磁浮驅(qū)動(dòng)高隨列車環(huán)形動(dòng)模型系統(tǒng)原理性設(shè)計(jì)

1、本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)磁浮驅(qū)動(dòng)高速列車環(huán)形動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)原理性設(shè)計(jì)Principle Design of RingMoving model for Magnetically driven HighSpeed Train姓 名： 學(xué) 號(hào)： 學(xué) 院： 專 業(yè) 班 級(jí)： 指 導(dǎo) 教 師： 完 成 日 期： 蘭 州 交 通 大 學(xué)Lanzhou Jiaotong University蘭州交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）摘 要本文簡單介紹了高速列車空氣動(dòng)力學(xué)目前的研究狀況，并對動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)原理及磁浮列車原理作了系統(tǒng)性論述。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合磁浮列車驅(qū)動(dòng)技術(shù)，從原理上設(shè)計(jì)了一種以磁浮驅(qū)動(dòng)方式來推動(dòng)列車模型在實(shí)驗(yàn)軌道上高

2、速運(yùn)行的動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。為了在有限的空間進(jìn)行列車隧道交會(huì)，明線交會(huì)，隧道效應(yīng)、列車風(fēng)、橫風(fēng)作用等多種實(shí)驗(yàn)，將軌道設(shè)計(jì)為環(huán)形雙線雙軌，并在直線段部分加設(shè)隧道模型。眾所周知，高速時(shí)，在環(huán)形軌道曲線部分會(huì)產(chǎn)生巨大的離心力，這將會(huì)限制列車速度。在以往的設(shè)計(jì)中大都采用曲線段外軌超高的方式來解決這一問題。然而，這種辦法效果并不顯著，列車速度依然不能太高。本設(shè)計(jì)利用直線電機(jī)的懸浮、驅(qū)動(dòng)及導(dǎo)向原理，在軌道曲線段部分加設(shè)一層外墻，墻上鋪設(shè)永磁軌道（相當(dāng)于直線電機(jī)的定子），并在列車車體外側(cè)壁面上設(shè)置高溫超導(dǎo)體（相當(dāng)于直線電機(jī)的動(dòng)子）。這樣，在列車側(cè)壁與永磁雙軌墻之間就會(huì)產(chǎn)生懸浮力（磁斥力）和驅(qū)動(dòng)力。懸浮力來提供向

3、心力，通過控制系統(tǒng)來控制磁浮力的大小，使其恰好能平衡離心力；驅(qū)動(dòng)力使列車模型進(jìn)一步加速，使得該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的最高實(shí)驗(yàn)速度可以達(dá)到600km/h，這也就是所謂的環(huán)形加速器原理。簡單的說，該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)置了兩個(gè)磁浮驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)?？紤]到實(shí)驗(yàn)速度較高、穩(wěn)定性和安全性等問題，最終采用超導(dǎo)磁浮技術(shù)來為模型列車提供懸浮、導(dǎo)向和驅(qū)動(dòng)。最后，對該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法作了簡要介紹。關(guān)鍵詞：空氣動(dòng)力學(xué)；高速列車；磁浮列車技術(shù)；環(huán)形動(dòng)模型AbstractThis paper introduces the current research status of Aerodynamics of high-speed trains si

4、mply, and to the principle of dynamic model test and the principle of maglev train, describes carrying on systematicness. Based on this, we designed a moving model test system in the principle, which can drive model train moving at a high speed on the test track by the drive model of Maglev. In orde

5、r to carry on the experiment of trains passing each other in tunnel or open air, the tunneling effect, slipstream, cross-wind effect and ect within limited space, we designed the track as a ring double-track rail and settled a tunnel model on the tangential path. As we all know, it could occur a hug

6、e centrifugal force on the curve section of circumferential track at high speed, and this will limit the speed of the train. In the past, the design of superelevation of outer rail on curve was mostly used to solve this problem. However, the role of this approach is not obvious, the train speed is s

7、till not too high. This design uses the driving and guiding principles of permanent magnetic linear motor (PMLM) ,settles a layer of external walls on the curve section of circumferential track, that laying the permanent magnetic track (amount to the stator of PMLM), and set the high-temperature sup

8、erconductors in the lateral wall surface of train body (amount to the rotor of PMLM). Thus, it will produce levitation force (magnetic repulsion) and the thrust force between the side walls of the train and the permanent magnetic track wall. And the levitation force provided centripetal force and co

9、ntrol the size of the force through control system to make the centrifugal force balanced. The driving force accelerates the train model further and make the maximum speed of experiments reach 600km/h,which is called an annular accelerator principle, To put it simply, the system set up two Maglev dr

10、iving system. Taking into the comparative high test speed, stability and security issues, and ultimately adopt superconducting and normal conducting technology methods to provide suspension, guidance and driving for model trains. Finally, the testing methods of the experimental system are also brief

11、ly introduced.Key Words: Aerodynamics, High-Speed Trains, Maglev train technology, Ring Moving Model目 錄摘 要IAbstractII目 錄III1. 緒論11.1 本課題的研究背景11.2 高速列車動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)方法概述21.3 本設(shè)計(jì)的主要任務(wù)和預(yù)期目標(biāo)31.3.1 本設(shè)計(jì)的主要任務(wù)31.3.2 本設(shè)計(jì)的預(yù)期目標(biāo)42. 高速列車空氣動(dòng)力學(xué)研究進(jìn)展52.1 研究的內(nèi)容及意義52.2 國內(nèi)外的研究方法52.2.1 實(shí)車測量52.2.2 數(shù)值計(jì)算52.2.3 模型實(shí)驗(yàn)62.3 研究方法比較62.4 磁

12、浮列車空氣動(dòng)力性能研究進(jìn)展72.5 隧道空氣動(dòng)力學(xué)問題研究方法概述73. 高速列車動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)93.1 實(shí)驗(yàn)原理93.2 國內(nèi)外高速列車動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)的研究情況103.3 典型高速列車動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)裝置簡介113.4 高速列車環(huán)形動(dòng)模型簡介124. 磁浮原理及磁浮列車原理134.1 磁浮技術(shù)原理134.2 磁浮列車及其原理簡介145. 環(huán)形動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)175.1 磁浮驅(qū)動(dòng)技術(shù)的選擇175.2 環(huán)形線方案205.3 列車模型245.4 環(huán)形動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)總體布置256. 動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)276.1 實(shí)驗(yàn)控制276.2 測試工況276.3 測試裝置276.4 測試點(diǎn)的布置28結(jié) 論31致 謝32參考文獻(xiàn)33

13、III蘭州交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）1. 緒論1.1 本課題的研究背景高速列車是指最高運(yùn)營速度達(dá)到或超過200km/h的鐵路列車，也就是現(xiàn)在人們通常所說的“高鐵”。世界上最早的高速列車為日本新干線列車，于1964年10月1日開通，最高運(yùn)營速度210km/h 秦淼.高速列車空氣動(dòng)力學(xué)性能的研究D.北京交通大學(xué):北京交通大學(xué),2011:8-1.。此后，許多國家相繼開始修建高速鐵路。為了滿足日益增長的快速大規(guī)模運(yùn)輸需求，列車運(yùn)行速度也在不斷地提高。在最近10年時(shí)間里，中國“和諧號(hào)”系列高速列車發(fā)生了一系列速度上的飛躍：從2007年250km/h的最高運(yùn)營速度，到2008年350km/h的最高運(yùn)營速

