中低速磁浮道岔振動與控制研究現狀與展望

徐 浩,李忠繼,蔡文鋒

(1.中鐵二院工程集團有限責任公司，四川成都 610031；2.四川高新軌道交通產業技術研究院，四川成都 610031)

隨著人民生活水平和出行方式的要求提高，城市軌道交通發展迅速。中低速磁浮軌道交通以其噪聲小、低振動、安全可靠等優勢日益成為城市軌道交通的首選，在美國、德國、日本、韓國和我國廣泛應用。磁浮道岔作為中低速磁浮軌道交通的關鍵結構之一，是實現列車到發、會讓、越行的關鍵[1]。由于磁浮列車電磁懸浮力是動態調整，持續變化的，車輛與軌道梁不可避免存在耦合振動，影響行車平穩性。磁浮道岔梁相對于區間軌道梁，質量輕、剛度和阻尼小，磁浮列車—道岔耦合振動問題尤為突出。為了降低磁浮列車—道岔耦合振動，目前常用的增加軌道梁質量和抗彎剛度的方法將大大提高了道岔梁的造價[2-5]，不利于磁浮道岔技術的推廣。因此，中低速磁浮道岔振動與控制是道岔結構設計優化的基礎，也是制約磁浮道岔發展的關鍵技術。

1 磁浮道岔振動研究現狀

磁浮列車—橋梁的耦合振動是磁浮交通不可避免的問題，尤其是磁浮列車與較輕的橋梁和鋼橋間均出現過耦合振動問題[6]，為此，國內外學者針對磁浮列車—橋梁振動問題開展了大量的理論與仿真研究[6-8]，然而針對磁浮列車—磁浮道岔的耦合振動仿真研究相對較少。

結合上海高速磁浮試驗線的建設與運營，部分學者針對高速磁浮列車—磁浮道岔耦合的振動問題開展了研究。2004年，Karl Fichtner等[9]根據上海磁浮線道岔梁現場實測結果，指出了道岔劇烈振動的頻率與懸浮電磁力的調整頻率相當；Florian Dignath等[10]通過建立磁浮道岔實體有限元模型，分析了磁浮道岔的振動模態，得到的第1階扭轉頻率為14.99 Hz，與運營線上道岔強振頻率14.9 Hz接近；洪芳鵬等[11]采用瞬態動力學方法，研究了移動荷載作用下磁浮道岔的振動響應；殷月俊等[12]測試了上海磁浮線7號道岔的加速度響應，認為行車速度低于20 km/h時，道岔梁易出現振動加劇。然而上述研究主要采用靜態和瞬態動力學的方法研究磁浮道岔梁的振動特性，未考慮磁浮列車—道岔的耦合振動，顧行濤等[13-14]建立了磁浮道岔梁的有限元模型，并利用多體動力學軟件，研究了磁浮列車通過道岔的振動特性。肖舟和趙春發[15-16]編制了磁浮車輛—道岔耦合動力學仿真程序，模擬了列車通過時道岔梁振動響應和動應力，并開展了道岔梁疲勞壽命預測分析。上述研究均針對高速磁浮道岔，近年隨著長沙中低速磁浮線的建設與運營，國內外研究人員開始研究中低速磁浮列車—磁浮道岔的耦合振動研究。

楊奇科和程雄運用錘擊法測試了中低速磁浮道岔主動梁在初始和配重兩種條件下的振動模態，并測試了磁浮列車以5 km/h速度通過磁浮道岔時的道岔振動加速度，測試結果表明初始條件下列車與道岔在49.80 Hz處發生共振；當磁浮道岔梁配重以后，磁浮列車與道岔沒有出現共振現象[17]。劉大玲等[18]通過現場測試磁浮道岔的振動加速度，分析道岔梁的共振頻率，認為中間支撐狀態對道岔梁自振特性有顯著影響，逐級增大中間支撐剛度，道岔豎向共振頻率由16.25 Hz增大到18.25 Hz。柴小鵬等[19]等現場測試磁浮列車低速通過初始道岔和有沙袋的道岔時，磁浮道岔梁的振動加速度分別為4.16g和1.22g，對于未采取措施的初始道岔，磁浮列車與道岔的共振頻率為18 Hz，并出現了“砸軌”現象。祁寶金[20]測試道岔在有無列車、有無沙袋下的振動頻率和振幅，在5 km/h和10 km/h的速度條件下，無沙袋工況均出現了沖擊現象，共振頻率為15.3～16.8 Hz，并測試了設有道岔梁阻尼器的振動特性。羅華軍等[21]基于現場實測結果，分析了增加臺車、沙袋、液體質量雙調諧阻尼器時的車岔耦合振動特征。李忠繼等[22]建立了磁浮列車—控制器—道岔的耦合系統模型，仿真了現場測試中的車岔耦合振動，并分析了車岔耦合振動的規律。李苗[23]利用SIMPACK和ANSYS建立了磁浮列車—道岔耦合動力學模型，研究了車速、空簧布置方式、主動梁的質量及剛度等因素對磁浮道岔動力特性的影響規律，認為車速越低，更易發生耦合振動現象。

