低真空管道列车关键气动问题研究进展

低真空管道列车系统结合应用了管道运输和磁浮推进技术,是一种颇具潜力的未来地面高速交通方式。列车在极狭长的管道空间内长距离往返,通常诱发以管内壅塞现象为主导的大尺度跨声速流动和多车干扰,导致气动阻力急剧增加和气动热环境恶化,从而面临突出的空气动力学问题。本文从管道全场和列车近场两个视角出发,对管道列车流动特征进行了总结,并对近年来国内外该领域气动力/热/噪声研究的进展进行了梳理。在此基础上,围绕管道列车全线多车运行热点问题,对运行速度、管道阻塞比、发车间隔、运行模式的选取进行了讨论。最后,展望了低真空管道列车气动研究领域未来发展方向,指出高效研究方法、多车运行流动干扰、多车运行气动热、长大管道气动噪声、减阻/降热/降噪技术等是今后需要重点研究的领域。

磁浮列车悬浮力的公式优化及悬浮系统的建模与实验

EMS (Electro-magnetic suspension)型中低速磁浮列车的悬浮系统在建模过程中,通常利用泰勒公式将悬浮力在平衡点处线性化。线性化后的近似悬浮力公式与标称悬浮力公式之间存在一定的误差。本文将该误差作为一种不确定性进行研究,由此得到了新的悬浮力公式并创新性地构建了具有不确定性的悬浮系统模型。随后,利用所建立的模型设计了一个基于广义内模控制算法的悬浮控制器,并在悬浮系统的单转向架平台上进行了抗干扰能力测试和过台阶能力测试。实验结果表明在本文所提出的悬浮控制器作用下,系统具有良好的悬浮性能和鲁棒性。

中低速磁浮列车新型测速定位系统研究

中低速磁浮列车因其特殊性,无法使用轮轨列车测速方法,且目前普遍采用的测速方法在低速区精度低、数据灵敏性差,难以满足自动驾驶需求。针对该问题,文章提出了一种新型测速定位系统,阐述了该系统的设计方案,介绍了其定位、测速和方向识别的原理,并通过试验平台进行验证,结果显示该系统测速精度高、定位误差小,且便于在工程实践中应用。

北京地铁S1线磁浮列车制动不缓解原因分析及改进措施

[目的]北京地铁S1线磁浮列车在运营期间发生了列车制动不缓解故障,对该线的正常运营产生了一定的影响。为此,需要找出该故障的确切原因,并提出改进措施。[方法]简述了北京地铁S1线列车的制动控制系统工作原理。利用鱼骨图分析法,梳理出引发该线列车制动不缓解的8项主要原因,并列出了各项原因的诱发因素。结合列车故障的实际情况,进一步梳理出该线列车制动不缓解故障的原因集合。使用排查法,确定了该线列车制动不缓解的根本原因。对电磁阀本身特性进行分析,采取了相应的改进措施。[结果及结论]该线列车PBCU(气动制动控制单元)中EP(充排气电磁阀)模块发生电磁阀卡滞,是导致列车制动不缓解的根本原因。将原有的美国MAC电磁阀门公司生产的平衡式电磁阀替换为德国NASS Magnet公司生产的截止式电磁阀后,有效解决了该线列车的制动不缓解故障。

中速磁浮列车雷电试验及仿真研究

[目的]中速磁浮列车在高架线路上运行时,车身有可能遭受雷击。若中速磁浮列车车体采用复合材料,在遭受雷击时有可能受损甚至被击穿,进而使乘客受到雷击伤害。为此,需要在复合材料车体设计时进行防雷设计,而雷电在列车上的附着点是设计的关键。[方法]制作了中速磁浮列车单节车厢的精确缩比模型,阐述了磁浮列车雷电附着点试验的依据、试验件、试验方法及试验结果。采用COMSOL Multiphysics有限元数值仿真软件,将中速磁浮列车雷电附着点的区域分为车头风挡、车身顶部、侧棱、侧棱尖端、设备安装区域以及地面6个部分,并对整车进行了雷电仿真计算。[结果及结论]通过列车缩比模型雷电试验获得了单节车厢较为详细的雷电附着点分布情况,雷电仿真得到列车表面电场分布情况,仿真结果与试验结果相吻合。结合试验及仿真结果,提出了中速磁浮列车的雷电防护设计建议。

