中低速磁浮列车动力学特性测试方法初探

尹力明, 赵 华, 刘俊艳

(上海轨道交通设备发展有限公司，上海 200233)

经过十余年的努力和研究,中国的实用型中低速磁浮列车分别在上海磁浮研究中心与上海电气集团共同组织、投资下,联合了国内的运营企业、大学、研究所和制造企业,组成了“产学研用”的联合体,先后研制了多种车型并建设了多条试验线路,如图1所示。在各自的试验线上,开展了全面的车辆、线路和部件的试验研究工作,取得了一系列的应用成果。

图1 中低速磁浮列车试验线

目前,几种试验列车,都完成了悬浮和导向、牵引和制动、网络和运行控制等试验,运行速度均超过了100km/h,试验运行里程也达到了5000km以上。在中国经济高速发展和城市化进程加快的社会环境促进下,北京率先规划了一条示范性的运营线路,还有许多经济发达的城市,也在开始考虑采用中低速磁浮列车,扩大城市轨道交通的运营模式。

中低速磁浮列车尽管具备噪声低、轨道的转弯半径小、爬坡能力强的优点,但毕竟是近代的轨道交通列车,到目前为止,只有日本的爱知线已经实现了载客运营。中低速磁浮列车在我国轨道交通列车发展史上,才刚刚起步,要想达到设计的技术水平,对列车的运行条件和运行品质,还需要进行测试和考核,以检验悬浮控制、牵引和电制动系统的稳定性、可靠性。磁浮列车由于没有轮对,其运行中的动力学特性无法通过国内的现有试验设备进行测试[1]。为此,设计了一种对列车进行动力学试验的方法,除了可以得到列车各关键部件的固有特性外,还可以在驻留的条件下进行系统的特性考核和参数调试。

1 磁浮列车的支撑系原理

由图2所示,中低速磁浮列车的转向架上安装着悬浮电磁铁,当其线圈上通入直流电流时,它将对倒U型轨道产生电磁吸力,并将转向架的悬浮模块抬起,起到一次支撑作用[2]。但是,如果电磁铁的电流不能调节,电磁铁将与轨道吸死,无法实现悬浮。利用安装在电磁铁上的气隙传感器,可以实时地测量其与轨道之间的间隙,并用电信号传输的方式,送到悬浮控制器中,通过悬浮反馈控制算法的运算,调节电磁铁的电流和电磁吸力,从而实现在当前支撑的重力下,使电磁铁和轨道始终保持在8mm的气隙不变,产生一次支撑系的稳定悬浮的效果。

图2 磁浮转向架的原理示意图

每辆磁浮车的车体下,均匀布置3至5台转向架。每台转向架的两侧悬浮模块上分别串行安装了4只悬浮电磁铁,可以正常悬浮支撑约10 t的质量。悬浮模块上的4只电磁铁又分成两组,分别由两个悬浮控制系统施加悬浮控制,即一个转向架有4个悬浮支撑点,可以实现差动和平动点头、差动和左右摇头等功能,见图3。

图3 转向架和悬浮模块

转向架的两个悬浮模块上还各安装了1台感应式直线电机,位于轨道的上方,当向其通入频率和电压都可变的三相交流电压时,它与轨道间的气隙中将形成平移磁场。这个磁场再与轨道上的铝反应板产生切割作用,从而建立直线牵引力,推动转向架及车体运动。

车体和转向架之间,还安装了空气弹簧,可以起到二次隔振的作用,并提高列车运行的舒适性。

2 在气隙传感器的信号输入端加激扰

气隙传感器传送到悬浮控制计算机中的悬浮气隙信号,是一个线性的模拟电压或电流信号,它跟随电磁铁和轨道的气隙变化而改变。如果在气隙信号中迭加一个正弦变化的信号,则相当于人为地改变了输入的气隙值,从而调节了电磁铁的电流,使电磁铁原来设定的悬浮气隙发生周期变化。这个迭加的伪气隙信号的等效电压的幅值,应该相当于改变了约±2～4mm的气隙值,这个信号的表达式为

式中:ug为加到悬浮控制器中的伪气隙信号电压,并与给定的气隙信号进行叠加;gg为悬浮电磁铁与轨道间的悬浮气隙;Gm为等效的气隙变化幅值,约为±2～4mm;Um为伪气隙信号的幅值。

