真空管道中高溫超導(dǎo)磁懸浮車振動(dòng)能耗特性

　　當(dāng)真空管道中的氣壓降到一定值時(shí)，其中運(yùn)行的高溫超導(dǎo)磁浮車所受到的空氣阻力近似省略。那么磁浮車的運(yùn)動(dòng)方向上的動(dòng)能會因?yàn)榇跑壍郎嫌薪宇^或其它原因?qū)е萝壍郎媳砻娲艌龅姆植疾黄胶舛D(zhuǎn)移到與運(yùn)行垂直方向上的振動(dòng)而損耗掉。對一個(gè)已設(shè)計(jì)好的軌道，其缺陷是不可避免的，文中討論磁浮車在這種軌道上的動(dòng)能損耗與磁浮車運(yùn)行速度的關(guān)系。將一定真空環(huán)境中運(yùn)行著的高溫超導(dǎo)磁浮車的這種振動(dòng)近似為彈簧的阻尼振動(dòng)，然后根據(jù)高溫超導(dǎo)體的特性及相應(yīng)測量值來確定其剛度系數(shù)與阻尼系數(shù)，從而考慮其阻尼振動(dòng)的動(dòng)能損耗情況。模擬了三種振動(dòng)產(chǎn)生方式的耗能情況，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符合，表明了能耗規(guī)律及其在真空管道運(yùn)輸設(shè)計(jì)與應(yīng)用中的參考價(jià)值。
　　
　　輪軌列車因?yàn)榕c地面上的軌道有接觸而產(chǎn)生與車體質(zhì)量有關(guān)的摩擦力而使車體的部分動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮軗p耗掉。輪軌列車無論如何也不可能避免這種摩擦力，而磁懸浮技術(shù)使得車體懸浮在軌道上，沒有了與軌道的摩擦，這種接觸損耗在一定意義上可以說是能避免的。真空管道磁懸浮將懸浮技術(shù)與真空技術(shù)結(jié)合起來同時(shí)克服了輪軌的摩擦力與空氣阻力。真空環(huán)境因?yàn)槠鋬?yōu)點(diǎn)而在各行各業(yè)得到應(yīng)用，如太陽能應(yīng)用、電化學(xué)工藝等，而真空管道交通中運(yùn)用了因真空環(huán)境空氣密度小而動(dòng)摩擦阻力小的特性。
　　
　　理論上說，當(dāng)真空管道中達(dá)到絕對的真空時(shí)，在其中運(yùn)行的物體就沒有了空氣阻力，然而要達(dá)到這個(gè)條件是不現(xiàn)實(shí)的，未來的真空管道究竟在何真空度下運(yùn)行z*理想，這需要足夠多的理論依據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來確定。于是，有研究人員對這方面作了一定的研究。
　　
　　高溫超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)是磁懸浮技術(shù)中的一種，因其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)而受到越來越多的重視，高溫超導(dǎo)塊在永磁軌道上場冷后因?yàn)榇磐ㄡ斣饔枚鴳腋≡谟来跑壍勒戏?，如果永磁軌道上沿軌道方向的磁場分布是恒定的話，給其以沿磁軌方向的初速度后磁浮車將會穩(wěn)定的沿著磁軌運(yùn)行而沒有振動(dòng)。但是因?yàn)橛来跑壍啦豢赡茏龅酵耆脑谘剀壍婪较虻拇艌龇植际呛愣ǖ摹．?dāng)超導(dǎo)塊運(yùn)行到磁場不平的地方時(shí)，就會產(chǎn)生一定的振動(dòng)，那么運(yùn)動(dòng)方向上的動(dòng)能就會一部分轉(zhuǎn)化為與運(yùn)行方向上垂直的振動(dòng)而損耗掉。本文的目的就是研究軌道的這種不平衡與動(dòng)能損耗的關(guān)系，為設(shè)計(jì)磁浮系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)及控制系統(tǒng)提供技術(shù)參數(shù)，參數(shù)包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率大小，驅(qū)動(dòng)力大小，z*大速度和選用什么控制策略等。為了簡化研究，懸浮力近似為彈簧力(車體底面與軌道上表面中存在一空氣彈簧)，推導(dǎo)出簡化的數(shù)學(xué)模型，在其基礎(chǔ)上討論其耗能狀況，z*后在西南交通大學(xué)超導(dǎo)與新能源研究開發(fā)中心自主研發(fā)的真空管道高溫超導(dǎo)磁懸浮實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)(圖1)上驗(yàn)證。