中低速磁浮列车设计研究

中低速磁浮列车设计研究

郭柏龄

中车大连机车车辆有限公司            辽宁大连      116300

摘  要：本文通过对国内外中低速磁浮列车发展现状的介绍，引入新一代中低速磁浮技术概念，利用有限元仿真分析、动力学计算、车轨耦合悬浮试验等方式，验证先进的悬浮和控制技术，实现技术储备。

关键词：中低速磁浮列车；有限元仿真分析；耦合试验

1  前言

自1969年德国研制成第一个小型磁浮列车的原理模型（重约60公斤）至今已有50多年的历史。目前已经成功运行的磁浮列车有三种典型：德国的TR系列（高速）、日本的MLX（高速）、日本的HSST系列（低速）。它们在原理上、性能上、结构上都有重大差别。

TR系列高速磁浮列车属于电磁型，车体与轨道之间的额定距离为8毫米。该系统所用到的都是一般的铁磁材料和导电材料，用于列车推进的同步直线电机的初级绕组分布在轨道上，励磁磁极则利用悬浮电磁铁。MLX系列超导磁浮列车属于电动型，列车在U型槽内运行。U型槽侧壁安装有8字形的导电环，当列车运行时，导电环中产生感生电流，对车体产生浮力。浮力随车速提高而增大。HSST系列属于电磁型，悬浮原理与TR系列相近。但推进系统和供电与TR系列有很大差别。

我国有组织的磁浮列车研究工作是从1991年5月开始的。1992年5月国家科委正式把“磁浮列车关键技术研究”列入“八五”科技攻关计划，目标是以HSST为样板进行跟踪研究。至1995年，某些关键技术，例如悬浮与导向系统、转向架结构等已经被突破。

我国于2014年提出了新型城镇化发展规划，其中提出要科学有序推进城市轨道交通建设，要壮大先进制造业、推动城市走创新驱动发展的道路，为我国发展中低速磁浮交通新兴产业创造了良好的政策环境。

近年来我国城市轨道交通年均投入约2500亿人民币，新兴的市域铁路、现代有轨电车、单轨列车、空轨列车、中低速磁浮列车等多元化的城市轨道交通系统都得到关注。这表明我国对城市轨道交通不仅需求旺盛，而且具有明显的求新求变的特点，为中低速磁浮交通的发展提供了广阔的市场空间。

2  主要研究内容

2.1  中低速磁浮技术特点

作为一项具有鲜明特点的新型交通工具，本文中低速磁浮交通能够实现速度（140km/h）、小弯道(R50m)、大坡道（10%）、低噪声的完美结合。

2.2  主要内容

研究开发轻量化铝合金车体，车体寿命30年，能够承受垂直、纵向等载荷。吸收并研发最大运行速度为140km/h铝合金结构悬浮架及控制技术。悬浮架位于车厢和轨道之间，主要用于承受和传递悬浮、导向、驱动与制动等载荷，起到适应轨道曲线、减缓车厢振动的作用。

车辆牵引系统采用变频调速的车载交流传动系统。牵引电机采用直线感应电机，直线感应电机为单边、短初级形式。牵引系统能够满足列车各种工况下对牵引力或电制动力的要求。

3  中低速磁浮列车模型

3.1  车辆结构参数设计

列车编组                              +Mc-M-Mc+

轨距（mm）                            1900

额定供电电压（V）                     DC1500

列车单元编组/单元前后车钩间距（mm）   3辆/32,800

车体基本宽度（mm）                    2,800

车辆最大高度（mm）                    3850

车内净高（mm）                        2,100

地板面距轨面基准面高度（mm）          1000

最小平面曲线半径（m）                 50

最小竖直曲线半径（m）                 1500

坡道                                  100‰

车辆最高速度（km/h）                  140

3.2  车辆建模

列车采用三节编组，车辆提供主要包括牵引/电制动系统、辅助电源系统、悬浮系统、车门系统、空调系统、照明系统、车体、悬浮架、各种悬挂、风源、液压源、制动装置、紧急支承与救援轮装置等。整车三维模型见图3.2.

图3.2 三节编组列车三维模型              图3.3 悬浮架三维模型

3.3  悬浮架结构设计

每节车包含三个悬浮架模块，车体通过滑台、空气弹簧支撑在悬浮架上，每个悬浮架上有两个空气弹簧，采用空簧中置式结构，空气弹簧直径为360mm。悬浮架上直线电机长2800mm，端部效应较弱。每悬浮架采用一套抗侧滚装置。具体三维模型见图3.3.

4  动力学论证

通过动力学验证，可满足最大速度140km/h运行，且能够以30km/h速度满载通过R50m曲线，具体见图4.1。

图4.1 动力学计算

5  强度验证

悬浮架结构方案已通过以下工况有限元仿真计算验证：

工况1：（满载停车）：悬浮架自重＋车体的垂向载荷＋直线电机重量；

工况2：（正常行驶）：工况1的全部载荷＋直线电机推力+直线电机动载荷＋电磁铁悬浮力；

工况3：（电气制动）：工况1的全部载荷＋直线电机制动力+直线电机动载荷＋电磁铁悬浮力；

工况4：（机械制动）：工况1的全部载荷＋直线电机静载荷＋电磁铁悬浮力；

工况5：（磁悬停车）：工况1的全部载荷＋电磁铁悬浮力。

单个悬浮架有限元模型及各工况下分析结果如图5.1和5.2：

图5.1 悬浮架有限元模型

图5.2 强度分析结果应力及位移云图

6  试验验证

单悬浮架已经过车轨耦合振动试验台验证，其中模拟运行工况主要由以下部分构成：

（1）悬浮质量：①空载工况：0t

               ②正常工况：1t

               ③满载工况：1.6t

（2）轨道梁质量：①最小质量：2.4t

                 ②中间质量：4.0t

                 ③最大质量：5.6t

（3）支撑刚度：①12个弹簧：17.8 MN/m

               ②16个弹簧：23.8 MN/m

               ③20个弹簧：29.7MN/m

试验工况由以上罗列排列组合，共27种工况。试验过程中罗列了4个测点振动值，测点1布置在托臂上，测点2布置在斜对称托臂上，测点3布置在轨道梁平台上，测点4布置在车体平台上。试验验证，在所有工况下，均能够非常稳定的悬浮。具体位置如下图6.1所示：

图6.1 测点位置布置图

7  结论

中低速磁浮列车是一种新型高技术交通工具，它和轮轨列车不是简单的替代关系，而是各有所长。本文依据车轨线路需求关系，对三悬浮架磁浮车辆及走行结构提出设计目标，对结构进行三维建模、有限元仿真分析、动力学计算、车轨耦合试验验证，验证结构各项参数的合理性和可行性，从而实现技术储备。

参  考  文  献

[1]吴祥明.磁浮-21世纪的新型交通[J].城市轨道交通研究，2004（6）：1.

[2]刘华清等编译.德国磁悬浮列车Transrapid[M].成都：电子科技大学出版社，1999.

[3]陈贵荣,常文森.磁悬浮列车发展综述[J].国外轨道车辆，1993,1:17-20.

[4]李云峰,陈革,李杰.中低速磁悬浮列车五单元转向架曲线通过研究，机电电传动[J],2007,4.

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