CN110435437B - 一种中低速磁浮车辆悬浮模块结构及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种中低速磁浮车辆悬浮模块结构及设计方法，悬浮模块包括纵梁、分别连接纵梁横向两端的托臂、固定在托臂底部的托臂连接件、以及设置在两个托臂连接件之间的悬浮磁铁，所述悬浮磁铁包括磁极、以及分别夹设在磁极两侧表面的外磁极板和内磁极板，所述外磁极板和内磁极板的底部两端均由所述托臂连接件承托连接，所述托臂连接件与外磁极板和内磁极板之间均设有调整垫。与现有技术相比，本发明通过设置有调整垫，最终使悬浮磁铁磁极板的悬浮面车辆额定状态下悬浮时，保证磁极板悬浮面与轨道悬浮面处于接近平行的状态。

Description

一种中低速磁浮车辆悬浮模块结构及设计方法

技术领域

本发明属于常导电磁悬浮式磁浮车辆走行机构技术领域，涉及一种中低速磁浮车辆悬浮模块结构及设计方法。

背景技术

常导电磁悬浮式(EMS)磁浮车辆系统和普通的轨道车辆系统之间存在显著的差别，主要体现在相对于传统轨道车辆的转向架，磁浮车辆采用悬浮架支撑车体。悬浮架没有轮对结构，利用电磁吸力使车辆悬浮于轨道之上，列车与轨道之间保持无接触状态，避免了两者间的接触磨损，减小了运行阻力。经过几十年的技术开发，磁浮列车技术已基本成熟，正在逐步走向商业化生产和运营。

目前，中低速磁浮列车车辆走行部采用多组悬浮架结构组合形成车辆走行机构，悬浮架结构如图1所示。每个悬浮架主要结构包含左右悬浮模块1和抗侧滚梁结构2。左右悬浮模块1通过抗侧滚梁结构2连接，实现左右悬浮模块1相对运动和约束。左右模块安装有直线电机、悬浮电磁铁，实现列车的悬浮、导向以及牵引等功能。左右模块主要结构如图2所示。每个悬浮模块1的主要结构包含纵梁3、托臂4、托臂连接件5、悬浮磁铁(包括：磁极7、外磁极板8、内磁极板9)。纵梁3与托臂4固接；托臂4与托臂连接件5固接；磁极7与外磁极板8、内磁极板9通过螺栓连接，形成悬浮磁铁；悬浮磁铁与托臂连接件5也通过螺栓固接在一起，连接面位于外磁极板8外侧。在悬浮模块1运行过程中，发现内、外磁极板在重量荷载作用下会发生不均匀变形与旋转，这使得电磁铁的外磁极板、内磁极板与F形轨道的间隙值不是一个常量。这样一方面可能导致悬浮控制难度加大，另一方面磁极7产生的电磁力没有得到很好的利用。这种极板不均匀变形导致电磁力沿着磁极板分布不均匀，导致总的悬浮能力不能够充分发挥；在悬浮间隙有限的情况下，这种不均变形也导致实际理论悬浮间隙变小，从间隙的角度来看增加了控制的难度；另外，这种变形的不均匀性导致电磁铁实际产生的电磁力大小变得异常复杂，不利于悬浮控制。

基于中低速磁浮技术本身悬浮能力较小以及悬浮控制难度较大的特点，因此，能够解决现有模块电磁铁不均匀变形问题具有重要意义。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种中低速磁浮车辆悬浮模块结构及设计方法。通过结构设计来弥补悬浮磁铁的两个运动量δ、α以及通过磁极设计提高电磁力空间利用率，最终提高了中低速磁浮列车电磁铁悬浮能力，当然，明确了车轨之间实际间隙关系，这对悬浮控制也具有积极意义。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种中低速磁浮车辆悬浮模块结构，包括纵梁、分别连接纵梁横向两端的托臂、固定在托臂底部的托臂连接件、以及设置在两个托臂连接件之间的悬浮磁铁，所述悬浮磁铁包括磁极、以及分别夹设在磁极两侧表面的外磁极板和内磁极板，所述外磁极板和内磁极板的底部两端均由所述托臂连接件承托连接，所述托臂连接件与外磁极板和内磁极板之间均设有调整垫。

