超高速磁浮車輛用減振系統設計探究

陳清化 王玉輝

摘要：針對真空管道超高速磁浮車輛用空氣彈簧需要外部空氣參與循環的問題，提出了一種可用的減振系統設計方案，并對其工作原理及相關特性進行了闡述。創新減振系統方案可以實現空氣在系統內部的循環使用，考慮了產品的可用性、可靠性以及可維護性，有利于提升磁浮車輛的運行穩定性及平順性。此系統方案設計也可為其他類似系統產品結構的設計提供參考借鑒。

Abstract： Aiming at the problem that air springs for vacuum ducted ultra-high-speed maglev vehicles require external air to participate in the circulation， an available design scheme of vibration reduction system is proposed， and its working principle and related characteristics are described. The innovative damping system solution can realize the circulating use of air inside the system， taking into account the availability， reliability and maintainability of the product， and is conducive to improving the operational stability and smoothness of the maglev vehicle. This system scheme design can also provide reference for the design of other similar system product structures.

關鍵詞：真空管道;高速磁浮;減振系統

Key words： vacuum pipeline;high-speed maglev;damping system

中圖分類號：U260? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）12-0209-02

0? 引言

當前，軌道交通車輛正在朝著更高速方向發展，而現有的輪軌交通車輛的試驗速度還未超過600公里時速，這主要是受限于空氣阻力的影響，車輛在更高速運行時需要克服的空氣阻力也更大。為了實現更高速運行，軌道交通車輛的高速研究正朝著真空管道超高速磁浮方向努力。在世界范圍內，1000公里時速、2000公里時速，甚至4000公里時速的真空管道超高速磁浮均在規劃研究中。而要實現這些超高速磁浮的一個前提就是要減少外界的阻力干擾，目前普遍選用的在在真空管道中運行的方案，讓車輛在完全密閉真空的環境中運行。對于高速運行的車輛而言，一個很小的波動都有可能引發較大的振動。現有的高速動車組中，為提高車輛的減振效果均是采用了低剛度的空氣彈簧作為減振部件，該減振部件的使用需要壓縮空氣，并且會隨機向外界排放空氣，顯然，此種使用方式將限制空氣彈簧在真空管道超高速磁浮車輛中的使用。而現有的其他橡膠減振部件可提供的垂向剛度相較于空氣彈簧減振系統來說大了很多，甚至是數量級的差異，減振效果不佳。有鑒于此，進行真空管道超高速磁浮車輛用減振系統的研制，對于真空管道超高速磁浮車輛的開發具有重要的指導和參考意義。

現有的磁浮車輛在速度小于600公里時速時均采用開放式設計，空氣彈簧系統可以將氣體排放到大氣中，壓縮空氣的產生也可以從大氣中獲得所需氣源。當磁浮車輛的速度高于600公里時速時，需要考慮在真空管道中運行，則空氣彈簧系統所需的壓縮氣源以及排放的氣體均需進行特殊處理。有鑒于此，亟需設計一種空氣彈簧減振系統中的空氣循環使用方式，以減小用于減振系統的空氣對真空管道的影響。

目前關于磁浮車輛減振方面國內外學者做過相關研究，如尹力明[1]等研究介紹了八達嶺旅游示范線磁浮列車空氣彈簧的應用情況。沈志云院士[2]提出了發展低真空高溫超導磁懸浮高速系統的技術方案。王靖華[3]研究介紹了超高速磁浮真空管道的必要性，同時闡述了真空管道地下實現的三種可能方案。馮仲偉[4]等研究闡述了發展低真空管道高速磁懸浮系統的意義，研究分析了其技術特點、發展現狀及關鍵技術等。陳清化[5]等人研究介紹了中低速磁浮車輛用空氣彈簧氣囊結構參數對性能的影響。前述研究均未涉及到超高速磁浮減振系統方面的研究。

1? 磁浮車輛減振系統介紹

目前用于磁浮車輛的懸浮架上的減振部件有空氣彈簧和橡膠彈簧等形式，一般在空間允許的情況下會優先選擇空氣彈簧作為減振系統，如果空間不允許可能會選用純橡膠彈簧來實現減振。如長沙磁浮車輛中單節車上裝載了20個空氣彈簧，保證了車輛的運行平穩性和乘客乘坐舒適性。

空氣彈簧作為減振部件需要有壓縮空氣構成循環，通常氣源的氣體從大氣中獲取空氣，形成壓縮空氣，根據空氣彈簧載重的變化通過充排氣進行調節，壓縮空氣在載荷減小時排入大氣環境中。而其他純橡膠彈簧工作過程中不需要空氣，但是橡膠彈簧的垂橫向剛度比空氣彈簧的剛度要大很多，減振降噪效果相對較差。人們對于車輛的平穩性及乘坐舒適性的要求越來越高，單純橡膠彈簧的減振降噪效果難以保證。

