摘 要

交通运输是人们生活中重要的一部分，而轨道交通更是占了很大的比例。传统的轨道交通受制于轮轨摩擦、电弓摩擦和空气阻力等因素，最高速度很难再得以提升。于是一种新的运输概念应运而生，真空管道运输。而将真空管道运输与高温超导磁悬浮相结合更是大大减少了列车行进的阻力，使列车理论时速大大提升。又因目前仍无能够商业化运行的真空管道高温超导磁悬浮列车，且人们对缩短长距离运输时间存在渴望，所以真空管道高温超导磁悬浮列车的研究具有重大意义，其研究前景巨大。

为此，论文旨在为真空管道高温超导磁悬浮列车设计其一种轨道系统。论文选用被动式悬浮方式，基于此，完成了永磁导轨与高温超导块组成的高温超导系统结构的设计，轨道支撑的具体结构的设计，低温容器杜瓦结构的设计和液压支撑结构的设计。且利用Inventor软件构建了各个部分的三维模型，利用Ansoft Maxwell软件进行了高温超导系统的磁场和悬浮力仿真，利用Ansys Workbench对轨道支撑进行了静力学分析。本文在真空管道列车高温超导磁悬浮轨道系统方面的探索与设计，为之后进一步的研究提供了一些思路。

关键词： 轨道运输 真空管道运输 高温超导磁悬浮 轨道系统

Abstract

Transportation is an important part of people's lives, and the rail transportation accounts for a large proportion. The traditional rail transportation is limited by factors such as wheel-rail friction, pantograph friction and air resistance, and the maximum speed of trains can hardly be improved. So a new concept of transportation came into being, Evacuated Tube Transport(ETT). The combination of ETT and high-temperature superconducting(HTS) maglev greatly reduces the resistance among the running of trains, and greatly increases the theoretical speed of trains. Because there is still no ETT-HTS maglev train that can be commercialized, and people are eager to shorten the time of long-distance transportation, the study of ETT-HTS maglev train is of great significance, and its research prospect is huge.
For this reason, this paper aims to design a kind of rail system for ETT-HTS maglev. In this paper, the passive suspension method was chosen. And based on it, the design of the HTS system composed of permanent magnet guides and HTS blocks, the design of the specific structure of the track support, the design of the dewar structure and the design of the hydraulic support structure have been completed. Inventor software was used to construct the three-dimensional model of each part. Ansoft Maxwell software was used to simulate the magnetic field and levitation force of the HTS system. Ansys Workbench was used for the static analysis of the track support. In this paper, the exploration and design of HTS maglev track system for ETT provides some ideas for further research.