进一步的，分别设置在外磁极板和内磁极板下方的调整垫的高度不等，且其高度差满足：悬浮模块结构在额定载荷下，外磁极板和内磁极板的高度持平。

进一步的，所述调整垫为薄片式结构。

更进一步的，每层薄片式结构的厚度不超过0.1mm。

进一步的，所述磁极设有两组。

进一步的，在内磁极板与外磁极板上还设有辅助导向的横向滑橇。

进一步的，所述内磁极板与外磁极板采用凹形曲线设置，且其下凹程度满足：悬浮模块结构在额定载荷下，外磁极板和内磁极板的各位置在水平方向上齐平。

一种中低速磁浮车辆悬浮模块结构的设计方法，包括以下步骤：

(1)首先，采用平直的磁极板分别作为内、外磁极板来构建悬浮磁铁，并将其与纵梁、托臂和托臂连接件组装成悬浮模块结构；

(2)运行悬浮模块结构，使其在额定载荷下悬浮，获得平直的内、外磁极板的向上凸起的挠曲变形曲线；

(3)基于挠曲变形曲线调整平直的内、外磁极板为具有初始凹形曲线的内、外磁极板，并使得具有初始凹形曲线的内、外磁极板组装成的悬浮模块结构在额定载荷下悬浮时，内、外磁极板的悬浮面保持与轨道面平行；

(4)继续对采用具有初始凹形曲线的内、外磁极板组装成的悬浮模块结构在额定载荷下悬浮测试，获得悬浮磁铁的转动角α，再在第二托臂连接件与内、外磁极板之间分别设置不同厚度的调整垫，使得额定载荷下悬浮磁铁的转动角α最小此时，再对内、外磁极板的挠曲变形曲线进行测量，并用得到的测量值修正初始凹形曲线；

(5)最后，选取对应具有修正后的凹形曲线的内、外磁极板以及使得悬浮磁铁的转动角α最小的厚度参数的调整垫，组装得到所述中低速磁浮车辆悬浮模块结构。

如图3所示，本发明通过对现有悬浮模块进行研究发现，由于悬浮模块正常悬浮情况下，受到车体的重量载荷F_G，抗侧滚梁结构载荷F_cg，以及电磁铁外磁极板、内磁极板的电磁力F_w和F_n，使模块保持平衡状态。载荷F_G作用在两侧托臂圆孔中心上；载荷F_cg是抗侧滚梁结构在安装位置传递给两侧托臂的载荷；而内外磁极板电磁力F_n和F_w是磁极通电后产生磁场，沿着磁极板与F形轨道形成闭合的磁路产生的电磁力，是沿着磁极板纵向分布的载荷。

如图3所示，基于现有结构以及结构的受力情况，在模块正常悬浮时，由于结构变形，悬浮电磁铁会产生一个向上的挠曲量δ以及转动量α，导致电磁铁的外磁极板、内磁极板与F形轨道的间隙值不是一个常量。

因此，与现有技术相比，本发明针对现有悬浮电磁铁正常悬浮时，出现的挠曲以及转动问题，分别采用磁极板凹形曲线设置和悬浮磁铁侧滚角可调的方法，实现了车辆额定悬浮时，悬浮电磁的磁极板上表面和轨道面能够基本保持平行的状态，使电磁的悬浮能力得以提高以及更利于悬浮控制的实施。另外，通过改变现有悬浮磁铁磁极数量，从现有的4组磁极改为2组磁极，减小了磁极之间的间隙，提高了轨道和磁极板之间的磁路利用效率，最终也实现了悬浮电磁铁悬浮能力。横向滑橇设置在内外磁极板上，分别与F形轨道内外面发生接触作用，实现辅助导向。

