宗凌瀟 胡俊雄 李騰飛 馬衛(wèi)華

(1.中鐵磁浮交通投資建設(shè)有限公司 湖北武漢 430000；2.西南交通大學(xué) 四川成都 610000)

1 概述

鐵路運(yùn)輸作為現(xiàn)代化運(yùn)輸業(yè)的最主要運(yùn)輸方式之一，與其他運(yùn)輸方式相比，具有運(yùn)量大、運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)和成本低、準(zhǔn)確性和連續(xù)性好、線路受自然環(huán)境影響小的優(yōu)點(diǎn)[1]，是鋼鐵、煤炭等大宗貨物最佳的運(yùn)輸方式[2]。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，目前我國(guó)在全國(guó)范圍內(nèi)雖已逐步建立起了完善的鐵路貨物運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)，但對(duì)于中短途的物料運(yùn)輸系統(tǒng)還存在技術(shù)落后、運(yùn)輸效率低等不足之處，有待進(jìn)一步發(fā)展完善[3-4]。而傳統(tǒng)鐵路運(yùn)輸存在始建投資大、建設(shè)周期長(zhǎng)、周邊基建設(shè)施復(fù)雜等缺點(diǎn)[5-6]，使得其在中短途的貨物運(yùn)輸業(yè)務(wù)中投資回報(bào)率不高，適用性不強(qiáng)。所以發(fā)展新形式的中短途物料運(yùn)輸系統(tǒng)顯得尤為迫切。

目前新興的中短途運(yùn)輸方式主要有[7-8]:(1)磁管道技術(shù)。源于麥格普林磁飛機(jī)技術(shù)公司所開發(fā)的直線同步電機(jī)(磁推進(jìn))的磁飛機(jī)技術(shù)，由美國(guó)麥格普林磁管道技術(shù)公司(MPT)于2000年研發(fā)出來(lái)，它基于磁懸浮載客運(yùn)輸系統(tǒng)的幾個(gè)基本要素，將磁懸浮技術(shù)的基本技術(shù)運(yùn)用到了磁管道運(yùn)輸上。(2)磁動(dòng)力物料運(yùn)輸系統(tǒng)。以張家口物料運(yùn)輸系統(tǒng)為代表。該磁動(dòng)力物料運(yùn)輸系統(tǒng)主要可分為車輛及軌道、直線電機(jī)、驅(qū)動(dòng)及運(yùn)行控制、基礎(chǔ)土建四大系統(tǒng)，其中前三個(gè)系統(tǒng)是其核心技術(shù)。車輛與軌道系統(tǒng)主要需考慮車輛的裝卸需求、軌道設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性、系統(tǒng)運(yùn)輸?shù)陌踩缘葐栴}。

其中，磁動(dòng)力物料運(yùn)輸系統(tǒng)是近年來(lái)發(fā)展的一種新的運(yùn)輸方式，通過改變傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式，優(yōu)化車輛和軌道設(shè)計(jì)，使其具有運(yùn)行平穩(wěn)快速、曲線通過性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制靈活方便等優(yōu)點(diǎn)，在中短途運(yùn)輸中具有廣闊的應(yīng)用前景。故本文提出了一種新型的磁動(dòng)力物料運(yùn)輸小車技術(shù)方案，采用永磁直線同步電機(jī)為驅(qū)動(dòng)，輪軌支撐的新型軌道運(yùn)輸方式，這種方式具有線路建設(shè)簡(jiǎn)單且成本低、靈活性高等特點(diǎn)，為中短途物料運(yùn)輸提供了一種新的解決方案。

2 整車技術(shù)方案

磁動(dòng)力物料運(yùn)輸小車的基本原理與直線電機(jī)地鐵車輛類似，通過輪軌接觸關(guān)系來(lái)支撐和導(dǎo)向，永磁同步直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)。車輛系統(tǒng)作為整個(gè)磁動(dòng)力物料運(yùn)輸系統(tǒng)的核心部分，其基本方案是:單節(jié)車采用短車體支撐在一個(gè)轉(zhuǎn)向架上，車體為帶可翻轉(zhuǎn)蓬蓋的篷車結(jié)構(gòu)。構(gòu)架通過一系懸掛支撐在軸箱上，構(gòu)架設(shè)計(jì)為中部下沉結(jié)構(gòu)，下沉區(qū)域的底部吊掛永磁陣列模塊，與軌道上的定子線圈相互作用為車輛提供驅(qū)動(dòng)力和制動(dòng)力。單節(jié)車主要技術(shù)參數(shù)如表1。

表1 主要技術(shù)參數(shù)

