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        某中低速磁浮軌道巡檢車動(dòng)力學(xué)特性研究

        2020-12-16 07:34:04朱震寰
        鐵道建筑技術(shù) 2020年9期
        關(guān)鍵詞:振動(dòng)模型

        朱震寰

        (中國鐵建重工集團(tuán)股份有限公司 湖南長沙 410100)

        1 前言

        中低速磁浮由于其環(huán)境友好、選線靈活的優(yōu)勢(shì)在各種類型新型軌道交通中具有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì),并持續(xù)獲得越來越廣泛的應(yīng)用[1-2]。在中低速磁浮系統(tǒng)中,列車與軌道的匹配精度要求高,保證良好的軌道狀態(tài)是保證行車舒適和安全的基礎(chǔ)。在運(yùn)營過程中軌道檢測(cè)是保證安全運(yùn)行的主要措施。

        目前,在磁浮軌道巡檢研究領(lǐng)域,鄧贊[3]對(duì)磁浮維護(hù)牽引車車輛系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真。曾長操等[4]研究了高速磁浮軌道巡檢車的側(cè)向動(dòng)力學(xué)性能和導(dǎo)向系統(tǒng)的安全性。張耿等[5]73建立了唐山低速磁浮試驗(yàn)線的軌道不平順譜。德米特里·波戈列洛夫等[6]基于Universal Mechanism(UM)開發(fā)了磁浮列車-軌道梁耦合振動(dòng)仿真的專用程序UM Maglev。陳琛等[7]采用虛擬激勵(lì)法將軌道不平順產(chǎn)生的隨機(jī)激勵(lì)轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)輸入激勵(lì)。Zhang等[8]研究了基于機(jī)器視覺檢測(cè)技術(shù)的中低速磁浮F軌軌縫的動(dòng)態(tài)檢測(cè)方法。魏高恒等[9]分析了不同波長的軌道垂向激勵(lì)對(duì)磁浮車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的影響。

        CXJ-5磁浮智能巡檢車是中國鐵建重工集團(tuán)股份有限公司針對(duì)中低速磁浮軌道線路智能巡檢功能而開發(fā)的一種集人員輸送及軌道檢測(cè)于一體,具備高速巡檢和低速精細(xì)檢測(cè)模式的新型中低速磁浮軌道工程作業(yè)車。該車設(shè)計(jì)的高速走行速度為25 km/h、低速檢測(cè)速度為5 km/h。為了提升磁浮智能巡檢車運(yùn)行速度,并保證其平穩(wěn)性,增強(qiáng)其適用性,本論文通過建立動(dòng)力學(xué)模型仿真以及工程試驗(yàn)驗(yàn)證來研究該車的動(dòng)力學(xué)特性,并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

        2 中低速磁浮軌道巡檢車動(dòng)力學(xué)模型

        中國鐵建重工集團(tuán)股份有限公司研制的磁浮智能巡檢車如圖1所示。

        該車主要由車體、底盤、檢測(cè)小車及附件構(gòu)成。根據(jù)巡檢車的結(jié)構(gòu),巡檢車的基本組成為:車體、車架、車橋、車輪,其中車體通過6個(gè)減振器與車架相連、車架通過4個(gè)橡膠減振組件與2個(gè)車橋相連、車輪與車軸可相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。車輪與軌道的相互作用力采用Pacejka輪胎模型表示,并將徑向剛度提高,以模擬實(shí)心橡膠車輪與軌道的作用力。車架四周的4個(gè)導(dǎo)向裝置采用車架與軌道間的彈簧模型模擬,整車模型拓?fù)鋱D如圖2所示。

        圖1 中低速磁浮智能巡檢車

        圖2 中低速磁浮軌道巡檢車動(dòng)力學(xué)拓?fù)淠P?/p>

        圖2中車體與車架采用xyz三自由度鉸連接,車架與車橋采用xyz三自由度鉸連接,車橋與車輪之間采用β轉(zhuǎn)動(dòng)自由度鉸連接,車架與地面間采用syzφγψ六自由度鉸連接,車架與車橋間橡膠襯套采用動(dòng)剛度彈簧單元模擬,車體與車架間的減振器采用彈簧阻尼單元模擬,車輪與地面接觸模型采用Pacejka輪胎力模型模擬,導(dǎo)向機(jī)構(gòu)與軌道的導(dǎo)向力采用彈簧單元模擬。

        2.1 主要計(jì)算參數(shù)(見表1)

        表1 模型參數(shù)