附图说明

图1为现有悬浮架的结构示意图；

图2为现有模块的结构示意图；

图3为现有悬浮模块受力及变形示意图；

图4为本发明模块结构的示意图；

图5为本发明模块结构主视示意图；

图中标记说明：

1-悬浮模块，2-抗侧滚梁结构，3-纵梁，4-托臂，5-托臂连接件，6-横向滑橇，7-磁极，8-外磁极板，9-内磁极板，10-F形轨道，11-调整垫。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

参见图4-图5，本实施例提出了一种中低速磁浮车辆悬浮模块结构，包括纵梁3、分别连接纵梁3横向两端的托臂4、固定在托臂4底部的托臂连接件5、以及设置在两个托臂连接件5之间的悬浮磁铁，所述悬浮磁铁包括磁极7、以及分别夹设在磁极7两侧表面的外磁极板8和内磁极板9，所述外磁极板8和内磁极板9的底部两端均由所述托臂连接件5承托连接，所述托臂连接件5与外磁极板8和内磁极板9之间均设有调整垫11。

纵梁3和两个托臂4形成了安装结构的基本框架；托臂连接件5通过螺栓固接在托臂4上；托臂连接件5托住悬浮磁铁(包括内磁极板9、外磁极板8和两个磁极7)，连接面分别位于悬浮磁铁内磁极板9、外磁极板8的下表面以及托臂连接件5伸入部分的上表面，通过螺栓固定在一起；托臂连接件5和悬浮磁铁的内磁极板9、外磁极板8之间设置有调整垫11，每个托臂连接件5位置设置至少两组调整垫11，目的是能够实现调整悬浮电磁铁的转动的功能；悬浮磁铁包含内磁极板9、外磁极板8、磁极7，它们之间通过螺栓连接在一起；横向滑橇6布置在内磁极板9、外磁极板8上；内磁极板9、外磁极板8的悬浮面采用凹形曲线设计，且其下凹程度满足：悬浮模块结构在额定载荷下，外磁极板8和内磁极板9的各位置在水平方向上齐平。

分别设置在外磁极板8和内磁极板9下方的调整垫11的高度不等，且其高度差满足：悬浮模块结构在额定载荷下，外磁极板8和内磁极板9的高度持平。所述调整垫11为薄片式结构，每层薄片式结构的厚度可为0.1mm甚至更小，从而通过增减薄片达到调整悬浮磁铁转动的目的。

磁极7设有两组，由于悬浮控制要求悬浮磁铁两端需要分别控制，两组磁极7的方案是也是最小的磁极7数量，这种结构保证了磁极7之间的间隙最小，磁路利用率更高。

针对上述提出的一种中低速磁浮车辆悬浮模块结构，本实施例进一步提出了一种可基于现场调整实现在额定载荷下悬浮的设计方法，包括以下步骤：

(1)首先，采用平直的磁极7板分别作为内、外磁极板来构建悬浮磁铁，并将其与纵梁3、托臂4和托臂连接件5组装成悬浮模块结构；

(2)运行悬浮模块结构，使其在额定载荷下悬浮，获得平直的内、外磁极板的向上凸起的挠曲变形曲线；

(3)基于挠曲变形曲线调整平直的内、外磁极板为具有初始凹形曲线的内、外磁极板，并使得具有初始凹形曲线的内、外磁极板组装成的悬浮模块结构在额定载荷下悬浮时，内、外磁极板的悬浮面保持与轨道面平行；

(4)继续对采用具有初始凹形曲线的内、外磁极板组装成的悬浮模块结构在额定载荷下悬浮测试，获得悬浮磁铁的转动角α，再在第二托臂连接件5与内、外磁极板之间分别设置不同厚度的调整垫11，使得额定载荷下悬浮磁铁的转动角α最小，此时再对悬浮磁铁的内磁极板9、外磁极板8挠曲变形进行测量，这个测量值可作为初始凹形曲线形状的修正，并得到修正后的凹形曲线形状；

