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直线机电运载体系的工作原理
编辑:娱乐吧亚洲第一品牌 发布日期:2018-11-07

  1直线电机运载系统(system)的工作(job)原理(Maxim)近年来,由于科学技术(Technology)的发展和进步,出现了各种各样的城市轨道交通形式,包括地铁、轻轨、单轨以及磁悬浮交通系统等。微型电动机是指直径小于160mm或额定功率小于750W的电机,微型电动机常用于控制系统或传动机械负载中,用于实现机电信号或能量的检测、解析运算、放大、实行或转换等功能。电动机是把电能转换成机械能的一种设备。它是利用通电线圈(也就是定子绕组)产生旋转磁场并作用于转子(如鼠笼式闭合铝框)形成磁电动力旋转扭矩。微型电动机是一种体积、容量较小,输出功率一般在数百瓦以下,用途、性能及环境条件要求特殊的一类电动机。在城市轨道交通系统中,以直线电机作为驱动(Driver)方式是轨道交通发展的新方向之一。
  直线电机是把传统(chuán tǒng)电机的定子(组成:定子铁芯、定子绕组和机座)和转子(rotor)这两个圆筒展开成板状,并相对合在一起。固定在转向架的一次线圈(winding)通过交流电流,产生移动磁场,通过相互作用(role),使固定在整体道床上的二次感应板(展开的转子)产生磁场,通过磁力实现车辆的运行和制动,其基本原理如所示。
  直线电机运载系统的车体和感应板之间存在均匀分布的垂向磁吸力,使整体道床中部受到一个垂直向上的吸力作用,该力通过系统内部反作用到钢轨上,使得轴重有一个增量。这个垂直向上的吸力必将对无碴轨道产生影响,使其受力变形规律不同于传统的无碴轨道,下面利用ANSYS建立的有限元模型(model)对此影响规律进行分析。
  2有限元模型的建立利用ANSYS有限元App,建立无碴轨道空间(Space)模型,分别研究(research)两种状态下整体道床的受力变形规律:(1)考虑转子与定子间均匀分布的垂向吸力;(2)不考虑此垂向吸力。
  对比分析这两种情况(Condition)下的无碴轨道受力变形的异同。无碴轨道包括钢轨、扣件、感应板、整体道床和基床等几个部分,模型建立时,可根据各组成部分的几何形状和材料(Material)特性(characteristic])等图形拓扑,对轨道结构(Structure)进行适当的简化。
  钢轨作为一个等截面的细长结构,采用梁单元进行模拟(定义:对真实事物或者过程的虚拟);钢轨与道床之间的扣件,采用纵向非线性弹簧单元和垂向、横向线性弹簧单元模拟;弹性(Elasticity)支承块和整体道床部分,由于结构形状比较规则,可选用三维实体单元来模拟,建模时将其视为一种均匀材料;道床以下结构简化为一层线性弹簧。
  3主要研究参数(parameter)的选定
  3. 1线路基本状况仿真(simulation)计算模型采用60 kg/m钢轨、弹性支承块式整体道床、单趾弹簧扣件,轨道结构参数见。
  3. 2荷载类型车辆静轴重100 kN,直线电机系统牵引时,垂向吸力在转子与定子间均匀分布,每一个电机处为50 kN.
  使得每个轴重增加25 kN,因此直线电机()系统每个轴重该力通过系统内部反作用到钢轨上时,为125 kN.直线电机牵引系统动载系数取3,无磁吸力时设计(Design)轴重为300 kN,有磁吸力时设计轴重为375 kN,车辆轴距分布。本文为使结果具有可比性,在考虑磁吸力与不考虑磁吸力两种状态下,以同一车辆的荷载为例进行计算。
  4计算对比分析通过ANSYS的后处理(processing)程序(procedure),可以获得整体道床的位移和应力云图。以同一个转向架上两轴对称(symmetry)作用于整体道床中部为例,计算结果如所示。从图中可以明显地看出,最大拉应力和最大位移值都出现在轮对的作用处,分别为0. 565M Pa和0. 343 mm.
  通常配筋设计所需的弯矩和剪力不能由ANSYS直接得到,但如果利用APDL语言进行后处理的二次开发(develop),就可以十分简便地得到多个截面的弯矩和剪力值。将两种情况下(考虑磁吸力影响与不考虑磁吸力影响)的位移、弯矩、应力和剪力结果分析如下。
  4. 1位移如所示,无论沿轨道纵向还是横向,在磁吸力的作用下,整体道床的垂向位移都有所增加,最大纵向增加量为0. 034 mm,横向增加量为0. 016 mm,位移曲线的线形和极值点的位置均没有明显变化。
  4. 2弯矩考虑磁吸力的影响后,沿轨道纵向,轮载作用点处的弯矩增大,增加量为
  2. 896 kN m,增加幅度为3
  3. 0% ,两轮载之间部分弯矩有所减小,减小幅度为
  4. 8%;沿轨道横向,轨下部分的正弯矩增加为
  1. 176 kN m,增加幅度为
  2
  1. 0% ,道床中部的弯矩值由0. 161 kN m变为-
  1. 850 kN m.
  4.3应力考虑磁吸力的影响后,沿轨道纵向,整体道床底部的最大拉应力增加0.082MPa,增加幅度为
  16. 5% ;沿轨道横向,轨下部分的应力增加了0. 135 MPa,增加幅度为
  20. 6%,中部出现了0. 187 MPa的压应力,如所示。
  4.4剪力考虑磁吸力的影响后,沿轨道纵向,轮载作用点处的剪力变化较大,增加量为
  12. 0 kN,增加幅度为4
  7. 7% ;沿轨道横向,轨下部分剪力增加最多,增加量为
  7. 1 kN,增加幅度为3
  7. 0%.
  5结语经过计算分析,可以得到以下结论:(1)直线电机磁吸力对轨道结构的影响是不利的,主要体现在整体道床的内力和位移极值的增加,而极值点发生的位置、位移和弯矩等曲线的线形保持不变。磁吸力是道床和直线电机间的内力,道床发生局部(part)的弯曲(Bend)变形,作用力经过重新分配后,造成位移的最大值增大。由于轴重增加,所以轮载作用点处轨下部分的内力增加最为明显。
  (2)在没有磁吸力的情况下,沿轨道横向中部的弯矩值很小,整体道床可以只在下层设置受力筋,上层仅按构造配筋。但有磁吸力作用时,会在中部产生较大的负弯矩,设计时应注意(attention)设置上层抗弯筋。
  (3)考虑磁吸力的影响后,整体道床中部的下沉量减小,设计时要注意这一变化对感应板间气隙大小的影响,防止感应板与直线电机发生接触。
  本文建立的有限元模型,可以对不同形式、不同结构、不同材料的轨道进行详细的分析求解,相对于传统的叠合梁方法,有限元计算方法能更加明确地反映轨道结构的受力变形特点及薄弱截面的分布,在扣件部位等局部受力分析上具有明显的优势(说明:能压倒对方的有利形势)。相对于传统无碴轨道,直线电机运载系统无碴轨道结构由于存在磁吸力的作用,道床的受力变形十分明显。针对大连轻轨的整体道床设计,若改用直线电机的驱动方式,则原有设计方案不能满足要求,这一结论及研究方法对无碴轨道整体道床设计具有一定的借鉴意义。

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