高速列车行驶速度对隧道壁面气动压力影响的数值模拟

壁面气动压力长期循环作用是高速铁路隧道衬砌掉块的重要诱因,为研究高速列车行驶速度对壁面气动压力基本特征的影响规律,采用三维数值仿真模拟对隧道典型位置(入口段、洞身段以及出口段)壁面气动压力进行研究。结果表明:列车车头经过使得监测横断面气动压力差异性增强,表现出显著的三维特征。隧道入口段气动压力三维特征主要受压缩空气所占体积大小以及与隧道入口之间距离的影响,气动压力三维特征随着进入隧道入口距离的增加而减弱,并逐渐向一维特征转变。列车车头驶入隧道入口后,车尾驶出隧道出口前,洞身段不同测点位置的气动压力正峰值主要受车头进入隧道入口诱发压缩波的影响,纵轴中断面测点气动压力负峰值与峰峰值大于洞口段。车尾驶出隧道出口后,出口段测点气动压力负峰值大于入口段,正峰值小于入口段。隧道出口段气动压力三维特征与入口段相似,但列车行驶速度以及测点与隧道出口之间距离对气动压力三维特征的影响机制更为复杂。

基于LCA的轮轨与磁悬浮方案比选研究

本文基于LCA对京沪高铁的轮轨与磁悬浮方案进行比选研究,在材料、设备、运输与施工阶段对轮轨与磁悬浮的能源消耗进行计算分析,最后对两者进行综合比选评价。从能源消耗的全生命周期评价角度为铁路在轮轨与磁悬浮两个方案的比选评价提供科学可靠的参考思路。

常导高速磁浮列车折返间隔时间研究

[目的]列车折返间隔时间作为影响常导高速磁浮线路通过能力的重要因素之一,由于其列车运行控制原理与传统轨道交通系统存在较大差异,传统轮轨交通的列车折返间隔研究难以直接应用,需结合常导高速磁浮运行控制特点开展针对性研究。[方法]以高速磁浮列车交通系统典型的单渡线折返方式为研究对象,通过分析其折返作业流程,建立了一种列车折返间隔时间计算模型,得到其解析算法。结合列车折返方式、列车编组、列车停站作业时间、牵引供电分区划分等多种影响因素,参考上海磁浮列车示范运营线的线路情况进行仿真计算分析。[结果及结论]结果表明,车站按单分区划分时,站前折返间隔时间小于站后折返,车站按双分区或四分区划分时,则反之;牵引分区划分对站前折返间隔时间基本无影响,而对站后折返间隔时间缩短明显,且四分区下的折返间隔时间一般小于双分区,但对于上客作业时间明显大于下客作业时间的折返站,两者折返间隔相近。

中低速磁浮列车受流状态在线检测技术研究

中低速磁浮列车的受流器通过接触轨获取电能,但该接触过程中出现了电弧现象。为了检测和定位中低速磁浮列车运行过程中产生的电弧情况,文章根据紫外传感器和测速检测原理建立电弧检测系统,并在线路中进行试验测试。测试结果表明,电弧的燃弧点主要集中在接触轨的接缝处,燃弧率在标准可控范围内。

磁浮列车受流器燃弧检测装置研制

针对磁浮列车运行过程中的受流器燃弧问题,文章根据燃弧弧光与太阳光在特定波长范围内的光谱强度差异,提出了一种基于紫外传感器技术的燃弧检测装置,并对该装置的设计与检测原理进行了介绍。通过线路试验,对燃弧检测装置的有效性进行验证,并研究导电轨、列车电流和运行速度对燃弧的影响,最后进行了燃弧评估。试验结果表明,该燃弧检测装置对于燃弧检测具有较好的准确性。

中低速磁浮列车多传感器融合测速方法

针对中低速磁浮列车测速问题,文章以凤凰中低速磁浮快线为研究对象进行分析,提出一种多传感器融合的测速方法。首先,分析涡流传感器的测速原理及其测速不准的主要原因;其次,针对中低速磁浮线路测速不准问题,从算法层面和运动学原理角度提出处理方法;最后,采用卡尔曼滤波算法对涡流传感器、雷达和加速度计的信息进行融合测速。试验结果表明,当列车速度大于1 m/s时,该方法的测速相对误差在±2%之内,满足磁浮列车的测速精度要求。

