導向機構對磁浮車輛橫向載荷分配的影響分析

郭慶升，龔惠華，洪遠卓

（1.中車株洲電力機車有限公司，湖南 株洲 412001；2.磁浮交通車輛系統集成湖南省重點實驗室，湖南 株洲 412001）

0 引言

中低速磁浮列車是一種新型軌道交通工具，通過電磁鐵與特殊的F軌道產生電磁力來提供列車的懸浮力。列車運行時與軌道零接觸，具有噪聲低、磨耗低、轉彎半徑小、爬坡能力強、無污染、選線自由度大等優點，是安全可靠、經濟適用、環境友好型的城市軌道交通系統，是城市軌道交通發展的重要方向之一。目前中低速磁浮交通系統主要以以五懸浮架為主，主要用于大中城市及都市圈，如長沙磁浮快線、北京S1 線等。

導向機構作為中低速磁浮列車懸浮架的主要部件之一，其主要作用是將列車所受的橫向載荷分配到各個模塊上，使懸浮架在運行過程中保持良好的姿態。國內已有公開資料對中低速磁浮車輛導向機構進行了研究。參考文獻［1］簡單介紹了導向機構的結構及工作原理；參考文獻［2］分析了導向機構的結構尺寸與懸浮架參數、曲線半徑參數、軌距等的關系情況；參考文獻［3］對導向機構在五懸浮架磁浮列車曲線通過中的作用及對磁浮列車導向性能的影響進行了研究；參考文獻［4］［5］主要分析了五懸浮架磁浮車輛的動力學性能。本文主要針對五懸浮架中低速磁浮車輛進行分析，簡單介紹導向機構的結構及布置，并對有無導向機構情況下，空氣彈簧橫向載荷進行理論分析及動力學仿真計算，從而了解導向機構對車輛橫向載荷分配情況的影響。

1 導向機構結構

導向機構主要由長轉臂、短轉臂、橫向拉桿、長拉桿等組成，如圖1所示。長、短轉臂分別與車體銷接，是導向機構的轉心，前后通過長拉桿相連，橫向拉桿的一端連接長、短轉臂，另一端連接活動滑臺。導向機構內部連接以及與車體、滑臺連接均為剛性鉸接。

圖1 導向機構三維示意圖

五懸浮架磁浮車輛中，每節車共設置6 組滑臺，其中1、3、4、6位為活動滑臺，通過線性軸承與車體底部連接，滑臺只能相對車體橫移；2、5位固定滑臺，與車體固定連接。1、6位滑臺下連接一個空氣彈簧，2、3、4、5位滑臺下連接兩個空氣彈簧。兩套導向機構分別安裝在1、3位滑臺和4、6位滑臺上，通過導線機構可將活動滑臺與車體產生橫向約束。懸浮架結構示意圖見圖2。為使車輛順利通過曲線線路，根據作圖法計算，導向機構長轉臂與短轉臂的長度比應設置為2:1[1]。

圖2 五懸浮架磁浮車輛懸浮架結構示意圖

2 空簧橫向載荷理論分析

本節主要對空氣彈簧的橫向載荷進行理論分析，從而了解車輛橫向載荷的分配情況，故理論分析時只考慮了車輛在直線段受橫向載荷的工況，設整車所受的橫向載荷為F。由于整節車前后對稱，只需對半節車進行分析,本理論分析中未考慮車輛傾斜、左右兩側空氣彈簧差異等的影響。

磁浮車輛中由于設置有導向機構，當車輛在直線段受橫向載荷時，車輛的橫向載荷一部分通過固定滑臺直接傳遞到空氣彈簧，一部分通過導向機構傳遞到活動滑臺再傳遞到空氣彈簧,最終傳遞到懸浮模塊上。單個導向機構受力及運動分析圖見圖3。設長轉臂端部橫向載荷為F1，短轉臂端部橫向載荷為F2，車輛在橫向力作用下偏移δ，當個空氣彈簧的橫向剛度為K。

