张兴华 刘恒坤

（湖南凌翔磁浮科技有限责任公司，湖南 长沙 410007）

车轨桥梁耦合振动在磁浮列车系统中普遍存在，为了弄清该问题并提出解决方法，磁浮工作者进行了大量的研究工作。为解决耦合振动问题，通常可以从两方面着手：一方面是通过悬浮控制算法的研究，弱化车轨桥梁耦合振动[1]；另一方面对轨道结构进行研究分析，避免车轨桥梁耦合振动的发生[2]。在发生车轨桥梁耦合振动的线路上，如果采用对轨道进行改动的方法，必然增加轨道的成本和工作量。因此，从控制算法着手对车轨桥梁耦合振动进行抑制，相对而言工作量和成本较低，但是需要时间和平台进行研究。

1 目的和意义

磁浮列车的运行情况表明，磁浮列车在行驶过程中，可能发生车轨桥梁耦合振动的问题。由于在实际的线路上，不会有太多的时间来进行车轨桥梁耦合振动的研究和试验，为加强该问题的研究，课题以模拟不同线路轨道的振动为目标，通过改变轨道的支撑组件，来达到调节轨道振动频率的目的，从而为悬浮控制算法研究提供试验平台。

为了对车轨桥梁耦合振动问题做深入研究，本文设计搭建试验平台，以模拟不同轨道条件下的振动情况。期望为磁浮轨道的设计加工和磁浮控制算法的改进提供研究基础。通过本课题的研究，能为悬浮控制算法研究提供研究平台，能对比不同控制算法的控制性能，选择最优的控制算法，减少实际调试时间，节约人力物力；通过对不同轨道参数的变化并进行试验，能对轨道设计提供一定的指导作用，减少轨道后期的加工和改动工作，缩短磁浮列车的调试时间。

2 系统设计

车轨桥梁耦合振动试验平台系统总体设计主要包括试验台架的设计和激振系统的设计，本文主要对试验台架部分进行设计研究。试验台架通过更换频率调整组件，可以调节平台的振动频率，通过激振系统向轨道施加激励力，从而模拟线路的各种干扰。车轨桥梁耦合振动试验系统包括以下几个主要部分：试验台架、激振器、控制操作台、悬浮控制器[3]，各部分连接关系如图1 所示。（1）试验台架：包含悬浮架（半幅）、轨道、传感器、空气弹簧、空压机、加载系统等。通过改变轨道的支撑组件，达到调节轨道振动频率的目的，通过改变空气弹簧的压强，可以调节转向架的负载大小；（2）激振器：激振器安装在F 轨的一端，用于实现轨道不同频率的振动；（3）控制操作台：用于完成悬浮命令的发送和状态的监测；（4）悬浮控制器：控制悬浮架电磁铁的起落。

2.1 设计目标

车轨桥梁耦合振动试验台架主要为车轨桥梁耦合振动的建模、分析、验证等工作提供试验平台。通过更换弹性支撑结构，可以调节平台的固有频率（具体的固有频率为：15Hz、20Hz、30Hz、40Hz、50Hz、60Hz、70Hz、80Hz、90Hz），以模拟不同轨道的振动特性。系统的主要技术参数如表1。

2.2 设计方案

车轨桥梁耦合振动试验台架主要由1 根F 轨、4 根轨枕、半幅悬浮架（内含两组4 个电磁铁、两个控制器、2 个传感器）、2 组防滚梁、1 个轨枕支座、4 套轨枕支座与轨枕连接组件、2 根转轴、2 个转轴支座、9 套频率调节组件、2 个千斤顶安装支座、1 套激振系统、1 个激振器安装支座、1 个加载龙门架等组成，三维模型如图2 所示。

频率调节组件与振动频率一一对应，只需更换频率调节组件，即可得到所需振动频率下的试验台架。试验台架频率调整组件的设计，避免了质量块加载装置的设计，以及大质量块砝码的更改和安装难题。