14、度等級(jí)的京津城際、滬寧城際、鄭西、武廣等高速鐵路線路，以及現(xiàn)在普遍以300km/h的最高運(yùn)營速度穩(wěn)定運(yùn)行的多條高速鐵路。原中國南車四方集團(tuán)制造的CIT500型列車在2014年最高實(shí)驗(yàn)速度達(dá)到605km/h，2015年日本山梨磁浮實(shí)驗(yàn)線創(chuàng)造了603km/h的速度，而目前正在研發(fā)的真空管道磁浮列車?yán)碚撍俣瓤梢赃_(dá)到1000km/h，甚至更高。高速列車是貼近地面高速運(yùn)行的細(xì)長體，長細(xì)比大，在高速運(yùn)行時(shí)，將會(huì)引起一系列空氣動(dòng)力學(xué)問題。這些問題主要包括：氣動(dòng)阻力、橫風(fēng)效應(yīng)、會(huì)車效應(yīng)、隧道效應(yīng)和氣動(dòng)噪聲等 肖金平,黃志祥,陳立.高速列車空氣動(dòng)力學(xué)研究技術(shù)綜述J.力學(xué)與實(shí)踐,2013,35(2):1-2.。磁

15、浮列車是一種與軌道無接觸的地面有軌交通工具，它是利用電磁吸力或斥力為列車提供懸浮和導(dǎo)向，以直線感應(yīng)電機(jī)牽引列車，具有運(yùn)行速度高、安全性好、噪聲污染小、爬坡能力強(qiáng)、易維修、乘坐舒適性好等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。20世紀(jì)70年代，德國和日本最早開始了磁浮列車技術(shù)的研究，并且一直處于領(lǐng)先地位。隨后，美國、意大利、俄羅斯、瑞士、韓國、中國等國家也相繼加入了磁浮列車技術(shù)研究的行列。我國關(guān)于磁浮列車技術(shù)的研究可以追溯到20世紀(jì)80年代末，鐵道科學(xué)研究院、中國科學(xué)研究院電工研究所、西南交通大學(xué)和國防科技大學(xué)等單位在國內(nèi)最早開始了常導(dǎo)型磁浮列車技術(shù)的研究。2001年上海磁浮示范線動(dòng)工興建后，上海國家磁浮交通工程研究中心、北

16、京交通大學(xué)、中南大學(xué)和同濟(jì)大學(xué)等單位也開始了磁浮列車技術(shù)的研究。2006年初，西南交通大學(xué)組建了磁浮技術(shù)與磁浮列車教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。同年，浙江大學(xué)與某企業(yè)開始合作搭建浙江省磁懸浮實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，開發(fā)了一條環(huán)形磁浮實(shí)驗(yàn)線。2011年7月，西南交通大學(xué)超導(dǎo)與新能源研究開發(fā)中心自主設(shè)計(jì)搭建了第一代真空管道高溫超導(dǎo)（HTS）磁浮列車實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。為了進(jìn)一步研究真空管道磁浮列車在高速下的運(yùn)行特性，2015年，在原實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，開展了第二代真空管道磁浮實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)，不過其尚處于研究探索階段，很多理論還不夠成熟，距其實(shí)際應(yīng)用還有相當(dāng)長的一段路程。伴隨著我國高速鐵路技術(shù)的不斷成熟，走出國門，走向世界，深入開

17、展高速列車空氣動(dòng)力學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)研究，對于發(fā)展我國高速鐵路技術(shù)己經(jīng)變得十分緊迫和關(guān)鍵。1.2 高速列車動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)方法概述高速列車動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)是依據(jù)相似原理將列車做成幾何相似的小尺寸模型車，通過發(fā)射裝置或驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)使模型列車在實(shí)驗(yàn)線路上高速運(yùn)行，進(jìn)行測力和測壓實(shí)驗(yàn)，從而對列車表面及其周圍空氣流場的動(dòng)力學(xué)效應(yīng)進(jìn)行分析的一種經(jīng)濟(jì)而有效的方法。動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)先后為我國自主研發(fā)的“中原之星”、“先鋒號(hào)”、“中華之星”、“和諧號(hào)”等高速動(dòng)車組外型設(shè)計(jì)以及第一條高速客運(yùn)專線“秦沈線”線間距的確定等做了大量的模擬實(shí)驗(yàn)，獲得了與實(shí)車實(shí)驗(yàn)相似的模擬結(jié)果 吳雪峰,張健.日本列車空氣動(dòng)力學(xué)動(dòng)模型試驗(yàn)方法進(jìn)展J.科技資訊,2

18、011,9(11):3-4.。目前主要的動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)裝置可以分為以下幾種：摩擦發(fā)射式動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)：該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由模型發(fā)射裝置、模型列車、模型隧道、測試系統(tǒng)和制動(dòng)裝置組成，總體結(jié)構(gòu)布置如圖1.1所示。發(fā)射裝置由數(shù)對可高速旋轉(zhuǎn)的上、下發(fā)射輪組成，根據(jù)實(shí)驗(yàn)速度的大小可適當(dāng)增加或減少發(fā)射輪的對數(shù)，該裝置最高實(shí)驗(yàn)速度可達(dá)到450km/h。圖1.1 摩擦發(fā)射式動(dòng)模型裝置總體布置圖壓縮空氣發(fā)射式列車動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)：該實(shí)驗(yàn)裝置主要由發(fā)射裝置、測試系統(tǒng)，制動(dòng)管道等三部分組成，總體結(jié)構(gòu)布置如圖1.2所示。模型縮比1/30，發(fā)射系統(tǒng)是由空氣罐和加速管道組成，利用壓縮空氣來對列車模型進(jìn)行加速，壓縮空氣被儲(chǔ)存在連接到加速管道

19、的空氣罐中。首先將列車模型放置在加速管道內(nèi)，然后利用通過空氣罐排出的壓縮空氣來發(fā)射列車模型。列車模型從加速度管道中被發(fā)射出來后，進(jìn)入測試段軌道，依靠慣性力自由前進(jìn)。最后進(jìn)入制動(dòng)管道，列車模型通過自身壓縮空氣所產(chǎn)生的空氣阻力，使其逐漸停止。通過加設(shè)固定結(jié)構(gòu)的模型，如在測試部分加蓋隧道模型，就可以測量列車模型通過隧道時(shí)產(chǎn)生的壓力波。圖1.2 壓縮空氣發(fā)射式列車動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)裝置總體布置圖汽車牽引式動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)：該實(shí)驗(yàn)裝置被布置在密閉的空間里，這樣可以有效地避免外界氣流（如自然風(fēng)等）對實(shí)驗(yàn)的干擾，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠。模型縮比1/18.4，有效測試段長515m，列車模型與測試段橫截面的阻塞比約為0.01

