連續(xù)可變負(fù)載中低速懸浮實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)

黃超生

（中國(guó)鐵建重工集團(tuán)股份有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410100）

0 引言

中低速磁浮交通是是未來(lái)城市軌道交通的重要方向之一[1-2]，隨著長(zhǎng)沙和磁浮線路相繼開(kāi)通，中低速磁懸浮技術(shù)也逐漸成熟。懸浮控制系統(tǒng)是包含了懸浮電磁鐵、懸浮控制器與懸浮傳感器的閉環(huán)控制系統(tǒng)[3]。為保證列車運(yùn)營(yíng)，須定期對(duì)其進(jìn)行功能測(cè)試。

由于線路數(shù)量不多，國(guó)內(nèi)對(duì)懸浮實(shí)驗(yàn)臺(tái)研究較少，傳統(tǒng)的方式是用一個(gè)真實(shí)懸浮架搭建起實(shí)驗(yàn)臺(tái)，采用人工疊加沙袋的形式進(jìn)行垂向載荷和橫向偏置載荷的改變，這種方式低成本較低，但是操作不便，且無(wú)法實(shí)現(xiàn)連續(xù)可調(diào)地加載，也不能模擬不同的載荷波形，做不到定量控制[4]。

本文從降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提高實(shí)驗(yàn)效率，強(qiáng)化定量載荷分析的角度出發(fā)，提出了一種可連續(xù)變載荷的懸浮實(shí)驗(yàn)臺(tái)，并對(duì)其核心原理和方案進(jìn)行了探討，比較了其優(yōu)缺點(diǎn)。

1 總體方案設(shè)計(jì)

如圖1所示，實(shí)驗(yàn)臺(tái)由底座、懸浮架、垂向加載機(jī)構(gòu)、橫向偏載機(jī)構(gòu)及電氣控制系統(tǒng)構(gòu)成。其中，底座上鋪設(shè)F軌道，用于承載懸浮架；垂向加載機(jī)構(gòu)用于模擬模擬乘客上車過(guò)程，可持續(xù)變化地增加負(fù)載；橫向偏載機(jī)構(gòu)用于模擬乘客在車廂內(nèi)走動(dòng)給車輛帶來(lái)的偏載作用[5]。

圖1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)整體方案

2 垂向加載功能設(shè)計(jì)

乘客上下車以及線路曲線變化會(huì)造成列車垂向載荷變化，為此，例行檢查中需要對(duì)該工況下的工作情況進(jìn)行測(cè)試，這是懸浮實(shí)驗(yàn)臺(tái)需要重點(diǎn)模擬的工況。

2.1 垂向變載荷裝置設(shè)計(jì)

如圖2所示，垂向加載機(jī)構(gòu)主要包括直線滑臺(tái)、杠桿機(jī)構(gòu)、滑輪組、鋼絲繩、配重塊等部件組成，直線滑臺(tái)用于驅(qū)動(dòng)配重塊來(lái)回移動(dòng)，杠桿機(jī)構(gòu)受配重塊的重力和鋼絲繩拉力作用處于力矩平衡狀態(tài)，滑輪組用于放大垂向載荷力。

圖2 垂向加載機(jī)構(gòu)

2.2 垂向變載荷原理

垂向變載荷的實(shí)現(xiàn)依靠杠桿機(jī)構(gòu)和滑輪機(jī)構(gòu)的作用，其中杠桿機(jī)構(gòu)用于實(shí)現(xiàn)鋼絲繩拉力的的設(shè)定，滑輪機(jī)構(gòu)用于實(shí)現(xiàn)力的倍增[6]。

如圖3所示，設(shè)滑塊質(zhì)量為m，杠桿旋轉(zhuǎn)輪半徑為R，鋼絲繩拉力為F0，則根據(jù)力的平衡關(guān)系有：

圖3 杠桿機(jī)構(gòu)

為減小配重塊重量，降低對(duì)直線滑臺(tái)的載荷要求，采用滑輪組結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)力的倍增，將鋼絲繩拉力放大4倍后施加給懸浮架。

