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物理实验论文
大学物理演示实验论文
2014/5/23
XXXXX
XXXXX
——磁悬浮列车
【标题】磁悬浮列车
班级:
理实1班作者:
陈誉指导教师:
毕会英
[摘要]众所周知,现在的交通技术很发达,完全可以满足人们的一般需求。
但是人是一种很贪心的动物,同时人也是一种上进心的动物,正是这种贪心与上进心,促进人类的不断进步,于是人们一直致力于发展更便捷快速的,可以去不同地方的,可以多用的等特点的交通工具。
例如空中的越来越快的超音速飞机,海里的越潜越深的潜艇,路陆上的磁悬浮列车。
下面就让我们一起了解一下磁悬浮列车吧!
[关键词]磁悬浮列车日本德国电与磁
[正文]
一、为什么会有磁悬浮列车
自1825年世界上第一条标准轨铁路出现以来,轮轨火车一直是人们出行的交通工具。
然而,随着火车速度的提高,轮子和钢轨之间产生的猛烈冲击引起列车的强烈震动,发出很强的噪音,从而使乘客感到不舒服。
由于列车行驶速度愈高,阻力就愈大。
所以,当火车行驶速度超过每小时300公里时,就很难再提速了。
如果能够使火车从铁轨上浮起来,消除了火车车轮与铁轨之间的摩擦,就能大幅度地提高火车的速度。
但如何使火车从铁轨上浮起来呢?
科学家想到了两种解决方法:
一种是气浮法,即使火车向铁轨地面大量喷气而利用其反作用力把火车浮起;另一种是磁浮法,即利用两个同名磁极之间的磁斥力或两个异名磁极之间磁吸力使火车从铁轨上浮起来。
在陆地上使用气浮法不但会激扬起大量尘土,而且会产生很大的噪音,会对环境造成很大的污染,因而不宜采用。
这就使磁悬浮火车成为研究和试验的的主要方法。
二、磁悬浮列车的历史
磁悬浮技术的研究源于德国,早在1922年德国工程师赫尔曼·肯佩尔就提出了电磁悬浮原理,并于1934年申请了磁悬浮列车的专利。
进入70年代以后,随着世界工业化国家经济实力的不断加强,为提高交通运输能力以适应其经济发展的需要,德国、日本、美国、加拿大、法国、英国等发达国家相继开始筹划进行磁悬浮运输系统的开发。
而美国和前苏联则分别在七八十年代放弃了这项研究计划,目前只有德国和日本仍在继续进行磁悬浮系统的研究,并均取得了令世人瞩目的进展。
相对而言,德国和日本的相关技术发展的比较完善先进,不妨先看看他们的发展历程。
日本于1962年开始研究常导磁浮铁路。
此后由于超导技术的迅速发展,从70年代初开始转而研究超导磁浮铁路。
1972年首次成功地进行了2.2吨重的超导磁浮列车实验,其速度达到每小时50公里。
1977年12月在宫崎磁浮铁路试验线上,最高速度达到了每小时204公里,到1979年12月又进一步提高到517公里。
1982年11月,磁浮列车的载人试验获得成功。
1995年,载人磁浮列车试验时的最高时速达到411公里。
为了进行东京至大阪间修建磁浮铁路的可行性研究,于1990年又着手建设山梨磁悬浮铁路试验线,首期18.4公里长的试验线已于1996年全部建设完成。
德国对磁浮铁路的研究始于1968年(当时的联邦德国)。
研究初期,常导和超导并重,到1977年,先后分别研制出常导电磁铁吸引式和超导电磁铁相斥式试验车辆,试验时的最高时速达到400公里。
后来经过分析比较认为,超导磁浮铁路所需的技术水平太高,短期内难以取得较大进展,遂决定以后只集中力量发展常导磁浮铁路。
1978年,决定在埃姆斯兰德修建全长31.5公里的试验线,并于1980年开工兴建,1982年开始进行不载人试验。
列车的最高试验速度在1983年底达到每小时300公里,1984年又进一步增至400公里。
目前,德国在常导磁浮铁路研究方面的技术已趋成熟。
相对来说,我国的磁悬浮列车起步的比较晚,因此在技术与系统完善方面与德国与日本还有一定的差距,但中国的磁悬浮列车自从起步以来,还是取得了许许多多的突破与成就的。