20、。牽引裝置結(jié)構(gòu)如圖1.3所示。汽車的運(yùn)動(dòng)可能會(huì)影響實(shí)驗(yàn)工況，因此在模型車與汽車之間加設(shè)一平板小車，這樣可以有效減小汽車運(yùn)動(dòng)對列車模型周圍空氣流場的影響。通常情況下，動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)采用3節(jié)車編組，即頭車、中間車和尾車。但是這樣的列車編組無法模擬列車長度對周圍空氣流場的影響作用。在該動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)中，列車等模型的縮尺比例大，這樣就可以更為真實(shí)地模擬實(shí)車運(yùn)行情況。同時(shí)，該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)還可以進(jìn)行車上測試和地面測試，實(shí)驗(yàn)運(yùn)行速度大約為36154km/h。圖1.3汽車牽引式動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)裝置總體布置圖1.3 本設(shè)計(jì)的主要任務(wù)和預(yù)期目標(biāo)1.3.1 本設(shè)計(jì)的主要任務(wù)通過收集國內(nèi)外科技論文、研究報(bào)告和學(xué)位論文，梳理分析高速列車

21、空氣動(dòng)力學(xué)動(dòng)模型研究方法和具體原理，完成磁浮驅(qū)動(dòng)高速列車環(huán)型動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的原理性設(shè)計(jì)。具體任務(wù)主要有以下四點(diǎn)：(1) 了解高速列車隧道壓力波的現(xiàn)象和危害；(2) 掌握列車動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，并了解其特點(diǎn)；(3) 掌握磁浮原理和磁浮列車原理；(4) 完成磁浮驅(qū)動(dòng)高速列車環(huán)型動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。1.3.2 本設(shè)計(jì)的預(yù)期目標(biāo)了解高速列車空氣動(dòng)力學(xué)目前的研究狀況，掌握動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)原理及磁浮列車原理，參考中南大學(xué)和英國AEA技術(shù)軌道研究組織關(guān)于高速列車氣動(dòng)性能模擬動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)裝置（Moving Model Rig，MMR）的研究情況，以及上述浙江大學(xué)和西南交通大學(xué)的環(huán)形實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的研究方法，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合

22、磁浮列車驅(qū)動(dòng)技術(shù)，從原理上設(shè)計(jì)一種以磁浮驅(qū)動(dòng)方式來推動(dòng)列車模型在實(shí)驗(yàn)軌道上高速運(yùn)行的動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。并將實(shí)驗(yàn)軌道設(shè)計(jì)為雙軌雙線，在軌道一側(cè)直線段上加設(shè)隧道模型，在另一側(cè)直線段旁加設(shè)風(fēng)機(jī)。實(shí)驗(yàn)裝置可進(jìn)行明線列車交會(huì)，隧道交會(huì)，隧道效應(yīng)、列車風(fēng)、橫風(fēng)作用等多種實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，利用環(huán)形加速器原理加速列車模型，并能克服曲線段巨大的離心力作用，列車模型的最高實(shí)驗(yàn)速度可達(dá)到600km/h。最后對該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的控制原理及實(shí)驗(yàn)方法做簡要介紹。從而為高速列車空氣動(dòng)力學(xué)性能的研究提供一種與實(shí)車測量結(jié)果吻合度高、經(jīng)濟(jì)性好、安全可靠的新方法。2. 高速列車空氣動(dòng)力學(xué)研究進(jìn)展2.1 研究的內(nèi)容及意義高速鐵路由于其具有安全、快

23、速、舒適、環(huán)保和低能耗等獨(dú)特優(yōu)勢，已成為世界鐵路軌道交通發(fā)展的必然趨勢。對于高速列車來說，由于它體型龐大、細(xì)長且靠近地面或者軌道運(yùn)行，其空氣動(dòng)力學(xué)性能在許多方面與航空和汽車空氣動(dòng)力學(xué)不同。與航空飛行器和汽車相比較，高速鐵路軌道交通系統(tǒng)有著自身的特點(diǎn)：列車的長度與列車的截面當(dāng)量直徑比值較大，且一直運(yùn)行在固定線路上，列車與地面之間的耦合效應(yīng)比較強(qiáng)烈，需要特別考慮線路旁工作人員和周圍建筑物的安全、可能會(huì)存在大量的隧道和橋梁等路況、兩輛列車經(jīng)常會(huì)在隧道內(nèi)和明線上發(fā)生交會(huì)、在橫風(fēng)或側(cè)風(fēng)等惡劣環(huán)境與雨雪等氣候條件下運(yùn)行等。過去中國列車時(shí)速一直在120km/h以內(nèi)，列車空氣動(dòng)力學(xué)問題并不突出；然而隨著列車運(yùn)

24、行速度的提高，列車運(yùn)行阻力急劇增加，能耗加大；列車高速交會(huì)產(chǎn)生的空氣壓力瞬變脈沖，會(huì)導(dǎo)致列車側(cè)壁過度變形，并伴有巨大的空氣爆破聲，造成列車門窗松動(dòng)，破壞門窗玻璃，甚至?xí)档蛙圀w結(jié)構(gòu)的疲勞壽命；過度的空氣壓力變化還會(huì)使車輛劇烈晃動(dòng)，以致有可能與線路限界相碰；強(qiáng)烈的側(cè)向風(fēng)力作用則極有可能使列車在高速行進(jìn)中發(fā)生傾覆等事故 申鵬.國內(nèi)外高速列車空氣動(dòng)力學(xué)研究概況J.科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào),2014,11(3):9.。為了實(shí)現(xiàn)高速列車安全、快速運(yùn)行以及乘坐舒適和環(huán)境友好的目標(biāo) ，研究并解決上述高速列車空氣動(dòng)力學(xué)問題，具有非常重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。2.2 國內(nèi)外的研究方法2.2.1 實(shí)車測量實(shí)車測量是最基本的實(shí)

25、驗(yàn)方法，通過實(shí)車測量可以獲得最符合實(shí)際情況的數(shù)據(jù)，可以此作為分析和校正各種數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的依據(jù)，并最終獲得可用于列車阻力計(jì)算的通用公式。目前，實(shí)車測量主要包括列車氣動(dòng)阻力、車身表面脈沖壓力、車廂內(nèi)部壓力測量，列車空調(diào)、冷卻風(fēng)和進(jìn)排氣口的氣流流速與流量測量，以及列車在運(yùn)行過程對自然環(huán)境和周圍建筑物所產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲、微氣壓波以及列車風(fēng)的測量等等 田紅旗.中國列車空氣動(dòng)力學(xué)研究進(jìn)展J.交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào),2006,6(1):4.。2.2.2 數(shù)值計(jì)算在高速列車空氣動(dòng)力學(xué)問題的研究中，數(shù)值模擬計(jì)算的適用性最強(qiáng)。從理論上講，任何關(guān)于高速列車空氣動(dòng)力學(xué)方面的問題都能夠利用數(shù)值模擬計(jì)算的方法予以解決。近幾年

26、來，數(shù)值模擬計(jì)算技術(shù)的主要發(fā)展方向體現(xiàn)在以下3個(gè)方面：專業(yè)數(shù)值計(jì)算軟件的開發(fā)與應(yīng)用，網(wǎng)格劃分技術(shù)的發(fā)展、數(shù)值模擬計(jì)算方法的改進(jìn)與完善等。目前流場數(shù)值計(jì)算的方法有很多，其中運(yùn)用最為廣泛的有邊界元法、有限元法和有限差分法等 戚振拓.高速列車明線會(huì)車氣動(dòng)特性研究D.西南交通大學(xué):西南交通大學(xué),2007:5-6.。2.2.3 模型實(shí)驗(yàn)高速列車模型實(shí)驗(yàn)的研究手段主要包括風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)、水槽或水洞實(shí)驗(yàn)、動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)。其中，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的研究手段之一，研究方式又包括氣動(dòng)力測量、表面壓力測量、模型外部氣動(dòng)噪聲測量等；水槽或水洞實(shí)驗(yàn)以西南交通大學(xué)的隧道壓力波淺水槽實(shí)驗(yàn)臺(tái)為代表；而動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)由于其獨(dú)特的優(yōu)勢，