如圖4所示，有：

其中F為鋼絲繩對(duì)懸浮架的總拉力；設(shè)懸浮架質(zhì)量為m0，聯(lián)立式（1）和式（2）可得：

其中f為摩擦力，可以忽略不計(jì)；由式（3）可知，通過(guò)垂向變載機(jī)構(gòu)，將對(duì)載荷力的控制轉(zhuǎn)化成了對(duì)配重塊位移的控制[7]。

2.2 垂向加載性能分析

實(shí)驗(yàn)臺(tái)的最大加載能力，最快加載速度以及載荷分辨率是其關(guān)鍵性能指標(biāo)，需要進(jìn)行核算。

懸浮架質(zhì)量m0：2000kg

滑臺(tái)數(shù)量：2個(gè)

配重塊質(zhì)量m：65kg

滑臺(tái)最大可移動(dòng)長(zhǎng)度Lmax：1179mm

滑臺(tái)最大移動(dòng)速度v：1600mm/s

滑臺(tái)移動(dòng)分辨率δ：0.05mm

旋轉(zhuǎn)盤(pán)半徑R：140mm

則滑臺(tái)最大加載能力F總=63.791KN，最大加載速度FA=79.429KN/s，最小載荷分辨率可達(dá)到δF=0.92N（單滑臺(tái)移動(dòng)）。

3 偏置加載功能設(shè)計(jì)

實(shí)際車廂內(nèi)很難保證載荷分布均勻，懸浮架能夠工作在這種偏載工況下，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法是將沙袋放置于平臺(tái)的不同位置來(lái)模擬車廂偏載[8]。

本方案中采用4個(gè)直線滑臺(tái)加配重塊的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)這種工況，如圖5所示。

圖5 偏載機(jī)構(gòu)

3.1 偏置載荷裝置設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)縱向與橫向偏載的獨(dú)立性，采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在懸浮架上平臺(tái)上前后左右對(duì)稱布置4個(gè)直線滑臺(tái)，其中左右兩組滑臺(tái)用于模擬前后偏載，前后兩組滑臺(tái)用于模擬左右偏載，并且不會(huì)對(duì)整個(gè)平臺(tái)產(chǎn)生滾動(dòng)力矩和俯仰力矩[9]。

3.2 偏載施加原理

以縱向偏載模擬為例，如圖6所示。

圖6 縱向偏載原理

懸浮架左右滑臺(tái)移動(dòng)距離分別是D1、D2，配重塊質(zhì)量為m，那么由于配重塊的移動(dòng)給平臺(tái)帶來(lái)的偏轉(zhuǎn)力矩為：

同樣地，由公式（4）可知，平臺(tái)的偏載可以通過(guò)控制滑臺(tái)位移D1和D2來(lái)實(shí)現(xiàn)，橫向偏載原理類似，不再贅述。

3.3 偏載性能分析

最大偏載能力，最大偏載速度是關(guān)鍵性能指標(biāo)，需進(jìn)行核算。

滑臺(tái)數(shù)量：2個(gè)

配重塊質(zhì)量m：65kg

滑臺(tái)最大可移動(dòng)長(zhǎng)度Lmax：1200mm

滑臺(tái)最大移動(dòng)速度v：1600mm/s

通過(guò)計(jì)算，得到平臺(tái)的最大縱向偏載能力為1.56kN·m，最大縱向偏載速度為2.08kN·m。

4 結(jié)語(yǔ)

本文為解決懸浮實(shí)驗(yàn)中加載不方便、不可量化、勞動(dòng)強(qiáng)度大等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了連續(xù)可調(diào)加載裝置，實(shí)現(xiàn)了垂向加載和橫向偏載的連續(xù)可控，核算了加載性能?？偟膩?lái)說(shuō)，方案實(shí)現(xiàn)了負(fù)載的連續(xù)可調(diào)，節(jié)約了占地面積，降低了人工勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工作效率，將負(fù)載控制轉(zhuǎn)化成位移控制，使得加載過(guò)程能在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行。

本文對(duì)摩擦力和加載過(guò)程的動(dòng)態(tài)過(guò)程未做深入討論，這是后續(xù)可以進(jìn)一步研究的方向。