在外加这个伪气隙信号后,由于悬浮电磁铁相对于轨道产生周期性的气隙变化,电磁铁将带动转向架上下运动,必然会引起车体也发生相对的运动,相当于给列车加入了一个交变的激励信号。如果将这个伪气隙信号改变为有一定周期的方波信号,还可以考核悬浮系统的动态跟踪响应品质。

如果将这个正弦的伪气隙信号全部以同相位的条件,加到5个转向架上的20个悬浮系统中,只要改变交变频率,就会引起所有转向架上的悬浮电磁铁上下同步运动,同时改变了悬浮电磁铁的电磁吸力和运动速度,从而检测和考核到各主要部件的固有振动频率、功率电源设备对悬浮系统的适应能力。

比如:由于 ω=2πf,当 f从0.2～200Hz慢慢扫频时,初期列车的车体会随着转向架的上下运动而运动。由于车下二系悬挂空气弹簧的固有频率在1Hz左右,当 f≥1Hz之后,电磁铁的运动逐渐加快,但是车体的运动却逐渐停止,甚至不再运动。当5Hz≤f≤10Hz时,转向架会发生第一次剧烈震动,这个频率就是悬浮反馈控制系统的固有调节频率。如果继续升高伪气隙信号的频率,可以发现电磁铁不再运动,而轨道会震动起来,这样就找到了轨道的固有震动频率。

显然,一个稳定的列车悬浮系统,其悬浮控制系统的固有调节频率,应该大于二系空气弹簧的固有振动频率近10倍频程,轨道的固有振动频率也应该大于悬浮控制系统近10倍频程为好。在实际的设计和调试中,一般很难满足这样的条件。但是,这几个固有频率的分配关系,还是应该越远越好。

在这种外加激扰的条件下,也可以用来精细地调节系统的主要关键参数,从而考核悬浮控制系统的品质。这种条件在运行状态下是很难实现的,许多事件一瞬而逝,难以及时捕捉。一旦为此修改了一个参数,还要反复地运行检验,即费时又费钱,常常难以浮现以往出现的状态。

如果以相同的频率,用不同相位的伪气隙信号,加在前后转向架不同位置的悬浮控制器上,还可以模拟轨道不平顺的运行条件,以考核悬浮控制系统适应轨道变化的各种能力,从而精细地选择系统的主要关键参数,以及附加的悬浮支持和保护软件的功能。在这种条件下连续工作,还可以考核悬浮系统的稳定性和可靠性。

对于轨道不平顺的激扰方式,各种伪气隙信号需要考虑不同的列车运行速度v以及均布转向架的等效长度l。如果设定轨道的最小不平顺周期长度为S,则转向架在运行时的点头周期频率为

还可以看到,转向架的等效长度l相对最小不平顺周期长度S的比值为l/S,如果把列车运行S距离看成一个点头运行周期,则转向架运行l距离所等效的相位差为

这个伪气隙信号可以表述为

式中:m为车辆上均布的转向架编号;ugm为加到悬浮控制器中的伪气隙信号电压,并与给定的气隙信号进行叠加。

由于两个转向架相邻的两个悬浮系统中的各自气隙传感器的间距相对转向架的等效长度l比较小,故可以认为这两个悬浮系统是同步运动的。

如果以相同的 f≤2Hz频率,并互差180°相位的伪气隙信号,分别加在转向架两侧的悬浮模块的悬浮控制系统中,转向架的上下运动将产生差动,列车的车体会引起左右摇摆。记录这个摇摆的幅度和衰减速率,从而可以测量和考核列车抗摇摆阻尼的能力,以便选择合适的悬浮控制系统的阻尼参数。如果采用改变阻尼系数的方式,仍然不能改善车体的摇摆品质,就需要考虑加入抗侧滚的部件,如抗侧滚扭杆。

将车体用拉杆进行约束,在进行这种激扰测试的同时,还可以对牵引电机实施牵引和电制动控制,并使电机的电流加载到最大值,以测量悬浮系统对直线电机法向力的适应能力。快速地增减电机的工作电流,还可以检测悬浮系统对列车运行中的抗电机冲击干扰的能力和品质。