27、在近幾年的實(shí)驗(yàn)研究中得到了眾多研究者的重視，動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)運(yùn)用的主要原理是運(yùn)動(dòng)相似原理和流動(dòng)相似原理，能夠較為真實(shí)地模擬2交會(huì)列車之間、列車與周圍環(huán)境(地面、隧道、道旁建筑等)之間的相對運(yùn)動(dòng)，客觀地反映實(shí)際列車在鐵路線路上運(yùn)行的情況及其地面效應(yīng)，為驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算和模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果提供依據(jù)。動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)還可以對不同形狀和不同運(yùn)行速度的列車，在不同線間距情況下反復(fù)進(jìn)行研究性實(shí)驗(yàn)。2.3 研究方法比較實(shí)車測量的最大技術(shù)難點(diǎn)在于必須實(shí)時(shí)測量兩列交會(huì)列車的相對速度和列車間距，檢測系統(tǒng)比較復(fù)雜。且由于實(shí)車實(shí)驗(yàn)只有在列車生產(chǎn)完成以后才能進(jìn)行，需要耗費(fèi)大量的人力、財(cái)力和物力，具有很大的局限性，一般都只適用于新型列車產(chǎn)品的

28、實(shí)車檢驗(yàn)和評估工作。數(shù)值計(jì)算的研究方法可以在列車設(shè)計(jì)初期和較短的時(shí)間周期內(nèi)、耗資很低的情況下，對大量實(shí)驗(yàn)工況進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，通過對局部單元或網(wǎng)格的精細(xì)劃分可以得到更準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)值，但是對于高速列車這樣具有復(fù)雜外部表面的鈍體繞流問題，要想進(jìn)行精確模擬是非常困難的，且其數(shù)學(xué)模型的研究與建立尚處于一個(gè)發(fā)展完善階段，一般情況下，數(shù)值計(jì)算研究的最后結(jié)果還必須通過實(shí)驗(yàn)研究來驗(yàn)證，數(shù)值計(jì)算研究方法與模型實(shí)驗(yàn)研究方法是高速列車氣動(dòng)性能研究中兩種最常用和最基本的方法，兩者互補(bǔ)不足，同時(shí)又不可代替，對于高速列車空氣動(dòng)力學(xué)的研究應(yīng)該同時(shí)有效地結(jié)合這兩種方法，這樣才能使得研究結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠 潘迪夫，王偉，李素康.

29、高速列車動(dòng)模型試驗(yàn)彈射系統(tǒng)GA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模研究J.測控技術(shù),2015,24(25):51.。對于模型實(shí)驗(yàn)研究方法，水槽實(shí)驗(yàn)不能正確處理三維問題，并且需要通過不同介質(zhì)的換算才能得到粗略的結(jié)果，各種換算參數(shù)數(shù)值的選擇對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響較大，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)速度的變化范圍廣，數(shù)據(jù)采集較為準(zhǔn)確，但是，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)只能進(jìn)行穩(wěn)態(tài)流動(dòng)實(shí)驗(yàn)，不能模擬列車交會(huì)和過隧道等工況下的非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)實(shí)驗(yàn)，且會(huì)產(chǎn)生一定的邊界效應(yīng)，很難避免風(fēng)洞入口與模型列車之間的地面氣流附面層效應(yīng)對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)裝置造價(jià)相對較小，調(diào)整及改進(jìn)比較容易，實(shí)驗(yàn)幾乎不受外界氣象條件的影響，可以真實(shí)模擬兩交會(huì)列車之間、列車與線路周圍環(huán)境之間的相對運(yùn)

30、動(dòng)情況，反映空氣流場的地面效應(yīng)，并且可以對正處于設(shè)計(jì)改進(jìn)中的列車進(jìn)行模型實(shí)驗(yàn)，節(jié)省物力財(cái)力 李剛,梅元貴.國外高速列車進(jìn)出隧道空氣動(dòng)力學(xué)模型實(shí)驗(yàn)研究方法J.隧道建設(shè),2007:156-157.。因此通過比較上述幾種實(shí)驗(yàn)研究方法，我們發(fā)現(xiàn)動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)有其獨(dú)特的優(yōu)勢。因此開展高速列車空氣動(dòng)力學(xué)動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的改進(jìn)與開發(fā)，具有巨大的現(xiàn)實(shí)意義。2.4 磁浮列車空氣動(dòng)力性能研究進(jìn)展磁浮列車運(yùn)營速度高于傳統(tǒng)輪軌系統(tǒng)高速列車，其所涉及的空氣動(dòng)力學(xué)問題屬于亞音速空氣動(dòng)力學(xué)范疇，在三維可壓縮粘性流體力學(xué)理論基礎(chǔ)上，2003年田紅旗、盧執(zhí)中、梁習(xí)鋒、劉堂紅等首次對磁浮列車這種貼地高速運(yùn)行的細(xì)長體所引起的復(fù)雜空氣動(dòng)力

31、學(xué)問題進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算、實(shí)車實(shí)驗(yàn)和兩輛列車高速交會(huì)動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)等，并對磁浮列車氣動(dòng)外形進(jìn)行了優(yōu)化研究和在氣動(dòng)力作用下動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析。2006年畢海權(quán)、李明水、雷波等人對上海磁懸浮列車的會(huì)車壓力載荷進(jìn)行了測量。之后，他們對高速磁懸浮列車會(huì)車壓力波進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，其結(jié)果與實(shí)車測量結(jié)果吻合度較高。同年，田紅旗和劉堂紅等人同樣采用數(shù)值模擬的方法對三種不同頭型的磁浮列車氣動(dòng)阻力、升力和會(huì)車壓力波分別進(jìn)行了研究。2012年劉元森對真空管道磁浮列車空氣阻力進(jìn)行了研究報(bào)道。2014年西南交通大學(xué)陳旭勇對真空管道磁浮列車空氣動(dòng)力學(xué)問題進(jìn)行了仿真分析。2.5 隧道空氣動(dòng)力學(xué)問題研究方法概述高速列車在隧道中運(yùn)行時(shí)

32、所涉及到的空氣動(dòng)力學(xué)問題，體現(xiàn)在2個(gè)相互依賴的現(xiàn)象中，即隧道壓力波的形成和列車氣動(dòng)阻力的增加。對于長隧道，氣動(dòng)阻力的增加是主要的，而對于較短的隧道，在隧道入口和出口處的脈沖壓力則會(huì)引起更多的問題。開展高速列車隧道空氣動(dòng)力學(xué)研究，也是既有隧道改造和新隧道設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。目前關(guān)于高速列車隧道空氣動(dòng)力學(xué)的研究方法也主要有現(xiàn)場實(shí)測、數(shù)值模擬、模型實(shí)驗(yàn)這三種，其中，模型實(shí)驗(yàn)研究是較為經(jīng)濟(jì)可靠的方法，模型實(shí)驗(yàn)又可分為淺水槽實(shí)驗(yàn)和動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)兩種，動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)在緒論部分已經(jīng)做過具體介紹，我們在此不再贅述，在這里我們主要介紹淺水槽實(shí)驗(yàn)。淺水槽實(shí)驗(yàn)研究是根據(jù)自由表面水波運(yùn)動(dòng)的波高與可壓縮流體運(yùn)動(dòng)壓力之間的相似關(guān)系，