從中低速磁浮車岔耦合振動研究現狀可以看出，目前主要通過現場測試磁浮列車—道岔振動特性以及磁浮道岔本身的模態，從而得到車岔耦合振動的共振頻率，但通過建立磁浮車輛—控制器—道岔耦合系統動力學模型，研究磁浮列車—道岔的振動特性相對較少。

2 磁浮道岔振動控制研究現狀

磁浮道岔梁通常采用鋼板焊接的箱梁，存在磁浮列車和道岔梁的耦合共振現象，嚴重影響行車安全性和舒適性，亟需采取措施來降低磁浮列車通過道岔時出現的耦合振動。目前國內外學者主要從道岔梁入手，采取了多種方案和措施來抑制車岔耦合振動。

曾國鋒等[24]介紹了中低速磁浮道岔的設計以及出現共振現象后，采用在主動梁跨中堆放沙袋和設置阻尼器的措施能顯著減小磁浮道岔梁的共振。劉大玲等[18]通過現場測試，驗證了在主動梁中間支撐增加一定厚度的鋼板墊板可降低主動梁的振動加速度。柴小鵬[19]、祁寶金[20]等則提出采用調諧式阻尼器控制車岔耦合振動，通過測試證明在實際道岔梁上安裝TLMD后可基本消除車岔耦合共振頻率，減振效果明顯。羅華軍等[21]則通過試驗驗證主動梁加臺車、主動梁加臺車和沙袋、TLMD阻尼器均能顯著抑制道岔主動梁的振動，且采用TLMD阻尼器完全可以替代加沙袋配重方案。李忠繼等[22]認為車岔耦合振動主頻固定，在道岔梁上安裝動力吸振器可有效抑制道岔振動，且隨著TMD質量的增加吸振效果更明顯。李苗[23]通過建立磁浮列車-道岔耦合系統動力學模型，分析不同工況下系統的動力響應，認為增大主動梁質量和剛度可降低磁浮道岔的振動響應。靖仕元[25]通過測試有無阻尼器的道岔梁振動響應，提出了多重調諧質量調諧阻尼器的磁浮道岔減振方案。

在磁浮道岔梁振動控制方案方面，研究人員從原理上也提出了很多方案，如李忠繼等[26]針對中低速磁浮軌道車岔耦合振動問題，提出了在磁浮道岔主梁底部安裝彈簧阻尼構件，并用驅動電機驅動錨定裝置使彈簧阻尼構件處于拉緊和復拉狀態，從而達到抑制道岔梁振動的目的。另外，還提出了在道岔梁內部設置多自由度吸振裝置的磁浮道岔吸振型主梁結構[27]。高尚康等[28]提出在道岔梁內設置阻尼油和配重質量塊，通過調節阻尼油和配重質量塊的質量達到一直列車道岔耦合振動。靖仕元等[29-30]提出了在道岔梁底部翼緣上設置預埋板并在預埋板上安裝調諧質量阻尼器來實現道岔梁的振動控制。

從中低速磁浮道岔振動控制研究現狀來看，目前主要是通過增加道岔梁質量和采用阻尼器來控制磁浮軌道車岔耦合振動問題，其中設置臺車和堆沙袋只能作為臨時措施，不利于磁浮道岔的推廣，而設置質量阻尼器目前更多注重原理，質量阻尼器的參數如何選取及優化還有待實踐驗證。

3 結論與展望

中低速磁浮軌道交通列車—道岔梁耦合振動問題不可避免，為了提高磁浮列車通過道岔時的安全性和舒適性，需要控制磁浮列車—道岔耦合振動。國內外學者針對在中低速磁浮道岔振動開展了研究，但在系統振動及控制機理、道岔結構優化方面相對不足，因此建議中低速磁浮道岔振動研究注重以下兩方面的研究：

3.1 磁浮列車—懸浮控制器—道岔耦合系統振動機理

磁浮列車和道岔的耦合振動與懸浮控制系統、車輛結構和道岔結構均有關系，是多種因素的綜合結果，是一個由懸浮控制器、車輛和道岔所組成的復雜的非線性系統的穩定性問題。因此，研究磁浮列車—道岔耦合振動問題，需要借助非線性控制理論、結構動力學理論和耦合動力學理論，建立磁浮列車—懸浮控制—道岔耦合系統動力學模型，從系統穩定角度研究失穩條件，研究關鍵結構和參數對振動的影響規律，挖掘導致磁浮車輛—道岔耦合振動的本質，探明磁浮列車—道岔耦合振動特征和機理。

3.2 磁浮道岔振動控制方法及結構優化

掌握磁浮列車—道岔耦合振動機理后，更重要的是控制道岔振動，從而服務于工程。目前廣泛用于控制振動的方法是采用動力吸振器和阻尼器，考慮到推廣應用，需要進一步優化質量阻尼器、動力吸振器的設置方式和參數，另外還需要在現場實踐中進行驗證，優化磁浮道岔結構。