目前在工业上得到广泛应用的基本上都是传统的磁悬浮轴承(需要位置传感器的磁悬浮轴承),这种轴承需要5个或10个非接触式位置传感器来检测转子的位移。
由于传感器的存在,使磁悬浮轴承系统的轴向尺寸变大、系统的动态性能降低,而且成本高、可靠性低。
此外,由于传感器的价格较高,从而导致磁悬浮轴承的售价很高,大大限制了它在工业上的推广应用。
2009年8月,在北京看磁悬浮列车轨道,北京城建设计研究总院的总工杨秀仁透露,北京正在做一条磁悬浮线的长期规划———通往门头沟的S1轨道线路正在筹划,计划采用中国自主研发的磁悬浮技术。
而由北京控股磁悬浮技术发展有限公司和国防科技大学合作的中低速磁浮列车,是中国唯一具有完全自主知识产权的磁悬浮列车。
而在全球范围来看,具有国际影响力主要事件如下。
德国曾在80年代于柏林铺设磁悬浮列车系统。
该系统设有三个车站,长度1.6公里,用的是无人驾驶列车,于1989年8月开始试验载客,1991年7月正式服务。
由于政治原因,柏林墙倒塌,该线于运行两月后改为普通轮轨列车行走。
英国的伯明翰国际机场曾于1984年至1995年使用低速磁悬浮列车,全长600米。
由于可靠性的问题,该线后来也改用单轨列车行走。
2000年,中国西南交通大学磁悬浮列车与磁浮技术研究所研制成功世界首辆高温超导载人磁悬浮实验车。
德国的Transrapid公司于2001年于中国上海浦东国际机场至地铁龙阳路站兴建磁悬浮列车系统,并于2002年正式启用。
该线全长30公里,列车最高时速达430公里,由起点至终点站只需八分钟。
参见上海磁浮示范运营线。
2003年,四川成都青山磁悬浮列车线完工,该磁悬浮试验轨道长420米,主要针对观光游客,票价低于出租轿车费。
日本现在的山梨县试验线使用低温超导磁铁,可容纳更大的缝隙,该线列车的最高速度达每小时580公里,成为世界纪录。
最近,中国成功研制一种新技术──永磁技术MAS-3,其造价比德国及日本的技术还要低。
2005年5月,中国自行研制的“中华06号”吊轨永磁悬浮列车于大连亮相,据称其速度可达每小时400公里。
2005年9月,中国成都飞机公司开始研制CM1型“海豚”高速磁悬浮列车,最高时速500公里,预计会于2006年7月在上海试行。
但到目前为止还没有消息公布。
2006年4月30日,中国第一辆具有自主知识产权的中低速磁悬浮列车,在四川成都青城山一个试验基地成功经过室外实地运行联合试验。
利用常导电磁悬浮推动。
三、磁悬浮列车的工作原理
磁悬浮列车利用“同名磁极相斥,异名磁极相吸”的原理,让磁铁具有抗拒地心引力的能力,使车体完全脱离轨道,悬浮在距离轨道约1厘米处,腾空行驶,创造了近乎“零高度”空间飞行的奇迹。
由于磁铁有同性相斥和异性相吸两种形式,故磁悬浮列车也有两种相应的形式:
一种是利用磁铁同性相斥原理而设计的电磁运行系统的磁悬浮列车,它利用车上超导体电磁铁形成的磁场与轨道上线圈形成的磁场之间所产生的相斥力,使车体悬浮运行的铁路;另一种则是利用磁铁异性相吸原理而设计的电动力运行系统的磁悬浮列车,它是在车体底部及两侧倒转向上的顶部安装磁铁,在T形导轨的上方和伸臂部分下方分别设反作用板和感应钢板,控制电磁铁的电流,使电磁铁和导轨间保持10—15毫米的间隙,并使导轨钢板的排斥力与车辆的重力平衡,从而使车体悬浮于车道的导轨面上运行。
通俗的讲就是,在位于轨道两侧的线圈里流动的交流电,能将线圈变为电磁体。
由于它与列车上的超导电磁体的相互作用,就使列车开动起来。
列车前进是因为列车头部的电磁体(N极)被安装在靠前一点的轨道上的电磁体(S极)所吸引,并且同时又被安装在轨道上稍后一点的电磁体(N极)所排斥。
当列车前进时,在线圈里流动的电流流向就反转过来了。
其结果就是原来那个S极线圈,现在变为N极线圈了,反之亦然。
这样,列车由于电磁极性的转换而得以持续向前奔驰。
根据车速,通过电能转换器调整在线圈里流动的交流电的频率和电压。
稳定性由导向系统来控制。
“常导型磁吸式”导向系统,是在列车侧面安装一组专门用于导向的电磁铁。