轉(zhuǎn)向架為實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)和承載的主要部件，是磁動(dòng)力物料運(yùn)輸車輛結(jié)構(gòu)中核心部件之一。轉(zhuǎn)向架構(gòu)架為中空的框架結(jié)構(gòu)型式，用于安裝和承載物料儲(chǔ)箱。采用獨(dú)立輪對(duì)方案實(shí)現(xiàn)直線電機(jī)動(dòng)子的安裝空間要求，同時(shí)可以增加車體的裝載空間。獨(dú)立輪對(duì)系統(tǒng)包括中間下凹結(jié)構(gòu)的軸橋，軸橋兩側(cè)軸頸部分通過軸承安裝車輪，利用密封環(huán)、鎖緊裝置等軸承進(jìn)行鎖緊。由于列車不載人以及運(yùn)行速度低，轉(zhuǎn)向架不設(shè)置二系懸掛，僅通過螺旋鋼彈簧加橡膠墊構(gòu)成的一系懸掛來(lái)緩解振動(dòng)。

列車采用Halbach磁體的長(zhǎng)定子永磁同步直線電機(jī)牽引與制動(dòng)。定子電樞繞組分段敷設(shè)在軌道中部，動(dòng)子(次級(jí))則由多塊不同充磁方向的Halbach永磁體陣列組成[9]，動(dòng)子通過吊桿和螺栓吊掛在構(gòu)架下凹位置。電機(jī)采用地面牽引供電和控制，牽引供電系統(tǒng)把電網(wǎng)的電能經(jīng)過降壓、整流、逆變、轉(zhuǎn)化為電壓頻率可控的輸出電源，通過分段的電纜和開關(guān)，對(duì)軌道上的長(zhǎng)定子電樞繞組供電。牽引控制系統(tǒng)按照運(yùn)控系統(tǒng)的設(shè)定值執(zhí)行控制命令，對(duì)列車進(jìn)行閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)運(yùn)行。

車體主要由儲(chǔ)料箱和頂蓋組成。車體和頂蓋之間采用合頁(yè)連接，利用頂蓋的翻蓋來(lái)實(shí)現(xiàn)物料裝載和卸載功能。5節(jié)相同技術(shù)規(guī)格的車輛構(gòu)成一組列車單元，如圖1，車輛間采用牽引桿連掛。由于采用地面牽引控制實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛，車上不設(shè)司機(jī)室。

圖1 列車編組單元裝配

3 永磁同步直線電機(jī)分析

3.1 永磁同步直線電機(jī)理論模型

本設(shè)計(jì)采用永磁同步直線電機(jī)由安裝在構(gòu)架上的Halbach永磁體陣列和安裝在軌道上的長(zhǎng)定子線圈組成。永磁同步直線電機(jī)的工作原理如圖2所示，永磁體和線圈的極距必須相同，因此可將直線同步速度Us表達(dá)為:

圖2 永磁同步直線電機(jī)示意

式中，f為三相交流電頻率；lt為極距。

針對(duì)同步直線電機(jī)，基本假設(shè):動(dòng)子產(chǎn)生的磁場(chǎng)遠(yuǎn)大于定子產(chǎn)生的磁場(chǎng)，忽略由于交流電樞電流引起的電樞反應(yīng)(即氣隙磁場(chǎng)的畸變)[10]可得:

式中，P為電機(jī)功率；V0為電樞感應(yīng)電壓；I為相電流；φ為功率因數(shù)角；Fx為電機(jī)推力；Us為直線同步速度；R為相電阻。

基于上述假設(shè)可令車載Halbach永磁在動(dòng)子線圈處產(chǎn)生的磁通密度垂向分量滿足余弦函數(shù)分布[11]:

式中，x為縱向坐標(biāo)；B0為垂向分布最大值；ω0為分布角頻率。

電機(jī)電樞線圈一極包圍的磁通量為:

式中，s為磁場(chǎng)寬度；xo＝Ust為線圈相對(duì)于磁場(chǎng)的位置。

綜合式(3)、(4)可得一極電樞的感應(yīng)電壓:

式中，n為繞組匝數(shù)。

在忽略諧波影響的理想條件下，穩(wěn)態(tài)時(shí)的電壓平衡方程表達(dá)為:

式中，V為外加電壓；R為相電阻；L為相電感；I為相電流；Vei為感應(yīng)電壓Vi的振幅；δ為外電壓與感應(yīng)電壓的相位差；ω＝πUS/It。

功率因數(shù)cosφ為:

可知每相產(chǎn)生的機(jī)械功率為:

由此確定推力為:

