【摘 要】
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中低速磁浮交通具有噪声低、绿色环保、选线灵活、建设维护成本低等特点,其利用车载电磁铁与轨道之间的电磁吸力产生悬浮,通过主动悬浮控制保持悬浮间隙稳定在8~12 mm之间。由于“车辆-悬浮控制系统-轨道”是一个强耦合的相互动力作用系统,在工程应用中易发生静悬失稳、车轨共振等现象。目前,中低速磁浮交通在国内外的最大商业运营速度不超过110 km/h,市场综合竞争力仍显不足,因此还未得到规模化发展,其中为
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中低速磁浮交通具有噪声低、绿色环保、选线灵活、建设维护成本低等特点,其利用车载电磁铁与轨道之间的电磁吸力产生悬浮,通过主动悬浮控制保持悬浮间隙稳定在8~12 mm之间。由于“车辆-悬浮控制系统-轨道”是一个强耦合的相互动力作用系统,在工程应用中易发生静悬失稳、车轨共振等现象。目前,中低速磁浮交通在国内外的最大商业运营速度不超过110 km/h,市场综合竞争力仍显不足,因此还未得到规模化发展,其中为缓解车桥耦合振动增加了线路工程建设的成本。基于这一背景,本文从车桥耦合振动和不同控制方式两方面研究对车辆动力学的影响。首先基于UM建立了悬挂中置式中低速磁浮车辆动力学仿真模型,分析了不同行车速度下的车辆动力学响应;然后利用Matlab/Simulink软件建立了两种不同作用力传递方式下的车桥耦合模型,分析了两种不同模型下,不同行车速度对轨道梁动力学响应的影响;接着建立了单铁悬浮控制系统模型,分析了悬浮控制参数、轨道梁参数、车辆参数等的变化对单铁悬浮系统动力学响应的影响,以从参数设计上为中低速磁浮车辆动力学性能优化提供理论参考;最后建立了采用三种不同悬浮控制方式的8自由度车辆模型,分析了不同悬浮控制算法下的车辆动力学性能表现,从悬浮控制算法角度为磁浮车辆动力学性能优化提供理论参考。得到的主要结论如下所示:(1)在以唐山中低速磁浮试验线拟合出的轨道不平顺激励下,随着车辆运行速度的增加,车辆的各项动力学响应指标逐渐恶化。车体垂向振动加速度主频随着速度的提高不断增加,人体对该振动频率的敏感程度也逐渐升高,舒适性降低;通过分析谐波形轨道不平顺对车辆动力学响应的影响可以看出:在10~200 m波长范围内,随着谐波不平顺波长的增大,车体垂向振动加速度先增大后减小;随着谐波不平顺幅值的增大,车体及悬浮架的垂向振动加速度都随之增大;(2)随着车辆速度的不断提高,车辆通过后的轨道梁自由振动不断增大,弹簧阻尼力作用下的轨道梁自由振动小于恒定集中力作用下的轨道梁自由振动;轨道梁的跨中最大挠度、最大加速度与速度不是简单的线性关系,当移动集中力的激励频率接近轨道梁的一阶振动频率时,轨道梁的动力响应更大;(3)分析了理想状态反馈控制下不同状态反馈控制参数的单铁系统动力学响应,发现相对速度反馈控制参数kgd的增加有利于悬浮气隙的稳定,绝对位置反馈控制参数kz的增加不利于悬浮气隙的稳定,会造成较大的稳态误差。建立了单铁悬浮车桥耦合模型,分析了轨道梁参数对单铁悬浮系统动力学响应的影响,发现较大的轨道梁阻尼比及轨道梁线密度有利于悬浮系统的稳定;过大及过小的轨道梁抗弯刚度都不利于悬浮系统的稳定;(4)PID控制、分段PID控制以及PID+模糊控制都能够保持较小的悬浮间隙波动,能够保证良好的车辆运行安全性;三种悬浮控制方式下的线圈电流变化情况各不相同,PID反馈+模糊控制的电流均方根值较小,分段PID控制的电流波动幅度较小。
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