列车发生左右偏移时,列车上的导向电磁铁与导向轨的侧面相互作用,产生排斥力,使车辆恢复正常位置。
列车如运行在曲线或坡道上时,控制系统通过对导向磁铁中的电流进行控制,达到控制运行目的。
四、磁悬浮列车的分类
当今,世界上的磁悬浮列车主要有两种“悬浮”形式,一种是推斥式;另一种为吸力式。
推斥式是利用两个磁铁同极性相对而产生的排斥力,使列车悬浮起来。
这种磁悬浮列车车厢的两侧,安装有磁场强大的超导电磁铁。
车辆运行时,这种电磁铁的磁场切割轨道两侧安装的铝环,致使其中产生感应电流,同时产生一个同极性反磁场,并使车辆推离轨面在空中悬浮起来。
但是,静止时,由于没有切割电势与电流,车辆不能产生悬浮,只能像飞机一样用轮子支撑车体。
当车辆在直线电机的驱动下前进,速度达到80公里/小时以上时,车辆就悬浮起来了。
吸力式是利用两个磁铁异性相吸的原理,将电磁铁置于轨道下方并固定在车体转向架上,两者之间产生一个强大的磁场,并相互吸引时,列车就能悬浮起来。
这种吸力式磁悬浮列车无论是静止还是运动状态,都能保持稳定悬浮状态。
这次,我国自行开发的中低速磁悬浮列车就属于这个类型。
另外,磁悬浮列车分为常导型和超导型两大类。
常导型也称常导磁吸型,德国的常导磁悬浮列车常导磁悬浮列车工作时,首先调整车辆下部的悬浮和导向电磁铁的电磁吸力,与地面轨道两侧的绕组发生磁铁反作用将列车浮起。
在车辆下部的导向电磁铁与轨道磁铁的反作用下,使车轮与轨道保持一定的侧向距离,实现轮轨在水平方向和垂直方向的无接触支撑和无接触导向。
车辆与行车轨道之间的悬浮间隙为10毫米,是通过一套高精度电子调整系统得以保证的。
此外由于悬浮和导向实际上与列车运行速度无关,所以即使在停车状态下列车仍然可以进入悬浮状态。
常导磁悬浮列车的驱动运用同步直线电动机的原理。
车辆下部支撑电磁铁线圈的作用就象是同步直线电动机的励磁线圈,地面轨道内侧的三相移动磁场驱动绕组起到电枢的作用,它就象同步直线电动机的长定子绕组。
从电动机的工作原理可以知道,当作为定子的电枢线圈有电时,由于电磁感应而推动电机的转子转动。
同样,当沿线布置的变电所向轨道内侧的驱动绕组提供三相调频调幅电力时,由于电磁感应作用承载系统连同列车一起就象电机的“转子”一样被推动做直线运动。
从而在悬浮状态下,列车可以完全实现非接触的牵引和制动。
超导磁悬浮列车的最主要特征就是其超导元件在相当低的温度下所具有的完全导电性和完全抗磁性。
超导磁铁是由超导材料制成的超导线圈构成,它不仅电流阻力为零,而且可以传导普通导线根本无法比拟的强大电流,这种特性使其能够制成体积小功率强大的电磁铁。
超导磁悬浮列车的车辆上装有车载超导磁体并构成感应动力集成设备,而列车的驱动绕组和悬浮导向绕组均安装在地面导轨两侧,车辆上的感应动力集成设备由动力集成绕组、感应动力集成超导磁铁和悬浮导向超导磁铁三部分组成。
当向轨道两侧的驱动绕组提供与车辆速度频率相一致的三相交流电时,就会产生一个移动的电磁场,因而在列车导轨上产生磁波,这时列车上的车载超导磁体就会受到一个与移动磁场相同步的推力,正是这种推力推动列车前进。
其原理就象冲浪运动一样,冲浪者是站在波浪的顶峰并由波浪推动他快速前进的。
与冲浪者所面对的难题相同,超导磁悬浮列车要处理的也是如何才能准确地驾驭在移动电磁波的顶峰运动的问题。
为此,在地面导轨上安装有探测车辆位置的高精度仪器,根据探测仪传来的信息调整三相交流电的供流方式,精确地控制电磁波形以使列车能良好地运行。
超导磁悬浮列车也是由沿线分布的变电所向地面导轨两侧的驱动绕组提供三相交流电,并与列车下面的动力集成绕组产生电感应而驱动,实现非接触性牵引和制动。
但地面导轨两侧的悬浮导向绕组与外部动力电源无关,当列车接近该绕组时,列车超导磁铁的强电磁感应作用将自动地在地面绕组中感生电流,因此在其感应电流和超导磁铁之间产生了电磁力,从而将列车悬起,并经精密传感器检测轨道与列车之间的间隙,使其始终保持100毫米的悬浮间隙。
