā)展的重要方向之一。目前中低速磁浮交通系統(tǒng)主要以以五懸浮架為主，主要用于大中城市及都市圈，如長沙磁浮快線、北京S1 線等。

導(dǎo)向機構(gòu)作為中低速磁浮列車懸浮架的主要部件之一，其主要作用是將列車所受的橫向載荷分配到各個模塊上，使懸浮架在運行過程中保持良好的姿態(tài)。國內(nèi)已有公開資料對中低速磁浮車輛導(dǎo)向機構(gòu)進行了研究。參考文獻［1］簡單介紹了導(dǎo)向機構(gòu)的結(jié)構(gòu)及工作原理；參考文獻［2］分析了導(dǎo)向機構(gòu)的結(jié)構(gòu)尺寸與懸浮架參數(shù)、曲線半徑參數(shù)、軌距等的關(guān)系情況；參考文獻［3］對導(dǎo)向機構(gòu)在五懸浮架磁浮列車曲線通過中的作用及對磁浮列車導(dǎo)向性能的影響進行了研究；參考文獻［4］［5］主要分析了五懸浮架磁浮車輛的動力學性能。本文主要針對五懸浮架中低速磁浮車輛進行分析，簡單介紹導(dǎo)向機構(gòu)的結(jié)構(gòu)及布置，并對有無導(dǎo)向機構(gòu)情況下，空氣彈簧橫向載荷進行理論分析及動力學仿真計算，從而了解導(dǎo)向機構(gòu)對車輛橫向載荷分配情況的影響。

1 導(dǎo)向機構(gòu)結(jié)構(gòu)

導(dǎo)向機構(gòu)主要由長轉(zhuǎn)臂、短轉(zhuǎn)臂、橫向拉桿、長拉桿等組成，如圖1所示。長、短轉(zhuǎn)臂分別與車體銷接，是導(dǎo)向機構(gòu)的轉(zhuǎn)心，前后通過長拉桿相連，橫向拉桿的一端連接長、短轉(zhuǎn)臂，另一端連接活動滑臺。導(dǎo)向機構(gòu)內(nèi)部連接以及與車體、滑臺連接均為剛性鉸接。

圖1 導(dǎo)向機構(gòu)三維示意圖

五懸浮架磁浮車輛中，每節(jié)車共設(shè)置6 組滑臺，其中1、3、4、6位為活動滑臺，通過線性軸承與車體底部連接，滑臺只能相對車體橫移；2、5位固定滑臺，與車體固定連接。1、6位滑臺下連接一個空氣彈簧，2、3、4、5位滑臺下連接兩個空氣彈簧。兩套導(dǎo)向機構(gòu)分別安裝在1、3位滑臺和4、6位滑臺上，通過導(dǎo)線機構(gòu)可將活動滑臺與車體產(chǎn)生橫向約束。懸浮架結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。為使車輛順利通過曲線線路，根據(jù)作圖法計算，導(dǎo)向機構(gòu)長轉(zhuǎn)臂與短轉(zhuǎn)臂的長度比應(yīng)設(shè)置為2:1[1]。

圖2 五懸浮架磁浮車輛懸浮架結(jié)構(gòu)示意圖

2 空簧橫向載荷理論分析

本節(jié)主要對空氣彈簧的橫向載荷進行理論分析，從而了解車輛橫向載荷的分配情況，故理論分析時只考慮了車輛在直線段受橫向載荷的工況，設(shè)整車所受的橫向載荷為F。由于整節(jié)車前后對稱，只需對半節(jié)車進行分析,本理論分析中未考慮車輛傾斜、左右兩側(cè)空氣彈簧差異等的影響。

磁浮車輛中由于設(shè)置有導(dǎo)向機構(gòu)，當車輛在直線段受橫向載荷時，車輛的橫向載荷一部分通過固定滑臺直接傳遞到空氣彈簧，一部分通過導(dǎo)向機構(gòu)傳遞到活動滑臺再傳遞到空氣彈簧,最終傳遞到懸浮模塊上。單個導(dǎo)向機構(gòu)受力及運動分析圖見圖3。設(shè)長轉(zhuǎn)臂端部橫向載荷為F1，短轉(zhuǎn)臂端部橫向載荷為F2，車輛在橫向力作用下偏移δ，當個空氣彈簧的橫向剛度為K。

圖3 導(dǎo)向機構(gòu)受力及運動分析

由于導(dǎo)向機構(gòu)的力矩平衡，并且五懸浮架磁浮車輛中導(dǎo)向機構(gòu)的長、短轉(zhuǎn)臂的長度比為2:1，故長、短轉(zhuǎn)臂端部的橫向載荷比為1:2，即

導(dǎo)向機構(gòu)長、短轉(zhuǎn)臂上的橫向載荷均傳遞給對應(yīng)的空氣彈簧，導(dǎo)致空氣彈簧發(fā)生橫向偏移。根據(jù)圖2可看出，長轉(zhuǎn)臂連接在左右兩個端部滑臺上，每個端部滑臺對應(yīng)一個空氣彈簧；短轉(zhuǎn)臂連接在左右兩個中間活動滑臺上，每個中間活動滑臺對應(yīng)兩個空氣彈簧。設(shè)長轉(zhuǎn)臂對應(yīng)的每個空氣彈簧的橫向載荷為Fc，短轉(zhuǎn)臂對應(yīng)的每個空氣彈簧的橫向載荷為Fd。可得出：

