高速列车主动悬架超磁致伸缩作动器的设计及性能仿真分析.pdf

高速列车主动悬架超磁致伸缩作动器的设计及性能仿真分析*刘潇1，孟建军1，2，3，刘洋4，汤瑞1，窦文略1（1.兰州交通大学 机电技术研究所，甘肃 兰州730070；2.甘肃省物流及运输装备信息化工程技术研究中心，甘肃 兰州730070；3.甘肃省物流与运输装备行业技术中心，甘肃 兰州730070；4.兰州交通大学 机电工程学院，甘肃 兰州730070）摘要：近年来我国轨道交通技术高速发展，高速列车的运行速度也不断提高，但由于轨道不平顺、车体轻量化设计、会车及通过隧道等原因导致车体振动加剧问题愈加突出，采用作动器提供主动控制力以抵消车体振动的主动悬架系统可极大程度地提高车辆的安全性和舒适性，故将作动器应用于高速列车主动悬架符合列车减振要求和发展方向。为此，文中结合高速列车主动悬架对减振作动器的要求，设计了一种高速列车主动悬架超磁致伸缩作动器，采用TX定向超磁致伸缩材料（GMM）及液压式位移放大机构二者相结合的方式，保证列车减振所需的输出位移和输出力，借助COMSOL软件确定了关键部件的参数，采用MATLAB软件搭建模型进行了性能仿真分析，并搭建基于LABVIEW的超磁致伸缩作动器试验台进行了验证。关键词：高速列车主动悬架；超磁致伸缩作动器；机械设计；性能仿真研究中图分类号：TH122文献标识码：A文章编号：1001-2354（2023）S2-0057-05Design and performance simulation of super magnetostrictiveactuators for active suspensions of high-speed trainsLIU Xiao1，MENG Jianjun1，2，3，LIU Yang4，TANG Rui1，DOU Wenlue1（1.Mechatronics T&R Institute，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou 730070；2.Gansu Provincial Engineering Technology Center for Informatizationof Logistics&Transport Equipment，Lanzhou 730070；3.Gansu Provincial Industry Technology Center of Logistics&Transport Equipment，Lanzhou 730070；4.School of Mechanical Engineering，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou 730070）Abstract：In recent years,China s rail transport technology has been booming and the operating speed of high speed trains hasbeen increasing,but the problem of increased body vibration due to uneven tracks,lightweight design,meeting and passing throughtunnels has also become more and more serious.Therefore,the application of actuators to the active suspension of high-speed trainsis in line with the requirements and development direction of train vibration reduction.In this paper,a high speed train active sus-pension super magnetostrictive actuator is designed to meet the damping requirements of high speed trains,using a combination ofTX oriented super magnetostrictive material(GMM)and hydraulic displacement amplification mechanism to ensure