        2.2 輪胎模型

        魔術(shù)公式是用三角函數(shù)的組合公式擬合輪胎試驗(yàn)數(shù)據(jù),用一套形式相同的公式表達(dá)輪胎的縱向力Fx、側(cè)向力Fy、回正力矩Mz、翻轉(zhuǎn)力矩Mx、阻力矩My以及縱向力、側(cè)向力的聯(lián)合作用工況。

        魔術(shù)公式的一般表達(dá)式為:

        式中,Y(x)可以是側(cè)向力、回正力矩或者縱向力,自變量x可以在不同的情況下分別表示輪胎的側(cè)偏角或縱向滑移率,式中的系數(shù)B、C、D依次由輪胎的垂直載荷和外傾角來確定。

        本文基于車輪靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及文獻(xiàn)[10-12],選擇較大的徑向剛度數(shù)值和較小的軸向剛度數(shù)值,設(shè)定車輪參數(shù)如表2所示。

        表2 車輪參數(shù) N/m

        2.3 軌道激勵(lì)

        中低速磁浮軌道主要由F軌、軌枕、減振元件、接頭等構(gòu)成,由于結(jié)構(gòu)與鐵路不同,現(xiàn)有的軌道譜不適合作為磁浮軌道上走行的車輛仿真使用。本文基于張耿等[5]76的研究,設(shè)定軌道譜如圖3所示,波長范圍設(shè)為0.3~16 m。

        圖3 軌道不平順譜(時(shí)域)

        3 工程試驗(yàn)概述

        在某磁浮試驗(yàn)線上進(jìn)行工程試驗(yàn),試驗(yàn)速度20 km/h,直線段距離為2.2 km的線路進(jìn)行勻速走行。在座椅安裝座處布置加速度傳感器(美國LORD無線加速度傳感器G-LINK-200)。設(shè)定采樣頻率為256 Hz。將加速度傳感器安裝使得Z軸設(shè)為豎直方向、X軸設(shè)為車輛前進(jìn)方向,Y軸設(shè)為車輛的橫向。

        4 結(jié)果及討論

        4.1 垂向加速度

        如圖4所示,圖4a為動(dòng)力學(xué)仿真所得的車體座椅處垂向加速度的仿真值,圖4b為加速度的頻譜分析圖。

        圖4 車體垂向加速度仿真值

        如圖5所示,圖5a為在線路上試驗(yàn)所測(cè)量得到的車體座椅處垂向加速度的實(shí)測(cè)值,圖5b為加速度的頻譜分析圖。

        對(duì)比圖4與圖5,車體的垂向加速度仿真所得最小為-8 m/s2、最大為8 m/s2,實(shí)測(cè)所得最大值為8 m/s2,最小值為-14 m/s2。在頻譜圖中仿真模型的垂向振動(dòng)能量集中在9 Hz、36 Hz等頻率上,實(shí)測(cè)的垂向振動(dòng)能量集中在3 Hz、9 Hz、35 Hz等頻率上。這表明本文所建立的磁浮智能巡檢車的動(dòng)力學(xué)模型可以基本反映垂向振動(dòng)幅度。不足之處在于振動(dòng)能量頻率來源不夠完全,這是因?yàn)檐壍啦黄巾標(biāo)念l率種類不夠,比如實(shí)際的磁懸浮軌道的隨機(jī)不平順功率譜具有分段特征[13],本論文采用的不平順譜不完全反映實(shí)際磁浮軌道不平順特征[5]76。具體分析梁自身的頻率成分[14-15]包括一階豎向頻率5.365 Hz、二階豎向頻率8.950 Hz、三階豎向頻率9.859 Hz,其中的二階、三階頻率也是車體振動(dòng)的主頻率,因此論文所建模型可以反映車輛運(yùn)行過程中的車體振動(dòng)特性。

        圖5 車體垂向加速度實(shí)測(cè)值

        分析垂向振動(dòng)的頻譜發(fā)現(xiàn),車輛在8~10 Hz的區(qū)域內(nèi),振動(dòng)能量大。而二系的固有頻率為:

        式中,ξ為阻尼系數(shù),k為剛度,m為簧上質(zhì)量。

        計(jì)算得f=9.4 Hz,與圖4中的垂向振動(dòng)頻譜特性的能量最大處一致,因此,車體的垂向振動(dòng)能量主要來源于二系固有振動(dòng)能量,可以認(rèn)為垂向振動(dòng)偏大的問題是二系剛度與軌道激勵(lì)的頻率不匹配所致。

