长定子中低速磁浮轨道动力学分析与结构优化

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目前我国正在对某新型中低速磁浮列车进行工程应用前的足尺调试运行实验，测试磁浮列车其运行的稳定性、可靠性和安全性，为限制振动给中低速磁浮列车带来危害和影响，在磁浮列车轨道中应用弹性体，充分发挥其隔振和调整高度的作用。实际工程中，弹性体和轨道支座之间以及轨枕与弹性体之间是接触的，属非线性行为。为了更恰当地对轨道承载情况进行分析，在此采用非线性接触分析进行计算嘲。磁浮轨道的变形及振动会影响磁浮列车垂直悬膏离从而对列车运行安全产生影响。因此，有必要对磁浮轨道进行动力学结构分析，以确定磁浮轨道的合理结构，从而对其结构改进提供依据。

2长定子磁浮轨道模型2.1结构设计传统轨道由路基、轨枕、钢轨等组成。新型长定子中低速磁浮列车轨道因为安装电磁铁产生电磁力使磁浮列车悬浮在轨道 匕面，实现无接触运行和导向，所以其结构与传统轨道有较大区别，特别是钢轨和轨枕部分。磁浮列车轨道结构装座，枕梁安装座与枕梁之间安装承压弹性体，枕梁上面安装钢轨。

。钢轨的活动轨与固定轨之间采用轨道连接板焊接国。新型长定子中低速磁浮轨道横截面图，如图I所 。

1.固定立柱 2.固定枕梁 3.长定子 4.固定轨 5.电磁铁6.承压弹性体 7.枕梁安装座图 I磁浮轨道横截面图Fig.1 Structure of Maglev Track来稿日期：2012-03-10基金项目：国家 自然科学基金(51175442)；中央高校基本科研业务费专项资助项目(201OzrIU3)作者简介：周 磊，(1987-)，男，四川成都，西南交通大学，硕士研究生；肖绯雄 ，(1963-)，男，硕士研究生，副教授，主要研究领域为机车车辆测试技No.1Jan.2013 机械设计与制造 1095磁浮轨道结构优化设计5.1磁浮轨道减重优化设计模型从结构材料性能以及强度的角度看，结构过于保守，从静力性能对其优化效果不大，难以保证其动力学性能。当以结构体的动力学特性进行结构减重优化时，基本形式不能进行过大的改动，因此优化主要针对构件尺寸而不是结构形式181。

52优化目标和约束条件磁浮轨道结构主要由钢板组合而成，选择各板厚度、轨枕高度和宽度作为优化变量。磁浮轨道的总重量最小作为优化设计目标。约束条件分别为-阶固有模态频率小于65Hz，其振型相对位移最大值小于2mm，其它为结构尺寸方面的限制条件，具体减重优化数学模型为：mi ( )-<65Hz 。

占 2mm] [ ] (6)[h ] [h ][b。 -

5.3优化结果优化结果，如表2所示。磁浮轨道的重量有所减少，但轨枕刚度增加了，直接的影响就是可以大幅度降低钢轨厚度尺寸而保持磁浮轨道总变形量与优化前相近。与优化前相比，优化后重量降低了10.83%，优化后的-阶固有模态频率为62.68Hz，振型相对位移最大值为0.8745mm，如图 5所示，减重优化设计达到了既定目标。

表 2优化变量值Tab.2 Value of Optimization Variables图 5优化后垂直方向-阶振型Fig.5 First Modal Shape of Vertical Direction after Optimization6结论(1)模态分析结果表明，振型主要是为垂直振动和扭转振动，且是以垂直振动为主。振型相对位移最大值都在(0.445 1.1066)mm之间，当激振频率与磁浮轨道的固有频率相吻合时，将会产生剧烈的颤动。

(2)谐响应分析表明，在(30～65)Hz频率范围内，振幅趋于较小稳定值，适于磁浮轨道稳定工作。在工作过程中应尽量在(30～65)Hz的频率范围内，为改进磁浮轨道的稳定性提供了理论。

(3)对磁浮轨道结构减重优化进行初步设计分析，数值计算结果表明优化后重量降低了 10.83%，优化后的-阶固有模态频率为62.68Hz，振型相对位移最大值为0.8745mm，减重优化设计达到既定 目标，动刚度特性满足工程设计要求。

(4)主要考虑了磁浮轨道垂向动力学问题，牵引方向以及垂向和牵引方向共同作用的动力学问题有待进-步展开。动力学数值分析结果为磁浮列车下-步的调试实验提供了磁浮轨道结构的计算数据，还对磁浮轨道性能的进-步的设计和改进提供了依据。