中低速磁浮道岔振动与控制研究现状与展望

2020-01-02李忠继蔡文锋

四川建筑 2020年4期

徐浩,李忠继,蔡文锋

(1.中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都 610031；2.四川高新轨道交通产业技术研究院，四川成都 610031)

随着人民生活水平和出行方式的要求提高，城市轨道交通发展迅速。中低速磁浮轨道交通以其噪声小、低振动、安全可靠等优势日益成为城市轨道交通的首选，在美国、德国、日本、韩国和我国广泛应用。磁浮道岔作为中低速磁浮轨道交通的关键结构之一，是实现列车到发、会让、越行的关键[1]。由于磁浮列车电磁悬浮力是动态调整，持续变化的，车辆与轨道梁不可避免存在耦合振动，影响行车平稳性。磁浮道岔梁相对于区间轨道梁，质量轻、刚度和阻尼小，磁浮列车—道岔耦合振动问题尤为突出。为了降低磁浮列车—道岔耦合振动，目前常用的增加轨道梁质量和抗弯刚度的方法将大大提高了道岔梁的造价[2-5]，不利于磁浮道岔技术的推广。因此，中低速磁浮道岔振动与控制是道岔结构设计优化的基础，也是制约磁浮道岔发展的关键技术。

1 磁浮道岔振动研究现状

磁浮列车—桥梁的耦合振动是磁浮交通不可避免的问题，尤其是磁浮列车与较轻的桥梁和钢桥间均出现过耦合振动问题[6]，为此，国内外学者针对磁浮列车—桥梁振动问题开展了大量的理论与仿真研究[6-8]，然而针对磁浮列车—磁浮道岔的耦合振动仿真研究相对较少。

结合上海高速磁浮试验线的建设与运营，部分学者针对高速磁浮列车—磁浮道岔耦合的振动问题开展了研究。2004年，Karl Fichtner等[9]根据上海磁浮线道岔梁现场实测结果，指出了道岔剧烈振动的频率与悬浮电磁力的调整频率相当；Florian Dignath等[10]通过建立磁浮道岔实体有限元模型，分析了磁浮道岔的振动模态，得到的第1阶扭转频率为14.99 Hz，与运营线上道岔强振频率14.9 Hz接近；洪芳鹏等[11]采用瞬态动力学方法，研究了移动荷载作用下磁浮道岔的振动响应；殷月俊等[12]测试了上海磁浮线7号道岔的加速度响应，认为行车速度低于20 km/h时，道岔梁易出现振动加剧。然而上述研究主要采用静态和瞬态动力学的方法研究磁浮道岔梁的振动特性，未考虑磁浮列车—道岔的耦合振动，顾行涛等[13-14]建立了磁浮道岔梁的有限元模型，并利用多体动力学软件，研究了磁浮列车通过道岔的振动特性。肖舟和赵春发[15-16]编制了磁浮车辆—道岔耦合动力学仿真程序，模拟了列车通过时道岔梁振动响应和动应力，并开展了道岔梁疲劳寿命预测分析。上述研究均针对高速磁浮道岔，近年随着长沙中低速磁浮线的建设与运营，国内外研究人员开始研究中低速磁浮列车—磁浮道岔的耦合振动研究。

杨奇科和程雄运用锤击法测试了中低速磁浮道岔主动梁在初始和配重两种条件下的振动模态，并测试了磁浮列车以5 km/h速度通过磁浮道岔时的道岔振动加速度，测试结果表明初始条件下列车与道岔在49.80 Hz处发生共振；当磁浮道岔梁配重以后，磁浮列车与道岔没有出现共振现象[17]。刘大玲等[18]通过现场测试磁浮道岔的振动加速度，分析道岔梁的共振频率，认为中间支撑状态对道岔梁自振特性有显著影响，逐级增大中间支撑刚度，道岔竖向共振频率由16.25 Hz增大到18.25 Hz。柴小鹏等[19]等现场测试磁浮列车低速通过初始道岔和有沙袋的道岔时，磁浮道岔梁的振动加速度分别为4.16g和1.22g，对于未采取措施的初始道岔，磁浮列车与道岔的共振频率为18 Hz，并出现了“砸轨”现象。祁宝金[20]测试道岔在有无列车、有无沙袋下的振动频率和振幅，在5 km/h和10 km/h的速度条件下，无沙袋工况均出现了冲击现象，共振频率为15.3～16.8 Hz，并测试了设有道岔梁阻尼器的振动特性。罗华军等[21]基于现场实测结果，分析了增加台车、沙袋、液体质量双调谐阻尼器时的车岔耦合振动特征。李忠继等[22]建立了磁浮列车—控制器—道岔的耦合系统模型，仿真了现场测试中的车岔耦合振动，并分析了车岔耦合振动的规律。李苗[23]利用SIMPACK和ANSYS建立了磁浮列车—道岔耦合动力学模型，研究了车速、空簧布置方式、主动梁的质量及刚度等因素对磁浮道岔动力特性的影响规律，认为车速越低，更易发生耦合振动现象。