該系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境可以達(dá)到2000Pa，實(shí)驗(yàn)在氣壓為3000Pa時(shí)進(jìn)行，在如此稀薄的大氣下運(yùn)行速度不大的情況下所受空氣阻力可以省略，可認(rèn)為高溫超導(dǎo)磁浮車在系統(tǒng)中運(yùn)行時(shí)其動(dòng)能損耗全是由于軌道磁不平衡而引起的振動(dòng)而耗掉的。
　　 　　
　　1、軌道拼接方式與磁浮車結(jié)構(gòu)
　　
　　整個(gè)軌道由18截用大接頭拼接，每一節(jié)又由10小截加三塊純鐵擠壓而成，每一截節(jié)由2小塊N30材料按N-N對頂?shù)姆绞綌D壓，z*終組裝成周長10m的圓形永磁軌道。為了方便起見，將其中一部分畫示意圖如圖2(近似為直軌道)。
　　 　　
　　圖中x，y方向已標(biāo)出，z方向?yàn)榇怪毕蚣埨?指向軌道)。當(dāng)給磁浮車在x方向以驅(qū)動(dòng)力時(shí)，磁浮車只在x方向向前運(yùn)動(dòng)。以場冷方式將磁浮車懸浮在永磁軌道上后，如果軌道的接頭在y方向沒對齊時(shí)，車體會因有y方向的磁場分布錯(cuò)位而有此方向上的擺動(dòng)，為了簡略在此省掉這種擺動(dòng)。
　　
　　該系統(tǒng)為一圓形軌道系統(tǒng)，圖1所示位置加有一驅(qū)動(dòng)直線感應(yīng)電機(jī)(LIM)及速度檢測裝置，車體每次所獲能量與每周所耗量由相應(yīng)的速度算得。當(dāng)車體轉(zhuǎn)到相應(yīng)位置時(shí)，電機(jī)啟動(dòng)給車體加速，其它位置為車體的自由運(yùn)行狀態(tài)。每圈給車體加一次速，到時(shí)間約28s時(shí)不再啟動(dòng)電機(jī)。方框線表示速度隨時(shí)間變化，帶星線表示車體從電機(jī)獲得的動(dòng)能，帶圈線表示車體每圈在軌道上的耗能。由圖可知：
　　
　　(1)當(dāng)有電機(jī)驅(qū)動(dòng)的時(shí)候，速度在增加，關(guān)掉電機(jī)后，速度在減小，表示車體在運(yùn)行過程中運(yùn)行方向上的動(dòng)能在減小，忽略了空氣阻力，車體與軌道沒有接觸，所以能耗由振動(dòng)引起，實(shí)驗(yàn)中明顯能看到車體的振動(dòng)。
　　
　　(2)速度越大，耗能越快。
　　
　　(3)當(dāng)速度約為318m/s的時(shí)候，每圈耗能與電機(jī)提供的能接近相等，車體速度不再上升，電機(jī)繼續(xù)運(yùn)行時(shí)速度保持，關(guān)掉電機(jī)時(shí)，速度下降。因?yàn)榧夹g(shù)原因，系統(tǒng)目前的z*大速度只約為4m/s，由系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)算得直線感應(yīng)電機(jī)從初級傳到次級上的功率約為011kW，從而設(shè)計(jì)符合要求的驅(qū)動(dòng)電機(jī)來驅(qū)動(dòng)該系統(tǒng)。
　　
　　4、結(jié)論
　　
　　由前面分析及實(shí)驗(yàn)，得出以下結(jié)論：
　　
　　(1)高溫超導(dǎo)磁懸浮的懸浮力是一個(gè)非線性力，其情況可以近似為阻尼彈簧受力，剛度與阻尼系數(shù)確定是一個(gè)復(fù)雜的過程，因?yàn)槠浞蔷€性，按本文中的方法計(jì)算也只是一個(gè)不準(zhǔn)確的值。
　　
　　(2)在真空管道中的磁懸浮系統(tǒng)，如果軌道做的不均衡或是連接工藝粗糙，那么車體在運(yùn)行過程中，其運(yùn)動(dòng)方向上的動(dòng)能就是逐漸轉(zhuǎn)化為與運(yùn)行方向垂直方向上的振動(dòng)能損耗掉。
　　
　　(3)軌道不平衡產(chǎn)生的振動(dòng)機(jī)制可有不同的模擬方法，所得結(jié)果有所不同，但是無論哪種方法，它本身都是一個(gè)耗能系統(tǒng)，這與實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象與所測數(shù)據(jù)顯示的結(jié)果一致。