the output dis-placement and output force required for train damping.The parameters of the key components were determined with the help ofCOMSOL software,the performance simulation was carried out using MATLAB software,and the LABVIEW based super magneto-strictive actuator test bench was built for experimental verification.Key words：active suspension for high speed trains;super magnetostrictive actuators;mechanical design;performance simula-tion studies*收稿日期：2023-07-12；修订日期：2023-10-20基金项目：国家自然科学基金资助项目（62063013）第 40 卷 增刊 22023 年 12 月Vol.40S2Dec.2023机械设计JOURNAL OF MACHINE DESIGNDOI:10.13841/ki.jxsj.2023.s2.035机 械 设 计第40卷增刊2近年来我国轨道交通技术高速发展，党的二十大又一次明确提出“交通强国”的发展战略，列车速度也在不断提高1，但由于轨道不平顺、车体轻量化设计、会车及通过隧道等原因导致车体振动加剧的问题愈显突出，已直接影响到走行部零件的使用寿命和可靠性，也影响高速列车的运营品质和乘客安全2。相对于被动和半主动悬架，采用作动器提供主动控制力以抵消列车振动的主动悬架极大程度地提高了车辆的安全性和舒适性3-4，超磁致伸缩材料由于居里温度高、耦合系数大、频响特性高、伸缩系数大、磁机转换率高等一系列优点，将其应用到作动器领域具有其他材料所无可替代的优良性能，将超磁致伸缩作动器应用于主动悬架系统，符合高速列车主动悬架系统的减振要求和发展方向5-7。目前，国外开展超磁致伸缩作动器相关研究的主要有Sylvain等8建立了非线性磁致伸缩作动器的数学模型，Karafi等9研发了侧向振动的超磁传感器并进行了分析，Stachowiak10设计了巨型磁致伸缩位移传感器及Pslaru-Dnescu等11提出了一种在没有地球引力场和出现极端温度的外太空使用的超磁致伸缩直线电机。国内开展相关研究的主要有李波等12等以GMM材料为驱动元件设计了一种功能丰富的电静液磁致伸缩作动器，湖南大学李姝汛等13设计了计及漏磁的堆栈式超磁致伸缩制动器，并通过Pspice电路仿真软件建立了超磁致伸缩制动器多物理场耦合动态模型，闫洪波等14设计了一种基于分数阶阻尼的超磁致伸缩作动器，并进行了非线性动力学研究，杨旭磊等15设计了一种超磁致伸缩作动器并搭建了作动器试验测试平台，并采用理论计算、有限元仿真与试验验证三者相结合的方法，分析了作动器内各部件的动态特性对其输出性能的影响，宋昀泽等16利用超磁致伸缩材料的高频微位移特性，设计了一种基于主动阀配流的轴向双磁致伸缩泵驱动的电静液作动器，可以实现作动器的双向位移输出并进行实时控制。目前对于超磁致伸缩作动器的应用主要集中在质量及体积较小的显微镜、电磁阀等轻载荷、微位移领域，不满足高速列车主动悬架的对于减振作动器的性能要求。为此，文中针对目前高速车辆主动悬架系统普遍存在的耗能大、结构复杂、成本高等问题，结合高速列车主动悬架对减振作动器的指标要求，设计了一种基于高速列车主动悬架减振的超磁致伸缩作动器，采用磁致伸缩应变大、抗拉抗压强度高的 TX 定向超磁致伸缩材料（GMM）及液压式位移放大机构二者相结合的方式，充分保证列车减振所需的输出位移和输出力，为实现高速列车减振，提高平稳性、安全性，改善舒适性提供一种新思路、新方案。1整机结构及工作原理1.1整机结构高速列车主动悬架超磁致伸缩作动器，主要包括永磁体、冷却液进口、预紧螺钉、冷却液出口、线圈骨架、生磁线圈、GMM棒、导磁体、大面积端、小面积端、液压油、力输出杆及隔磁保护壳体。整体结构如图1所示，主要技术参数如表1所示。