CN106441953A - 一种磁悬浮列车车轨耦合共振试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁悬浮列车车轨耦合共振试验装置，包括装置支架，弹簧固定设置在支架上表面，轨道设置在弹簧之上，轨道两端分别设置有至少一个弹簧，轨道下方设置有电磁铁，电磁铁上设置有间隙传感器，所述弹簧的刚度和轨道质量均可调节。能够模拟真实磁悬浮系统的特性，研究车轨耦合共振的情况，提高悬浮控制系统的稳定性，从而提高磁悬浮列车运行的安全性和舒适性。同时一些新的抑制车桥耦合共振的算法也可以在该装置上进行试验。

Description

一种磁悬浮列车车轨耦合共振试验装置

技术领域

本发明涉及到磁悬浮列车领域，尤其涉及一种磁悬浮列车车轨耦合共振试验装置。

背景技术

尽管磁悬浮系统近年来在全世界范围内发展迅速，但它还存在一些问题值得深入研究，以进一步优化系统性能和降低系统造价。其中磁悬浮列车的车轨耦合自激振动问题就是当前磁悬浮系统商业化进程中亟待解决的一个问题。它表现为当磁悬浮车辆静止悬浮在某段轨道上，或慢速通过某段轨道时，轨道和磁悬浮列车的电磁铁会同时出现大幅振动的现象。这种振动有时表现为频率恒定的等幅振荡，有时又表现为幅值不断增大的共振现象。对于前者，这种振动会显著增大噪声污染，使车上乘客感到不适，并导致轨道结构产生一定程度的损伤；对于后者，振幅不断增大的振动会导致电磁铁碰撞轨道而使悬浮失败。对于磁悬浮列车来说，悬浮控制系统的稳定性对于列车的行车安全具有至关重要的影响，因此，车轨耦合自激振动问题会对磁悬浮系统的运行安全性、舒适性产生重大影响。

为了克服磁浮列车的车轨耦合自激振动，目前普遍采用的方法有两种：第一，增加轨道刚度。然而，这样做一方面会使磁浮轨道显得笨重并增加系统造价，另一方面这种方法并不总是有效。第二，调节悬浮控制器的参数。实践表明，在一定范围内调整控制器的参数可以减弱耦合振动的强度；然而，受实际条件的制约，悬浮控制器的参数调节范围有限，这种方法的有效性也不能得到保证。如何找到一套既能降低轨道造价，又能避免车轨耦合自激振动的方法也是磁悬浮技术领域关注的热点。

总体来说，尽管国内外学者在研究中大都意识到磁浮列车悬浮控制系统的固有频率和轨道的频率对车轨耦合系统的稳定性存在联系，但这些频率间的相对关系同耦合系统稳定性之间的联系并没有被深层次的揭示出来；此外，在商业线上，磁悬浮轨道梁的特性是固定而不可轻易改动的，在商业磁悬浮线路上进行车轨耦合共振试验会受到很多条件限制，以上大部分研究的结论尚未得到实验验证。

因此如何能够模拟真实磁悬浮系统的特性，研究车轨耦合共振的情况，提高悬浮控制系统的稳定性，从而提高磁悬浮列车运行的安全性和舒适性成为本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

基于上述技术难题，本发明提供一种磁悬浮列车车轨耦合共振试验装置，能够模拟真实磁悬浮系统的特性，研究车轨耦合共振的情况，提高悬浮控制系统的稳定性，从而提高磁悬浮列车运行的安全性和舒适性，该装置与现有技术中公开的技术方案不同。

本发明提供的磁悬浮列车车轨耦合共振试验装置，一种磁悬浮列车车轨耦合共振试验装置，包括装置支架，弹簧固定设置在支架上表面，轨道设置在弹簧之上，轨道两端分别设置有至少一个弹簧，轨道下方设置有电磁铁，电磁铁上设置有间隙传感器，所述弹簧的刚度和轨道质量均可调节。