在F 轨中部设置了一套激振系统，该系统可向F 轨施加垂直的激励力，从而模拟线路的各种干扰。

3 试验台架设计

3.1 结构设计

轨枕支座是试验台架的主要组成部分，是轨枕安装的基础，采用型钢焊接而成与地面固连，结构模型如图3 所示。轨枕支座长3.3m、宽1.77m、最高1.4m，总重2568.08kg。

图3 轨枕支座三维模型

频率调节组件作为调节试验台架的振动频率，是试验台架关键部件，共有9 套，每套4 组。其中高频段调整组件用于获得振动频率在21.4Hz 92.3Hz 的试验台架，低频段调节组件用于获得振动频率在91.18Hz 109.2Hz 的试验台架,频率调节组件结构模型如图4 所示。

图4 频率调节组件

通过改变高频段调整组件和低频段调整组件中水平板的厚度，可以获得不同振动频率的试验台架，频率调节组件与试验台架振动频率对应关系如表2 所示。

表2 频率调节组件与试验台架振动频率对应关系

3.2 有限元仿真分析

工作状态下，F 轨将承受悬浮架传递过来的3t 垂向的作用力，以及悬浮架自身的重量0.569t。考虑到21.4Hz 所对应频率调节组件中水平板的厚度最薄，只要该水平板强度足够，则其余水平板的强度也会满足要求。图5 为21.4Hz 试验平台在上述载荷作用下的等效应力云图和位移云图[4]。

图5 3t 作用力+0.569t 悬浮架自重作用下21.4Hz试验平台计算结果

由图5 可知，21.4Hz 试验平台的最大等效Mises 应力为237.9MPa，最大垂向位移为-4.6mm，试验台架的板材是Q345，它的屈服强度是345MPa，高于237.9MPa，因此满足刚强度要求。

3.3 动力学响应分析

取f=f1=21.4Hz 时，图6 中1、2、3、4 号响应点的垂向位移曲线如图7 所示。

图6 试验台架中激振力作用点和响应点

图7 f=f1 时响应点垂向位移曲线

响应点1～4 的垂向位移区间分别为[-10.99，9.58]mm、[-10.83，9.44] mm、[-10.51，9.15] mm、[-9.83，8.53] mm，可见F 轨上各响应点的垂向位移响应基本相同。

取f=5Hz，试验台架的振动频率为f1=21.4Hz，可得f=5Hz 和f=21.4Hz 时响应点1 的垂向位移对比曲线如图8 所示。

图8 f=5Hz 和f=21.4Hz 时响应点1 的垂向位移对比曲线

由图8 可知，f=5Hz 时响应点1 的垂向位移区间为[-2.01,0.65] mm，远小于f=21.4Hz 时的相应值。在激振点施加垂向±1t 的集中力，可得F 轨的最大位移分别为0.68mm、2.19mm。可见，当激振频率远离试验台架的振动频率时，激振力对F 轨的影响与对应的静载相当。按照表2 的数据，改变试验台架的一节振动频率，分别取激振频率f 为各试验平台的一阶频率，可得响应点1 点垂向位移曲线如图9 所示。

图9 f=f2～f9 时响应点1 的垂向位移曲线

统计图7 和图9 中各曲线的幅值，见表3。

表3 各试验平台上响应点1 的垂向位移幅值

由表3 可知，在激振力的幅值不变的情况下，试验台架的振动频率越高，试验台架的振幅越小。

4 结论

本文以车轨桥梁耦合振动试验台为研究对象，通过理论研究分析，搭建试验系统，为车轨桥梁耦合振动的建模、分析、验证等工作提供试验平台，模拟线路的各种条件，为车轨桥梁耦合振动算法研究提供研究基础平台，后续将对试验平台轨道激振系统方案进行研究设计。

4.1 初步设计了车轨桥梁耦合振试验平台系统。

4.2 完成了试验台架的结构设计和仿真分析。

4.3 试验台架可实现轨道振动频率21Hz～109Hz 范围的调节。