磁悬浮桥上行车实时混合试验装置的制作方法

1.本发明属于磁悬浮领域，具体涉及一种磁悬浮桥上行车实时混合试验装置。


背景技术：

2.轨道交通的速度是人们一直以来的追求，它贯穿了整个轨道交通的发展历史，而当今世界最主要的交通技术手段便是轮轨铁路。其在运行过程中也面临着诸如空气阻力、轮轨摩擦等问题，限制了其轨道交通的速度，目前最高的经济和技术条件下达到400km/h左右。而想要更加提高轨道交通的运营速度，磁悬浮就能达到这个要求，由于其运营过程中不需要和轮轨接触，可以有效解决轮轨交通一直以来面临的轮轨摩擦、黏着和振动等问题的限制。尽管我国的磁悬浮列车技术起步较晚，但是发展速度还是相对较快的，1989年研制的第一辆磁悬浮原理样车下线于2019年，足有三十年时间。并且我国也是世界上少数的市场化运营着高速磁悬浮轨道交通的国家之一。在2016年科技部将“高速磁悬浮交通系统关键技术研究”列为国家重点专项“先进轨道交通”课题之一，正式启动高速磁悬浮关键技术研究。
3.磁悬浮列车行驶过程中需要较大刚度的桥梁从而确保列车的平稳运行，并且无法避免面临着要跨越江河的情况，使研究要考虑的因素更加复杂，所以对于运行干线中桥型不同、刚度不同的磁悬浮列车的稳定运行和优化桥梁设计和优化列车参数等重要问题，有必要进行试验测试。
4.为了更好地在实验室中进行磁悬浮行车的相关研究，进行600km/h的磁悬浮整车的动力测试，使试验结果更加精确地模拟磁悬浮行车过程中产生的耦合振动响应，提出了一种磁悬浮桥上行车实时混合试验整体框架，包括并不限于：悬浮架混合试验、整车静态悬浮混合试验、整车线路混合试验和编组列车线路混合试验。在研究测试600km/h高速磁浮列车线路运行时，有几个技术难题可以被整车走行系统振动试验台利用实时混合试验方法来解决：(1)如何优化桥梁设计。磁浮列车的线路桥型和设计参数是随着实际地形的变化而变化的，并且为了保障磁浮列车的平稳运行，桥梁的刚度等性能必须和试验目标车速相匹配，因此试验结果可以为桥梁设计提供有效参考。(2)如何减小气动荷载对磁浮列车运行的影响。气动荷载对于高速磁悬浮桥上行车有较大干扰，不利于行车的安全和平顺运行，因此试验结果可以为气动荷载下磁浮列车的相关参数的设计提供有效参考。(3)如何获取磁浮列车的动力特性。当磁浮列车在实际情况下面临不同频率和不同幅值的外荷载激扰的动力特性对于线路的平稳运行是十分重要的，因此试验结果可以为磁浮列车动力特性的研究提供基础和依据。