优选地，所述电磁体极板两侧还设置有垂向导向装置。

优选地，所述垂向导向装置为直线轴承导向装置。

优选地，电磁铁极板与垂直导向装置之间设置有电磁铁支座，电磁铁支座下部沿垂直方向设置有二次悬挂系，二次悬挂系包括安装砝码的平台、若干个长弹簧和若干个二次系阻尼器。

优选地，所述电磁铁支架上部沿垂直方向设置有支撑装置，包括螺杆和橡胶支座。

优选地，所述穿过轨道上下表面设置有轨道阻尼器，所述轨道阻尼可通过轨道阻尼器调节。

优选地，弹簧的刚度通过增加或者减少弹簧的数量调节。

优选地，所述轨道质量通过在轨道上增加或减少质量调节。

本发明的装置能够模拟真实磁悬浮系统的特性，研究车轨耦合共振的情况，提高悬浮控制系统的稳定性，从而提高磁悬浮列车运行的安全性和舒适性。同时一些新的抑制车桥耦合共振的算法也可以在该装置上进行试验。

附图说明

图1为本发明提供的磁悬浮列车车轨耦合共振试验装置的结构示意图；

图2为图1的部分分解图；

图3为发明提供的磁悬浮列车车轨耦合共振试验装置的原理图；

图4为本发明提供的磁悬浮列车车轨耦合共振试验装置在悬浮时的测试图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

参见图1至图4，图1为本发明提供的磁悬浮列车车轨耦合共振试验装置的结构示意图，图2为图1的部分分解图，图3为发明提供的磁悬浮列车车轨耦合共振试验装置的原理图，图4为本发明提供的磁悬浮列车车轨耦合共振试验装置在悬浮时的测试效果。

本发明提供的磁悬浮列车车轨耦合共振试验装置，一种磁悬浮列车车轨耦合共振试验装置，包括装置支架1，弹簧2固定设置在支架1上表面，轨道3设置在弹簧2之上轨道3两端分别至少有一个弹簧2，轨道3下方设置有电磁铁4，电磁铁4上设置有间隙传感器，所述弹簧2的刚度和轨道3质量均可调节。

优选地，支架1可以是立方体、长方体或其他任意可以起支撑作用的架体。

在进行测试时，悬浮控制器通过采集固定在电磁铁4上的间隙传感器来检测电磁铁4和轨道3之间的间隙，并与期望的悬浮间隙进行对比，然后通过调节电磁铁4里的电流来调节悬浮力，试图使电磁铁4和轨道3之间的间隙达到期望的悬浮间隙。受到电磁力的作用，轨道3在垂直方向会产生运动，从而对测量间隙进行扰动，进而使得悬浮电流也会随之发生扰动，在一定条件下就会形成自激振动。本装置就是基于这一原理来模拟和研究车轨耦合共振问题。

磁浮的轨道梁可以表示成一系列单自由度振子，于是磁浮车桥耦合振动模型可以用一个缩小的带单自由度振子和悬浮系统的装置来模拟。为此，设计出的试验装置原理图如图3所示。可以看出该装置包含一个电磁铁和一段两端由弹簧支撑的轨道。为了保持平衡，轨道的两端由两个弹簧支撑。因此，轨道的质量以及弹簧的柔性构成了一个单自由度振子。由于轨道的弹性相对弹簧的弹性可以忽略不计，因此轨道的弹性可以忽略，而单自由度振子的自振频率可以表示为：

(1)

这里 k _s 是弹簧的刚度，m是电磁铁等悬浮系统的质量。

为了调节单自由度振子的刚度k _s ，可以通过增加或减少弹簧的方式来调节单自由度振子刚度，同样可以通过在轨道上增加或减少质量块来调节振子质量m。这些调节可以保证设计的装置能在很大频率范围内模拟不同轨道的状况。