可得：Fc=Fd

長、短轉(zhuǎn)臂對應(yīng)的空氣彈簧的橫向載荷一致，由于各空簧的剛度均為K，故長、短轉(zhuǎn)臂對應(yīng)的空氣彈簧的橫向偏移量一致，即導(dǎo)向機構(gòu)的長、短轉(zhuǎn)臂的橫移量相等，導(dǎo)向機構(gòu)不會發(fā)生轉(zhuǎn)動，跟隨車體一起橫向移動。

固定滑臺與車體固定連接，也隨車體一起橫向移動，故車輛在直線段受橫向載荷導(dǎo)致車輛橫向移動后，導(dǎo)向機構(gòu)對應(yīng)空氣彈簧的橫向位移與固定滑臺對應(yīng)空氣彈簧的橫向位移一致，所有空氣彈簧的橫向載荷相同。設(shè)每個空氣彈簧的橫向載荷為Fk。

假若磁浮車輛中無導(dǎo)向機構(gòu)，由于活動滑臺與車體之間橫向無約束，車輛的橫向載荷全部傳遞到固定滑臺對應(yīng)的空氣彈簧上，每節(jié)車有4個固定滑臺，每個固定滑臺對應(yīng)兩個空氣彈簧。設(shè)固定滑臺對應(yīng)的每個空氣彈簧的橫向載荷Fk1。

從上述理論分析可看出，五懸浮架磁浮車輛直線段受橫向載荷工況下，有導(dǎo)向機構(gòu)時各空氣彈簧的橫向載荷一致，均為F/20。無導(dǎo)向機構(gòu)時固定滑臺對應(yīng)的空氣彈簧橫向載荷為F/8，活動滑臺對應(yīng)的空氣彈簧的橫向載荷為0。

3 空簧橫向載荷動力學計算

為驗證上述理論分析，利用動力學仿真軟件SIMPACK對磁浮車輛在直線段、車輛右側(cè)受7級橫風的工況下空氣彈簧的橫向載荷進行計算分析。有導(dǎo)向機構(gòu)時各空氣彈簧的橫向載荷計算結(jié)果見圖4。受橫風穩(wěn)定后，各空氣彈簧橫向載荷值見表1。

表1 有導(dǎo)向機構(gòu)時受7級橫風穩(wěn)定后空氣彈簧橫向載荷值

圖4 有導(dǎo)向機構(gòu)時直線段受7級橫風空氣彈簧橫向載荷曲線圖

從動力學計算結(jié)果圖1、表2中可看出，直線段受橫風時，各空氣彈簧的橫向載荷曲線基本上重合，受橫風穩(wěn)定后，各空氣彈簧的橫向載荷值相近。

但從計算結(jié)果中可看出左側(cè)空氣彈簧的橫向載荷均比后側(cè)的橫向載荷值大，這種情況主要是因為車輛受橫風時發(fā)現(xiàn)側(cè)滾引起的。車輛側(cè)滾時（示意圖見圖5），空氣彈簧承擔橫風載荷的同時還需要承擔車輛重力的橫向分量。車輛受右側(cè)橫風時，根據(jù)力矩平衡，左側(cè)空氣彈簧承擔的重力較大，相應(yīng)重力的橫向分量也較大，故左側(cè)空氣彈簧的橫向載荷均比后側(cè)的橫向載荷值大。

圖5 車輛側(cè)滾示意圖

無導(dǎo)向機構(gòu)時各空氣彈簧的橫向載荷計算結(jié)果見圖6。可看出2、5位滑臺對應(yīng)的空氣彈簧橫向載荷較大，其余活動滑臺對應(yīng)的空氣彈簧橫向載荷很小。

圖6 無導(dǎo)向機構(gòu)時直線段受7級橫風空氣彈簧橫向載荷曲線圖

由于受橫風時車輛的側(cè)滾，導(dǎo)致左側(cè)空氣彈簧的橫向載荷大于右側(cè)空氣彈簧的橫向載荷。活動滑臺對應(yīng)的空氣彈簧也需承擔車輛的重力及重力的橫向分量，會導(dǎo)致端部滑臺對應(yīng)的空氣彈簧橫向載荷出現(xiàn)負值（載荷方向與橫風方向相反）的情況。根據(jù)動力學仿真計算，車輛在直線段受橫風工況時，空氣彈簧的橫向載荷計算結(jié)果與理論分析基本一致。

4 結(jié)語

通過上述理論分析及動力學仿真分析，五懸浮架磁浮車輛中，導(dǎo)向機構(gòu)可將車輛橫向載荷較為均勻的分配傳遞到各空氣彈簧上，最終傳遞到懸浮模塊上，使懸浮架在運行過程中保持良好的姿態(tài)。