高温超导磁悬浮列车气动噪声特征仿真研究

气动噪声是高温超导磁悬浮列车噪声的主要来源,以新型高温超导磁悬浮列车1∶8缩比的8车模型为研究对象,基于大涡模拟(LES)方法和K-FWH方程,通过建立可穿透积分面对列车在500,550,600及650 km·h-1 4个速度级下的气动噪声特征进行数值仿真研究。结果表明:在U型轨道的约束下,列车周围的气动激扰主要集中在车顶两侧、尾车流线型及尾流区;偶极子声源主要分布在中车车顶表面两侧、尾车流线型及超导线圈后方,尾流区也是重要的气动噪声源区;列车辐射噪声频谱呈现“宽峰”(100~315 Hz)特性,随着车速提升,低频噪声能量增强;4个速度级下测点辐射噪声水平变化规律一致,噪声最大值分别为94.2,96.4,100.1和105.2 dB(A);随着车速提升,四极子声源能量占比不断增大,当车速大于600 km·h-1时,16个测点的四极子声源平均能量占比超过90%。研究成果可为高温超导磁悬浮列车气动声学优化设计提供参考。

无铁心超导直线牵引电机特性研究与结构优化

无铁心超导直线同步电机(Superconducting Linear Synchronous Motor,SLSM)具有大气隙、大推力、高效率等优势,是高速磁浮列车的核心牵引动力装置。为提高无铁心SLSM的推力性能,本文研究了跑道形线圈结构参数对电机空载磁场和推力的影响规律。首先,研究了跑道形超导励磁线圈结构参数对空载磁场和推力的影响规律;其次,厘清了跑道形初级线圈结构参数和双层匝数组合对推力的影响规律,明确了跑道形超导线圈的长宽组合,以及跑道形初级线圈的宽度、直线段长度和内外层匝数组合的选取原则,实现了无铁心SLSM的电磁结构优化和性能提升。最后,借助三维有限元方法,对优化后的无铁心SLSM进行了电磁力特性分析,验证本文研究。

时速600 km高速磁浮列车天线气动声学影响研究

基于改进的延迟分离涡模型(IDDES)和K-FWH积分方法,针对有/无天线的3种600 km/h高速磁浮列车工况,研究天线模型对列车远场辐射噪声特征的影响。研究结果表明:天线的存在显著增强了车体表面偶极子源辐射,无天线模型、有天线模型1和有天线模型2偶极子辐射噪声声压级最大值分别为91.2、96.0和94.6 dB(A),采用可穿透积分面得到的远场辐射噪声声压级最大值分别为98.9、99.8和100.4 dB(A),四极子声源辐射能量占比分别为89.3%、81.5%和83.1%。辐射频谱呈现“宽峰”特征,主能区位于300~1 000 Hz频段,天线的存在使得峰值频率稍向高频迁移,同时有天线模型存在与天线局部扰动相关的小峰值。

混合悬浮电磁铁结构优化设计

相比其他悬浮模式,混合悬浮具有节能环保、快速高效等优势,是未来悬浮模式发展的重要方向之一。文中提出一种优化的混合悬浮电磁铁结构,利用等效磁路法对电—磁关系进行推导,通过ANSYS仿真分析不同钢板尺寸下的电磁场变化,综合理论和仿真结果,对钢板结构提出改进方案,并通过仿真对结构尺寸进行优化设计;根据某型磁浮列车的悬浮力要求,通过三维仿真对永磁体厚度等参数进行优化设计;最后利用试验台进行悬浮力试验,对比仿真和试验结果。结果表明,改进后的电磁铁能减小漏磁,与传统结构相比悬浮力增大约15%;仿真结果与试验结果接近且根据实例设计的电磁铁能满足各工况悬浮能力的要求。

中速磁浮列车综合安全状态监测预警与维护支持技术研究与实现

本文针对中速磁浮列车在途状态监测、预警、隐患状态评估和主动运维支持等需求,通过对中速磁浮列车关键部件工况高效主动感知、综合工况与安全状态监测评估、预警预测、适度主动运维和应急处置等关键技术的研究,构建了中速磁浮列车综合安全状态监测预警与维保支持系统方案,研制了中速磁浮列车主动维修、安全维保支持平台和技术装备,实现了对中速磁浮列车的综合运行安全状态全息化的主动监测、综合安全状态的演化趋势预测、故障风险和隐患的评估。充分考虑磁浮列车各关键部件安全性特征和评判依据及关联性,综合使用数据分析、预测、评估等方法,构建了满足中速磁浮列车特点的综合安全状态评估预测方法,为实现综合高效、低成本以及快速中速磁浮系统提供技术支撑。