33、通過測定模型列車在淺水槽中運(yùn)動(dòng)時(shí)所激起的水波高度，來求得周圍空氣壓力變化，從而模擬并分析高速列車過隧道的壓力波動(dòng)現(xiàn)象和規(guī)律。美國和日本分別于1979年和1993年采用淺水槽實(shí)驗(yàn)研究了列車通過隧道過程中所產(chǎn)生的空氣動(dòng)力學(xué)問題，并且獲得了比較有實(shí)用和參考價(jià)值的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和規(guī)律。西南交通大學(xué)曾利用淺水槽法模擬了最高速度500km/h的高速列車過隧道的空氣動(dòng)力學(xué)問題，也得到了比較令人滿意的結(jié)果，其實(shí)驗(yàn)裝置如圖2.1所示。淺水槽實(shí)驗(yàn)裝置簡單，列車模型速度不必達(dá)到很高，且測得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果吻合度較高，但要利用此方法得到更精確的數(shù)據(jù)是比較困難的；動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，且列車模型速度高，這將會(huì)帶

34、來安全性問題及實(shí)驗(yàn)控制困難的問題，但是實(shí)驗(yàn)所測得的數(shù)據(jù)與實(shí)車測試結(jié)果吻合度很高。綜上所述，從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和測試結(jié)果的穩(wěn)定性考慮，相對而言，采用動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)進(jìn)行列車隧道空氣動(dòng)力學(xué)的研究是一種可靠的方法 梅元貴,周朝暉,許建林.高速鐵路隧道空氣動(dòng)力學(xué)M.北京:科學(xué)出版社,2009:1-39.。圖2.1 淺水槽實(shí)驗(yàn)?zāi)M裝置3. 高速列車動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)3.1 實(shí)驗(yàn)原理高速列車動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)是通過發(fā)射或驅(qū)動(dòng)一定比例的模型列車在軌道線路上高速運(yùn)行，以此來模擬實(shí)際列車的運(yùn)行狀況，進(jìn)行測壓和測力實(shí)驗(yàn)，采集并分析相關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為高速列車頭型的優(yōu)化設(shè)計(jì)，隧道形狀的設(shè)計(jì)，線間距的確定，乘客舒適性的提高，及其對周圍環(huán)境影

35、響等的分析提供依據(jù)。動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)所遵循的基本原理是相似性原理。要保證模型列車的空氣流場和實(shí)際列車的空氣流場相同，需滿足以下相似準(zhǔn)則：（1）幾何相似幾何相似是指模型列車周圍空氣的流動(dòng)和實(shí)際列車周圍空氣的流動(dòng)有相似的邊界形狀，一切對應(yīng)的線性尺寸成同一比例。線性尺寸包括列車的長度L，直徑d，表面粗糙度以及任意空間對應(yīng)點(diǎn)間的線段 景思睿,張鳴遠(yuǎn)流體力學(xué)M.西安:西安交通大學(xué)出版社,2001:91-108.。因此 （3.1）式3.1中，下標(biāo)p表示實(shí)物，m表示模型，CL為線性比例系數(shù)。因此，對于面積A和體積V，有如下關(guān)系： （3.2） （3.3）在線性尺寸比例相同的情況下，列車表面各部分對應(yīng)的角度都相等，即

36、。這樣已知實(shí)際列車的幾何尺寸，根據(jù)線性比例系數(shù)就可以計(jì)算出相應(yīng)模型列車的幾何尺寸。（2）雷諾準(zhǔn)則在高速列車動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)中，要滿足粘性力的動(dòng)力相似，就必須要求作用在模型列車和實(shí)際列車上任意對應(yīng)點(diǎn)的慣性力和粘性力之比為一常數(shù)，即雷諾數(shù)相同。 （3.4）式3.4中為雷諾數(shù)，和分別為實(shí)際列車空氣流場的介質(zhì)密度，實(shí)際列車運(yùn)行速度，實(shí)際列車截面尺寸和空氣介質(zhì)動(dòng)力粘性系數(shù)；和分別為模型列車空氣流場的介質(zhì)密度，模型列車運(yùn)行速度，模型列車截面尺寸和空氣介質(zhì)動(dòng)力粘性系數(shù)。（3）馬赫準(zhǔn)則在高速列車動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)中，高速氣流的可壓縮性是非常重要的，模型列車和實(shí)際列車空氣流場的慣性力和彈性力之比必須保持一定。氣流在高速條件下

37、，該比值等于空氣流速與聲速之比，即馬赫數(shù)相等 景思睿,張鳴遠(yuǎn)流體力學(xué)M.西安:西安交通大學(xué)出版社,2001:91-108.。 （3.5）式3.5中，為馬赫數(shù)，分別為實(shí)際列車周圍空氣流場速度和實(shí)際空氣流場中的聲速，分別為動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)?zāi)M的空氣流場速度和模擬空氣流場中的聲速。根據(jù)相似性原理，當(dāng)模型列車和實(shí)際列車運(yùn)行速度相同時(shí)，就可以保證兩空氣流場的流速相同，同時(shí)，聲音在兩流場中的速度也相同，即滿足了馬赫準(zhǔn)則。3.2 國內(nèi)外高速列車動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)的研究情況對于動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)，國內(nèi)外都在不斷的進(jìn)行研究。1991年，英國AEA鐵路列車技術(shù)研究中心建造了比例為1/25的動(dòng)模型列車實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)驗(yàn)段總長150m，其中心

38、實(shí)驗(yàn)段長50m，實(shí)驗(yàn)段的兩端各有一個(gè)加速段和一個(gè)制動(dòng)段，每個(gè)約50m長，模型列車最高實(shí)驗(yàn)速度可達(dá)到305km/h，兩平行軌道允許兩列列車模型同時(shí)相向發(fā)射，以此來模擬列車交會(huì)效應(yīng)。該裝置適用于明線上的空氣壓力、隧道壓力波，以及軌道間和平臺(tái)上滑流空氣速度的測量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)車測量數(shù)據(jù)吻合度極高 Tetsuya Do.Development of an experimental facility for measuring pressure waves generated by high-speed trainsJ. Wind Eng Ind Aerodyn,2010:55-61.。日本采用壓縮空氣

39、式列車動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)裝置對列車穿越隧道的過程進(jìn)行了大量模擬研究，取得了比較理想的實(shí)驗(yàn)效果。西南交通大學(xué)建立的動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)裝置由空氣炮、列車模型、隧道模型、控制系統(tǒng)及減速裝置組成，最高速度可以達(dá)到360km/h。表3.1列出了進(jìn)行高速列車空氣動(dòng)力學(xué)動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)研究的幾個(gè)主要國家的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)參數(shù)：表3.1 動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)參數(shù)比較國家有效實(shí)驗(yàn)線長度（m）實(shí)驗(yàn)縮比模型質(zhì)量（kg）最高實(shí)驗(yàn)速度（km/h）實(shí)驗(yàn)工況中國（西南交通大學(xué)）201/80360過隧道實(shí)驗(yàn)英國1321/2510200交會(huì)實(shí)驗(yàn)、過隧道實(shí)驗(yàn)日本 360過隧道實(shí)驗(yàn)中國（中南大學(xué)）1641/161/203015220280交會(huì)實(shí)驗(yàn)、過隧道實(shí)驗(yàn)荷蘭10

