尹力明, 趙 華, 劉俊艷

(上海軌道交通設(shè)備發(fā)展有限公司，上海 200233)

經(jīng)過十余年的努力和研究,中國的實用型中低速磁浮列車分別在上海磁浮研究中心與上海電氣集團(tuán)共同組織、投資下,聯(lián)合了國內(nèi)的運營企業(yè)、大學(xué)、研究所和制造企業(yè),組成了“產(chǎn)學(xué)研用”的聯(lián)合體,先后研制了多種車型并建設(shè)了多條試驗線路,如圖1所示。在各自的試驗線上,開展了全面的車輛、線路和部件的試驗研究工作,取得了一系列的應(yīng)用成果。

圖1 中低速磁浮列車試驗線

目前,幾種試驗列車,都完成了懸浮和導(dǎo)向、牽引和制動、網(wǎng)絡(luò)和運行控制等試驗,運行速度均超過了100km/h,試驗運行里程也達(dá)到了5000km以上。在中國經(jīng)濟高速發(fā)展和城市化進(jìn)程加快的社會環(huán)境促進(jìn)下,北京率先規(guī)劃了一條示范性的運營線路,還有許多經(jīng)濟發(fā)達(dá)的城市,也在開始考慮采用中低速磁浮列車,擴大城市軌道交通的運營模式。

中低速磁浮列車盡管具備噪聲低、軌道的轉(zhuǎn)彎半徑小、爬坡能力強的優(yōu)點,但畢竟是近代的軌道交通列車,到目前為止,只有日本的愛知線已經(jīng)實現(xiàn)了載客運營。中低速磁浮列車在我國軌道交通列車發(fā)展史上,才剛剛起步,要想達(dá)到設(shè)計的技術(shù)水平,對列車的運行條件和運行品質(zhì),還需要進(jìn)行測試和考核,以檢驗懸浮控制、牽引和電制動系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性。磁浮列車由于沒有輪對,其運行中的動力學(xué)特性無法通過國內(nèi)的現(xiàn)有試驗設(shè)備進(jìn)行測試[1]。為此,設(shè)計了一種對列車進(jìn)行動力學(xué)試驗的方法,除了可以得到列車各關(guān)鍵部件的固有特性外,還可以在駐留的條件下進(jìn)行系統(tǒng)的特性考核和參數(shù)調(diào)試。

1 磁浮列車的支撐系原理

由圖2所示,中低速磁浮列車的轉(zhuǎn)向架上安裝著懸浮電磁鐵,當(dāng)其線圈上通入直流電流時,它將對倒U型軌道產(chǎn)生電磁吸力,并將轉(zhuǎn)向架的懸浮模塊抬起,起到一次支撐作用[2]。但是,如果電磁鐵的電流不能調(diào)節(jié),電磁鐵將與軌道吸死,無法實現(xiàn)懸浮。利用安裝在電磁鐵上的氣隙傳感器,可以實時地測量其與軌道之間的間隙,并用電信號傳輸?shù)姆绞?送到懸浮控制器中,通過懸浮反饋控制算法的運算,調(diào)節(jié)電磁鐵的電流和電磁吸力,從而實現(xiàn)在當(dāng)前支撐的重力下,使電磁鐵和軌道始終保持在8mm的氣隙不變,產(chǎn)生一次支撐系的穩(wěn)定懸浮的效果。

圖2 磁浮轉(zhuǎn)向架的原理示意圖

每輛磁浮車的車體下,均勻布置3至5臺轉(zhuǎn)向架。每臺轉(zhuǎn)向架的兩側(cè)懸浮模塊上分別串行安裝了4只懸浮電磁鐵,可以正常懸浮支撐約10 t的質(zhì)量。懸浮模塊上的4只電磁鐵又分成兩組,分別由兩個懸浮控制系統(tǒng)施加懸浮控制,即一個轉(zhuǎn)向架有4個懸浮支撐點,可以實現(xiàn)差動和平動點頭、差動和左右搖頭等功能,見圖3。