Keywords: Rail transportation ETT HTS Maglev Track system

目 录

第1章 绪论 1

1.1研究的目的和意义 1

1.2国内外现状 2

1.2.1高温超导磁悬浮国外发展现状 2

1.2.2高温超导磁悬浮国内发展现状 2

1.2.3磁悬浮类型比较与选择 4

1.3研究存在的主要问题 5

1.4 论文研究内容和结构 6

第2章磁悬浮轨道系统的总体结构和工作原理 7

2.1引言 7

2.2高温超导磁悬浮轨道系统的总体结构 7

2.3高温超导磁悬浮系统基本理论介绍 8

2.3.1 超导的特性 8

2.3.2 高温超导的特性 9

2.4本章小结 10

第3章 轨道系统关键部件设计及仿真分析 11

3.1引言 11

3.2永磁轨道的设计及其磁场仿真和分析 11

3.2.1永磁体排布方式的选择 11

3.2.2 永磁导轨的具体结构 12

3.2.3导轨磁场仿真和分析 13

3.3高温超导块的选择及悬浮力的仿真和分析 15

3.3.1高温超导块的选择 15

3.3.2悬浮力计算相关理论 15

3.3.3 悬浮力仿真和分析 16

3.4本章小结 19

第4章 轨道系统其他部件设计 20

4.1引言 20

4.2低温容器杜瓦的设计 20

4.3轨道支撑结构设计和仿真 21

4.3.1 支撑具体结构介绍 21

4.3.2 利用Ansys对支撑结构强度进行校核 23

4.4液压支撑的选择和设计 26

4.5 本章小结 27

第5章 总结与展望 28

5.1 总结 28

5.2 展望 28

参考文献 29

致谢 31

第1章 绪论

1.1研究的目的和意义

常言道，人们生存的基本需求为衣、食、住、行，而交通运输满足的正是人类“行”的需求。作为交通运输的重要部分，轨道交通自诞生之日来就为人类社会发展立下汗马功劳。轨道交通是指运营车辆需要在特定轨道上行驶的一类交通工具或运输系统，其中最具代表性的便是火车。从蒸汽机车，到电动车头，再到如今的高速铁路，人们对轨道交通的研究和开发不断进行，可以说人们对速度从未放弃渴望。我国作为幅员辽阔的国家，对于优质的轨道交通可谓是需求甚大，更是在这片土地上，轨道交通得到了极大的发展。根据人民网2018年2月14日的报道可知，截至2017年底，我国高铁“四纵四横”主骨架已经基本搭建完成，全国铁路运营里程为12.7万公里，其中高铁的里程竟达到了2.5万公里，占世界高铁总里程的66.3%，毫无疑问的是“世界冠军”。

虽然目前高速铁路最高时速可达四百多公里，但是受制于轮轨之间的摩擦、电弓滑动的摩擦和空气阻力等因素，速度继续提升空间有限。此时，我们必须寻求另一种解决方案，于是磁悬浮列车应运而生。因为没有轮轨之间以及电弓滑动的摩擦，列车的时速得以提高。并且没有了轮轨之间的摩擦，其运行起来也更安静舒适。1987年1月，临界温度达93K的新材料钇钡铜氧被朱经武领导的休斯敦小组和吴茂昆领导的亨茨维尔小组联合制造出来，其临界温度高于液氮温度,由此可以用液氮冷却超导体至超导态，缓解了对低温条件的依赖^[1] 。这以后便掀起了将高温超导应用于磁悬浮列车的研究热潮，并随之产生了高温超导磁悬浮列车。高温超导磁悬浮利用非理想第二类超导体的磁通钉扎特性在具有梯度磁场中产生的自稳定悬浮现象，来实现一种新型的、悬浮导向一体化的轨道交通应用工具^[2]。

虽说通过利用高温超导磁悬浮技术，列车与轨道的摩擦被消除，但是根据研究，当列车时速达到400km/h以上时，80%的行驶阻力来自于空气阻力^[3]。所以人们提出了真空管道列车。真空管道列车就是让列车行驶于近似真空的管道中，以此来减小空气阻力。将真空管道运输与高温超导磁悬浮结合一起，就能大大减少列车行驶阻力，于是有了真空管道高温超导磁悬浮列车设想。可以说真空管道高温超导磁悬浮列车是轨道交通突破时速1000公里每小时的重要方案之一，也很有可能成为未来人们出行方式。所以，对于中国这种地域辽阔的大国来说，真空管道高温超导磁悬浮列车具有很大的应用潜力。并且真空管道高温超导磁悬浮列车在世界范围内仍处于理论和设想阶段，哪个国家能抢占先机将其付之于实际，哪个国家就能在这种未来交通方式的领域中具有话语权。可见，对于真空管道高温超导磁悬浮列车的研究是十分有价值且必要的。本项目就是研究和设计真空管道高温超导磁悬浮列车的轨道系统，轨道系统是这种交通方式重要组成部分，其对列车进行悬浮和导向，是实现列车运行的基础，所以研究真空管道高温超导磁悬浮列车的轨道系统具有重要意义。

1.2国内外现状

1.2.1高温超导磁悬浮国外发展现状

德国IFW研究组于2004年研制出了高温超导磁悬浮实验车“SupraTrans Ⅰ”，其最大负载为350kg。随后其又在2011年研制出第二代高温超导磁悬浮实验车“SupraTrans Ⅱ”，其可以承载两人，采用的是圆环形轨道，最高时速可达20km/h，悬浮高度为10mm^[4,5]。

巴西里约热内卢联邦大学于在2014年建搭建了一条总长为200m的“Maglev Cobra”高温超导磁悬浮试验线^[6]。其修建于两栋教学楼的空中，并且将直线电机的初级放在列车上，次级放在轨道上，虽然省去了轨道的线圈铺设，但需要给列车持续供电，即增加了列车的电刷摩擦，较难运用到高速列车上。并且巴西团队对比了高温超导磁悬浮列车与城市轨道交通的成本，发现超导磁悬浮列车的每公里造价是城市轻轨的一半。这对高温超导磁悬浮商业运作的可能性进行了论证，也证明了高温超导磁悬浮巨大的研究前景。

