高速磁悬浮列车悬挂系统阻尼参数动态性能研究

高速磁悬浮列车悬挂系统阻尼参数动态性能研究

王奥 高昊 王晨龙 刘柏

(石家庄铁道大学机械工程学院 河北石家庄 050043)

摘要：高速磁悬浮列车实现了车辆与轨道的无接触运行，丰富和完善了交通运输网络，研究高速磁浮列车的一二系悬挂元件阻尼设计参数对时速级别600kM高速磁悬浮列车动力学特性的影响具有重大意义。本文通过建立600km/h速度级磁浮列车仿真模型，在不同阻尼参数下运行，通过仿真分析其对列车动态性能的影响。对一系减振阻尼对列车动态性能影响分析，以及二系横向、垂向减振阻尼的动态影响。

关键词：高速磁悬浮；动力学模型；悬挂系统；阻尼；振动

中图分类号：U237 文献标识码：A

0 引言

磁悬浮列车对环境友好，几乎不需要维护，设计紧凑，允许大规模运输^[1]。在超高速磁悬浮列车上。从振动和乘坐舒适性来看，空气动力学会影响转向架和车体间隙的振动。此外，推进、悬浮和导向(PLG)线圈的不规则性会促进振动，损害稳定性和乘坐舒适性。陈清华^[2]针对磁浮车辆用层状弹簧现有结构垂向刚度调整受限问题,提出了一种通过设计调节孔的方式调整层状弹簧垂向刚度值的方法。廖英英^[3]对于建立包含一系阻尼在内的铁道车辆垂向1/4模型。李刚^[4]建立了超导电动磁悬浮列车的垂向-俯仰运动十四自由度动力学模型。冯国胜^[5]建立了整车骨架有限元分析模型，以满载弯曲工况为例,对其进行了静强度分析。邢武策^[6]选取含分数阶微分项的1/4车辆动力学模型为研究对象，分析了分数阶微分项参数对悬架振动特性的影响。

本文根据高速磁悬浮列车悬挂系统振动以及阻尼减震的特性，建立垂向的数学模型以及单车的高速磁悬浮车辆动力学模型。在输入外界激扰的情况下，改变一系、二系悬挂系统的阻尼值，得到整车振动的特征模型，分析高速磁悬浮列车的动力学性能，为悬挂系统的阻尼值选取提供理论支撑。

1 高速磁悬浮列车及悬挂系统建模

在高速磁悬浮悬浮架中，橡胶悬挂（电磁铁悬挂）为一系悬挂，摇枕空气弹簧部分为二系悬挂。二系悬挂是连接车体和悬浮架的主要构件， 既是承载装置，又是活动关节，还能隔离高频振动。如下图1所示，为导向和悬浮结构力学示意图，无论是传统铁道车辆还是磁悬浮车辆，走行部的结构对于力学传递、曲线通过以及减震都具有重要意义。

图1 悬浮导向力学模型

高速磁悬浮悬浮架的构架分别通过一系悬挂与悬浮电磁铁和导向电磁铁连接。构架分为前后两部分，中间采用纵梁连接

高速磁悬浮在运行时无接触悬挂，因此整车的减震技术研究格外重要，一系、二系悬挂的垂向、横向阻尼刚度对于在高速运行的列车具有重大影响。

一系悬挂系统的橡胶弹簧是一种高弹性体，制作材料采用普通橡胶，橡胶弹簧弹性模量小。受载后有交大的弹性变形，用来吸收来自悬浮、导向电磁铁的冲击和振动，其能够同时受多向载荷。

一系悬挂系统在UM动力学软件中，其一系橡胶弹簧主要采用Bushing特殊的力元模拟，其中最主要的是悬浮电磁铁和悬浮转向架之间的连接。导向电磁铁和悬浮转向架之间的连接，通过连杆连接，其中连杆最主要传递和转向架之间的绕Z轴的转动。导向电磁铁和悬浮架之间的特殊力元称为导铁三角，传递力和减轻振动。一个悬浮转向架当中有6~8个橡胶弹簧，每个橡胶弹簧都对应阻尼参数。其中橡胶弹簧的性能决定了悬浮磁铁相对于悬浮转向架的移动，决定了一系悬挂的参数的好坏。

二系悬挂系统结构主要包括空气弹簧支座、 空气弹簧、摇臂、防滚件、摆杆和Y向限位弹簧等。车体和悬浮架之间通过二系悬挂连接，车体与摆杆之间均采用Bushing特殊的力元，二系中的摇臂和摇杆支架通过转动铰接相连。在动力学软件中，选用命令创建球铰耦合，选用刚度合适的三向弹簧创建Y向限位弹簧。

在动力学软件中，空气弹簧的类型存在很多种，其中力元素的描述包括力和体积的表格实验数据建立的模型，被认为是最精确的模型。

2一系减震阻尼的动态性能影响分析

本文研究在400km/h的惰性运行工况下，施加外界激扰磁悬浮线路不平顺之后，高速磁悬浮车辆在振动频响经过一系悬挂系统时的缩减倍数，通过一系悬挂系统的阻尼改变，得到一系悬挂系统的减震特性，寻找悬挂系统阻尼参数动态性能规律。

本文在惰性工况下，线路条件为直线，改变一系悬挂系统垂向阻尼，设置为基本的3个量级。

高速磁悬浮动力学模型，通过对比发现，在整车模型中垂向振动加速度最大值的位置发生在二系悬挂处。仿真评估不同悬挂系统的阻尼值下高速磁悬浮振动动态性能研究。在施加外界激扰的情况下，振动加速度随着阻尼系数的增大呈现非线性的变化，通过车体的垂向及横向的振动响应分析，得出结论：

（1）车辆一系悬挂系统的垂向刚度和阻尼值比较大，二系悬挂系统对于振动则具有很好的隔振减振作用，传递至车体的垂向振动能量和幅值明显成数量级衰减。

（2）一系悬挂横向振动传递率频繁出现接近1的振动现象，二系悬挂有空气弹簧能提供良好的横向阻尼，因此二系悬挂对于横向振动具有明显的隔振减振效果。

参考文献

1. 徐飞,罗世辉,邓自刚.磁悬浮轨道交通关键技术及全速度域应用研究[J].铁道学报,2019,41(03):40-49.

2. 陈清化.磁浮车辆用层状弹簧结构创新设计研究[J].内燃机与配件,2021(11):12-14.

3. 廖英英,刘永强,杨绍普,魏红梅.高速铁道车辆天棚阻尼悬挂系统时滞稳定性分析[J].石家庄铁道大学学报(自然科学版),2012,25(04):66-71.

4. 李刚. 超导电动磁悬浮列车悬挂系统减振控制策略及其优化研究[D].西南交通大学,2020.

5. 冯国胜,李龙,周凯,王顺,王海花.空气悬架铰接电动客车车身骨架可靠性评估[J].石家庄铁道大学学报(自然科学版),2020,33(02):52-56.

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