同时,与悬浮绕组呈电气连接的导向绕组也将产生电磁导向力,保证了列车在任何速度下都能稳定地处于轨道中心行驶。
五、磁悬浮列车的优缺点
磁悬浮列车有许多优点:
列车在铁轨上方悬浮运行,铁轨与车辆不接触,不但运行速度快,能超过500千米/小时,而且运行平稳、舒适,易于实现自动控制;无噪音,不排出有害的废气,有利于环境保护;可节省建设经费;运营、维护和耗能费用低。
它是21世纪理想的超级特别快车,世界各国都十分重视发展磁悬浮列车。
目前,我国和日本、德国、英、美等国都在积极研究这种车。
日本的超导磁悬浮列车已经过载人试验,即将进入实用阶段,运行时速可达500千米以上。
到目前可以讲,磁悬浮列车轨道技术在中国,磁悬浮列车技术仍在德国,引进产品是引进不来技术的。
我国的轮轨铁路技术有近百年的历史,形成了专门从事机车设计、科研创新的产业大军,拥有数十年设计、制造、运营、维修配套的四十多万人的产业链。
磁悬浮技术掌握在少数专家、教授手中,是不具备应用条件的。
磁悬浮列车需要高架,高架梁的挠度必须小于1毫米,因此,高架桥跨一般要小于25米,桥墩基础要深30米以上。
因此,在上海到杭州的地面上要形成一道200多公里的挡墙。
此外,由于运行动力学的影响,轨道两侧各100米内是不允许有其他建筑物的。
修建沪杭磁悬浮,占地多,对环境影响比较大。
2006年,德国磁悬浮控制列车在试运行途中与一辆维修车相撞,报道称车上共29人,当场死亡23人,实际死亡25人,4人重伤。
这说明磁悬浮列车突然情况下的制动能力不可靠,不如轮轨列车。
在陆地上的交通工具没有轮子是很危险的。
要克服很大的惯性,只有通过轮子与轨道的制动力来克服。
磁悬浮列车没有轮子,如果突然停电,靠滑动摩擦是很危险的。
此外,磁悬浮列车又是高架的,发生事故时在5米高处救援很困难,没有轮子,拖出事故现场困难;若区间停电,其他车辆、吊机也很难靠近。
六、前景展望与主要的问题
随着电子元件的集成化以及控制理论和转子动力学的发展,经过多年的研究工作,国内外对该项技术的研究都取得了很大的进展。
但是不论是在理论还是在产品化的过程中,该项技术都存在很多的难题,其中磁悬浮列车的技术难题是悬浮与推进以及一套复杂的控制系统,它的实现需要运用电子技术、电磁器件、直线电机、机械结构、计算机、材料以及系统分析等方面的高技术成果。
需要攻关的是组成系统的技术和实现工程化。
磁悬浮轴承面向电力工程的应用也具有广阔的前景,根据磁悬浮轴承的原理,研制大功率的磁悬浮轴承和飞轮储能系统以减少调峰时机组启停次数;进行以磁悬浮轴承系统为基础的振动控制理论的研究,将其应用于汽轮机转子的振动和故障分析中;通过调整磁悬浮轴承的刚度来改变汽轮机转子结构设计的思想,从而改善转子运行的动态特性,避免共振,提高机组运行的可靠性等,这些都将为解决电力工程中的技术难题提供崭新的思路。
另外还有由于磁悬浮系统是以电磁力完成悬浮、导向和驱动功能的,断电后磁悬浮的安全保障措施,尤其是列车停电后的制动问题仍然是要解决的问题。
其高速稳定性和可靠性还需很长时间的运行考验。
常导磁悬浮技术的悬浮高度较低,因此对线路的平整度、路基下沉量及道岔结构方面的要求较超导技术更高。
超导磁悬浮技术由于涡流效应悬浮能耗较常导技术更大,冷却系统重,强磁场对人体与环境都有影响。
七、速度列表(发展的一个重要指标)
1971年—西德—Prinzipfahrzeug—90km/h
1971年—西德—TR—02(TSST)—164km/h
1972年—日本—ML100—60km/h—(载人)
1973年—西德—TR04—250km/h(载人)
1974年—西德—EET—01—230km/h(无人)
1975年—西德—Komet—401.3km/h(由蒸汽火箭推进,无人)
1978年—日本—HSST—01—307.8km/h(支援由火箭推进,由日产汽车制造导无人)
1978年—日本—HSST—02—110km/h(载人)
1979年12月12日—日本—ML—500R—504km/h(无人)第一次突破500km/h
