超高速磁浮车辆用减振系统设计探究

陈清化 王玉辉

摘要：针对真空管道超高速磁浮车辆用空气弹簧需要外部空气参与循环的问题，提出了一种可用的减振系统设计方案，并对其工作原理及相关特性进行了阐述。创新减振系统方案可以实现空气在系统内部的循环使用，考虑了产品的可用性、可靠性以及可维护性，有利于提升磁浮车辆的运行稳定性及平顺性。此系统方案设计也可为其他类似系统产品结构的设计提供参考借鉴。

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.

关键词：真空管道;高速磁浮;减振系统

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

中图分类号：U260                                       文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）12-0209-02

0  引言

当前，轨道交通车辆正在朝着更高速方向发展，而现有的轮轨交通车辆的试验速度还未超过600公里时速，这主要是受限于空气阻力的影响，车辆在更高速运行时需要克服的空气阻力也更大。为了实现更高速运行，轨道交通车辆的高速研究正朝着真空管道超高速磁浮方向努力。在世界范围内，1000公里时速、2000公里时速，甚至4000公里时速的真空管道超高速磁浮均在规划研究中。而要实现这些超高速磁浮的一个前提就是要减少外界的阻力干扰，目前普遍选用的在在真空管道中运行的方案，让车辆在完全密闭真空的环境中运行。对于高速运行的車辆而言，一个很小的波动都有可能引发较大的振动。现有的高速动车组中，为提高车辆的减振效果均是采用了低刚度的空气弹簧作为减振部件，该减振部件的使用需要压缩空气，并且会随机向外界排放空气，显然，此种使用方式将限制空气弹簧在真空管道超高速磁浮车辆中的使用。而现有的其他橡胶减振部件可提供的垂向刚度相较于空气弹簧减振系统来说大了很多，甚至是数量级的差异，减振效果不佳。有鉴于此，进行真空管道超高速磁浮车辆用减振系统的研制，对于真空管道超高速磁浮车辆的开发具有重要的指导和参考意义。

现有的磁浮车辆在速度小于600公里时速时均采用开放式设计，空气弹簧系统可以将气体排放到大气中，压缩空气的产生也可以从大气中获得所需气源。当磁浮车辆的速度高于600公里时速时，需要考虑在真空管道中运行，则空气弹簧系统所需的压缩气源以及排放的气体均需进行特殊处理。有鉴于此，亟需设计一种空气弹簧减振系统中的空气循环使用方式，以减小用于减振系统的空气对真空管道的影响。

目前关于磁浮车辆减振方面国内外学者做过相关研究，如尹力明[1]等研究介绍了八达岭旅游示范线磁浮列车空气弹簧的应用情况。沈志云院士[2]提出了发展低真空高温超导磁悬浮高速系统的技术方案。王靖华[3]研究介绍了超高速磁浮真空管道的必要性，同时阐述了真空管道地下实现的三种可能方案。冯仲伟[4]等研究阐述了发展低真空管道高速磁悬浮系统的意义，研究分析了其技术特点、发展现状及关键技术等。陈清化[5]等人研究介绍了中低速磁浮车辆用空气弹簧气囊结构参数对性能的影响。前述研究均未涉及到超高速磁浮减振系统方面的研究。

1  磁浮车辆减振系统介绍

目前用于磁浮车辆的悬浮架上的减振部件有空气弹簧和橡胶弹簧等形式，一般在空间允许的情况下会优先选择空气弹簧作为减振系统，如果空间不允许可能会选用纯橡胶弹簧来实现减振。如长沙磁浮车辆中单节车上装载了20个空气弹簧，保证了车辆的运行平稳性和乘客乘坐舒适性。

空气弹簧作为减振部件需要有压缩空气构成循环，通常气源的气体从大气中获取空气，形成压缩空气，根据空气弹簧载重的变化通过充排气进行调节，压缩空气在载荷减小时排入大气环境中。而其他纯橡胶弹簧工作过程中不需要空气，但是橡胶弹簧的垂横向刚度比空气弹簧的刚度要大很多，减振降噪效果相对较差。人们对于车辆的平稳性及乘坐舒适性的要求越来越高，单纯橡胶弹簧的减振降噪效果难以保证。

