雷竞技下载app官网.赵春发翟婉明等：面向列车稳定舒适运行的磁浮交通车线

　　中国600 km/h速度级高速磁浮交通技术探索逐渐进入“深水区”，构建包括磁浮车线动力学参数匹配设计的全过程正向设计体系势在必行。文章阐述了高速常导磁浮列车的动态行为特征及调控要求，回顾总结了21世纪以来高速磁浮列车、轨道梁和线路动力学设计研究进展和存在的问题，分析了磁浮交通多场耦合动力学仿真、悬浮导向气隙波动综合抑制、磁浮列车综合减振、车线动力学匹配设计面临的技术挑战，建议以有组织科研范式变革推进磁浮交通多学科交叉融合研究，创建面向行车稳定舒适的车线动力学参数匹配设计理论与技术，为600 km/h速度级高速磁浮交通工程技术研发及试验线建设提供支撑。

　　上海磁浮列车示范运营线（简称上海磁浮线 km/h，最高试验速度为501 km/h，最高运营速度为430 km/h，迄今已安全运营20年；在线路状态有明显劣化的情况下，目前仍能实现430 km/h安全稳定运行，但车辆运行平稳性（乘坐舒适性）已达不到优秀级别。悬浮气隙的波动幅值有所增大，已逼近悬浮控制回路主动切断的气隙限值。基于上海磁浮线实测结果进行线 km/h后，悬浮气隙动态波动量将显著增大，发生悬浮控制回路主动切断、悬浮失效的风险加大。类似地，导向气隙波动也会加剧，可能诱发电磁导向失效。此外，悬浮导向气隙波动随车速提高而持续增大，意味着车辆振动也会加剧，旅客乘坐舒适性变差。悬浮导向气隙波动随行车速度提高而增大的原因十分复杂，包括轨道不平顺的激振作用加剧；电磁悬浮导向系统的时滞效应更突出；列车空气动力效应随速度提高呈指数级增长；悬浮导向气隙干扰因素增多、激扰强度增大等。上述多个因素相互叠加、共同作用，使列车动态运行环境恶化，显著加大列车动态行为和运行品质调控难度。

　　因此，中国要实现高速常导磁浮交通从500 km/h速度级跃升至600 km/h速度级，必须解决速度提升后悬浮导向气隙波动加剧导致的行车安全风险，以及车辆振动加剧带来的乘坐舒适性较差问题。然而，由于悬浮导向主动控制作用和高速度、高精度、无接触跟踪地面轨道的严苛要求，车轨之间以可控电磁力为纽带相互影响。磁浮列车对轨道及其支承结构的振动和变形极为敏感，单纯从车辆系统、电磁系统（含控制）和轨道系统入手，很难有效解决由机-电-磁-土木结构-空气流场耦合作用带来的车辆动力学性能恶化问题。必须打通磁浮交通系统研发中各专业、各学科之间的壁垒，以减小悬浮导向气隙波动和提高列车运行稳定性与舒适性为目标，以车线系统多场多学科动力学仿真和试验研究为手段，从系统工程角度对车辆结构及悬挂参数、电磁悬浮导向参数、轨道平顺性参数、承载结构参数、列车气动参数等进行优化和匹配设计，使整体系统达到600 km/h稳定舒适运行的工程目标。上述科学技术问题在常导磁浮交通技术发源地的德国也研究较少，近年来在中国得到重视和发展。这种技术一旦取得突破式进展，将书写世界高速轨道交通新篇章，打造出中国高速磁浮交通的国家名片。

　　在各种内外部激扰下，列车能够高安全、高稳定、高舒适运行是现代轨道交通推广应用必须具备的条件。 排除台风、高烈度地震、地质灾害、火灾等导致的行车安全性问题，本节主要讨论正常运行条件下常导磁浮列车的动态行为特征及其达到稳定舒适运行的调控要求。 这是高速磁浮运载系统动力学设计首先需要关注的问题。

