導(dǎo)向機(jī)構(gòu)對(duì)磁浮車(chē)輛橫向載荷分配的影響分析

郭慶升，龔惠華，洪遠(yuǎn)卓

（1.中車(chē)株洲電力機(jī)車(chē)有限公司，湖南 株洲 412001；2.磁浮交通車(chē)輛系統(tǒng)集成湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 株洲 412001）

0 引言

中低速磁浮列車(chē)是一種新型軌道交通工具，通過(guò)電磁鐵與特殊的F軌道產(chǎn)生電磁力來(lái)提供列車(chē)的懸浮力。列車(chē)運(yùn)行時(shí)與軌道零接觸，具有噪聲低、磨耗低、轉(zhuǎn)彎半徑小、爬坡能力強(qiáng)、無(wú)污染、選線自由度大等優(yōu)點(diǎn)，是安全可靠、經(jīng)濟(jì)適用、環(huán)境友好型的城市軌道交通系統(tǒng)，是城市軌道交通發(fā)展的重要方向之一。目前中低速磁浮交通系統(tǒng)主要以以五懸浮架為主，主要用于大中城市及都市圈，如長(zhǎng)沙磁浮快線、北京S1 線等。

導(dǎo)向機(jī)構(gòu)作為中低速磁浮列車(chē)懸浮架的主要部件之一，其主要作用是將列車(chē)所受的橫向載荷分配到各個(gè)模塊上，使懸浮架在運(yùn)行過(guò)程中保持良好的姿態(tài)。國(guó)內(nèi)已有公開(kāi)資料對(duì)中低速磁浮車(chē)輛導(dǎo)向機(jī)構(gòu)進(jìn)行了研究。參考文獻(xiàn)［1］簡(jiǎn)單介紹了導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及工作原理；參考文獻(xiàn)［2］分析了導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)尺寸與懸浮架參數(shù)、曲線半徑參數(shù)、軌距等的關(guān)系情況；參考文獻(xiàn)［3］對(duì)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)在五懸浮架磁浮列車(chē)曲線通過(guò)中的作用及對(duì)磁浮列車(chē)導(dǎo)向性能的影響進(jìn)行了研究；參考文獻(xiàn)［4］［5］主要分析了五懸浮架磁浮車(chē)輛的動(dòng)力學(xué)性能。本文主要針對(duì)五懸浮架中低速磁浮車(chē)輛進(jìn)行分析，簡(jiǎn)單介紹導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及布置，并對(duì)有無(wú)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)情況下，空氣彈簧橫向載荷進(jìn)行理論分析及動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算，從而了解導(dǎo)向機(jī)構(gòu)對(duì)車(chē)輛橫向載荷分配情況的影響。

1 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

導(dǎo)向機(jī)構(gòu)主要由長(zhǎng)轉(zhuǎn)臂、短轉(zhuǎn)臂、橫向拉桿、長(zhǎng)拉桿等組成，如圖1所示。長(zhǎng)、短轉(zhuǎn)臂分別與車(chē)體銷(xiāo)接，是導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)心，前后通過(guò)長(zhǎng)拉桿相連，橫向拉桿的一端連接長(zhǎng)、短轉(zhuǎn)臂，另一端連接活動(dòng)滑臺(tái)。導(dǎo)向機(jī)構(gòu)內(nèi)部連接以及與車(chē)體、滑臺(tái)連接均為剛性鉸接。

圖1 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)三維示意圖

五懸浮架磁浮車(chē)輛中，每節(jié)車(chē)共設(shè)置6 組滑臺(tái)，其中1、3、4、6位為活動(dòng)滑臺(tái)，通過(guò)線性軸承與車(chē)體底部連接，滑臺(tái)只能相對(duì)車(chē)體橫移；2、5位固定滑臺(tái)，與車(chē)體固定連接。1、6位滑臺(tái)下連接一個(gè)空氣彈簧，2、3、4、5位滑臺(tái)下連接兩個(gè)空氣彈簧。兩套導(dǎo)向機(jī)構(gòu)分別安裝在1、3位滑臺(tái)和4、6位滑臺(tái)上，通過(guò)導(dǎo)線機(jī)構(gòu)可將活動(dòng)滑臺(tái)與車(chē)體產(chǎn)生橫向約束。懸浮架結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖2。為使車(chē)輛順利通過(guò)曲線線路，根據(jù)作圖法計(jì)算，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)長(zhǎng)轉(zhuǎn)臂與短轉(zhuǎn)臂的長(zhǎng)度比應(yīng)設(shè)置為2:1[1]。