圖3 轉(zhuǎn)向架和懸浮模塊

轉(zhuǎn)向架的兩個懸浮模塊上還各安裝了1臺感應(yīng)式直線電機,位于軌道的上方,當(dāng)向其通入頻率和電壓都可變的三相交流電壓時,它與軌道間的氣隙中將形成平移磁場。這個磁場再與軌道上的鋁反應(yīng)板產(chǎn)生切割作用,從而建立直線牽引力,推動轉(zhuǎn)向架及車體運動。

車體和轉(zhuǎn)向架之間,還安裝了空氣彈簧,可以起到二次隔振的作用,并提高列車運行的舒適性。

2 在氣隙傳感器的信號輸入端加激擾

氣隙傳感器傳送到懸浮控制計算機中的懸浮氣隙信號,是一個線性的模擬電壓或電流信號,它跟隨電磁鐵和軌道的氣隙變化而改變。如果在氣隙信號中迭加一個正弦變化的信號,則相當(dāng)于人為地改變了輸入的氣隙值,從而調(diào)節(jié)了電磁鐵的電流,使電磁鐵原來設(shè)定的懸浮氣隙發(fā)生周期變化。這個迭加的偽氣隙信號的等效電壓的幅值,應(yīng)該相當(dāng)于改變了約±2～4mm的氣隙值,這個信號的表達(dá)式為

式中:ug為加到懸浮控制器中的偽氣隙信號電壓,并與給定的氣隙信號進(jìn)行疊加;gg為懸浮電磁鐵與軌道間的懸浮氣隙;Gm為等效的氣隙變化幅值,約為±2～4mm;Um為偽氣隙信號的幅值。

在外加這個偽氣隙信號后,由于懸浮電磁鐵相對于軌道產(chǎn)生周期性的氣隙變化,電磁鐵將帶動轉(zhuǎn)向架上下運動,必然會引起車體也發(fā)生相對的運動,相當(dāng)于給列車加入了一個交變的激勵信號。如果將這個偽氣隙信號改變?yōu)橛幸欢ㄖ芷诘姆讲ㄐ盘?還可以考核懸浮系統(tǒng)的動態(tài)跟蹤響應(yīng)品質(zhì)。

如果將這個正弦的偽氣隙信號全部以同相位的條件,加到5個轉(zhuǎn)向架上的20個懸浮系統(tǒng)中,只要改變交變頻率,就會引起所有轉(zhuǎn)向架上的懸浮電磁鐵上下同步運動,同時改變了懸浮電磁鐵的電磁吸力和運動速度,從而檢測和考核到各主要部件的固有振動頻率、功率電源設(shè)備對懸浮系統(tǒng)的適應(yīng)能力。

比如:由于 ω=2πf,當(dāng) f從0.2～200Hz慢慢掃頻時,初期列車的車體會隨著轉(zhuǎn)向架的上下運動而運動。由于車下二系懸掛空氣彈簧的固有頻率在1Hz左右,當(dāng) f≥1Hz之后,電磁鐵的運動逐漸加快,但是車體的運動卻逐漸停止,甚至不再運動。當(dāng)5Hz≤f≤10Hz時,轉(zhuǎn)向架會發(fā)生第一次劇烈震動,這個頻率就是懸浮反饋控制系統(tǒng)的固有調(diào)節(jié)頻率。如果繼續(xù)升高偽氣隙信號的頻率,可以發(fā)現(xiàn)電磁鐵不再運動,而軌道會震動起來,這樣就找到了軌道的固有震動頻率。

顯然,一個穩(wěn)定的列車懸浮系統(tǒng),其懸浮控制系統(tǒng)的固有調(diào)節(jié)頻率,應(yīng)該大于二系空氣彈簧的固有振動頻率近10倍頻程,軌道的固有振動頻率也應(yīng)該大于懸浮控制系統(tǒng)近10倍頻程為好。在實際的設(shè)計和調(diào)試中,一般很難滿足這樣的條件。但是,這幾個固有頻率的分配關(guān)系,還是應(yīng)該越遠(yuǎn)越好。

在這種外加激擾的條件下,也可以用來精細(xì)地調(diào)節(jié)系統(tǒng)的主要關(guān)鍵參數(shù),從而考核懸浮控制系統(tǒng)的品質(zhì)。這種條件在運行狀態(tài)下是很難實現(xiàn)的,許多事件一瞬而逝,難以及時捕捉。一旦為此修改了一個參數(shù),還要反復(fù)地運行檢驗,即費時又費錢,常常難以浮現(xiàn)以往出現(xiàn)的狀態(tài)。