本发明的装置能够模拟真实磁悬浮系统的特性，研究车轨耦合共振的情况，提高悬浮控制系统的稳定性，从而提高磁悬浮列车运行的安全性和舒适性。

为了进一步研究轨道阻尼参数对自激振动发生条件的影响，所述穿过轨道3上下表面设置有轨道阻尼器9，所述轨道3的阻尼参数可通过轨道阻尼器9调节。

如图4所示，是该装置的在起浮阶段的试验效果。图4（a）表示的是电磁铁的悬浮电流，图4（b）表示的是对应的悬浮间隙。可以看出，由于轨道存在弹性，在起浮的初始阶段存在比较明显的振荡，但它随时间增大而消逝。

该装置可以模拟更多轨道条件以及更多的悬浮控制算法，一些新的抑制车桥耦合共振的算法也可以在该装置上进行试验。

因为在受到外力作用下轨道还可以沿水平方向运动，为了能够保证如图3所示的轨道在垂向的稳定性，所述电磁体4极板两侧还设置有垂向导向装置5，从而保证轨道能够仅在垂直方向上运动。

如图2所示，所述垂向导向装置5为直线轴承导向装置。直线轴承导向装置包括一个直线轴承51、一根光轴52，和光轴两端的夹具53。光轴52由两端的夹具53夹持固定于支架1上，直线轴承51受到光轴52的约束只能沿着光轴52作直线运动。

为了进一步模拟磁悬浮系统的特性，电磁铁4极板与垂直导向装置5之间设置有电磁铁支座6，电磁铁支座6下部沿垂直方向设置有二次悬挂系7，二次悬挂系包括安装砝码的平台、若干个长弹簧71和若干个二次系阻尼器72。二次悬挂系7用于模拟磁浮车辆的二次悬挂系统，它可以等效为弹簧-质量-阻尼系统。本装置用长弹簧71模拟二次悬浮系统的弹性，它下面悬挂着一个可以安装砝码的平台，用平台和砝码的质量模拟车体的质量，用二次系阻尼器72模拟二次悬挂系统的阻尼。长弹簧71和二次系阻尼器72均至少为一个，可根据实际需求增加。

此外，电磁铁4的垂向运动也需要导向装置，在其降落时应有一个支撑装置8，支撑装置8设置在电磁支架6的沿垂直方向的上部，包括一个螺杆81和橡胶支座82构成。当电磁铁4降落时电磁铁4及二次悬挂系7的重量可以通过螺杆81和橡胶支座82支撑在轨道3上。

以上对本发明所提供的一种磁悬浮列车车轨耦合共振试验装置进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种磁悬浮列车车轨耦合共振试验装置，其特征在于，包括装置支架，弹簧固定设置在支架上表面，轨道设置在弹簧之上，轨道两端分别设置有至少一个弹簧，轨道下方设置有电磁铁，电磁铁上设置有间隙传感器，所述弹簧的刚度和轨道质量均可调节。

2.根据权利要求1所述的磁悬浮列车车轨耦合共振试验装置，其特征在于，所述电磁体极板两侧还设置有垂向导向装置。

3.根据权利要求2所述的磁悬浮列车车轨耦合共振试验装置，其特征在于，所述垂向导向装置为直线轴承导向装置。

4.根据权利要求3所述的磁悬浮列车车轨耦合共振试验装置，其特征在于，电磁铁极板与垂直导向装置之间设置有电磁铁支座，电磁铁支座下部沿垂直方向设置有二次悬挂系，二次悬挂系包括安装砝码的平台、若干个长弹簧和若干个二次系阻尼器。

5.根据权利要求4所述的磁悬浮列车车轨耦合共振试验装置，其特征在于，所述电磁铁支架上部沿垂直方向设置有支撑装置，包括螺杆和橡胶支座。

6.根据权利要求1至5所述任一项的磁悬浮列车车轨耦合共振试验装置，其特征在于，所述穿过轨道上下表面设置有轨道阻尼器，所述轨道阻尼可通过轨道阻尼器调节。

7.根据权利要求6所述的磁悬浮列车车轨耦合共振试验装置，其特征在于，弹簧的刚度通过增加或者减少弹簧的数量调节。

8.根据权利要求7所述的磁悬浮列车车轨耦合共振试验装置，其特征在于，所述轨道质量通过在轨道上增加或减少质量块调节。