目前对于超高速磁浮规划方案中均选择采用真空管道模式，但是真空管道中无空气的环境需求对于空气弹簧的应用存在较大的障碍。为保证减振降噪的效果，超高速磁浮车辆中减振系统可能会优先考虑空气弹簧系统，而解决空气循环的问题是目前选用空气弹簧系统需要解决的一个关键问题，为解决前述问题，提出了一种真空管道超高速磁浮车辆用减振系统的设计方案。

2  超高速磁浮减振系统设计介绍

提出的适用于真空管道超高速磁浮车辆的减振系统结构如图2所示。其中空气压缩机、高压储气装置、高度控制阀和空气弹簧依次连接，高度控制阀与空气压缩机连接，高度控制阀与空气压缩机之间设有低压气缸，低压气缸与空气压缩机之间设有压力控制阀，低压气缸中还有设计有过滤装置。空气压缩机与高压储气装置通过气体管道进行连接，高压储气装置与高度控制阀通过气体管道进行连接，高度控制阀与空气弹簧通过气体管道进行连接，高度控制阀与空气压缩机通过气体管道进行连接。在气体管道上还设置有低压气缸和压力控制阀。备用高压储气装置与高压储气装置连接。备用高压储气装置与高压储气装置之间设有压力控制阀。

3  创新系统工作原理及特性介绍

超高速磁浮车辆运行过程中，当高度控制阀连接的高度控制杆件检测到空气弹簧的高度低于阈值时，将信息反馈至高度控制阀，高度控制阀控制高压储气装置向空气弹簧中充入压缩气体。当高度检测杆件检测到空气弹簧的高度达到阈值时，将相关信息反馈至高度控制阀，高度控制阀控制高压储气装置停止向空气弹簧中充入压缩气体。高度阈值可以根据车辆的结构设置、车辆的载重设定以及行驶路线的路况等具体情形而进行设计调整，以最大限度地拓宽减振系统的适用范围。完成空气弹簧充气后，设置高压储气装置中剩余压缩气体的含量是在合理考虑装置的总体积量后确定的。要保证最终能够实现向空气弹簧中充入压缩气体，至少需要9bar的压力空气。

当高度检测杆件检测到空气弹簧的高度高于阈值时，将相关信息反馈至高度控制阀，高度控制阀则控制空气弹簧将多余的气体排入低压气缸中，压力控制阀根据低压气缸内的气体压力值来控制空气压缩机的运行时机。可以理解为通过预先设定低压气缸中的压力阈值，当压力控制阀检测到低压气缸中的压力值大于阈值时，则控制空气压缩机运行，进行气体压缩。阈值的具体数值可以根据车辆的实际运行情况进行适应性的选择和调整。压力控制阀检测到低压气缸内的气体压力值达到预设值时，控制空气压缩机运行，空气压缩机中产生的压缩气体进入高压储气装置中储存，以备空气弹簧的充气需求。

如此，即完成气体在减振系统中的循环使用，确保减振系统内部的压力气体持续满足车辆平稳运行的减振需求。另外在空气弹簧中还可以设置附加气室和压差装置（图2中未示出），通过附加气室提高空气弹簧的充气、排气稳定性，通过压差装置实时监测空气弹簧中的压力变化，提高空气弹簧的使用安全性。

4  结论

①提出了可用于真空管道超高速磁浮车辆用的减振系统设计方案，有效解决了真空管道超高速磁浮车辆减振系统中压力空气循环过程中气体外排影响行车的问题。

②提出的减振系统可以提高超高速磁浮车辆的运行稳定性和车辆运行平顺性，提高超高速磁浮车辆的减振效果。有利于更高速更平穩车辆的设计研究工作。

③本创新方案中备用气源及维护方便的设计，提高了减振系统的使用可靠性及可维护性，也可为其他类似系统产品结构的设计提供参考借鉴。

参考文献：

[1]尹力明，赵志苏.空气弹簧在磁悬浮列车上的应用研究[J].机车电传动，2002（5）：28-30，52.

[2]沈志云.关于我国发展真空管道高速交通的思考[J].西南交通大学学报，2005，40（2）：133-137.

[3]王靖.超高速磁浮真空管道地下实现方案探讨[J].工程设备与材料，2018（11）：88-89.

[4]冯仲伟，方兴，李红梅，等.低真空管道高速磁悬浮系统技术发展研究[J].中国工程科学，2018，20（6）：105-111.

[5]陈清化，周军，王玉辉，等.磁浮车辆用腰带式气囊的结构参数化设计研究[J].铁道机车车辆，2020，40（3）：77-80.