3.2 參數(shù)設(shè)計(jì)案例

根據(jù)列車的技術(shù)要求，確定初步電機(jī)參數(shù):輸入電壓V＝750 V，同步速度Us＝10 m/s＝36 km/h，線圈匝數(shù)n＝10，磁場(chǎng)寬度s＝0.6 m，線圈處的磁感應(yīng)強(qiáng)度垂向分量峰值B0＝0.2 T，電機(jī)極數(shù)N＝8，相電阻R＝1.8 Ω，相電感L＝42.2 mH，極距l(xiāng)t＝0.3 m。

結(jié)合上述理論計(jì)算公式進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證，代入?yún)?shù)計(jì)算可得輸入頻率f＝16.67 Hz，此時(shí)同步電機(jī)的特性曲線如圖3所示。

圖3 同步電機(jī)特性曲線

結(jié)合特性曲線計(jì)算可得，若電機(jī)以推力7 000 N運(yùn)行，功率角約為38.3°，此時(shí)相電流為128 A，功率因數(shù)為0.55，可以滿足最大功率要求。對(duì)于其他技術(shù)參數(shù)可以類比進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。

3.3 Halbach永磁體陣列參數(shù)分析

永磁體選取N48H，其最高工作溫度為120℃，矯頑力約為1×106 A/m，確定永磁陣列設(shè)計(jì)要求如表2所示。基于Maxwell軟件建立不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的Halbach永磁陣列有限元模型，校核磁場(chǎng)強(qiáng)度滿足定子線圈的要求。

表2 永磁陣列設(shè)計(jì)要求

根據(jù)3.2節(jié)的理論設(shè)計(jì)案例，要求永磁陣列的垂向磁場(chǎng)強(qiáng)度不小于0.2 T。基于上述設(shè)計(jì)的永磁陣列參數(shù)，校核工作間隙15～35 mm時(shí)的永磁陣列垂向磁場(chǎng)強(qiáng)度，如圖4所示?？梢钥闯鲈诓煌ぷ鏖g隙內(nèi)，磁場(chǎng)強(qiáng)度峰值絕對(duì)值均大于0.2 T。

圖4 垂向磁場(chǎng)強(qiáng)度分布

4 動(dòng)力學(xué)建模與仿真

4.1 動(dòng)力學(xué)建模

列車采用5節(jié)編組，每節(jié)車配有1個(gè)轉(zhuǎn)向架，單個(gè)轉(zhuǎn)向架包含1個(gè)H型構(gòu)架，2個(gè)軸橋，2個(gè)獨(dú)立輪對(duì)和4個(gè)導(dǎo)框式定位軸箱，共9個(gè)剛體。利用多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件SIMPACK建立磁動(dòng)力物料運(yùn)輸小車的動(dòng)力學(xué)模型[12]。

在建模時(shí)考慮:傳統(tǒng)輪對(duì)具有6個(gè)自由度，而獨(dú)立車輪與之不同的是，左右獨(dú)立車輪及與之相連的軸橋組成所謂“輪組”，共有7個(gè)自由度(即三個(gè)方向的平移、轉(zhuǎn)動(dòng)自由度及相對(duì)于軸橋的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度)。車體和構(gòu)架具有垂向、橫向、縱向、側(cè)滾、點(diǎn)頭、搖頭6個(gè)自由度；軸箱只有點(diǎn)頭自由度，因此單節(jié)整車共計(jì)17個(gè)自由度。

4.2 動(dòng)力學(xué)仿真分析

仿真時(shí)考慮空載與滿載兩種工況，并以設(shè)計(jì)最高速度36 km/h進(jìn)行仿真分析，按照GB/T 5599—2019進(jìn)行動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定，直線平穩(wěn)性分析時(shí)采用美國(guó)5級(jí)軌道譜模擬實(shí)際軌道不平順。

4.2.1 直線平穩(wěn)性

(1)平穩(wěn)性指標(biāo)

在GB/T 5599—2019中規(guī)定，車輛平穩(wěn)性指標(biāo)一般采用Sperling指數(shù)。Sperling指數(shù)是對(duì)在機(jī)車車輛上的旅客和乘務(wù)員乘坐舒適性、運(yùn)送貨物完好性的度量方法，是評(píng)價(jià)列車運(yùn)行平穩(wěn)性的綜合指標(biāo)，計(jì)算公式如下:

