中低速磁浮車軌橋梁耦合振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)架設(shè)計(jì)

張興華 劉恒坤

（湖南凌翔磁浮科技有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410007）

車軌橋梁耦合振動(dòng)在磁浮列車系統(tǒng)中普遍存在，為了弄清該問(wèn)題并提出解決方法，磁浮工作者進(jìn)行了大量的研究工作。為解決耦合振動(dòng)問(wèn)題，通常可以從兩方面著手：一方面是通過(guò)懸浮控制算法的研究，弱化車軌橋梁耦合振動(dòng)[1]；另一方面對(duì)軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究分析，避免車軌橋梁耦合振動(dòng)的發(fā)生[2]。在發(fā)生車軌橋梁耦合振動(dòng)的線路上，如果采用對(duì)軌道進(jìn)行改動(dòng)的方法，必然增加軌道的成本和工作量。因此，從控制算法著手對(duì)車軌橋梁耦合振動(dòng)進(jìn)行抑制，相對(duì)而言工作量和成本較低，但是需要時(shí)間和平臺(tái)進(jìn)行研究。

1 目的和意義

磁浮列車的運(yùn)行情況表明，磁浮列車在行駛過(guò)程中，可能發(fā)生車軌橋梁耦合振動(dòng)的問(wèn)題。由于在實(shí)際的線路上，不會(huì)有太多的時(shí)間來(lái)進(jìn)行車軌橋梁耦合振動(dòng)的研究和試驗(yàn)，為加強(qiáng)該問(wèn)題的研究，課題以模擬不同線路軌道的振動(dòng)為目標(biāo)，通過(guò)改變軌道的支撐組件，來(lái)達(dá)到調(diào)節(jié)軌道振動(dòng)頻率的目的，從而為懸浮控制算法研究提供試驗(yàn)平臺(tái)。

為了對(duì)車軌橋梁耦合振動(dòng)問(wèn)題做深入研究，本文設(shè)計(jì)搭建試驗(yàn)平臺(tái)，以模擬不同軌道條件下的振動(dòng)情況。期望為磁浮軌道的設(shè)計(jì)加工和磁浮控制算法的改進(jìn)提供研究基礎(chǔ)。通過(guò)本課題的研究，能為懸浮控制算法研究提供研究平臺(tái)，能對(duì)比不同控制算法的控制性能，選擇最優(yōu)的控制算法，減少實(shí)際調(diào)試時(shí)間，節(jié)約人力物力；通過(guò)對(duì)不同軌道參數(shù)的變化并進(jìn)行試驗(yàn)，能對(duì)軌道設(shè)計(jì)提供一定的指導(dǎo)作用，減少軌道后期的加工和改動(dòng)工作，縮短磁浮列車的調(diào)試時(shí)間。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

車軌橋梁耦合振動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)主要包括試驗(yàn)臺(tái)架的設(shè)計(jì)和激振系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，本文主要對(duì)試驗(yàn)臺(tái)架部分進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。試驗(yàn)臺(tái)架通過(guò)更換頻率調(diào)整組件，可以調(diào)節(jié)平臺(tái)的振動(dòng)頻率，通過(guò)激振系統(tǒng)向軌道施加激勵(lì)力，從而模擬線路的各種干擾。車軌橋梁耦合振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)包括以下幾個(gè)主要部分：試驗(yàn)臺(tái)架、激振器、控制操作臺(tái)、懸浮控制器[3]，各部分連接關(guān)系如圖1 所示。（1）試驗(yàn)臺(tái)架：包含懸浮架（半幅）、軌道、傳感器、空氣彈簧、空壓機(jī)、加載系統(tǒng)等。通過(guò)改變軌道的支撐組件，達(dá)到調(diào)節(jié)軌道振動(dòng)頻率的目的，通過(guò)改變空氣彈簧的壓強(qiáng)，可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向架的負(fù)載大小；（2）激振器：激振器安裝在F 軌的一端，用于實(shí)現(xiàn)軌道不同頻率的振動(dòng)；（3）控制操作臺(tái)：用于完成懸浮命令的發(fā)送和狀態(tài)的監(jiān)測(cè)；（4）懸浮控制器：控制懸浮架電磁鐵的起落。