1.2工作原理作动器工作时，首先在预紧螺钉的紧固作用下，使GMM棒施处于压应力状态，以便发挥最佳的磁致伸缩性能，然后设备通电，驱动线圈在通电状态下产生驱动磁场，在驱动磁场的作用下GMM棒产生磁致伸缩伸长效应，永磁体提供偏置磁场以消除GMM棒工作时的倍频现象，GMM棒产生磁致伸缩伸长产生位移和作用力，随后通过导磁体将位移和作用力传给液压油，液压油的作用是基于帕斯卡原理，面积大的大面积端通过密闭油腔将压力传递给到小面积端进行位移放大，推动力输出杆产生作动力输出，冷却液进口和冷却液出口的作用是进出冷却液，对超磁材料进行降温，使其在适宜温度下工作，防止由于“热胀”导致的输出精度差。2关键零部件设计2.1GMM棒的设计GMM棒的设计计算主要是对其进行材料的选型及尺寸的设计计算。考虑到应用于重载高速列车减振，且为了减小作动器工作时的涡流损耗，本设计选用磁致伸缩应变大、抗拉抗压强度高的TX定向超磁致伸缩材料。计算时忽略作动器工作时GMM自身的形变及热胀变形对输出精度的影响，作动器最大输出位移Xmax取决于GMM棒的轴向长度L的形变量和液压放大倍数K，而作动器最大输出作动力Fmax取决于GMM棒的外径D和作动器个数n，则有：L=XmaxKs（1）项目名称GMM棒材质GMM棒尺寸（外径长度）/mm驱动线圈长度/mm驱动线圈内径/mm驱动线圈外径/mm驱动线圈匝数/圈参数值TX定向超磁致伸缩材料30150150347318 165123456789101112131永磁体；2冷却液进口；3预紧螺钉；4冷却液出口；5线圈骨架；6驱动线圈；7 GMM棒；8导磁体；9大面积端；10液压油；11小面积端；12力输出杆；13隔磁保护壳体图1整体结构示意图表1超磁致伸缩作动器主要技术参数-582023年12月式中：Xmax作动器最大输出位移，查阅高速列车减振作动器相关资料17得指标范围为01 000m之间，此处取最大输出位移Xmax=1 000m；s所选材料磁致伸缩系数，查阅资料后取s=1 70010-6；数学因子，在理想预紧力为10 MPa条件下，=0.6；K液压放大倍数，K=310，此处估取中间值6.5。将以上数值代入式（1）并修后得 GMM 棒的轴向长度L=150mm。查阅资料得单节车厢重力为3.6 105N，GMM棒直径D应该满足下式：D 4Fmaxn(Eys-0)（2）式中：Fmax=3.6 105N；n单节车厢拟采用的作动器数量，此处n=4；EyGMM 棒的弹性模量，查阅资料得Ey=2.5 1010N/m2。取0=10 MPa，将以上参数值代入公式（2）并计算得GMM棒外径D27.64mm，查阅现有生产商产品规格，取GMM棒外径D=30 mm。故最终确定 GMM 棒整体几何参数为30mm150mm（直径长度）。2.2驱动线圈的设计作动器的最终输出位移主要来源于驱动线圈在通电状态下使 GMM 棒产生的形变量和位移放大机构，对几何尺寸为30 mm 150 mm的 GMM棒，查阅文献 18 得通过 GMM棒的总磁通和驱动线圈产生的磁势NI之间关系式为：r0H()D22=1kf1F11kf2NILr0(D/2)2+ln(r2/r1)02l（3）式中：HGMM棒驱动磁场H的取值范围通常为66178kA/m，此处取中间值122 kA/m；r相对磁导率，r=6；0真空磁导率，0=4 10-7；kf1，kf2漏磁系数，kf1=10，kf2=2kf2=2；r1，r2上导向块的外径和内径，r1=42 mm，r2=43 mm；l导磁体厚度，l=3 mm。将前文设计的GMM棒尺寸D=30 mm，L=150 mm代入并计算得总磁通=6.5 10-3Wb，驱动线圈产生的磁势NI=10.9 kA。驱动线圈的磁场强度H为：H=NIL=72.67 kA/m（4）查阅文献 19 选取电流密度JL=4A/mm2；同时根据高速列车主动悬架系统对作动器的要求及列车组采用驱动电源自身性能的限制，同时对通入线圈的I额考虑必要的安全系数，按I额=6 A进行计算。则驱动线圈裸线直径d0由下式计算：d0=1.13I额JL=1.384 mm（5）查阅国产线规格表，选择稍大近似尺寸值d0=1.4 mm，A级油性漆包圆铜线Q型。单位长度匝数n1和单位厚度匝数n2分别按下式计算：n1=10kdj=101.05 1.40=6.80 匝/mm（6）n2=10kdj=101.20 1.40=5.95匝/mm（7）式中：k，k线圈的排绕系数和叠绕系数，它们的数值由导线材料和直径决定。线圈的厚度e：e=100Hn1n2I=29.93 mm（8）线圈总匝数N：N=n1n2enLC=18 164.5 匝（9）取整数N=18 165 匝。线圈外半径计算公式为：r2=r1+e+ej(N2-1)（10）式中：ej漆包线最小漆层，ej=0.05 mm；N2线圈层数，N2=n2e。设计中取线圈骨架厚度为2mm，结构如图2所示。