張興華 劉恒坤

（湖南凌翔磁浮科技有限責任公司，湖南 長沙 410007）

車軌橋梁耦合振動在磁浮列車系統(tǒng)中普遍存在，為了弄清該問題并提出解決方法，磁浮工作者進行了大量的研究工作。為解決耦合振動問題，通?？梢詮膬煞矫嬷郑阂环矫媸峭ㄟ^懸浮控制算法的研究，弱化車軌橋梁耦合振動[1]；另一方面對軌道結構進行研究分析，避免車軌橋梁耦合振動的發(fā)生[2]。在發(fā)生車軌橋梁耦合振動的線路上，如果采用對軌道進行改動的方法，必然增加軌道的成本和工作量。因此，從控制算法著手對車軌橋梁耦合振動進行抑制，相對而言工作量和成本較低，但是需要時間和平臺進行研究。

1 目的和意義

磁浮列車的運行情況表明，磁浮列車在行駛過程中，可能發(fā)生車軌橋梁耦合振動的問題。由于在實際的線路上，不會有太多的時間來進行車軌橋梁耦合振動的研究和試驗，為加強該問題的研究，課題以模擬不同線路軌道的振動為目標，通過改變軌道的支撐組件，來達到調(diào)節(jié)軌道振動頻率的目的，從而為懸浮控制算法研究提供試驗平臺。

為了對車軌橋梁耦合振動問題做深入研究，本文設計搭建試驗平臺，以模擬不同軌道條件下的振動情況。期望為磁浮軌道的設計加工和磁浮控制算法的改進提供研究基礎。通過本課題的研究，能為懸浮控制算法研究提供研究平臺，能對比不同控制算法的控制性能，選擇最優(yōu)的控制算法，減少實際調(diào)試時間，節(jié)約人力物力；通過對不同軌道參數(shù)的變化并進行試驗，能對軌道設計提供一定的指導作用，減少軌道后期的加工和改動工作，縮短磁浮列車的調(diào)試時間。

2 系統(tǒng)設計

車軌橋梁耦合振動試驗平臺系統(tǒng)總體設計主要包括試驗臺架的設計和激振系統(tǒng)的設計，本文主要對試驗臺架部分進行設計研究。試驗臺架通過更換頻率調(diào)整組件，可以調(diào)節(jié)平臺的振動頻率，通過激振系統(tǒng)向軌道施加激勵力，從而模擬線路的各種干擾。車軌橋梁耦合振動試驗系統(tǒng)包括以下幾個主要部分：試驗臺架、激振器、控制操作臺、懸浮控制器[3]，各部分連接關系如圖1 所示。（1）試驗臺架：包含懸浮架（半幅）、軌道、傳感器、空氣彈簧、空壓機、加載系統(tǒng)等。通過改變軌道的支撐組件，達到調(diào)節(jié)軌道振動頻率的目的，通過改變空氣彈簧的壓強，可以調(diào)節(jié)轉向架的負載大小；（2）激振器：激振器安裝在F 軌的一端，用于實現(xiàn)軌道不同頻率的振動；（3）控制操作臺：用于完成懸浮命令的發(fā)送和狀態(tài)的監(jiān)測；（4）懸浮控制器：控制懸浮架電磁鐵的起落。

2.1 設計目標

車軌橋梁耦合振動試驗臺架主要為車軌橋梁耦合振動的建模、分析、驗證等工作提供試驗平臺。通過更換彈性支撐結構，可以調(diào)節(jié)平臺的固有頻率（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特性。系統(tǒng)的主要技術參數(shù)如表1。

2.2 設計方案

車軌橋梁耦合振動試驗臺架主要由1 根F 軌、4 根軌枕、半幅懸浮架（內(nèi)含兩組4 個電磁鐵、兩個控制器、2 個傳感器）、2 組防滾梁、1 個軌枕支座、4 套軌枕支座與軌枕連接組件、2 根轉軸、2 個轉軸支座、9 套頻率調(diào)節(jié)組件、2 個千斤頂安裝支座、1 套激振系統(tǒng)、1 個激振器安裝支座、1 個加載龍門架等組成，三維模型如圖2 所示。