40、1/175500過隧道實(shí)驗(yàn)3.3 典型高速列車動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)裝置簡介中南大學(xué)高速列車實(shí)驗(yàn)中心自主研發(fā)的“高速列車氣動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)裝置”是目前世界上規(guī)模最大、實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ阶疃嗟牧熊嚉鈩?dòng)模型實(shí)驗(yàn)裝置。該裝置主要由彈射控制系統(tǒng)、模型軌道、模型列車和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等幾部分組成 王偉.高速列車動(dòng)模型試驗(yàn)系統(tǒng)建模及測控技術(shù)研究D.中南大學(xué):中南大學(xué),2007:2-4。模型軌道雙向復(fù)線布置，總長164m，可進(jìn)行縮比1/16 1/20，3節(jié)列車編組最高運(yùn)行速度350 km/h，且可調(diào)整線間距的動(dòng)模型模擬實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)裝置平面布置如圖3.1所示。為了保證能在52m的加速段上產(chǎn)生250 km /h以上的最大實(shí)驗(yàn)出口速度，該實(shí)驗(yàn)裝置

41、在加速段上采用雙層軌道結(jié)構(gòu)，具體如圖3.2所示。圖3.1 高速列車動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)裝置平面布置圖圖3.2 高速列車動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)裝置彈射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖3.4 高速列車環(huán)形動(dòng)模型簡介為了推動(dòng)高溫超導(dǎo)磁懸浮列車技術(shù)（HTS）研究，2013年3月，西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室超導(dǎo)技術(shù)研究所搭建了國內(nèi)首條高溫超導(dǎo)磁懸浮環(huán)形動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)線，整體結(jié)構(gòu)如圖3.3所示，圖3.4為該環(huán)形實(shí)驗(yàn)線上目前運(yùn)行的“Super-Maglev”可載人高溫超導(dǎo)磁懸浮實(shí)驗(yàn)車，整體結(jié)構(gòu)平面布置如圖3.5所示。實(shí)驗(yàn)線采用環(huán)形跑道型結(jié)構(gòu)，總長45.00m，直線段長3.60m，外側(cè)軌道曲線段半徑6 .00m，軌間距0.77m，最高運(yùn)行速度約

42、為50km/h，最大載重量1噸，懸浮高度1520mm。目前，該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)只在一側(cè)直線段上安裝有一段3.0m長的直線感應(yīng)電機(jī)來對實(shí)驗(yàn)車（Super-Maglev）進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，實(shí)驗(yàn)車每次經(jīng)過直線感應(yīng)電機(jī)段時(shí)可以實(shí)現(xiàn)加速或減速，而在其余線路上都靠慣性運(yùn)行。實(shí)驗(yàn)車的速度調(diào)節(jié)是通過變頻器調(diào)節(jié)電源頻率及直線感應(yīng)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn) 勾艷鳳.高溫超導(dǎo)磁懸浮車環(huán)形線震動(dòng)特性研究D.西南交通大學(xué):西南交通大學(xué),2015:8.。 圖3.3 環(huán)形實(shí)驗(yàn)線 圖3.4 高溫超導(dǎo)磁懸浮車“Super-Maglev”圖3.5 環(huán)形實(shí)驗(yàn)線平面圖4. 磁浮原理及磁浮列車原理4.1 磁浮技術(shù)原理磁懸浮利用電磁斥力或引力使物力能夠穩(wěn)定地處

43、于一個(gè)無接觸、無摩擦的平衡狀態(tài)。磁浮技術(shù)是高度集電磁電子技術(shù)、信號(hào)控制、機(jī)械動(dòng)力學(xué)等學(xué)科為一體的典型機(jī)電一體化高新技術(shù)。早在1842年，英國物理學(xué)家Earnshow就提出了磁懸浮的概念。1992年，德國工程師赫爾曼肯佩爾（Herrmann Kemper）正式建立了磁懸浮理論，并于1934年申請了關(guān)于磁懸浮列車的專利，但是在隨后的30多年中，關(guān)于磁懸浮技術(shù)的研究基本處于停滯階段，直到1970年以后，伴隨著世界工業(yè)化的潮流，西方的很多國家經(jīng)濟(jì)實(shí)力迅速提升，為了不斷增強(qiáng)鐵路交通運(yùn)輸能力來適應(yīng)其經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的需求，以德國和日本為代表的許多發(fā)達(dá)國家相繼展開磁浮交通運(yùn)輸系統(tǒng)的研究開發(fā)。進(jìn)入21世紀(jì)以后，隨

44、著電磁理論、電子技術(shù)、信號(hào)處理元器件、控制工程以及新型電磁材料的發(fā)展和轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)研究的深入，磁懸浮技術(shù)逐漸走進(jìn)人們的視野，目前關(guān)于磁浮技術(shù)的應(yīng)用主要有磁懸浮軸承、磁懸浮列車、磁懸浮風(fēng)機(jī)等。我國對于磁浮技術(shù)的研究起步較晚，重點(diǎn)放在磁懸浮軸承和磁懸浮列車的研究上，并取得了較大成果。磁懸浮技術(shù)簡稱EML（electro magnetic levitation）技術(shù)，磁懸浮技術(shù)系統(tǒng)由懸浮體、傳感器、控制器和執(zhí)行器4部分組成，具體結(jié)構(gòu)如圖4.1所示。其中執(zhí)行器由電磁鐵和功率放大器兩部分組成。假設(shè)在某一平衡位置上，當(dāng)懸浮體受到一個(gè)向下的擾動(dòng)時(shí)，就會(huì)偏離其平衡位置，這時(shí)傳感器檢測出懸浮體偏離其平衡位置的位移

45、，作為控制器的微處理器就會(huì)迅速將檢測到的位移信息轉(zhuǎn)換成控制信號(hào)，然后通過功率放大器將這一控制信號(hào)再次轉(zhuǎn)換成控制電流，控制電流在執(zhí)行電磁鐵中產(chǎn)生相應(yīng)的電磁力，從而驅(qū)動(dòng)懸浮體回到原來的平衡位置 劉琳.磁懸浮技術(shù)與磁懸浮列車J.現(xiàn)代物理知識(shí),2004,5(18):18.。因此，不管懸浮體受到那個(gè)方向的的擾動(dòng)，在傳感器、控制器和執(zhí)行器共同作用下，懸浮體始終能穩(wěn)定地處于平衡狀態(tài)。圖4.1 磁浮技術(shù)系統(tǒng)示意圖4.2 磁浮列車及其原理簡介磁懸浮列車是一種靠磁懸浮力（即磁的吸引力或排斥力）來推動(dòng)的列車。由于其與軌道之間的磁力使之懸浮在空中，運(yùn)行時(shí)無需接觸地面，不受摩擦力阻力。磁懸浮列車與現(xiàn)有的輪軌式列車相比，