从中低速磁浮车岔耦合振动研究现状可以看出，目前主要通过现场测试磁浮列车—道岔振动特性以及磁浮道岔本身的模态，从而得到车岔耦合振动的共振频率，但通过建立磁浮车辆—控制器—道岔耦合系统动力学模型，研究磁浮列车—道岔的振动特性相对较少。

2 磁浮道岔振动控制研究现状

磁浮道岔梁通常采用钢板焊接的箱梁，存在磁浮列车和道岔梁的耦合共振现象，严重影响行车安全性和舒适性，亟需采取措施来降低磁浮列车通过道岔时出现的耦合振动。目前国内外学者主要从道岔梁入手，采取了多种方案和措施来抑制车岔耦合振动。

曾国锋等[24]介绍了中低速磁浮道岔的设计以及出现共振现象后，采用在主动梁跨中堆放沙袋和设置阻尼器的措施能显著减小磁浮道岔梁的共振。刘大玲等[18]通过现场测试，验证了在主动梁中间支撑增加一定厚度的钢板垫板可降低主动梁的振动加速度。柴小鹏[19]、祁宝金[20]等则提出采用调谐式阻尼器控制车岔耦合振动，通过测试证明在实际道岔梁上安装TLMD后可基本消除车岔耦合共振频率，减振效果明显。罗华军等[21]则通过试验验证主动梁加台车、主动梁加台车和沙袋、TLMD阻尼器均能显著抑制道岔主动梁的振动，且采用TLMD阻尼器完全可以替代加沙袋配重方案。李忠继等[22]认为车岔耦合振动主频固定，在道岔梁上安装动力吸振器可有效抑制道岔振动，且随着TMD质量的增加吸振效果更明显。李苗[23]通过建立磁浮列车-道岔耦合系统动力学模型，分析不同工况下系统的动力响应，认为增大主动梁质量和刚度可降低磁浮道岔的振动响应。靖仕元[25]通过测试有无阻尼器的道岔梁振动响应，提出了多重调谐质量调谐阻尼器的磁浮道岔减振方案。

在磁浮道岔梁振动控制方案方面，研究人员从原理上也提出了很多方案，如李忠继等[26]针对中低速磁浮轨道车岔耦合振动问题，提出了在磁浮道岔主梁底部安装弹簧阻尼构件，并用驱动电机驱动锚定装置使弹簧阻尼构件处于拉紧和复拉状态，从而达到抑制道岔梁振动的目的。另外，还提出了在道岔梁内部设置多自由度吸振装置的磁浮道岔吸振型主梁结构[27]。高尚康等[28]提出在道岔梁内设置阻尼油和配重质量块，通过调节阻尼油和配重质量块的质量达到一直列车道岔耦合振动。靖仕元等[29-30]提出了在道岔梁底部翼缘上设置预埋板并在预埋板上安装调谐质量阻尼器来实现道岔梁的振动控制。

从中低速磁浮道岔振动控制研究现状来看，目前主要是通过增加道岔梁质量和采用阻尼器来控制磁浮轨道车岔耦合振动问题，其中设置台车和堆沙袋只能作为临时措施，不利于磁浮道岔的推广，而设置质量阻尼器目前更多注重原理，质量阻尼器的参数如何选取及优化还有待实践验证。

3 结论与展望

中低速磁浮轨道交通列车—道岔梁耦合振动问题不可避免，为了提高磁浮列车通过道岔时的安全性和舒适性，需要控制磁浮列车—道岔耦合振动。国内外学者针对在中低速磁浮道岔振动开展了研究，但在系统振动及控制机理、道岔结构优化方面相对不足，因此建议中低速磁浮道岔振动研究注重以下两方面的研究：

3.1 磁浮列车—悬浮控制器—道岔耦合系统振动机理

磁浮列车和道岔的耦合振动与悬浮控制系统、车辆结构和道岔结构均有关系，是多种因素的综合结果，是一个由悬浮控制器、车辆和道岔所组成的复杂的非线性系统的稳定性问题。因此，研究磁浮列车—道岔耦合振动问题，需要借助非线性控制理论、结构动力学理论和耦合动力学理论，建立磁浮列车—悬浮控制—道岔耦合系统动力学模型，从系统稳定角度研究失稳条件，研究关键结构和参数对振动的影响规律，挖掘导致磁浮车辆—道岔耦合振动的本质，探明磁浮列车—道岔耦合振动特征和机理。