2.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

車軌橋梁耦合振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)架主要為車軌橋梁耦合振動(dòng)的建模、分析、驗(yàn)證等工作提供試驗(yàn)平臺(tái)。通過(guò)更換彈性支撐結(jié)構(gòu)，可以調(diào)節(jié)平臺(tái)的固有頻率（具體的固有頻率為：15Hz、20Hz、30Hz、40Hz、50Hz、60Hz、70Hz、80Hz、90Hz），以模擬不同軌道的振動(dòng)特性。系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)如表1。

2.2 設(shè)計(jì)方案

車軌橋梁耦合振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)架主要由1 根F 軌、4 根軌枕、半幅懸浮架（內(nèi)含兩組4 個(gè)電磁鐵、兩個(gè)控制器、2 個(gè)傳感器）、2 組防滾梁、1 個(gè)軌枕支座、4 套軌枕支座與軌枕連接組件、2 根轉(zhuǎn)軸、2 個(gè)轉(zhuǎn)軸支座、9 套頻率調(diào)節(jié)組件、2 個(gè)千斤頂安裝支座、1 套激振系統(tǒng)、1 個(gè)激振器安裝支座、1 個(gè)加載龍門架等組成，三維模型如圖2 所示。

頻率調(diào)節(jié)組件與振動(dòng)頻率一一對(duì)應(yīng)，只需更換頻率調(diào)節(jié)組件，即可得到所需振動(dòng)頻率下的試驗(yàn)臺(tái)架。試驗(yàn)臺(tái)架頻率調(diào)整組件的設(shè)計(jì)，避免了質(zhì)量塊加載裝置的設(shè)計(jì)，以及大質(zhì)量塊砝碼的更改和安裝難題。

在F 軌中部設(shè)置了一套激振系統(tǒng)，該系統(tǒng)可向F 軌施加垂直的激勵(lì)力，從而模擬線路的各種干擾。

3 試驗(yàn)臺(tái)架設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

軌枕支座是試驗(yàn)臺(tái)架的主要組成部分，是軌枕安裝的基礎(chǔ)，采用型鋼焊接而成與地面固連，結(jié)構(gòu)模型如圖3 所示。軌枕支座長(zhǎng)3.3m、寬1.77m、最高1.4m，總重2568.08kg。

圖3 軌枕支座三維模型

頻率調(diào)節(jié)組件作為調(diào)節(jié)試驗(yàn)臺(tái)架的振動(dòng)頻率，是試驗(yàn)臺(tái)架關(guān)鍵部件，共有9 套，每套4 組。其中高頻段調(diào)整組件用于獲得振動(dòng)頻率在21.4Hz 92.3Hz 的試驗(yàn)臺(tái)架，低頻段調(diào)節(jié)組件用于獲得振動(dòng)頻率在91.18Hz 109.2Hz 的試驗(yàn)臺(tái)架,頻率調(diào)節(jié)組件結(jié)構(gòu)模型如圖4 所示。

圖4 頻率調(diào)節(jié)組件

通過(guò)改變高頻段調(diào)整組件和低頻段調(diào)整組件中水平板的厚度，可以獲得不同振動(dòng)頻率的試驗(yàn)臺(tái)架，頻率調(diào)節(jié)組件與試驗(yàn)臺(tái)架振動(dòng)頻率對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2 所示。

表2 頻率調(diào)節(jié)組件與試驗(yàn)臺(tái)架振動(dòng)頻率對(duì)應(yīng)關(guān)系

3.2 有限元仿真分析

工作狀態(tài)下，F(xiàn) 軌將承受懸浮架傳遞過(guò)來(lái)的3t 垂向的作用力，以及懸浮架自身的重量0.569t。考慮到21.4Hz 所對(duì)應(yīng)頻率調(diào)節(jié)組件中水平板的厚度最薄，只要該水平板強(qiáng)度足夠，則其余水平板的強(qiáng)度也會(huì)滿足要求。圖5 為21.4Hz 試驗(yàn)平臺(tái)在上述載荷作用下的等效應(yīng)力云圖和位移云圖[4]。