46、同樣有其獨(dú)特的優(yōu)勢和不可忽視的不足：總的來說，磁懸浮列車具有速度高，安全性好，爬坡能力強(qiáng)、轉(zhuǎn)彎曲率半徑小、噪聲污染小、環(huán)境友好、舒適性高、經(jīng)濟(jì)可靠等顯著優(yōu)勢，是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ牡孛嬗熊壗煌ǚ绞?；它的缺點(diǎn)主要表現(xiàn)在造價(jià)費(fèi)用高，較難實(shí)現(xiàn)迅速制動(dòng)，并且由于其一般運(yùn)行于高架橋之上，一旦發(fā)生事故，救援和拖出都相當(dāng)困難。磁懸浮列車是由無接觸的電磁懸浮系統(tǒng)、導(dǎo)向系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成的新型軌道交通工具，磁懸浮列車可以分為超導(dǎo)型（電力懸浮系統(tǒng)EDS）和常導(dǎo)型(電磁懸浮系統(tǒng)EMS)兩大類。超導(dǎo)型電力懸浮系統(tǒng)（electro dynamic suspension，EDS）是一種斥力懸浮系統(tǒng)，在運(yùn)動(dòng)的列車上安裝磁鐵，

47、以此在導(dǎo)軌上產(chǎn)生電流。由于列車和導(dǎo)軌的之間的懸浮氣隙減小時(shí)電磁斥力會(huì)增大，從而產(chǎn)生的電磁斥力為列車提供了穩(wěn)定的支撐和導(dǎo)向。然而列車必須安裝車輪裝置以對列車在懸浮和下降時(shí)產(chǎn)生有效的支撐，并在列車上裝有由懸浮導(dǎo)向超導(dǎo)磁鐵、感應(yīng)動(dòng)力集成超導(dǎo)磁鐵和動(dòng)力集成繞組三部分組成的感應(yīng)動(dòng)力集成設(shè)備，而列車的驅(qū)動(dòng)繞組和懸浮導(dǎo)向繞組均安裝在導(dǎo)軌兩側(cè)。當(dāng)向?qū)к墐蓚?cè)的列車驅(qū)動(dòng)繞組提供與車輛速度頻率一致的三相交流電時(shí)，就會(huì)在列車與導(dǎo)軌之間產(chǎn)生一個(gè)移動(dòng)電磁場，這時(shí)列車上的車載超導(dǎo)體就會(huì)受到一個(gè)與移動(dòng)磁場相同步的推力，正是這種推力驅(qū)動(dòng)列車向前運(yùn)行。同時(shí)必須在地面導(dǎo)軌上安裝能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確監(jiān)測列車位置與速度的高精度探測儀器，根據(jù)探

48、測儀器傳來的位置速度信息調(diào)整三相交流電的供流方式，以此來精確控制電磁波形，達(dá)到列車安全穩(wěn)定運(yùn)行的目的。但是，當(dāng)列車保持靜止或者運(yùn)行速度小于80km/h時(shí)，感應(yīng)電流不足以使列車懸浮，在這種情況下就需要車輪來支撐車體，因此，超導(dǎo)型磁浮列車需要安裝車輪。常導(dǎo)型電磁懸浮系統(tǒng)(electro magnetic suspension，EMS)是一種吸力懸浮系統(tǒng)，它是利用列車上的電磁鐵和導(dǎo)軌上的鐵磁軌道之間排斥力為列車提供懸浮。常導(dǎo)磁懸浮列車工作時(shí)，首先需要控制列車下部的懸浮和導(dǎo)向電磁鐵上的電磁斥力的大小，使其與地面軌道兩側(cè)的懸浮繞組發(fā)生反作用從而把列車懸浮起來。同時(shí)，在列車下部安裝的導(dǎo)向電磁鐵與軌道磁鐵的

49、反作用力下，懸浮框架與軌道之間就會(huì)保持一定的側(cè)向距離，實(shí)現(xiàn)懸浮架在垂直方向和水平方向的無接觸支撐和導(dǎo)向 周斌.常導(dǎo)型磁浮列車J.企業(yè)導(dǎo)報(bào),2011,11(15):15.。通過高精度的電子調(diào)整系統(tǒng)，保證列車與軌道間的懸浮間隙為10mm。由于列車的懸浮和導(dǎo)向與運(yùn)行速度無關(guān)，所以即使在靜止?fàn)顟B(tài)下，列車仍可以進(jìn)入懸浮狀態(tài)。磁懸浮列車系統(tǒng)主要可以分為懸浮系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)和導(dǎo)向系統(tǒng)這三大部分，雖然可以使用完全與磁力無關(guān)的推進(jìn)系統(tǒng)，但在絕大部分設(shè)計(jì)及其應(yīng)用中，這三部分功能的實(shí)現(xiàn)均由磁力來完成。下面將分別對這三部分各自采用的技術(shù)進(jìn)行簡單介紹。懸浮系統(tǒng)：關(guān)于懸浮系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，可以分為兩個(gè)方向，分別是日本所采用的超導(dǎo)

50、型和德國所采用的常導(dǎo)型。從懸浮技術(shù)上講就是電力懸浮系統(tǒng)(EDS)和電磁懸浮系統(tǒng)(EMS)的區(qū)別。超導(dǎo)型磁浮列車最重要的特征就是其超導(dǎo)元件在一定的溫度條件下所具有的完全抗磁性和完全導(dǎo)電性，超導(dǎo)型磁浮列車又可以分為低溫超導(dǎo)型和高溫超導(dǎo)型兩大類。推進(jìn)系統(tǒng)：磁浮列車的驅(qū)動(dòng)利用同步直線感應(yīng)電機(jī)的原理。列車底部支撐電磁鐵線圈的作用就如同同步直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁線圈，軌道內(nèi)側(cè)的三相移動(dòng)電磁場驅(qū)動(dòng)支撐電磁鐵線圈繞組起到電機(jī)電樞的作用，它就像同步直線感應(yīng)電機(jī)的長定子初級(jí)繞組。從直線感應(yīng)電機(jī)的工作原理可知，當(dāng)對作為定子的電樞線圈供電時(shí)，就會(huì)在電磁感應(yīng)作用下推動(dòng)直線感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子高速轉(zhuǎn)動(dòng)。根據(jù)這個(gè)原理，當(dāng)沿軌道線周

51、圍布置的變電所向?qū)к墐?nèi)側(cè)的驅(qū)動(dòng)用銅繞組供應(yīng)三相調(diào)頻調(diào)幅交流電時(shí)，在電磁感應(yīng)作用下，懸浮框架連同列車就會(huì)像直線感應(yīng)電機(jī)“轉(zhuǎn)子”一樣被連續(xù)驅(qū)動(dòng)向前運(yùn)動(dòng)。這樣，列車在懸浮狀態(tài)下，就可以實(shí)現(xiàn)完全無接觸、無摩擦的牽引和制動(dòng)功能。導(dǎo)向系統(tǒng)：導(dǎo)向系統(tǒng)是通過控制列車在水平方向所受的橫向力的平衡，來保證懸浮列車不會(huì)出現(xiàn)左右晃動(dòng)或者偏移，從而一直能沿著導(dǎo)軌的方向運(yùn)動(dòng)。永磁軌道與列車底部的電磁鐵之間產(chǎn)生的相互作用，可以同時(shí)為列車提供導(dǎo)向和懸浮功能，當(dāng)然也可以單獨(dú)采用導(dǎo)向和懸浮用的電磁鐵。常導(dǎo)吸浮型磁懸浮列車組成的基礎(chǔ)就是直線同步電機(jī)或吸引型直線懸浮電動(dòng)機(jī)。圖4.2為常導(dǎo)型磁浮列車示意圖。直線同步電機(jī)定子導(dǎo)向磁鐵懸浮