则取线圈内径r1=64 mm，将数据代入式（10）即得r2=72.78mm，取整数后得线圈外半径r2=73 mm。油性漆包圆铜线的内阻与环境温度T有关，具体表达式为：RL=T 1+0.004(T-20)(r1+r2)N（11）式中：RL油性漆包圆铜线的静态电阻；T油性漆包圆铜线的电感系数。查表知油性漆包圆铜线的电感系数T=0.011 3，常温25 时的电阻即为其静态电阻RL，代入数值得静态电阻RL=70.34。综上驱动线圈的具体参数如表2所示。2r12r12图2线圈骨架结构示意图裸线直径/mm1.4内径/mm34外径/mm73线圈型号A级油性漆包圆铜线Q型匝数18 165线圈内阻/70.34表2驱动线圈参数表刘潇，等：高速列车主动悬架超磁致伸缩作动器的设计及性能仿真分析-59机 械 设 计第40卷增刊22.3位移放大机构设计利用COMSOL软件进行GMM棒的位移伸长量仿真，建立二维-轴对称模型，设定GMM棒材料属性、磁场电流密度、磁致伸缩系数、空气域等参数，对GMM棒下端添加约束，GMM棒轴向磁致伸缩应变云图如图3所示，并生成GMM棒伸缩量线结果图4所示，由仿真结果知，GMM棒最大输出位移为Lmax=Xmax=185 m。液压位移放大机构主要依据帕斯卡原理，采用大小两个膜片和一个密闭液压油腔。设计中忽略液压油的泄漏、运动黏度、热胀冷缩及可压缩性等因素，选取高压耐低温抗磨的昆仑L-HM68型液压油，GMM棒输出作动力F1作用在大面积端，使大面积端形变产生位移L1，推动小面积端产生位移L2。由公式（12）可计算液压放大机构放大倍数为：K=L2L1=5.41（12）3动力学性能仿真为了验证超磁致伸缩作动器应用于高速列车主动悬架的优良减振性能，利用MATLAB仿真软件搭建基于作动器的LQR控制主动悬架模型和被动悬架模型20，二者模型如图5所示。1651501351201059075604530150-1530252015105-20-100102030405060106距离/mm强度/Pa表面应变张量/mm图3GMM棒轴向磁致伸缩应变云图图4GMM棒伸缩量线结果图18016014012010080604020010 000 20 000 30 000 40 000 50 0000Z轴位移变化量/mm磁场A/m图5MATLAB仿真模型S1S11zkk1zx?=Ax+Buy=Cx+Du123400.1utnum(s)den(s)-1zb-ztzbdzt-zwztd被动悬架被动悬架作动器传递函数车体动挠度车体位移车体垂向速度车体垂向加速度车体动挠度被动悬架被动悬架车体位移车体垂向速度车体垂向加速度1234x?=Ax+Buy=Cx+Du被动LQR控制器仿真采用MATLAB2022a/Simulink软件，取高速列车营运速度为300 km/h，以美国六级轨道谱为外部线路输入激励，以车体垂向位移为输出量，为了验证基于作动器的主动悬架的减振性能，分别对被动悬架和基于作动器的主动悬架进行数据仿真对比，结果如图6所示。由图6可以看出，与被动悬架相比，基于作动器的主动悬架垂向位移峰值已经明显减小了，减振效果提升了66.67%。4试验及结果分析基于上述选型及设计基础，搭建基于LABVIEW的超磁致伸缩作动器测试台并进行输出位移的测量试验（图7），位移传感器采用MILONT牌FS系列LVDT型差动变压式位移传感器，进行12次测量并计算其平均值及总体方差分别为1 000.2m和0.96，故可知其输出位移满足高速列车主动悬架的减振性能要求。时间/s0123456789210-1-2位移/mm被动悬架主动悬架10图6车体垂向位移-时间图-602023年12月5结论（1）文中完成了高速列车主动悬架超磁致伸缩作动器GMM棒、驱动线圈及位移放大机构等的选型及设计，并借助 COMSOL软件进行了磁致伸缩位移伸长量的仿真，确定了作动器关键部件结构参数。（2）利用MATLAB2022a/Simulink仿真软件搭建了基于作动器的LQR控制主动悬架模型和被动悬架模型，并取高速列车营运速度为300 km/h，以美国六级轨道谱为外部线路输入激励，以车体垂向位移、车体垂向加速度为输出量，仿真验证了基于作动器的主动悬架相对于被动悬架的优良减振性能，得到了基于作动器主动悬架相对于被动悬架垂向位移明显减小、减振效果提升了66.67%的结果。（3）搭建了基于LABVIEW的超磁致伸缩作动器试验台并进行了输出位移的测量试验，进行了多次测量并计算其平均值及总体方差，试验结果显示超磁致伸缩作动器的输出位移满足高速列车主动悬架的减振性能要求。参考文献1 王玺，邢科家，王健，等.