2008年意大利拉奎拉大学的团队探究了高温超导磁悬浮的一种新型v形永磁轨道^[7]，其将永磁体排列成v形，类似于v形导轨，以提高磁悬浮的稳定性。

2006年日本AIST研究所也对高温超导磁悬浮进行了探索和研究^[8]，其磁悬浮列车行驶在周长38米，直径12m的环形轨道上，采用的是对称式排列的永磁体轨道，并且验证了实验车能以大于42km/h的速度稳定运行。2007年，采用主动悬浮方式的日本山梨线超导磁悬浮列车将车载低温超导线圈用高温超导 Bi系线圈所替换，最后试验的最大速度提升到553 km/h。

1.2.2高温超导磁悬浮国内发展现状

2000年12月，我国西南交通大学研制出世界首辆载人高温超导磁悬浮模型车“世纪号”,其能载重4人，最大悬浮力为6350N，工作于15米多的直线轨道之上，可以持续工作6小时

2001年，王素玉等人对车载高温超导磁悬浮系统开展了研究^[9]，主要探究了高温超导材料YBaCuO的尺寸、形状以及在低温容器中的排布方法等因素对悬浮性能的影响。

2003年王晓蓉研究了YBaCuO不同排列下的导向力情况^[10]。同年任仲友和王家素研究出基于有限元的永磁导轨磁场数值计算^[11]，为之后设计永磁轨道提供了具体的计算方法。

2005年，宋宏海等人进行了HTS磁悬浮中横向运动对悬浮力和导向力影响的研究^[12]。其探究了悬浮力和导向力的衰减与最大横向偏移量和往复运动次数的关系，为高温超导系统的设计提供了一定的科学依据。

2007年，西南交通大学王家素团队提出了一种双极型永磁轨道^[13]，即将Hallbach型排列运用到永磁轨道之中，这种排列具有双峰特征，提高了悬浮的稳定性。同年，郑珺等人对平移对称式高温超导磁悬浮系统的动态特性进行了研究^[1]。其针对磁悬浮载重、工作高度和场冷高度等具体因素,第一次实验研究了高温超导磁悬浮车系统的动态特性参数如阻尼系数、共振频率和动态刚度等，这为之后的磁悬浮列车稳定性实验提供了参考。

在2009年，芦逸云等人进行了高温超导块材在永磁轨道上方悬浮的实验与研究^[14]，分别对永磁轨道上永磁体的对称式排列和Hallbach排列的悬浮性能进行了探究，还对磁悬浮列车的其他参数对悬浮性能的影响进行了研究和分析。

2014年，西南交通大学邓自刚团队将高温超导磁悬浮模型车与真空管道运输相结合，研制出新一代的高温超导磁悬浮环形实验线及真空管道高温超导磁悬浮试验平台“Super-Maglev”^[15]。其悬浮系统采用的是Hallbach型永磁轨道，是世界上首辆真空管道高温超导磁悬浮的实验车。其采用的是环形轨道，分为圆弧段和直线段，全场共45m。其性能参数为：最大载重1000kg，悬浮高度为10-20mm，最大加速度为0.5m/s²,在低气压下最大速度可达50km/h，最低气压是0.1个大气压。在探索高速的磁悬浮方面，这个实验平台可以说是开创性的进展。但是受制于轨道形状等因素，实验车无法达到更高速度，以至于对更高速度下的磁悬浮列车的状态无法进行研究。

2015年，梁纲等人对侧挂式高温超导磁悬浮回旋系统的悬浮特性进行研究^[16]。他们针对列车在环形轨道行驶时，导向力不足以提供向心力，因而无法将列车加速至更高速度这一特点，探究出了一种侧挂式磁悬浮系统。此系统是将小型实验列车侧挂在环形轨道外径上，即利用导向力支撑实验车重力，利用悬浮力提供向心力。因为高温超导磁悬浮的悬浮力随悬浮间隙的减小而变大，故当实验车速度上升时，实验车做离心运动，悬浮间隙缩小，进而悬浮力增大以提供足够的向心力，这样实验车所能达到的最高时速得以提升。同年，马家庆等人对列车运行时的振动能耗特性进行了研究^[17]。其探究了列车行驶时因上下振动而造成的能量损失，为之后真空管道高温超导磁悬浮列车的设计给予了一定的指导。并且其根据这一特性，设计了一种电磁制动器^[18]，通过线圈改变永磁轨道上的磁场强度，从而引起列车的上下振动，以此消耗列车的动能，最后达到减速的目的，不过受制于还没有工程样机，此想法仍处于理论探索阶段。