圖2 五懸浮架磁浮車(chē)輛懸浮架結(jié)構(gòu)示意圖

2 空簧橫向載荷理論分析

本節(jié)主要對(duì)空氣彈簧的橫向載荷進(jìn)行理論分析，從而了解車(chē)輛橫向載荷的分配情況，故理論分析時(shí)只考慮了車(chē)輛在直線段受橫向載荷的工況，設(shè)整車(chē)所受的橫向載荷為F。由于整節(jié)車(chē)前后對(duì)稱，只需對(duì)半節(jié)車(chē)進(jìn)行分析,本理論分析中未考慮車(chē)輛傾斜、左右兩側(cè)空氣彈簧差異等的影響。

磁浮車(chē)輛中由于設(shè)置有導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，當(dāng)車(chē)輛在直線段受橫向載荷時(shí)，車(chē)輛的橫向載荷一部分通過(guò)固定滑臺(tái)直接傳遞到空氣彈簧，一部分通過(guò)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)傳遞到活動(dòng)滑臺(tái)再傳遞到空氣彈簧,最終傳遞到懸浮模塊上。單個(gè)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)受力及運(yùn)動(dòng)分析圖見(jiàn)圖3。設(shè)長(zhǎng)轉(zhuǎn)臂端部橫向載荷為F1，短轉(zhuǎn)臂端部橫向載荷為F2，車(chē)輛在橫向力作用下偏移δ，當(dāng)個(gè)空氣彈簧的橫向剛度為K。

圖3 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)受力及運(yùn)動(dòng)分析

由于導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的力矩平衡，并且五懸浮架磁浮車(chē)輛中導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的長(zhǎng)、短轉(zhuǎn)臂的長(zhǎng)度比為2:1，故長(zhǎng)、短轉(zhuǎn)臂端部的橫向載荷比為1:2，即

導(dǎo)向機(jī)構(gòu)長(zhǎng)、短轉(zhuǎn)臂上的橫向載荷均傳遞給對(duì)應(yīng)的空氣彈簧，導(dǎo)致空氣彈簧發(fā)生橫向偏移。根據(jù)圖2可看出，長(zhǎng)轉(zhuǎn)臂連接在左右兩個(gè)端部滑臺(tái)上，每個(gè)端部滑臺(tái)對(duì)應(yīng)一個(gè)空氣彈簧；短轉(zhuǎn)臂連接在左右兩個(gè)中間活動(dòng)滑臺(tái)上，每個(gè)中間活動(dòng)滑臺(tái)對(duì)應(yīng)兩個(gè)空氣彈簧。設(shè)長(zhǎng)轉(zhuǎn)臂對(duì)應(yīng)的每個(gè)空氣彈簧的橫向載荷為Fc，短轉(zhuǎn)臂對(duì)應(yīng)的每個(gè)空氣彈簧的橫向載荷為Fd?？傻贸觯?/p>

可得：Fc=Fd

長(zhǎng)、短轉(zhuǎn)臂對(duì)應(yīng)的空氣彈簧的橫向載荷一致，由于各空簧的剛度均為K，故長(zhǎng)、短轉(zhuǎn)臂對(duì)應(yīng)的空氣彈簧的橫向偏移量一致，即導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的長(zhǎng)、短轉(zhuǎn)臂的橫移量相等，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)不會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，跟隨車(chē)體一起橫向移動(dòng)。

固定滑臺(tái)與車(chē)體固定連接，也隨車(chē)體一起橫向移動(dòng)，故車(chē)輛在直線段受橫向載荷導(dǎo)致車(chē)輛橫向移動(dòng)后，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)對(duì)應(yīng)空氣彈簧的橫向位移與固定滑臺(tái)對(duì)應(yīng)空氣彈簧的橫向位移一致，所有空氣彈簧的橫向載荷相同。設(shè)每個(gè)空氣彈簧的橫向載荷為Fk。

假若磁浮車(chē)輛中無(wú)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，由于活動(dòng)滑臺(tái)與車(chē)體之間橫向無(wú)約束，車(chē)輛的橫向載荷全部傳遞到固定滑臺(tái)對(duì)應(yīng)的空氣彈簧上，每節(jié)車(chē)有4個(gè)固定滑臺(tái)，每個(gè)固定滑臺(tái)對(duì)應(yīng)兩個(gè)空氣彈簧。設(shè)固定滑臺(tái)對(duì)應(yīng)的每個(gè)空氣彈簧的橫向載荷Fk1。