基于BFGS方法的列车速度预测控制研究J/OL.铁道科学与工程学报：1-11 2023-07-06.2 肖乾，程玉琦，罗佳文，等.车辆/轨道耦合作用下高速列车车轮振动影响灵敏度分析 J.交通运输工程学报，2021，21（6）：160-169.3 段源博，李靖玮，罗建南.一种用于主动悬架LQG控制器设计权重优化的改进遗传算法 J.振动与冲击，2023，42（11）：278-283.4 孟建军，叶晓宇，刘洋，等.基于超磁致伸缩作动器的高速列车主动悬挂垂向振动控制研究 J.磁性材料及器件，2022，53（5）：6-12.5 朱林剑，曹向峥.超磁致伸缩谐波电机致动器磁路设计方法 J.机械设计与制造，2020，356（10）：46-50.6 崔旭，何忠波，李冬伟，等.新型阀用超磁致伸缩致动器结构设计与实验研究 J.机械设计，2013，30（5）：55-58.7 闫洪波，付鑫，汪建新，等.基于分数阶阻尼的超磁致伸缩致动器非线性动力学研究 J.机械工程学报，2022，58（23）：151-163.8 Sylvain Z N，Victor K T，Pierre K T.Hysteretic dynamics inducing co-existence of attractors in a thin magnetostrictive actuator system withquintic nonlinearity J.Journal of Magnetism and Magnetic Materials，2020，507（12）：858-878.9 Karafi M，Mirshabani S A.An analytical approach to design of ultra-sonic transducers consideringlateral vibrationsJ.Journal of StressAnalysis，2019，3（2）：47-58.10 Stachowiak D.Finite element analysis of the activeelement displace-ment in a giant magnetostrictive transducer J.Compel：the Interna-tional Journal for Computation and Mathematics in Electrical andElectronic Engineering，2016，35（4）：1371-1381.11 Pslaru-Dnescu L，Morega A M，Chihaia R A，et al.New type oflinear magnetostrictive motor designed for outer space applications，from concept to end-product J.Actuators.Multidisciplinary DigitalPublishing Institute，2021，10（10）：266.12 李波，张烨恒，舒亮，等.磁致伸缩材料驱动的电静液作动器设计方法及性能研究 J.机械科学与技术，2021，40（8）：1272-1278.13 李姝汛，杨鑫，陈泽坤，等.计及漏磁的堆栈式超磁致伸缩制动器多物理场耦合建模研究 J.电工技术学报，2023，38（9）：2277-2288.14 闫洪波，付鑫，汪建新，等.基于分数阶阻尼的超磁致伸缩致动器非线性动力学研究 J.机械工程学报，2022，58（23）：151-163.15 杨旭磊，朱玉川，纪良，等.超磁致伸缩电静液作动器的试验研究与特性分析 J.航空学报，2016，37（9）：2839-2850.16 宋昀泽，邰明皓，王睿，等.双磁致伸缩轴向柱塞泵驱动的电静液作动器的实验研究 J.液压与气动，2020，347（7）：36-41.17贾振元，郭东明.超磁致伸缩微位移执行器原理与应用 M.北京：科学出版社，2008.18王博文.超磁致伸缩材料制备与器件设计 M.北京：冶金工业出版社，2003.19 周寿增，高学绪.磁致伸缩材料 M.北京：冶金工业出版社，2017：20-80.20周劲松.铁道车辆振动与控制 M.北京：中国铁道出版社，2012.图7输出位移测量试验作者简介：刘潇（1996），男，硕士研究生，研究方向：机械设计与研究。E-mail：孟建军（通信作者）（1966），男，教授，博士，研究方向：车辆工程。E-mail：刘潇，等：高速列车主动悬架超磁致伸缩作动器的设计及性能仿真分析-61