式中，W是平穩(wěn)性指標(biāo)；A為振動(dòng)加速度；F(f)為頻率修正系數(shù)；f為振動(dòng)頻率。

式(11)的平穩(wěn)性指數(shù)只適用一種頻率一個(gè)振幅的單一振動(dòng)，但實(shí)際上車輛在線路上運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)是隨機(jī)的，即振動(dòng)頻率和振幅都是隨時(shí)間變化的。因此在整理車輛平穩(wěn)性指數(shù)時(shí)，通常把實(shí)測(cè)的車輛振動(dòng)加速度按頻率分解，進(jìn)行頻譜分析，求出每段頻率范圍的振幅值，然后對(duì)每一頻段計(jì)算各自的平穩(wěn)性指數(shù)，再求出全部頻段總的平穩(wěn)性指數(shù)，如下式:

我國(guó)對(duì)貨車平穩(wěn)性指標(biāo)的相關(guān)規(guī)定見表3。

表3 貨車平穩(wěn)性指標(biāo)等級(jí)

表4是通過仿真數(shù)據(jù)計(jì)算出的空、重車工況下橫向和垂向得平穩(wěn)性指數(shù)?？梢钥闯鲎畲蟮钠椒€(wěn)性指數(shù)也遠(yuǎn)小于3.5，達(dá)到了優(yōu)秀的平穩(wěn)性水準(zhǔn)。

表4 平穩(wěn)性指數(shù)

(2)振動(dòng)加速度

圖5、圖6是空載和滿載兩種狀態(tài)下列車的時(shí)域振動(dòng)加速度?？傮w來(lái)看重車的振動(dòng)狀態(tài)要優(yōu)于空車，空車最大的橫向振動(dòng)加速度絕對(duì)值為2.5 m/s2，垂向加速度峰值約為1 m/s2。

圖5 車體橫向加速度

圖6 車體垂向加速度

貨車的振動(dòng)加速度的評(píng)定限值為標(biāo)準(zhǔn):垂向加速度≤5.0 m/s2，橫向加速度≤3.0 m/s2。因此無(wú)論是空載還是滿載狀態(tài)，列車的橫向加速度和垂向加速度值均在限值范圍內(nèi)，滿足使用要求。

4.2.2 曲線通過安全性

曲線通過安全性主要關(guān)注列車的脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軌橫向力等指標(biāo)。目前，針對(duì)非木軌枕軌道線路，輪軌橫向力一般取不大于0.4倍軸重時(shí)即是符合允許限度的要求，即:

由于研究對(duì)象為3.6 t軸重小車，因此要求輪軌橫向力不大于14.4 kN，由圖7a可知，空車工況和重車工況下的輪軌橫向力最大值遠(yuǎn)低于最小限度14.4 kN，故輪軌橫向力指標(biāo)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

GB/T 5599—2019規(guī)定，當(dāng)作用于車輪的橫向力Q時(shí)間大于0.05 s，車輛的脫軌系數(shù)應(yīng)符合以下條件:

式中，Q為輪軌橫向力(kN)；P為輪軌垂向力(kN)。

從圖7b可以看出該列車在空車和重車工況下的脫軌系數(shù)最大值分別為0.6和0.38，遠(yuǎn)小于最小限度1，故脫軌系數(shù)指標(biāo)滿足安全要求。

圖7 輪軌橫向力與脫軌系數(shù)

GB/T 5599—2019規(guī)定，輪重減載率評(píng)定按速度分類如下:

式中，ΔP為輪重減載量(kN)；為減載側(cè)和增載側(cè)車輪的平均輪重(kN)。

由圖8a可知，兩種工況下的輪重減載率最大值都不超過0.25，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于最小限度0.65，故輪重減載率指標(biāo)也滿足安全要求。

圖8 輪重減載率與相鄰車最小距離

小曲線通過時(shí)相鄰車體可能發(fā)生機(jī)械干涉行為，圖8b是監(jiān)測(cè)的相鄰車端距離，可以看出列車通過50 m半徑的曲線時(shí)的最小距離在80 mm左右，不會(huì)存在部件干涉問題，滿足安全運(yùn)行要求。

5 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了由輪軌支撐和永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)的新型磁動(dòng)力物料運(yùn)輸列車方案，列車在運(yùn)控系統(tǒng)的指令下自動(dòng)駕駛，能夠高效率、低成本地解決運(yùn)輸問題。

(2)建立了永磁同步直線電機(jī)理論模型，基于列車的技術(shù)指標(biāo)對(duì)定子線圈以及Halbach永磁陣列進(jìn)行了設(shè)計(jì)案例分析。

(3)建立了列車動(dòng)力學(xué)模型，仿真分析了列車的直線平穩(wěn)性和曲線安全性，結(jié)果表明設(shè)計(jì)列車具有較好的動(dòng)力學(xué)性能，能夠滿足使用要求。