技术实现要素：

5.本发明提供一种磁悬浮桥上行车实时混合试验装置，在实验室环境中实现了磁悬浮列车线路运行状态的复现，为高速磁悬浮列车在试验室内开展的混合试验研究提供试验框架和试验平台。
6.为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：
7.一种磁悬浮桥上行车实时混合试验装置，包括：试验子结构模块、数值子结构模块、加载设备模块、数据采集模块和边界协调算法模块；
8.所述试验子结构模块为磁悬浮列车待测试的真实物理部件；
9.所述数值子结构包括车桥耦合系统中除试验子结构之外的剩余部分，通过仿真模拟得到；
10.所述加载设备模块包括控制算法和加载设备；所述控制算法根据分段直线位姿生成控制命令，所述控制命令用于驱动加载设备动作以追踪分段直线位姿响应；所述加载设备实时作用于试验子结构；
11.所述试验子结构在在加载设备的作用下产生反力；
12.所述数据采集模块实时采集试验子结构产生的反力，并反馈给数值子结构模块；
13.所述数值子结构模块根据数据采集模块反馈的反力产生响应；
14.所述边界协调算法模块，根据数值子结构模块产生的响应对磁悬浮列车的线路运行工况进行拟合，得到分段直线位姿响应；
15.所述磁悬浮桥上行车实时混合试验装置，在多个控制命令的闭环作用下，复现各种列车线路运行状态。
16.进一步地，磁悬浮桥上行车实时混合试验装置还包括第一激励模块；所述第一激励模块在各时步生成作用于试验子结构的外部激励控制命令。
17.进一步地，所述第一励模块包括车速和/或风荷载。
18.进一步地，磁悬浮桥上行车实时混合试验装置还包括第二激励模块；所述第二激励模块生成作用于数值子结构模块的作用力，所述数据子结构模块根据该作用力和数据采集模块反馈的反力共同作用下，产生响应。
19.进一步地，所述第二激励模块包括地震、车速和/或线路不平顺。
20.进一步地，所述加载设备是指动力设备，包括振动台。
21.进一步地，所述边界协调算法模块具体采用物理边界协调算法，对数据值子结构模块所产生的响应进行实时修正以逼近分段直线。
22.进一步地，所述数值子结构模块，采用积分算法对接收到的作用力数据进行计算，对应得到数值子结构模块的响应。
23.进一步地，所述复现各种列车线路运行状态，包括但不限于：单悬浮架/转向架运行试验、整车静态悬浮试验、整车线路运行试验、编组线路运行试验。
24.有益效果
25.本发明专利的有益效果在于：
26.(1)本发明提出的一种磁悬浮桥上行车实时混合试验装置，是在物理-数值混合试验技术的基础上，应用到磁浮列车的电磁-结构-风场多场耦合系统，构建世界顶尖的整车走行系统振动试验台，有能力在试验室复现高速磁浮列车的线路运行工况，整车测试的关键可以被有效解决，而且测试工况选择灵活，试验精度高，整个试验系统操作便捷，便于参数化研究。该套整车走行系统振动试验台的核心功能通过混合试验技术实现，可以在试验室内测试600km/h高速磁浮列车的实际线路运行工况，可为磁浮列车线路运行关键问题的解决提供测试平台。
27.(2)可以用于桥梁设计优化的试验测试。磁浮线路的桥梁类型以及相关设计参数对于不同的路线有所区别，对于不同的车速，桥梁必须具有足够的刚度等性能，因此相关工况试验的结果可以为其参数优化提供依据。
28.(3)气动荷载下磁浮列车的运行工况的试验得以实现。如外部荷载、线路不平顺等影响列车行车的安全性和平顺性的干扰因素可以考虑到数值子结构当中，可以实现磁浮列车运行过程中的外部荷载加载的试验，其试验结果也为设计磁浮列车相关参数设计提供参考。
附图说明
29.图1为磁悬浮桥上行车实时混合试验的整体技术路线图；
30.图2为实时混合试验的试验流程图。
具体实施方式
31.下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明的技术方案为依据开展，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，对本发明的技术方案作进一步解释说明。
32.本发明提供一种磁悬浮桥上行车实时混合试验装置，包括：试验子结构模块、数值子结构模块、加载设备模块、数据采集模块、边界协调算法模块、第一激励模块和第二激励模块；所述试验子结构模块为磁悬浮列车待测试的真实物理部件；所述数值子结构包括车桥耦合系统中除试验子结构之外的剩余部分，通过仿真模拟得到。
33.在一个控制命令的闭环作用下，所述磁悬浮桥上行车实时混合试验装置的工作流程为：(1)加载设备模块在包括控制算法和加载设备；所述控制算法根据分段直线位姿生成控制命令，所述控制命令用于驱动加载设备动作以追踪分段直线位姿；所述加载设备实时作用于试验子结构；(2)在在加载设备的作用下产生反力；(3)数据采集模块实时采集试验子结构产生的反力，并反馈给数值子结构模块；(4)数值子结构模块根据数据采集模块反馈的反力产生响应；(5)边界协调算法模块，根据数值子结构模块产生的响应对磁悬浮列车的线路运行工况进行拟合，得到分段直线位姿，进入下一个控制命令的闭环作用。所述磁悬浮桥上行车实时混合试验装置，在多个控制命令的闭环作用下，复现各种列车线路运行状态。
34.装置中的第一激励模块，包括车速和/或风荷载激励，用于在各时步生成作用于试验子结构的激励控制命令。
35.装置中的第二激励模块，包括地震、车速和/或线路不平顺等激励，用于生成作用于数值子结构模块的作用力，由数值子结构模块根据该作用力和数据采集模块反馈的反力共同作用下，产生响应。
36.加载设备模块中的加载设备，包括振动台等动力设备。
37.装置中的数据采集模块，包括各类传感器及相应采集设备。
38.所述边界协调算法模块具体采用物理边界协调算法，对数据值子结构模块所产生的响应进行实时修正以逼近分段直线。
39.所述数值子结构模块，采用积分算法对接收到的作用力数据，包括数据采集模块反馈的反力和第二激励模块生成的作用力，进行计算，对应得到数值子结构模块的响应。
40.所述复现各种列车线路运行状态，包括但不限于：单悬浮架/转向架运行试验、整
车静态悬浮试验、整车线路运行试验、编组线路运行试验。
41.图2为将本发明应用于整车线路运行试验这一运行状态的试验流程图，试验子结构为磁浮列车，且安装在振动台(属于加载设备的一种)上；而数值子结构是行车系统中除了磁浮列车之外的部分，包括建立不少于七跨梁体数值模型，数值模型中包含桥墩、支座、梁体、梁体之间的接缝等的模拟。
42.步骤一，由磁浮车辆的重力作为初始外力开始运行，通过力传感器和scramnet共享内存卡收集磁浮力(即反力)反馈给数值桥梁模型，向数值桥梁模型输入内部激励和试验子结构反馈的磁浮力，采用积分算法输出光滑的连续的桥梁变形曲线(响应)；
43.步骤二，将上述输出的光滑的桥梁变形输入到边界协调算法里，得到了振动台面的竖向和横向的水平位移以及转角，同时计算由于车辆速度变化而变化的反馈力作用的位置，再通过振动台反馈反力，同时振动台也将外部荷载激励也作用在磁浮列车上；
44.步骤三：磁浮列车再在振动台的加载下对数值桥梁模型传递磁浮力，于是再重复上述步骤一和步骤二的流程，达到试验的闭环。
45.以上实施例为本技术的优选实施例，本领域的普通技术人员还可以在此基础上进行各种变换或改进，在不脱离本技术总的构思的前提下，这些变换或改进都应当属于本技术要求保护的范围之内。

