超高速磁浮車輛用減振系統(tǒng)設(shè)計(jì)探究

陳清化 王玉輝

摘要：針對真空管道超高速磁浮車輛用空氣彈簧需要外部空氣參與循環(huán)的問題，提出了一種可用的減振系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并對其工作原理及相關(guān)特性進(jìn)行了闡述。創(chuàng)新減振系統(tǒng)方案可以實(shí)現(xiàn)空氣在系統(tǒng)內(nèi)部的循環(huán)使用，考慮了產(chǎn)品的可用性、可靠性以及可維護(hù)性，有利于提升磁浮車輛的運(yùn)行穩(wěn)定性及平順性。此系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)也可為其他類似系統(tǒng)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供參考借鑒。

Abstract： Aiming at the problem that air springs for vacuum ducted ultra-high-speed maglev vehicles require external air to participate in the circulation， an available design scheme of vibration reduction system is proposed， and its working principle and related characteristics are described. The innovative damping system solution can realize the circulating use of air inside the system， taking into account the availability， reliability and maintainability of the product， and is conducive to improving the operational stability and smoothness of the maglev vehicle. This system scheme design can also provide reference for the design of other similar system product structures.

關(guān)鍵詞：真空管道;高速磁浮;減振系統(tǒng)

Key words： vacuum pipeline;high-speed maglev;damping system

中圖分類號：U260? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）12-0209-02

0? 引言

當(dāng)前，軌道交通車輛正在朝著更高速方向發(fā)展，而現(xiàn)有的輪軌交通車輛的試驗(yàn)速度還未超過600公里時速，這主要是受限于空氣阻力的影響，車輛在更高速運(yùn)行時需要克服的空氣阻力也更大。為了實(shí)現(xiàn)更高速運(yùn)行，軌道交通車輛的高速研究正朝著真空管道超高速磁浮方向努力。在世界范圍內(nèi)，1000公里時速、2000公里時速，甚至4000公里時速的真空管道超高速磁浮均在規(guī)劃研究中。而要實(shí)現(xiàn)這些超高速磁浮的一個前提就是要減少外界的阻力干擾，目前普遍選用的在在真空管道中運(yùn)行的方案，讓車輛在完全密閉真空的環(huán)境中運(yùn)行。對于高速運(yùn)行的車輛而言，一個很小的波動都有可能引發(fā)較大的振動?，F(xiàn)有的高速動車組中，為提高車輛的減振效果均是采用了低剛度的空氣彈簧作為減振部件，該減振部件的使用需要壓縮空氣，并且會隨機(jī)向外界排放空氣，顯然，此種使用方式將限制空氣彈簧在真空管道超高速磁浮車輛中的使用。而現(xiàn)有的其他橡膠減振部件可提供的垂向剛度相較于空氣彈簧減振系統(tǒng)來說大了很多，甚至是數(shù)量級的差異，減振效果不佳。有鑒于此，進(jìn)行真空管道超高速磁浮車輛用減振系統(tǒng)的研制，對于真空管道超高速磁浮車輛的開發(fā)具有重要的指導(dǎo)和參考意義。

現(xiàn)有的磁浮車輛在速度小于600公里時速時均采用開放式設(shè)計(jì)，空氣彈簧系統(tǒng)可以將氣體排放到大氣中，壓縮空氣的產(chǎn)生也可以從大氣中獲得所需氣源。當(dāng)磁浮車輛的速度高于600公里時速時，需要考慮在真空管道中運(yùn)行，則空氣彈簧系統(tǒng)所需的壓縮氣源以及排放的氣體均需進(jìn)行特殊處理。有鑒于此，亟需設(shè)計(jì)一種空氣彈簧減振系統(tǒng)中的空氣循環(huán)使用方式，以減小用于減振系統(tǒng)的空氣對真空管道的影響。

目前關(guān)于磁浮車輛減振方面國內(nèi)外學(xué)者做過相關(guān)研究，如尹力明[1]等研究介紹了八達(dá)嶺旅游示范線磁浮列車空氣彈簧的應(yīng)用情況。沈志云院士[2]提出了發(fā)展低真空高溫超導(dǎo)磁懸浮高速系統(tǒng)的技術(shù)方案。王靖華[3]研究介紹了超高速磁浮真空管道的必要性，同時闡述了真空管道地下實(shí)現(xiàn)的三種可能方案。馮仲偉[4]等研究闡述了發(fā)展低真空管道高速磁懸浮系統(tǒng)的意義，研究分析了其技術(shù)特點(diǎn)、發(fā)展現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)等。陳清化[5]等人研究介紹了中低速磁浮車輛用空氣彈簧氣囊結(jié)構(gòu)參數(shù)對性能的影響。前述研究均未涉及到超高速磁浮減振系統(tǒng)方面的研究。

1? 磁浮車輛減振系統(tǒng)介紹

目前用于磁浮車輛的懸浮架上的減振部件有空氣彈簧和橡膠彈簧等形式，一般在空間允許的情況下會優(yōu)先選擇空氣彈簧作為減振系統(tǒng)，如果空間不允許可能會選用純橡膠彈簧來實(shí)現(xiàn)減振。如長沙磁浮車輛中單節(jié)車上裝載了20個空氣彈簧，保證了車輛的運(yùn)行平穩(wěn)性和乘客乘坐舒適性。

空氣彈簧作為減振部件需要有壓縮空氣構(gòu)成循環(huán)，通常氣源的氣體從大氣中獲取空氣，形成壓縮空氣，根據(jù)空氣彈簧載重的變化通過充排氣進(jìn)行調(diào)節(jié)，壓縮空氣在載荷減小時排入大氣環(huán)境中。而其他純橡膠彈簧工作過程中不需要空氣，但是橡膠彈簧的垂橫向剛度比空氣彈簧的剛度要大很多，減振降噪效果相對較差。人們對于車輛的平穩(wěn)性及乘坐舒適性的要求越來越高，單純橡膠彈簧的減振降噪效果難以保證。