圖3 導向機構受力及運動分析

由于導向機構的力矩平衡，并且五懸浮架磁浮車輛中導向機構的長、短轉臂的長度比為2:1，故長、短轉臂端部的橫向載荷比為1:2，即

導向機構長、短轉臂上的橫向載荷均傳遞給對應的空氣彈簧，導致空氣彈簧發生橫向偏移。根據圖2可看出，長轉臂連接在左右兩個端部滑臺上，每個端部滑臺對應一個空氣彈簧；短轉臂連接在左右兩個中間活動滑臺上，每個中間活動滑臺對應兩個空氣彈簧。設長轉臂對應的每個空氣彈簧的橫向載荷為Fc，短轉臂對應的每個空氣彈簧的橫向載荷為Fd。可得出：

可得：Fc=Fd

長、短轉臂對應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、短轉臂對應的空氣彈簧的橫向偏移量一致，即導向機構的長、短轉臂的橫移量相等，導向機構不會發生轉動，跟隨車體一起橫向移動。

固定滑臺與車體固定連接，也隨車體一起橫向移動，故車輛在直線段受橫向載荷導致車輛橫向移動后，導向機構對應空氣彈簧的橫向位移與固定滑臺對應空氣彈簧的橫向位移一致，所有空氣彈簧的橫向載荷相同。設每個空氣彈簧的橫向載荷為Fk。

假若磁浮車輛中無導向機構，由于活動滑臺與車體之間橫向無約束，車輛的橫向載荷全部傳遞到固定滑臺對應的空氣彈簧上，每節車有4個固定滑臺，每個固定滑臺對應兩個空氣彈簧。設固定滑臺對應的每個空氣彈簧的橫向載荷Fk1。

從上述理論分析可看出，五懸浮架磁浮車輛直線段受橫向載荷工況下，有導向機構時各空氣彈簧的橫向載荷一致，均為F/20。無導向機構時固定滑臺對應的空氣彈簧橫向載荷為F/8，活動滑臺對應的空氣彈簧的橫向載荷為0。

3 空簧橫向載荷動力學計算

為驗證上述理論分析，利用動力學仿真軟件SIMPACK對磁浮車輛在直線段、車輛右側受7級橫風的工況下空氣彈簧的橫向載荷進行計算分析。有導向機構時各空氣彈簧的橫向載荷計算結果見圖4。受橫風穩定后，各空氣彈簧橫向載荷值見表1。

表1 有導向機構時受7級橫風穩定后空氣彈簧橫向載荷值

圖4 有導向機構時直線段受7級橫風空氣彈簧橫向載荷曲線圖

從動力學計算結果圖1、表2中可看出，直線段受橫風時，各空氣彈簧的橫向載荷曲線基本上重合，受橫風穩定后，各空氣彈簧的橫向載荷值相近。

但從計算結果中可看出左側空氣彈簧的橫向載荷均比后側的橫向載荷值大，這種情況主要是因為車輛受橫風時發現側滾引起的。車輛側滾時（示意圖見圖5），空氣彈簧承擔橫風載荷的同時還需要承擔車輛重力的橫向分量。車輛受右側橫風時，根據力矩平衡，左側空氣彈簧承擔的重力較大，相應重力的橫向分量也較大，故左側空氣彈簧的橫向載荷均比后側的橫向載荷值大。

圖5 車輛側滾示意圖

無導向機構時各空氣彈簧的橫向載荷計算結果見圖6?？煽闯?、5位滑臺對應的空氣彈簧橫向載荷較大，其余活動滑臺對應的空氣彈簧橫向載荷很小。

圖6 無導向機構時直線段受7級橫風空氣彈簧橫向載荷曲線圖

由于受橫風時車輛的側滾，導致左側空氣彈簧的橫向載荷大于右側空氣彈簧的橫向載荷?；顒踊_對應的空氣彈簧也需承擔車輛的重力及重力的橫向分量，會導致端部滑臺對應的空氣彈簧橫向載荷出現負值（載荷方向與橫風方向相反）的情況。根據動力學仿真計算，車輛在直線段受橫風工況時，空氣彈簧的橫向載荷計算結果與理論分析基本一致。

4 結語

通過上述理論分析及動力學仿真分析，五懸浮架磁浮車輛中，導向機構可將車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，使懸浮架在運行過程中保持良好的姿態。