        4.2 車體橫向加速度

        如圖6所示,圖6a為動(dòng)力學(xué)仿真所得的車體座椅處橫向加速度的仿真值,圖6b為加速度的頻譜分析圖。

        圖6 車體橫向加速度仿真值

        如圖7所示,圖7a為在線路上試驗(yàn)所測(cè)量得到的車體座椅處橫向加速度的實(shí)測(cè)值,圖7b為加速度的頻譜分析圖。

        圖7 車體橫向加速度實(shí)測(cè)值

        對(duì)比時(shí)域圖,車體橫向加速度的仿真所得最小值為-2.4 m/s2,最大值為2.3 m/s2,實(shí)測(cè)所得最小值為-3 m/s2,最大值為2.3 m/s2。

        對(duì)比頻域圖,仿真所得的橫向振動(dòng)在頻率為12、14、36 Hz處具有較大能量,實(shí)測(cè)所得的橫向振動(dòng)在頻率2、9、29、36 Hz等處具有較大能量。

        根據(jù)垂向加速度、橫向加速度的仿真值與實(shí)測(cè)值比較分析,仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果接近,因此本文建立的動(dòng)力學(xué)模型可以反映磁浮軌道巡檢車的垂向振動(dòng)以及橫向振動(dòng)特性,可以基于該模型進(jìn)一步研究整車的動(dòng)力學(xué)特性。

        4.3 車輛平穩(wěn)性改進(jìn)

        磁浮軌道巡檢車的高速巡檢功能需要盡可能高的巡檢速度,以利于減少巡檢時(shí)間,提高軌道檢測(cè)效率。而在工程試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),車輛的速度在超過20 km/h時(shí),振動(dòng)顯著變大,平穩(wěn)性變差。論文分析了不同車速下的垂向平穩(wěn)性指標(biāo),車輛在20~22 km/h以及15 km/h以下條件下運(yùn)行垂向平穩(wěn)性指標(biāo)小于3,較為平穩(wěn),而超過20 km/h時(shí),速度越快平穩(wěn)性越差,最高運(yùn)行速度在25 km/h以下。

        為了改善該問題,提高車輛的平穩(wěn)性,基于4.2節(jié)分析,本文采用改變二系剛度選調(diào)節(jié)二系的固有頻率的方法,避免車體振動(dòng)與軌道激勵(lì)的頻率重疊,改善車體的振動(dòng)。在比選市場(chǎng)常用減振器的基礎(chǔ)上,作者選擇了某二系的減振器,其垂向剛度為270 000 N/m。

        分別以不同的速度對(duì)磁浮智能巡檢車整車進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真,依據(jù)GB/T 17426標(biāo)準(zhǔn)對(duì)車體座椅處的垂向振動(dòng)加速度值進(jìn)行處理,分析整車的平穩(wěn)性指標(biāo)。將原減振器參數(shù)與改進(jìn)選型后的減振器參數(shù)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,得到垂向平穩(wěn)性指標(biāo)進(jìn)行如圖8所示。

        圖8 垂向平穩(wěn)性指標(biāo)與速度關(guān)系

        由圖8可見,改善前車輛速度小于25 km/h時(shí),平穩(wěn)性指標(biāo)在3.5~4以內(nèi),達(dá)到貨車平穩(wěn)性良好的要求;在車輛速度25~35 km/h范圍內(nèi),平穩(wěn)性指標(biāo)在4~4.25以內(nèi),達(dá)到貨車平穩(wěn)性合格要求;在超過35 km/h以后,平穩(wěn)性指標(biāo)不合格。

        減振器選型改進(jìn)后,車輛在0~35 km/h的速度區(qū)間垂向平穩(wěn)性指標(biāo)均小于等于3.5,可達(dá)到貨車平穩(wěn)性優(yōu)的指標(biāo)。而在35~45 km/h的速度區(qū)間平穩(wěn)性指標(biāo)在3.5~4以內(nèi),達(dá)到貨車平穩(wěn)性良好的要求。相較現(xiàn)有車輛相比可以顯著改善其平穩(wěn)性,因此選型是合適的。

        5 結(jié)論

        (1)本文建立的磁浮智能巡檢車的動(dòng)力學(xué)模型的仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的時(shí)域特性與頻域基本一致,證明了動(dòng)力學(xué)模型的有效性。

        (2)仿真發(fā)現(xiàn)當(dāng)前車輛配置條件下車輛速度超過25 km/h時(shí)垂向平穩(wěn)性變差。

        (3)通過優(yōu)化車架與車體間減振器參數(shù),進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真,結(jié)果表明新的減振器參數(shù)對(duì)車輛垂向平穩(wěn)性有較大改善,可用于后期中低速磁浮軌道巡檢車改進(jìn)。

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