圖5 3t 作用力+0.569t 懸浮架自重作用下21.4Hz試驗(yàn)平臺(tái)計(jì)算結(jié)果

由圖5 可知，21.4Hz 試驗(yàn)平臺(tái)的最大等效Mises 應(yīng)力為237.9MPa，最大垂向位移為-4.6mm，試驗(yàn)臺(tái)架的板材是Q345，它的屈服強(qiáng)度是345MPa，高于237.9MPa，因此滿足剛強(qiáng)度要求。

3.3 動(dòng)力學(xué)響應(yīng)分析

取f=f1=21.4Hz 時(shí)，圖6 中1、2、3、4 號(hào)響應(yīng)點(diǎn)的垂向位移曲線如圖7 所示。

圖6 試驗(yàn)臺(tái)架中激振力作用點(diǎn)和響應(yīng)點(diǎn)

圖7 f=f1 時(shí)響應(yīng)點(diǎn)垂向位移曲線

響應(yīng)點(diǎn)1～4 的垂向位移區(qū)間分別為[-10.99，9.58]mm、[-10.83，9.44] mm、[-10.51，9.15] mm、[-9.83，8.53] mm，可見F 軌上各響應(yīng)點(diǎn)的垂向位移響應(yīng)基本相同。

取f=5Hz，試驗(yàn)臺(tái)架的振動(dòng)頻率為f1=21.4Hz，可得f=5Hz 和f=21.4Hz 時(shí)響應(yīng)點(diǎn)1 的垂向位移對(duì)比曲線如圖8 所示。

圖8 f=5Hz 和f=21.4Hz 時(shí)響應(yīng)點(diǎn)1 的垂向位移對(duì)比曲線

由圖8 可知，f=5Hz 時(shí)響應(yīng)點(diǎn)1 的垂向位移區(qū)間為[-2.01,0.65] mm，遠(yuǎn)小于f=21.4Hz 時(shí)的相應(yīng)值。在激振點(diǎn)施加垂向±1t 的集中力，可得F 軌的最大位移分別為0.68mm、2.19mm。可見，當(dāng)激振頻率遠(yuǎn)離試驗(yàn)臺(tái)架的振動(dòng)頻率時(shí)，激振力對(duì)F 軌的影響與對(duì)應(yīng)的靜載相當(dāng)。按照表2 的數(shù)據(jù)，改變?cè)囼?yàn)臺(tái)架的一節(jié)振動(dòng)頻率，分別取激振頻率f 為各試驗(yàn)平臺(tái)的一階頻率，可得響應(yīng)點(diǎn)1 點(diǎn)垂向位移曲線如圖9 所示。

圖9 f=f2～f9 時(shí)響應(yīng)點(diǎn)1 的垂向位移曲線

統(tǒng)計(jì)圖7 和圖9 中各曲線的幅值，見表3。

表3 各試驗(yàn)平臺(tái)上響應(yīng)點(diǎn)1 的垂向位移幅值

由表3 可知，在激振力的幅值不變的情況下，試驗(yàn)臺(tái)架的振動(dòng)頻率越高，試驗(yàn)臺(tái)架的振幅越小。

4 結(jié)論

本文以車軌橋梁耦合振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)為研究對(duì)象，通過(guò)理論研究分析，搭建試驗(yàn)系統(tǒng)，為車軌橋梁耦合振動(dòng)的建模、分析、驗(yàn)證等工作提供試驗(yàn)平臺(tái)，模擬線路的各種條件，為車軌橋梁耦合振動(dòng)算法研究提供研究基礎(chǔ)平臺(tái)，后續(xù)將對(duì)試驗(yàn)平臺(tái)軌道激振系統(tǒng)方案進(jìn)行研究設(shè)計(jì)。

4.1 初步設(shè)計(jì)了車軌橋梁耦合振試驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)。

4.2 完成了試驗(yàn)臺(tái)架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和仿真分析。

4.3 試驗(yàn)臺(tái)架可實(shí)現(xiàn)軌道振動(dòng)頻率21Hz～109Hz 范圍的調(diào)節(jié)。