3 多转向架的不同模态的激扰方法

采用数字信号处理(Digit Signal Process,DSP)计算机系统[3],编制伪气隙信号发生器的软件,分成20路电流型输出信号。这些信号经过采样、调理、滤波送入对应悬浮控制器中的DSP计算机的一个 A/D(模拟/数字信号)转换口,通过悬浮控制软件的简单修改,让其与原气隙传感器的信号求和,即可以实现这样的叠加激扰效果。电流型的输入信号的前置处理,最好在悬浮控制器中附加一块小电路板来实现,并且离悬浮控制系统信号采集用的DSP计算机板越近越好,以免产生不必要的干扰。在进行激扰试验时,可以通过软件的编制来实现20路信号的频率、相位、激扰方式的改变和选择等。

如果定义列车的某一个端部的第一台转向架为前进方向,则称其是B1号转向架。那么,这台转向架的右边悬浮模块称其为B1R,左边的悬浮模块就称其为B1L。它们前端的悬浮控制器就称之为B1Rq、B1Lq,照此办理,它们后端的悬浮控制器就称之为B1Rh、B1Lh。接下来,之后的转向架上的悬浮控制器的编号就可以一一确定了,如:B2Rq、B2Lq、B2Rh、B2Lh、B3Rq、B3Lq、B3Rh、B3Lh、B4Rq 、B4Lq 、B4Rh 、B4Lh 、B5Rq 、B5Lq 、B5Rh 、B5Lh 。

把不同的激扰试验和对应的激扰信号进行组合,可以用如表1所示的列表来表示。

以上叙述的只是3种动力学激扰的方式,根据需要还能够衍生成多种动力学的激扰测试条件,可以因列车的测试要求得到不同的组合。由于中低速磁浮列车的导向控制是自稳定的,为此,上述方法无法进行转向架的侧向激扰,应该采用机械装置来实现。但是,对于有导向悬浮控制系统的高速磁浮列车,则可以用同样的方法实施侧向激扰。

表1 激扰信号的对应关系

不过,这种驻留式的激扰试验、调试和测量,决不能取代实际的线路运行和试验,它只能是运行试验和测试的一种补充,使调试更加便利、规范和减少盲目,需要引起重视。

4 结 语

国内近年来完成的两个主要的中低速磁浮列车试验平台和线路都取得了具有自主知识产权的完整成果,系统和装备完全可以在国内制造和维护,具备了可持续发展的潜力。但是,从试验和运行的状况来讲,要想达到安全和可靠地商业载客运营,还需要踏踏实实地做好工程化的研究、测试和型式试验的工作,才能保证对政府的投资和乘客的旅行安全负责。

商业载客运营的磁浮列车的动力学品质对列车运行的安全性和舒适性有着重要的影响。试验的数据结果也关系到中低速磁浮列车能否取得运营许可证和能否在行业产生良好信誉,并被乘客所认可。为此,获得一系列的试验数据是必须引起关注和重视的技术问题。

成熟的轮轨列车在动力学试验设备方面,已经通过巨额的投资,建设了多个试验基地,对我国的轨道列车的研发和试验做出了巨大和有效的贡献。中低速磁浮列车的研发还处于小批量和少型号的阶段,建立完整的动力学试验基地,还是缺少产品的支撑。利用现有车载设备,辅助外部试验装置,间接地完成同类型的动力学试验,获得有参考价值的数据,可以取得事半功倍的效果。

我国近几年研制的几型中低速磁浮列车完全具备自主知识产权。鉴于现有的组织和研发的现状,还是有组合国内各家技术,总结经验和教训,共同开展攻关的必要。这种条件的实现,应该由更高层的机构来进行统一的专业协调和技术研讨。

[1]戴焕云,曾 京,杨士杰,等.地铁转向架滚动振动试验报告[R].TPL2010-21.西南交通大学牵引动力国家重点实验室编写,成都:2010:1.

[2]尹力明,刘俊艳,冯国强.交流变频调速系统在城市轨道交通中的应用[J].装备机械,2010(2):44.

[3]刘向东.DSP技术原理与应用[M].北京:中国电力出版社,2007:2.