52、磁鐵圖4.2 常導(dǎo)型磁懸浮列車系統(tǒng)示意圖由于超導(dǎo)磁浮列車與常導(dǎo)磁浮列車相比，有更多的優(yōu)勢。因此，在最近幾年，超導(dǎo)磁浮列車技術(shù)得到了迅速發(fā)展，其技術(shù)并日漸趨于成熟。在超導(dǎo)磁懸浮系統(tǒng)中，超導(dǎo)體安裝在列車上，在地面軌道內(nèi)安裝與超導(dǎo)體相互作用產(chǎn)生懸浮、導(dǎo)向和推進(jìn)功能的各種線圈。一種較為常見的高溫超導(dǎo)磁浮列車系統(tǒng)其總體結(jié)構(gòu)布置如圖4.3所示。磁懸浮線圈鋪設(shè)在地面上，推進(jìn)與導(dǎo)向兩用線圈安裝在軌道內(nèi)側(cè)，超導(dǎo)體安裝在列車框架的外側(cè)。圖4.3 高溫超導(dǎo)磁懸浮列車系統(tǒng)示意圖5. 環(huán)形動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為了能在有限的空間和盡可能節(jié)約成本的前提下，達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，將?shí)驗(yàn)線設(shè)計(jì)成環(huán)形是非常可行的，環(huán)形線的合理可行性在以往

53、的實(shí)驗(yàn)研究中已經(jīng)得到了證明。在此基礎(chǔ)上，我們將以往的單線實(shí)驗(yàn)線改進(jìn)為雙線，并在實(shí)驗(yàn)線一側(cè)直線段部分加蓋隧道模型，以期進(jìn)行列車外形尺寸設(shè)計(jì)、隧道效應(yīng)、高速會(huì)車效應(yīng)以及橫風(fēng)效應(yīng)等實(shí)驗(yàn)。但是，環(huán)形線有一個(gè)明顯的缺點(diǎn)，當(dāng)模型列車高速通過環(huán)形線曲線段時(shí)會(huì)產(chǎn)生巨大的離心力，這將對列車模型和實(shí)驗(yàn)軌道造成嚴(yán)重?fù)p害，在實(shí)際工程應(yīng)用中一般都是通過外軌超高設(shè)計(jì)來解決，但效果并不明顯，列車速度依然不能太高，否則就有可能發(fā)生側(cè)翻的危險(xiǎn)。西南交通大學(xué)為了解決這一問題，最新設(shè)計(jì)了一種側(cè)掛式高溫超導(dǎo)磁懸浮系統(tǒng)，使得這一問題得到了很好的解決。我們在總結(jié)前人經(jīng)驗(yàn)與研究成果的前提下，另辟蹊徑，將曲線段設(shè)計(jì)成半圓形，設(shè)想利用磁懸浮原

54、理，在半圓形軌道外側(cè)加設(shè)一個(gè)與其同心的永磁雙軌墻（相當(dāng)于磁懸浮鐵路的導(dǎo)軌），并在列車的外側(cè)面加設(shè)高溫超導(dǎo)體或者導(dǎo)體線圈（相當(dāng)于磁浮列車的懸浮架），以它們之間所產(chǎn)生的力來提供抵消離心力的磁斥力（懸浮力）和推進(jìn)力，并且使列車模型實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步加速。5.1 磁浮驅(qū)動(dòng)技術(shù)的選擇關(guān)于磁浮驅(qū)動(dòng)技術(shù)的選擇，簡單的來說，就是常導(dǎo)直線電機(jī)磁浮驅(qū)動(dòng)技術(shù)與超導(dǎo)直線電機(jī)磁浮驅(qū)動(dòng)技術(shù)之間的選擇。常導(dǎo)直線電機(jī)磁浮驅(qū)動(dòng)技術(shù)普遍地運(yùn)用于中低速磁懸浮列車，主要用于市內(nèi)交通、地鐵、市郊運(yùn)輸和機(jī)場路等短途運(yùn)輸。我國在近幾年關(guān)于常導(dǎo)磁浮技術(shù)的應(yīng)用比較廣泛，例如：2003年開通的世界上第一條磁浮列車示范運(yùn)營線上海磁懸浮線，以及于2015年

55、和2016年剛上線的北京和湖南長沙磁浮示范線都采用的是常導(dǎo)磁浮技術(shù)，相對來說，在國內(nèi)關(guān)于常導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用比較成熟，并且具有車輛總體構(gòu)造輕、供電方便、技術(shù)簡單等優(yōu)點(diǎn)。但是，它又有自身的不足，如運(yùn)行速度不高，懸浮高度相比于超導(dǎo)型磁浮系統(tǒng)較低，這就對軌道的加工精度要求較高，而超導(dǎo)磁浮系統(tǒng)卻可以很好地解決這些問題。同時(shí)，由于高速列車技術(shù)的快速發(fā)展，最新上線的一些客運(yùn)專線列車速度已經(jīng)超過300km/h。因此300400km/h的常導(dǎo)磁浮實(shí)驗(yàn)速度已經(jīng)不能滿足實(shí)驗(yàn)要求，而本設(shè)計(jì)要求預(yù)期最高實(shí)驗(yàn)速度為600km/h。所以，常導(dǎo)直線電機(jī)磁浮驅(qū)動(dòng)技術(shù)對本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是不可取的。國內(nèi)對于高溫超導(dǎo)直線電機(jī)磁浮驅(qū)動(dòng)技術(shù)的研究

56、主要以西南交通大學(xué)為主，達(dá)到了國際先進(jìn)水平。并且經(jīng)過幾代人的研究，已經(jīng)對其能夠?qū)崿F(xiàn)精確控制。高溫超導(dǎo)直線電機(jī)磁浮推進(jìn)技術(shù)為交通運(yùn)輸領(lǐng)域提供了一種更先進(jìn)更快速的推進(jìn)技術(shù)。高溫超導(dǎo)直線感應(yīng)電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)無摩擦的懸浮推進(jìn)，具有自導(dǎo)向、自懸浮功能，無需導(dǎo)向控制，降低了摩擦帶來的損耗，極大地提高了推進(jìn)效率，因而更易于實(shí)現(xiàn)大質(zhì)量物體的高速推進(jìn)，具有突出的先進(jìn)特性，即懸浮高度大、功率因數(shù)高、控制簡單、無須車載電源、重量輕、單位體積小等優(yōu)點(diǎn)。高溫超導(dǎo)直線電機(jī)運(yùn)用于磁懸浮列車，將使列車不僅具有快捷（大于500km/h）、安全、噪聲?。s60db）等優(yōu)點(diǎn)，而且除了作為遠(yuǎn)距離高速運(yùn)輸外，還有望成為近距離城市（50km左右）之