目前對于超高速磁浮規劃方案中均選擇采用真空管道模式，但是真空管道中無空氣的環境需求對于空氣彈簧的應用存在較大的障礙。為保證減振降噪的效果，超高速磁浮車輛中減振系統可能會優先考慮空氣彈簧系統，而解決空氣循環的問題是目前選用空氣彈簧系統需要解決的一個關鍵問題，為解決前述問題，提出了一種真空管道超高速磁浮車輛用減振系統的設計方案。

2? 超高速磁浮減振系統設計介紹

提出的適用于真空管道超高速磁浮車輛的減振系統結構如圖2所示。其中空氣壓縮機、高壓儲氣裝置、高度控制閥和空氣彈簧依次連接，高度控制閥與空氣壓縮機連接，高度控制閥與空氣壓縮機之間設有低壓氣缸，低壓氣缸與空氣壓縮機之間設有壓力控制閥，低壓氣缸中還有設計有過濾裝置。空氣壓縮機與高壓儲氣裝置通過氣體管道進行連接，高壓儲氣裝置與高度控制閥通過氣體管道進行連接，高度控制閥與空氣彈簧通過氣體管道進行連接，高度控制閥與空氣壓縮機通過氣體管道進行連接。在氣體管道上還設置有低壓氣缸和壓力控制閥。備用高壓儲氣裝置與高壓儲氣裝置連接。備用高壓儲氣裝置與高壓儲氣裝置之間設有壓力控制閥。

3? 創新系統工作原理及特性介紹

超高速磁浮車輛運行過程中，當高度控制閥連接的高度控制桿件檢測到空氣彈簧的高度低于閾值時，將信息反饋至高度控制閥，高度控制閥控制高壓儲氣裝置向空氣彈簧中充入壓縮氣體。當高度檢測桿件檢測到空氣彈簧的高度達到閾值時，將相關信息反饋至高度控制閥，高度控制閥控制高壓儲氣裝置停止向空氣彈簧中充入壓縮氣體。高度閾值可以根據車輛的結構設置、車輛的載重設定以及行駛路線的路況等具體情形而進行設計調整，以最大限度地拓寬減振系統的適用范圍。完成空氣彈簧充氣后，設置高壓儲氣裝置中剩余壓縮氣體的含量是在合理考慮裝置的總體積量后確定的。要保證最終能夠實現向空氣彈簧中充入壓縮氣體，至少需要9bar的壓力空氣。

當高度檢測桿件檢測到空氣彈簧的高度高于閾值時，將相關信息反饋至高度控制閥，高度控制閥則控制空氣彈簧將多余的氣體排入低壓氣缸中，壓力控制閥根據低壓氣缸內的氣體壓力值來控制空氣壓縮機的運行時機。可以理解為通過預先設定低壓氣缸中的壓力閾值，當壓力控制閥檢測到低壓氣缸中的壓力值大于閾值時，則控制空氣壓縮機運行，進行氣體壓縮。閾值的具體數值可以根據車輛的實際運行情況進行適應性的選擇和調整。壓力控制閥檢測到低壓氣缸內的氣體壓力值達到預設值時，控制空氣壓縮機運行，空氣壓縮機中產生的壓縮氣體進入高壓儲氣裝置中儲存，以備空氣彈簧的充氣需求。

如此，即完成氣體在減振系統中的循環使用，確保減振系統內部的壓力氣體持續滿足車輛平穩運行的減振需求。另外在空氣彈簧中還可以設置附加氣室和壓差裝置（圖2中未示出），通過附加氣室提高空氣彈簧的充氣、排氣穩定性，通過壓差裝置實時監測空氣彈簧中的壓力變化，提高空氣彈簧的使用安全性。

4? 結論

①提出了可用于真空管道超高速磁浮車輛用的減振系統設計方案，有效解決了真空管道超高速磁浮車輛減振系統中壓力空氣循環過程中氣體外排影響行車的問題。

②提出的減振系統可以提高超高速磁浮車輛的運行穩定性和車輛運行平順性，提高超高速磁浮車輛的減振效果。有利于更高速更平穩車輛的設計研究工作。

③本創新方案中備用氣源及維護方便的設計，提高了減振系統的使用可靠性及可維護性，也可為其他類似系統產品結構的設計提供參考借鑒。

參考文獻：

[1]尹力明，趙志蘇.空氣彈簧在磁懸浮列車上的應用研究[J].機車電傳動，2002（5）：28-30，52.

[2]沈志云.關于我國發展真空管道高速交通的思考[J].西南交通大學學報，2005，40（2）：133-137.

[3]王靖.超高速磁浮真空管道地下實現方案探討[J].工程設備與材料，2018（11）：88-89.

[4]馮仲偉，方興，李紅梅，等.低真空管道高速磁懸浮系統技術發展研究[J].中國工程科學，2018，20（6）：105-111.

[5]陳清化，周軍，王玉輝，等.磁浮車輛用腰帶式氣囊的結構參數化設計研究[J].鐵道機車車輛，2020，40（3）：77-80.