如果以相同的頻率,用不同相位的偽氣隙信號,加在前后轉(zhuǎn)向架不同位置的懸浮控制器上,還可以模擬軌道不平順的運行條件,以考核懸浮控制系統(tǒng)適應(yīng)軌道變化的各種能力,從而精細(xì)地選擇系統(tǒng)的主要關(guān)鍵參數(shù),以及附加的懸浮支持和保護(hù)軟件的功能。在這種條件下連續(xù)工作,還可以考核懸浮系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

對于軌道不平順的激擾方式,各種偽氣隙信號需要考慮不同的列車運行速度v以及均布轉(zhuǎn)向架的等效長度l。如果設(shè)定軌道的最小不平順周期長度為S,則轉(zhuǎn)向架在運行時的點頭周期頻率為

還可以看到,轉(zhuǎn)向架的等效長度l相對最小不平順周期長度S的比值為l/S,如果把列車運行S距離看成一個點頭運行周期,則轉(zhuǎn)向架運行l(wèi)距離所等效的相位差為

這個偽氣隙信號可以表述為

式中:m為車輛上均布的轉(zhuǎn)向架編號;ugm為加到懸浮控制器中的偽氣隙信號電壓,并與給定的氣隙信號進(jìn)行疊加。

由于兩個轉(zhuǎn)向架相鄰的兩個懸浮系統(tǒng)中的各自氣隙傳感器的間距相對轉(zhuǎn)向架的等效長度l比較小,故可以認(rèn)為這兩個懸浮系統(tǒng)是同步運動的。

如果以相同的 f≤2Hz頻率,并互差180°相位的偽氣隙信號,分別加在轉(zhuǎn)向架兩側(cè)的懸浮模塊的懸浮控制系統(tǒng)中,轉(zhuǎn)向架的上下運動將產(chǎn)生差動,列車的車體會引起左右搖擺。記錄這個搖擺的幅度和衰減速率,從而可以測量和考核列車抗搖擺阻尼的能力,以便選擇合適的懸浮控制系統(tǒng)的阻尼參數(shù)。如果采用改變阻尼系數(shù)的方式,仍然不能改善車體的搖擺品質(zhì),就需要考慮加入抗側(cè)滾的部件,如抗側(cè)滾扭桿。

將車體用拉桿進(jìn)行約束,在進(jìn)行這種激擾測試的同時,還可以對牽引電機實施牽引和電制動控制,并使電機的電流加載到最大值,以測量懸浮系統(tǒng)對直線電機法向力的適應(yīng)能力。快速地增減電機的工作電流,還可以檢測懸浮系統(tǒng)對列車運行中的抗電機沖擊干擾的能力和品質(zhì)。

3 多轉(zhuǎn)向架的不同模態(tài)的激擾方法

采用數(shù)字信號處理(Digit Signal Process,DSP)計算機系統(tǒng)[3],編制偽氣隙信號發(fā)生器的軟件,分成20路電流型輸出信號。這些信號經(jīng)過采樣、調(diào)理、濾波送入對應(yīng)懸浮控制器中的DSP計算機的一個 A/D(模擬/數(shù)字信號)轉(zhuǎn)換口,通過懸浮控制軟件的簡單修改,讓其與原氣隙傳感器的信號求和,即可以實現(xiàn)這樣的疊加激擾效果。電流型的輸入信號的前置處理,最好在懸浮控制器中附加一塊小電路板來實現(xiàn),并且離懸浮控制系統(tǒng)信號采集用的DSP計算機板越近越好,以免產(chǎn)生不必要的干擾。在進(jìn)行激擾試驗時,可以通過軟件的編制來實現(xiàn)20路信號的頻率、相位、激擾方式的改變和選擇等。