目前對于超高速磁浮規(guī)劃方案中均選擇采用真空管道模式，但是真空管道中無空氣的環(huán)境需求對于空氣彈簧的應(yīng)用存在較大的障礙。為保證減振降噪的效果，超高速磁浮車輛中減振系統(tǒng)可能會優(yōu)先考慮空氣彈簧系統(tǒng)，而解決空氣循環(huán)的問題是目前選用空氣彈簧系統(tǒng)需要解決的一個關(guān)鍵問題，為解決前述問題，提出了一種真空管道超高速磁浮車輛用減振系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。

2? 超高速磁浮減振系統(tǒng)設(shè)計(jì)介紹

提出的適用于真空管道超高速磁浮車輛的減振系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中空氣壓縮機(jī)、高壓儲氣裝置、高度控制閥和空氣彈簧依次連接，高度控制閥與空氣壓縮機(jī)連接，高度控制閥與空氣壓縮機(jī)之間設(shè)有低壓氣缸，低壓氣缸與空氣壓縮機(jī)之間設(shè)有壓力控制閥，低壓氣缸中還有設(shè)計(jì)有過濾裝置?？諝鈮嚎s機(jī)與高壓儲氣裝置通過氣體管道進(jìn)行連接，高壓儲氣裝置與高度控制閥通過氣體管道進(jìn)行連接，高度控制閥與空氣彈簧通過氣體管道進(jìn)行連接，高度控制閥與空氣壓縮機(jī)通過氣體管道進(jìn)行連接。在氣體管道上還設(shè)置有低壓氣缸和壓力控制閥。備用高壓儲氣裝置與高壓儲氣裝置連接。備用高壓儲氣裝置與高壓儲氣裝置之間設(shè)有壓力控制閥。

3? 創(chuàng)新系統(tǒng)工作原理及特性介紹

超高速磁浮車輛運(yùn)行過程中，當(dāng)高度控制閥連接的高度控制桿件檢測到空氣彈簧的高度低于閾值時，將信息反饋至高度控制閥，高度控制閥控制高壓儲氣裝置向空氣彈簧中充入壓縮氣體。當(dāng)高度檢測桿件檢測到空氣彈簧的高度達(dá)到閾值時，將相關(guān)信息反饋至高度控制閥，高度控制閥控制高壓儲氣裝置停止向空氣彈簧中充入壓縮氣體。高度閾值可以根據(jù)車輛的結(jié)構(gòu)設(shè)置、車輛的載重設(shè)定以及行駛路線的路況等具體情形而進(jìn)行設(shè)計(jì)調(diào)整，以最大限度地拓寬減振系統(tǒng)的適用范圍。完成空氣彈簧充氣后，設(shè)置高壓儲氣裝置中剩余壓縮氣體的含量是在合理考慮裝置的總體積量后確定的。要保證最終能夠?qū)崿F(xiàn)向空氣彈簧中充入壓縮氣體，至少需要9bar的壓力空氣。

當(dāng)高度檢測桿件檢測到空氣彈簧的高度高于閾值時，將相關(guān)信息反饋至高度控制閥，高度控制閥則控制空氣彈簧將多余的氣體排入低壓氣缸中，壓力控制閥根據(jù)低壓氣缸內(nèi)的氣體壓力值來控制空氣壓縮機(jī)的運(yùn)行時機(jī)?？梢岳斫鉃橥ㄟ^預(yù)先設(shè)定低壓氣缸中的壓力閾值，當(dāng)壓力控制閥檢測到低壓氣缸中的壓力值大于閾值時，則控制空氣壓縮機(jī)運(yùn)行，進(jìn)行氣體壓縮。閾值的具體數(shù)值可以根據(jù)車輛的實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行適應(yīng)性的選擇和調(diào)整。壓力控制閥檢測到低壓氣缸內(nèi)的氣體壓力值達(dá)到預(yù)設(shè)值時，控制空氣壓縮機(jī)運(yùn)行，空氣壓縮機(jī)中產(chǎn)生的壓縮氣體進(jìn)入高壓儲氣裝置中儲存，以備空氣彈簧的充氣需求。

如此，即完成氣體在減振系統(tǒng)中的循環(huán)使用，確保減振系統(tǒng)內(nèi)部的壓力氣體持續(xù)滿足車輛平穩(wěn)運(yùn)行的減振需求。另外在空氣彈簧中還可以設(shè)置附加氣室和壓差裝置（圖2中未示出），通過附加氣室提高空氣彈簧的充氣、排氣穩(wěn)定性，通過壓差裝置實(shí)時監(jiān)測空氣彈簧中的壓力變化，提高空氣彈簧的使用安全性。

4? 結(jié)論

①提出了可用于真空管道超高速磁浮車輛用的減振系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，有效解決了真空管道超高速磁浮車輛減振系統(tǒng)中壓力空氣循環(huán)過程中氣體外排影響行車的問題。

②提出的減振系統(tǒng)可以提高超高速磁浮車輛的運(yùn)行穩(wěn)定性和車輛運(yùn)行平順性，提高超高速磁浮車輛的減振效果。有利于更高速更平穩(wěn)車輛的設(shè)計(jì)研究工作。

③本創(chuàng)新方案中備用氣源及維護(hù)方便的設(shè)計(jì)，提高了減振系統(tǒng)的使用可靠性及可維護(hù)性，也可為其他類似系統(tǒng)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供參考借鑒。

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