(5)最后，选取对应具有修正凹形曲线的内、外磁极板以及使得悬浮磁铁的转动角α最小的厚度参数的调整垫11，组装得到所述中低速磁浮车辆悬浮模块结构。

步骤(1)和步骤(2)中，挠曲变形曲线的获得是基于悬浮磁铁理想模型来完成的，不考虑托臂4以及托臂连接件5的转动变形，这样内、外磁极板上产生相同的向上凸起的挠曲变形，这个变形曲线就是磁极7板初始凹形曲线的形状，通过对内磁极板9、外磁极板8设置出初始凹形曲线，最终实现额定载荷下悬浮，磁极7板的悬浮面保持与轨道面平行的状态。

调整垫11可采用薄片式调整垫11，每层薄片尺寸可以控制到0.1mm或更小，通过增减薄片达到调整悬浮磁铁转动的目的。

悬浮磁铁与托臂连接件5之间采用螺栓连接，在悬浮时，螺栓受到拉力，这更有利于发挥螺栓的功能，这种连接较螺栓受剪更加安全可靠。

为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种中低速磁浮车辆悬浮模块结构，包括纵梁、分别连接纵梁横向两端的托臂、固定在托臂底部的托臂连接件、以及设置在两个托臂连接件之间的悬浮磁铁，所述悬浮磁铁包括磁极、以及分别夹设在磁极两侧表面的外磁极板和内磁极板，所述外磁极板和内磁极板的底部两端均由所述托臂连接件承托连接，其特征在于，所述托臂连接件与外磁极板和内磁极板之间均设有调整垫；

分别设置在外磁极板和内磁极板下方的调整垫的高度不等，且其高度差满足：悬浮模块结构在额定载荷下，外磁极板和内磁极板的高度持平；

所述内磁极板与外磁极板采用凹形曲线设置，且其下凹程度满足：悬浮模块结构在额定载荷下，外磁极板和内磁极板的各位置在水平方向上齐平；

内、外磁极板的初始的凹形曲线的形状为基于悬浮磁铁理想模型来计算得到挠曲变形曲线，即为内、外磁极板上产生相同的向上凸起的挠曲变形的形状曲线，通过对内磁极板、外磁极板设置出初始凹形曲线，使得悬浮模块结构在额定载荷下悬浮，内、外磁极板的悬浮面保持与轨道面平行的状态。

2.根据权利要求1所述的一种中低速磁浮车辆悬浮模块结构，其特征在于，所述调整垫为薄片式结构。

3.根据权利要求2所述的一种中低速磁浮车辆悬浮模块结构，其特征在于，每层薄片式结构的厚度不超过0.1mm。

4.根据权利要求1所述的一种中低速磁浮车辆悬浮模块结构，其特征在于，所述磁极设有两组。

5.根据权利要求1所述的一种中低速磁浮车辆悬浮模块结构，其特征在于，在内磁极板与外磁极板上还设有辅助导向的横向滑橇。

6.如权利要求1-5任一所述的一种中低速磁浮车辆悬浮模块结构的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）首先，采用平直的磁极板分别作为内、外磁极板来构建悬浮磁铁，并将其与纵梁、托臂和托臂连接件组装成悬浮模块结构；

（2）运行悬浮模块结构，使其在额定载荷下悬浮，获得平直的内、外磁极板的向上凸起的挠曲变形曲线；

（3）基于挠曲变形曲线调整平直的内、外磁极板为具有初始凹形曲线的内、外磁极板，并使得具有初始凹形曲线的内、外磁极板组装成的悬浮模块结构在额定载荷下悬浮时，内、外磁极板的悬浮面保持与轨道面平行；

（4）继续对采用具有初始凹形曲线的内、外磁极板组装成的悬浮模块结构在额定载荷下悬浮测试，获得悬浮磁铁的转动角α，再在第二托臂连接件与内、外磁极板之间分别设置不同厚度的调整垫，使得额定载荷下悬浮磁铁的转动角α最小，此时，再对内、外磁极板的挠曲变形曲线进行测量，并用得到的测量值修正初始凹形曲线；

（5）最后，选取对应具有修正后的凹形曲线的内、外磁极板以及使得悬浮磁铁的转动角α最小的厚度参数的调整垫，组装得到所述中低速磁浮车辆悬浮模块结构。

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