從上述理論分析可看出，五懸浮架磁浮車(chē)輛直線段受橫向載荷工況下，有導(dǎo)向機(jī)構(gòu)時(shí)各空氣彈簧的橫向載荷一致，均為F/20。無(wú)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)時(shí)固定滑臺(tái)對(duì)應(yīng)的空氣彈簧橫向載荷為F/8，活動(dòng)滑臺(tái)對(duì)應(yīng)的空氣彈簧的橫向載荷為0。

3 空簧橫向載荷動(dòng)力學(xué)計(jì)算

為驗(yàn)證上述理論分析，利用動(dòng)力學(xué)仿真軟件SIMPACK對(duì)磁浮車(chē)輛在直線段、車(chē)輛右側(cè)受7級(jí)橫風(fēng)的工況下空氣彈簧的橫向載荷進(jìn)行計(jì)算分析。有導(dǎo)向機(jī)構(gòu)時(shí)各空氣彈簧的橫向載荷計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4。受橫風(fēng)穩(wěn)定后，各空氣彈簧橫向載荷值見(jiàn)表1。

表1 有導(dǎo)向機(jī)構(gòu)時(shí)受7級(jí)橫風(fēng)穩(wěn)定后空氣彈簧橫向載荷值

圖4 有導(dǎo)向機(jī)構(gòu)時(shí)直線段受7級(jí)橫風(fēng)空氣彈簧橫向載荷曲線圖

從動(dòng)力學(xué)計(jì)算結(jié)果圖1、表2中可看出，直線段受橫風(fēng)時(shí)，各空氣彈簧的橫向載荷曲線基本上重合，受橫風(fēng)穩(wěn)定后，各空氣彈簧的橫向載荷值相近。

但從計(jì)算結(jié)果中可看出左側(cè)空氣彈簧的橫向載荷均比后側(cè)的橫向載荷值大，這種情況主要是因?yàn)檐?chē)輛受橫風(fēng)時(shí)發(fā)現(xiàn)側(cè)滾引起的。車(chē)輛側(cè)滾時(shí)（示意圖見(jiàn)圖5），空氣彈簧承擔(dān)橫風(fēng)載荷的同時(shí)還需要承擔(dān)車(chē)輛重力的橫向分量。車(chē)輛受右側(cè)橫風(fēng)時(shí)，根據(jù)力矩平衡，左側(cè)空氣彈簧承擔(dān)的重力較大，相應(yīng)重力的橫向分量也較大，故左側(cè)空氣彈簧的橫向載荷均比后側(cè)的橫向載荷值大。

圖5 車(chē)輛側(cè)滾示意圖

無(wú)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)時(shí)各空氣彈簧的橫向載荷計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖6?？煽闯?、5位滑臺(tái)對(duì)應(yīng)的空氣彈簧橫向載荷較大，其余活動(dòng)滑臺(tái)對(duì)應(yīng)的空氣彈簧橫向載荷很小。

圖6 無(wú)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)時(shí)直線段受7級(jí)橫風(fēng)空氣彈簧橫向載荷曲線圖

由于受橫風(fēng)時(shí)車(chē)輛的側(cè)滾，導(dǎo)致左側(cè)空氣彈簧的橫向載荷大于右側(cè)空氣彈簧的橫向載荷?；顒?dòng)滑臺(tái)對(duì)應(yīng)的空氣彈簧也需承擔(dān)車(chē)輛的重力及重力的橫向分量，會(huì)導(dǎo)致端部滑臺(tái)對(duì)應(yīng)的空氣彈簧橫向載荷出現(xiàn)負(fù)值（載荷方向與橫風(fēng)方向相反）的情況。根據(jù)動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算，車(chē)輛在直線段受橫風(fēng)工況時(shí)，空氣彈簧的橫向載荷計(jì)算結(jié)果與理論分析基本一致。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述理論分析及動(dòng)力學(xué)仿真分析，五懸浮架磁浮車(chē)輛中，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)可將車(chē)輛橫向載荷較為均勻的分配傳遞到各空氣彈簧上，最終傳遞到懸浮模塊上，使懸浮架在運(yùn)行過(guò)程中保持良好的姿態(tài)。