如果定義列車的某一個端部的第一臺轉(zhuǎn)向架為前進(jìn)方向,則稱其是B1號轉(zhuǎn)向架。那么,這臺轉(zhuǎn)向架的右邊懸浮模塊稱其為B1R,左邊的懸浮模塊就稱其為B1L。它們前端的懸浮控制器就稱之為B1Rq、B1Lq,照此辦理,它們后端的懸浮控制器就稱之為B1Rh、B1Lh。接下來,之后的轉(zhuǎn)向架上的懸浮控制器的編號就可以一一確定了,如:B2Rq、B2Lq、B2Rh、B2Lh、B3Rq、B3Lq、B3Rh、B3Lh、B4Rq 、B4Lq 、B4Rh 、B4Lh 、B5Rq 、B5Lq 、B5Rh 、B5Lh 。

把不同的激擾試驗和對應(yīng)的激擾信號進(jìn)行組合,可以用如表1所示的列表來表示。

以上敘述的只是3種動力學(xué)激擾的方式,根據(jù)需要還能夠衍生成多種動力學(xué)的激擾測試條件,可以因列車的測試要求得到不同的組合。由于中低速磁浮列車的導(dǎo)向控制是自穩(wěn)定的,為此,上述方法無法進(jìn)行轉(zhuǎn)向架的側(cè)向激擾,應(yīng)該采用機械裝置來實現(xiàn)。但是,對于有導(dǎo)向懸浮控制系統(tǒng)的高速磁浮列車,則可以用同樣的方法實施側(cè)向激擾。

表1 激擾信號的對應(yīng)關(guān)系

不過,這種駐留式的激擾試驗、調(diào)試和測量,決不能取代實際的線路運行和試驗,它只能是運行試驗和測試的一種補充,使調(diào)試更加便利、規(guī)范和減少盲目,需要引起重視。

4 結(jié) 語

國內(nèi)近年來完成的兩個主要的中低速磁浮列車試驗平臺和線路都取得了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的完整成果,系統(tǒng)和裝備完全可以在國內(nèi)制造和維護(hù),具備了可持續(xù)發(fā)展的潛力。但是,從試驗和運行的狀況來講,要想達(dá)到安全和可靠地商業(yè)載客運營,還需要踏踏實實地做好工程化的研究、測試和型式試驗的工作,才能保證對政府的投資和乘客的旅行安全負(fù)責(zé)。

商業(yè)載客運營的磁浮列車的動力學(xué)品質(zhì)對列車運行的安全性和舒適性有著重要的影響。試驗的數(shù)據(jù)結(jié)果也關(guān)系到中低速磁浮列車能否取得運營許可證和能否在行業(yè)產(chǎn)生良好信譽,并被乘客所認(rèn)可。為此,獲得一系列的試驗數(shù)據(jù)是必須引起關(guān)注和重視的技術(shù)問題。

成熟的輪軌列車在動力學(xué)試驗設(shè)備方面,已經(jīng)通過巨額的投資,建設(shè)了多個試驗基地,對我國的軌道列車的研發(fā)和試驗做出了巨大和有效的貢獻(xiàn)。中低速磁浮列車的研發(fā)還處于小批量和少型號的階段,建立完整的動力學(xué)試驗基地,還是缺少產(chǎn)品的支撐。利用現(xiàn)有車載設(shè)備,輔助外部試驗裝置,間接地完成同類型的動力學(xué)試驗,獲得有參考價值的數(shù)據(jù),可以取得事半功倍的效果。

我國近幾年研制的幾型中低速磁浮列車完全具備自主知識產(chǎn)權(quán)。鑒于現(xiàn)有的組織和研發(fā)的現(xiàn)狀,還是有組合國內(nèi)各家技術(shù),總結(jié)經(jīng)驗和教訓(xùn),共同開展攻關(guān)的必要。這種條件的實現(xiàn),應(yīng)該由更高層的機構(gòu)來進(jìn)行統(tǒng)一的專業(yè)協(xié)調(diào)和技術(shù)研討。

[1]戴煥云,曾 京,楊士杰,等.地鐵轉(zhuǎn)向架滾動振動試驗報告[R].TPL2010-21.西南交通大學(xué)牽引動力國家重點實驗室編寫,成都:2010:1.

[2]尹力明,劉俊艷,馮國強.交流變頻調(diào)速系統(tǒng)在城市軌道交通中的應(yīng)用[J].裝備機械,2010(2):44.

[3]劉向東.DSP技術(shù)原理與應(yīng)用[M].北京:中國電力出版社,2007:2.