頻率調(diào)節(jié)組件與振動頻率一一對應，只需更換頻率調(diào)節(jié)組件，即可得到所需振動頻率下的試驗臺架。試驗臺架頻率調(diào)整組件的設計，避免了質量塊加載裝置的設計，以及大質量塊砝碼的更改和安裝難題。

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

3 試驗臺架設計

3.1 結構設計

軌枕支座是試驗臺架的主要組成部分，是軌枕安裝的基礎，采用型鋼焊接而成與地面固連，結構模型如圖3 所示。軌枕支座長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)試驗臺架的振動頻率，是試驗臺架關鍵部件，共有9 套，每套4 組。其中高頻段調(diào)整組件用于獲得振動頻率在21.4Hz 92.3Hz 的試驗臺架，低頻段調(diào)節(jié)組件用于獲得振動頻率在91.18Hz 109.2Hz 的試驗臺架,頻率調(diào)節(jié)組件結構模型如圖4 所示。

圖4 頻率調(diào)節(jié)組件

通過改變高頻段調(diào)整組件和低頻段調(diào)整組件中水平板的厚度，可以獲得不同振動頻率的試驗臺架，頻率調(diào)節(jié)組件與試驗臺架振動頻率對應關系如表2 所示。

表2 頻率調(diào)節(jié)組件與試驗臺架振動頻率對應關系

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來的3t 垂向的作用力，以及懸浮架自身的重量0.569t?？紤]到21.4Hz 所對應頻率調(diào)節(jié)組件中水平板的厚度最薄，只要該水平板強度足夠，則其余水平板的強度也會滿足要求。圖5 為21.4Hz 試驗平臺在上述載荷作用下的等效應力云圖和位移云圖[4]。

圖5 3t 作用力+0.569t 懸浮架自重作用下21.4Hz試驗平臺計算結果

由圖5 可知，21.4Hz 試驗平臺的最大等效Mises 應力為237.9MPa，最大垂向位移為-4.6mm，試驗臺架的板材是Q345，它的屈服強度是345MPa，高于237.9MPa，因此滿足剛強度要求。

3.3 動力學響應分析

取f=f1=21.4Hz 時，圖6 中1、2、3、4 號響應點的垂向位移曲線如圖7 所示。

圖6 試驗臺架中激振力作用點和響應點

圖7 f=f1 時響應點垂向位移曲線

響應點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 軌上各響應點的垂向位移響應基本相同。

取f=5Hz，試驗臺架的振動頻率為f1=21.4Hz，可得f=5Hz 和f=21.4Hz 時響應點1 的垂向位移對比曲線如圖8 所示。

圖8 f=5Hz 和f=21.4Hz 時響應點1 的垂向位移對比曲線

由圖8 可知，f=5Hz 時響應點1 的垂向位移區(qū)間為[-2.01,0.65] mm，遠小于f=21.4Hz 時的相應值。在激振點施加垂向±1t 的集中力，可得F 軌的最大位移分別為0.68mm、2.19mm?？梢?，當激振頻率遠離試驗臺架的振動頻率時，激振力對F 軌的影響與對應的靜載相當。按照表2 的數(shù)據(jù)，改變試驗臺架的一節(jié)振動頻率，分別取激振頻率f 為各試驗平臺的一階頻率，可得響應點1 點垂向位移曲線如圖9 所示。

圖9 f=f2～f9 時響應點1 的垂向位移曲線

統(tǒng)計圖7 和圖9 中各曲線的幅值，見表3。

表3 各試驗平臺上響應點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，試驗臺架的振動頻率越高，試驗臺架的振幅越小。

4 結論

本文以車軌橋梁耦合振動試驗臺為研究對象，通過理論研究分析，搭建試驗系統(tǒng)，為車軌橋梁耦合振動的建模、分析、驗證等工作提供試驗平臺，模擬線路的各種條件，為車軌橋梁耦合振動算法研究提供研究基礎平臺，后續(xù)將對試驗平臺軌道激振系統(tǒng)方案進行研究設計。

4.1 初步設計了車軌橋梁耦合振試驗平臺系統(tǒng)。

4.2 完成了試驗臺架的結構設計和仿真分析。

4.3 試驗臺架可實現(xiàn)軌道振動頻率21Hz～109Hz 范圍的調(diào)節(jié)。