基于SIMPACK的磁悬浮车辆耦合动力学性能仿真模型

为了有效评价磁悬浮车辆动力学性能,引入SIMPACK仿真软件,根据磁悬浮车辆多体系统动力学拓扑关系图,建立了磁悬浮车辆-轨道-控制系统的耦合动力学模型,分析了试验结果和仿真结果。在模型中,磁悬浮车辆被视为多刚体,并具有两系悬挂系统,轨道被视为弹性欧拉梁,并考虑了磁悬浮车辆的控制系统性能。数值分析结果表明:梁的最大变形的计算值为1.5mm,试验值为1.6mm,车体的垂向加速度仿真结果与试验结果基本一致,利用仿真模型能较准确地预测耦合系统的动力学性能。

高速磁浮列车气动阻力性能数值模拟与参数化评估

基于粘性流体力学理论,按三维可压缩粘性流对具有流线型头部形状的TR08列车以及通过变化流线型头部纵剖面高度或流线型头部长度设计出的4种新头型列车的周围流场进行了数值模拟。为评估不同流线型头部外形的气动阻力性能,定义了表示其形状特征的整体长细比作为评估依据,综合考虑了流线型头部水平投影形状和纵向对称面投影形状对气动阻力性能的影响。通过对5种不同头型列车的模拟结果进行对比分析,得出了流线型头部外形对气动阻力性能影响的规律:随着流线型头部长度增加,气动阻力降低,而中间车阻力变化不大;在头部流线型长度相当的情况下,纵剖面轮廓线上凸的头车气动阻力比下凹的小,而尾车气动阻力大。计算得到的不同流线型列车的整体长细比大小排序与其气动阻力系数排序完全一致。分析结果表明,增加流线型头部长度是减小气动阻力的有效途径;整体长细比能较好地反映流线型头部对列车气动阻力性能的影响。

具有流线型头部的高速磁浮列车气动性能数值模拟

以世界上首条商业运行的上海高速磁浮列车TR08为研究对象,基于粘性流体力学理论,按三维可压缩粘性流对具有流线型头部形状的TR08列车以及根据一定规律设计出的4种新头型列车周围流场进行了数值模拟.通过对这5种不同头型列车的模拟结果进行对比分析,得出了流线型头部外形对气动性能影响的规律:随着流线型头部长度增加(其他条件相同),列车气动阻力和升力降低;在头部流线型长度相当的情况下,纵剖面轮廓线上凸的头车气动阻力比下凹的小,而尾车气动阻力大;中间车阻力变化不大,尾车升力大于头车;就整车升力而言,纵剖面轮廓线上凸的气动升力大于下凹的.

高速磁悬浮列车的战略进展与我国的发展战略

整个人类客运交通发展的历史是一个速度不断提高的历史。 2 0世纪特别令人瞩目的是出现了高速磁悬浮列车 ,它的发展使得人类地面客运的速度可望在 2 1世纪中前期达到 5 0 0km h的新水平。作为一种完全新型的交通运输高技术 ,高速磁悬浮列车的战略发展顺序大致要经历四个阶段 ,即 :(1)技术方案的基础性研究 ,证明方案的可行性与优越性 ;(2 )选定方案的工程技术研究发展 ,证实整个系统及全部装备可以安全、可靠、经济地实际运行 ;(3)建造足够长的实用运营线 ,实现有关装备 ,工程与运营的产业化 ;(4)大规模推广应用 ,逐步提高其在整个交通运输系统中的地位。经过近四十年的持续努力 ,德国的常导Transrapid系统和日本的超导MLX系统已成功地耗资数十亿美元完成了基础性研究和工程技术研究发展阶段 ,技术已大体成熟到可以建造实际运营线 ,并为建造实用线 ,实现产业化方向进行了多年努力 ,遇到了较大困难。美国、瑞士还进行着几个新型方案的基础性研究 ,如Magplane ,Inductrack ,Maglev 2 0 0 0 ,UrbanMaglev及Swissmetro。本文简要介绍了有关的进展情况 ,作为确定我国发展战略的重要参考。我国从八十年代后期起开始了磁悬浮列车关键技术的研究 ,九十年代中期以来又积极促进高速磁悬浮列车的发展 。