　　如图1所示，区别于传统轮轨铁路，常导磁浮交通以悬浮和导向电磁铁替代钢轮，以非接触、空间分布的电磁力替代轮轨“点”接触力，避免了车轨之间发生高强度、高频率的机械动力作用。但是，磁浮列车的悬浮和导向刚度远小于轮轨接触刚度，高速条件下悬浮导向气隙波动幅值达到甚至超过8 mm，明显大于动车组轮载作用下约1.5 mm的钢轨弹性变形量，使得磁浮车辆的垂向、横向运动范围较轮轨车辆更大。尽管常导磁浮列车“抱”轨运行，从物理结构上消除了列车脱轨的可能性，但悬浮和导向气隙波动幅值过大意味着车辆振动剧烈，会使旅客乘坐舒适性变差，并存在电磁铁和轨道发生碰撞的风险，从而危及行车安全。

　　上述常导磁浮列车动态行为特征表明，减小悬浮导向气隙波动是提高磁浮列车运行稳定性和乘坐舒适性的根本要求。然而，悬浮导向气隙波动是车辆振动、轨道变形与振动、轨道不平顺激扰、列车气动荷载激扰等在磁力调控作用下的综合反应，需要从全局的角度综合整治才能有效抑制气隙波动。因此，降低磁浮列车机械系统、可控电磁系统和线路系统的动态相互作用强度是提高磁浮列车运行稳定性和乘坐舒适性的内在要求。有必要进一步优化各单项技术以减小气隙波动，但在运行速度更高、底层技术基本不变、可替代的革新性单项技术尚未出现的情况下，更加需要从集成创新的角度对各子系统进行参数优化适配，达到磁浮列车以600 km/h稳定舒适运行的目标，而加强高速磁浮车线动力学参数匹配设计研究是推进此项工作的关键。

　　轨道交通需要穿越不同地形地貌区域，必然会采用多种线路结构形式，工程设计中必须对全线线路结构进行列车动力学性能评估，找到列车和线路参数的合理匹配关系。 此项工作以列车运行稳定性和舒适性为重要考核指标，称之为车线动力学参数匹配设计，它涉及列车与轨道、桥梁、隧道、曲线线路、列车外部流场等多系统多层次协调设计。 在铁路交通领域，翟婉明于1994年提出轮轨系统动力学参数匹配设计思想，创立了车辆-轨道耦合动力学全新理论体系，基于该理论体系提出了机车车辆与线路动力性能最佳匹配设计原理和方法，近30年来不断应用于铁路工程实际，解决了铁路提速、高速铁路、重载铁路及城市轨道交通工程中一系列关键动力学难题，有力地支撑了中国轨道交通的跨越式发展。 然而，作为一种新型轨道交通工具，在相当长一段时间内，磁浮交通技术研发的重点是电磁悬浮技术（含悬浮导向控制）和车辆走行部设计，磁浮列车与线路参数的匹配研究简约粗放。 在磁浮列车技术基本定型以后，大量的研究工作往往以线路适配车辆为主，很少见车线动力学参数双向匹配设计研究，未充分挖掘主动电磁悬浮导向技术的潜力。

　　磁浮列车走行部结构形式与参数（包括车辆悬挂参数、悬浮导向控制算法及参数等）对列车运行稳定性和舒适性有决定性影响，是磁浮列车动力学设计的主要内容。为提高悬浮稳定性并减小车辆振动，德国常导高速磁浮（Transrapid, TR）列车设计理念出现多次变革。TR02和TR04车辆将电磁铁直接安装在车厢底部，多个电磁铁之间存在很强的机械耦合，难以通过集中控制进行解耦，导致磁浮车辆振动剧烈。在总结反思早期研究经验的基础上，TR05车辆采用分散独立控制策略，首次提出“磁轮”概念，设计制造了磁走行装置，使磁浮列车设计理念从“地面飞行器”转变为“轨道交通车辆”。为确保在部分电磁铁悬浮失效后磁浮列车仍能无接触运行，TR06车辆对磁走行装置进行了重大改造，发明如图2所示的电磁铁沿纵向相互搭接而成的“链式”走行部。它以C形悬浮框为载体形成悬浮导向控制平台，悬浮框左、右侧各有1个悬浮控制点（单元）和1个导向控制点。“链式”结构降低了沿纵向分布的悬浮导向控制点之间的机械耦合，提高了磁浮列车支承导向冗余，改善了磁浮列车高速运行稳定性和舒适性，后续TR07~TR09车辆和中国研制的600 km/h速度级磁浮列车均沿用了此种走行部结构。