技术特征：
1.一种磁悬浮桥上行车实时混合试验装置，其特征在于，包括：试验子结构模块、数值子结构模块、加载设备模块、数据采集模块和边界协调算法模块；所述试验子结构模块为磁悬浮列车待测试的真实物理部件；所述数值子结构包括车桥耦合系统中除试验子结构之外的剩余部分，通过仿真模拟得到；所述边界协调算法模块，根据数值子结构模块产生的响应对磁悬浮列车的线路运行工况进行拟合，得到分段直线的位姿，包括位移和转角；所述加载设备模块在包括控制算法和加载设备；所述控制算法根据分段直线位姿生成控制命令，所述控制命令用于驱动加载设备动作以追踪分段直线位姿；所述加载设备实时作用于试验子结构；所述试验子结构在在加载设备的作用下产生反力；所述数据采集模块实时采集试验子结构产生的反力，并反馈给数值子结构模块；所述数值子结构模块根据数据采集模块反馈的反力产生响应；所述磁悬浮桥上行车实时混合试验装置，在多个控制命令的闭环作用下，复现各种列车线路运行状态。2.根据权利要求1所述的磁悬浮桥上行车实时混合试验装置，其特征在于，还包括第一激励模块；所述第一激励模块在各时步生成作用于试验子结构的外部激励控制命令。3.根据权利要求2所述的磁悬浮桥上行车实时混合试验装置，其特征在于，所述第一励模块包括车速和/或风荷载。4.根据权利要求1所述的磁悬浮桥上行车实时混合试验装置，其特征在于，还包括第二激励模块；所述第二激励模块生成作用于数值子结构模块的作用力，所述数据子结构模块根据该作用力和数据采集模块反馈的反力共同作用下，产生响应。5.根据权利要求4所述的磁悬浮桥上行车实时混合试验装置，其特征在于，所述第二激励模块包括地震、车速和/或线路不平顺。6.根据权利要求1所述的磁悬浮桥上行车实时混合试验装置，其特征在于，所述加载设备是指动力设备，包括振动台。7.根据权利要求1所述的磁悬浮桥上行车实时混合试验装置，其特征在于，所述边界协调算法模块具体采用物理边界协调算法，对数据值子结构模块所产生的响应进行实时修正以逼近分段直线。8.根据权利要求1所述的磁悬浮桥上行车实时混合试验装置，其特征在于，所述数值子结构模块，采用积分算法对接收到的作用力数据进行计算，对应得到数值子结构模块的响应。9.根据权利要求1所述的磁悬浮桥上行车实时混合试验装置，其特征在于，所述复现各种列车线路运行状态，包括但不限于：单悬浮架/转向架运行试验、整车静态悬浮试验、整车线路运行试验、编组线路运行试验。

技术总结
本发明公开了一种磁悬浮桥上行车实时混合试验装置，包括：试验子结构模块、数值子结构模块、加载设备模块、数据采集模块和边界协调算法模块；试验子结构模块为待测试的真实物理部件；数值子结构通过仿真模拟除试验子结构之外的部分；加载设备模块在当前时刻将响应经控制算法生成驱动加载设备动作的控制命令；试验子结构在加载设备作用下产生反力，数据采集模块实时采集该反力并反馈给数值子结构模块；数值子结构模块根据反力产生响应；边界协调算法模块实时求解分段直线，以高精度拟合列车线路运行的曲线工况。本发明磁悬浮桥上行车实时混合试验装置，在多个控制命令的闭环作用下复现各种列车线路运行状态，且测试工况选择灵活，试验精度高。试验精度高。试验精度高。


技术研发人员：国巍 周汝思 曾晨 王阳 邵平 谢徐
受保护的技术使用者：长沙德岭仪器科技有限公司
技术研发日：2023.05.18
技术公布日：2023/8/21