1979年12月21日—日本—ML—500R—517km/h(无人)
1987年—西德—TR—06—406km/h(载人)
1987年—日本—MLU001—400km/h(载人)
1988年—西德—TR—06—412.6km/h(载人)
1989年—西德—TR—07—436km/h(载人)
1993年—德国—TR—07—450km/h(载人)
1994年—日本—MLU002N—431km/h(无人)
1997年—日本—MLX01—531km/h(载人)
1997年—日本—MLX01—550km/h(无人)
1999年—日本—MLX01—548km/h(无人)
1999年—日本—MLX01—552km/h(载人/5辆编组)吉尼斯世界纪录认可
2003年—日本—MLX01—581km/h(载人/3辆编组)吉尼斯世界纪录认可
八、实例
常导型也称常导磁吸型,以德国高速常导磁浮列车transrapid为代表,它是利用普通直流电磁铁电磁吸力的原理将列车悬起,悬浮的气隙较小,一般为10毫米左右。
常导型高速磁悬浮列车的速度可达每小时400~500公里,适合于城市间的长距离快速运输。
而超导型磁悬浮列车也称超导磁斥型,以日本MAGLEV为代表。
它是利用超导磁体产生的强磁场,列车运行时与布置在地面上的线圈相互作用,产生电动斥力将列车悬起,悬浮气隙较大,一般为100毫米左右,速度可达每小时500公里以上。
这两种磁悬浮列车各有优缺点和不同的经济技术指标,德国青睐前者,集中精力研制常导高速磁悬浮技术;而日本则看好后者,全力投入高速超导磁悬浮技术之中。
中国的磁悬浮列车以上海为例
上海磁悬浮列车设计时速431公里/小时,实际时速约380公里/小时,转弯处半径达8000米,上海磁悬浮列车肉眼观察几乎是一条直线,最小的半径也达1300米。
乘客不会有不适感。
轨道全线两边50米范围内装有目前国际上最先进的隔离装置。
磁悬浮列车的车窗是减速玻璃,乘客可以更好的观赏窗外的风景。
减速玻璃在与车体接触的边缘处有弧度变形,正因为这个弧度可以使车外景物在透过弧度时发生变形,从而影响车内乘客的视觉,产生减速的效果。
并且在挡风玻璃边缘都有渐淡的点状黑色装饰边,同样也起到一定效果。
上海磁悬浮列车是世界上第一段投入商业运行的高速磁悬浮列车,设计最高运行速度为每小时430公里,仅次于飞机的飞行时速。
磁悬浮列车上装有电磁体,铁路底部则安装线圈。
通电后,地面线圈产生的磁场极性与列车上的电磁体极性总保持相同,两者“同性相斥”,排斥力使列车悬浮起来。
铁轨两侧上海磁悬浮列车也装有线圈,交流电使线圈变为电磁体。
它与列车上的电磁体相互作用,使列车前进。
列车头的电磁体(N极)被轨道上靠前一点的电磁体(S极)所吸引,同时被轨道上稍后一点的电磁体(N极)所排斥——结果是一“推”一“拉”。
磁悬浮列车运行时与轨道保持一定的间隙(一般为1—10cm),因此运行安全、平稳舒适、无噪声,可以实现全自动化运行。
磁悬浮列车的使用寿命可达35年,而普通轮轨列车只有20—25年。
磁悬浮列车路轨的寿命是80年,普通路轨只有60年。
此外,磁悬浮列车启动后39秒内即达到最高速度。
目前的最高时速是日本磁浮火车在2003年达到的581公里/小时。
据德国科学家预测,到2014年,磁悬浮列车采用新技术后,时速将达1000公里。
而目前中国的轮轨列车运营速度最高时速为486公里(法国TGV电气火车最高时速在2007年的测试中达到过574.8公里/小时)。
[参考文献]
1,XX百科
2,XX知道
3,
4,
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6,
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8,
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