　　走行部结构定型以后，磁浮列车动力学设计的重点转移到电磁悬浮导向（也称为一系悬挂）参数优化和车体悬挂（也称为二系悬挂）参数优化。前者的目的是提高列车运动稳定性，避免出现悬浮失稳、失效和车辆碰轨事故；后者的主要目的是改善车辆乘坐的舒适性。磁浮列车运动稳定性是高维时变非线性动力学问题，目前没有成熟的解析分析方法。一些学者使用简化模型开展磁浮列车悬浮稳定性的影响因素分析，为磁浮列车悬浮导向控制参数选取提供了参考。但是，这些研究采用的悬浮控制模型与工程实际有较大差别，且大多简化或忽略了悬浮架机械约束、列车和线路空间效应、电磁系统时滞效应、列车气动荷载等对列车运动稳定性的影响，相关研究成果不足以精准支撑工程设计。近年来，建立精细的车辆机械系统模型、高精度的非线性磁力计算模型、更符合工程实际的悬浮控制模型、轨道不平顺模型和轨道梁动力学模型，开展磁浮列车动力学精细化仿真分析以探索列车运动失稳的工程控制边界，已逐渐成为行业内共识。近期的研究表明，电磁系统的时滞对磁浮列车悬浮导向气隙波动有显著影响，且时滞效应随列车速度提高而增大，成为600 km/h速度级高速磁浮交通系统研发需要特别关注的问题。2021年，中国建成全球唯一的高速磁浮整车走行振动试验台，以实物形式完整真实地反映磁浮车辆系统的各种非线性特性，以半实物半虚拟方式模拟车线相对运动、轨道梁弹性振动、列车气动荷载等，为研究600 km/h速度级磁浮车线耦合振动机制及列车稳定运行调控技术提供了基础试验平台。

　　图2所示高速磁浮列车的二系悬挂独具特色。车体通过吊杆与摇枕相连，摇枕与悬浮框之间安装空气弹簧，紧凑的结构降低了车辆总高度及横截面面积，为减小磁浮列车气动阻力提供了条件。车体和悬浮框的横向和纵向相对运动通过吊杆摆动进行补偿，能有效提高磁浮列车通过弯道的能力。这种二系悬挂结构在上海磁浮线上被证实是成功的，但在线路状态劣化以后，速度为430 km/h时车辆乘坐舒适性已达不到优秀等级。因此，仍有必要对磁浮列车二系悬挂结构及参数进行改进或优化设计。“十三五”期间，针对中车青岛四方机车车辆股份有限公司提出的无摇枕、无吊杆创新型悬浮架，作者所在团队开展了新型悬浮架结构及二系悬挂参数的优化研究。结果表明，优化后的新型悬浮架可以更好地满足车辆稳定舒适运行要求。西南交通大学罗世辉团队提出了另一种新型悬浮架结构——空簧中置式悬浮架，数值分析和室内试验表明这种悬浮架具有低动力作用特性。然而，一旦悬浮架结构发生较大变化，就需要对新型悬浮架和变更设计的车厢结构进行全面的考核认证，这使得研发周期和研发成本不断增加。因此，为降低研发风险、加快600 km/h速度级磁浮交通系统研发进程，在当前对现有磁走行部结构及参数、悬浮导向控制参数进行优化显得更为迫切。

　　常导磁浮交通大量采用高架线路，线路建造成本通常占工程总造价的70%以上，需要从适用且经济的角度开展通用桥梁设计研究。其中，适用性原则主要是指在正常条件下能够满足列车高速运行稳定性和舒适性要求，这正是磁浮桥梁动力学设计的目的。如图3所示，由于磁浮导轨单元沿纵向间断布置、锚固在通用桥梁的两侧形成一体化结构，故一般将磁浮桥梁及桥上轨道合称为轨道梁。

　　为降低线路综合造价，磁浮轨道梁优选中等跨度的混凝土简支梁。由于桥梁跨度必须是导轨单元长度（3.096 m）的整数。