2016年，叶常青利用遗传算法等方法对高温超导磁悬浮进行智能优化^[19]，这对于永磁轨道以及超导材料的尺寸选取具有实际的参考意义。2017年，郑珺，孙瑞雪等人提出了一种双层Hallbach的永磁轨道^[20]，上层是铷铁硼永磁体以Hallbach型排列，而下层则采用铁氧体磁铁，排列顺序则和上层一样，以期望达到增强磁场强度的同时不多用铷铁硼永磁体的目的，为永磁轨道的设计提出了一种思路。

1.2.3磁悬浮类型比较与选择

目前高温超导磁悬浮的方案主要分为被动悬浮和主动悬浮：

被动悬浮的工作原理就是利用高温超导块材在磁场中的迈斯纳效应和钉扎效应，从而达到自稳定悬浮的一宗悬浮方式。德国的“SupraTrans”模型车，巴西的“Maglev Cobra”试验车以及中国西南交通大学的“Super-Maglev”试验车均是采用这种悬浮方案，如图1.1和图1.2所示。这种悬浮方式的好处在于（1）悬浮方式是一种自稳定系统，不用外加电源，也不需车载电源；（2）结构简单，不需要复杂的低温制冷系统，易维护。（3）在列车静止的状态下也处于悬浮状态，并且没有电磁辐射。而这种方式的缺点在于悬浮范围相较于主动悬浮较低，只有10-30mm。

图1.1德国“SupraTrans” 图1.2西南交大“Super-Maglev”

主动悬浮的工作原理就是利用车载的超导线圈和轨道上的金属线圈相对运动时产生的电磁斥力得以悬浮。日本的超导磁悬浮山梨试验线的列车就是使用这种悬浮方式，如图1.3。这种悬浮方式需要给高温超导线圈一个大的励磁电流，使之成为具有强磁场的超导磁体。然后通过列车的运动，轨道上的线圈中形成感应电流，并与超导线圈形成电磁斥力，从而使列车悬浮起来。其优点在于能够形成较大的悬浮力，因此悬浮高度相较于被动式悬浮较高，最高可达一百多毫米。其缺点在于列车在低速情况下无法悬浮，必须使用支撑轮，也就造成轨道结构复杂。其采用的高温超导线圈需要励磁，且其最佳工作温度在40K左右，所以其所用的低温容器的结构就复杂。最后其有较强的电磁辐射，需要设置电磁辐射屏障来屏蔽。

图1.3 日本山梨线磁悬浮列车

因为本文是真空管道列车高温超导磁悬浮轨道系统设计，需要将高温超导磁悬浮跟真空管道相结合，而真空管道尺寸受限制且内部空间有限，所以具有结构简单、自稳定性、无污染等优点的被动式磁悬浮方案被采用。但是目前被动式磁悬浮在世界范围内仍属于研究阶段，所以本文只能对其在与真空管道运输相结合方面进行一些理论上和基础的探索。

1.3研究存在的主要问题

虽然国内外对高温超导磁悬浮系统有了一定的研究，但是正真商业化应用的高温超导磁悬浮系统还没有，而且将其与真空管道相结合的研究例子更是少之又少，现在主要是西南交大对两者进行了结合研究。西南交大在2014年建立的真空管道高温超导磁悬浮试验平台“Super-Maglev”受制于场地等因素，目前无法达到较高速度，并且此试验车仅是能载重承载1人的模型车，所以真空管道列车的一系列研究仍为理论阶段。而且如何将高温超导磁悬浮系统和真空管道相结合仍处于探索阶段，真正工程上运用的参考少之又少。因此真空管道高温超导磁悬浮列车仍具有很大研究前景。

1.4 论文研究内容和结构

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