摘 要

目前，中国已经制定真空管道磁悬浮列车的研发和运行的计划表，就现在来说，未来的真空管道磁悬浮列车设计时速为1000km/h，在如此高的速度下，如何保证高速运行的真空管道列车的安全性能以及乘客的生命财产是一项重要的技术。当真空管道磁悬浮列车发生故障时，本文讨论了真空管道磁悬浮列车将采用的制动方式以及制动加速度等方面进行了讨论。所得到的结果对真空管道磁悬浮列车的阻拦系统具有重要意义。

论文主要研究了真空管道磁悬浮列车紧急制动的方式，提出了真空磁悬浮列车在制动过程中保证乘客的舒适性要求，并提出了一套用于紧急制动的的方案：在高速阶段采用了空气阻力制动和轨道式涡流制动的混合制动方式，在低速阶段采用了机械摩擦制动方式，这套制动方案可以提供列车足够的制动力。本篇论文运用了ansy fluent软件模拟了真空管道磁悬浮列车在管道内不同气压下所受的空气阻力，从而得出了空气阻力提供列车的制动力。然后根据线性涡流制动的原理，设计了真空管道磁悬浮列车的轨道式涡流制动装置,它包括了液压缸升降装置、涡流制动部分和机械摩擦部分。采用这套方案可以提供列车足够的制动力来时列车停下。

关键词：真空管道磁悬浮列车；安全制动；空气阻力制动；ansys fluent；轨道式涡流制动；

Abstract

The development and popularization of vacuum maglev trains is imperative. At present, China has formulated plans for the development and operation of vacuum maglev trains.For now, the design speed of the future vacuum maglev train is 1000km/h. Under such a high speed, how to ensure the safety performance of high-speed vacuum trains and the life and property of passengers is an important technology.When the vacuum maglev train fails, this article discusses the brake methods and braking acceleration used by vacuum maglev trains.The obtained results are of great significance to the blocking system of vacuum maglev trains.

The dissertation mainly studies the emergency braking method of the vacuum maglev train, and proposes that the vacuum maglev train guarantees the comfort of passengers during the braking process, and puts forward a plan for emergency braking.In the high-speed phase, a hybrid braking method using air resistance braking and orbital eddy current braking was adopted. In the low-speed phase, a mechanical friction braking method was adopted. This braking scheme can provide sufficient braking force for the train.In this paper, the ansy fluent software was used to simulate the air resistance of vacuum maglev trains under different pressures in the pipeline, and the air resistance was provided to provide the braking force of the train.Then, according to the principle of linear eddy current braking, an orbital eddy current brake device for vacuum maglev train is designed. It includes the hydraulic cylinder lifting device, eddy current brake part and mechanical friction part.Using this program can provide sufficient braking force for the train to stop.

Key Words：Vacuum pipeline maglev train；Safe braking；Air resistance braking；ansys fluent；Orbital Eddy Current Braking；Mechanical friction braking

目录

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 国内外真空管道磁悬浮列车阻拦系统研究现状 2

1.3 论文研究内容 3

第2章 总体方案设计 5

2.1 制动方式 5

2.2 制动设计要求 6

2.3 真空管道磁悬浮列车阻拦系统总体方案 7

2.4 小结 8

第3章 空气阻力制动 9

3.1 空气阻力制动原理 9

3.2 ANSYS FLUENT仿真 10

3.2.1 ANSYS FLUENT介绍 10

3.2.2 FLUENT软件二维解决问题步骤 10

3.3 空气阻力仿真结果分析 11

3.3.1 第一组仿真数据 12

3.3.2 第二组仿真数据 14

3.4 小结 19

第4章 涡流制动装置 20

4.1 涡流制动研究现状 20

4.2 涡流制动原理 20

4.3 涡流制动装置设计 21

4.4 液压缸相关参数 23

4.5 小结 25

第5章 结语 26

参考文献 27

致 谢 27

第1章 绪论

1.1 引言

随着我国经济健康的发展和人民生活档次的提高，人们对货物流通、出行出差方式的要求也是越来越高，生活节奏的加快也使人们对于交通出行的便利性、舒适度、安全性要求也是越来越高。还有人们对于环保、空气污染， 噪音污染、资源短缺等等相关问题的关注越来越深刻，因此人们对于上个世纪曾提出的真空管道运输这个构想越来越感兴趣，并且现在美国、中国、德国、日本等国家正在加快对此项目的研究。 近些年来科技的发展不断进步，人们通过发明创造不断地刷新着速度记录，尤其在近几年真空管磁悬浮列车的提出与发展吸引了大众目光。磁悬浮列车是悬浮在轨道系统之上，消除了列车与地面的机械摩擦，磁悬浮列车具有速度快、乘坐舒适、安全性好、噪音小、能耗低、污染小、与环境兼容等显著优点。而真空管道磁悬浮列车便是将磁悬浮列车在一个放到一个几乎没有空气的真空状态下运行，运行中的磁悬浮列车由于没有空气摩擦的阻拦，列车可以达到相当的速度。事实上当列车暴露在空气中高速运动（速度超过300km/h）的时候，空气阻力所占总阻力的80%。学者提出真空管道磁悬浮列车的最快时速可以达到6500公里，这是我们人类目前不能想象出来的速度。而且真空管道磁悬浮列车的运行环境不受管道外部环境的影响，因此真空管道磁悬浮列车可以在恶略的环境中运行，甚至是海底中。但真空管道运输技术的实现和运行还存在着很大的困难，必须要对一系列的技术进行研究解决。图1.1为真空管道磁悬浮列车概念图。

图1.1 真空管道磁悬浮列车概念图

①真空管道磁悬浮列车的管道必须是一个体积大，安全系数高、密封好且在低耗能的情况下可以保持管内长时间的真空状态的管道系统。这样可以保证列车的尽可能多的进行运行,是保证管道长期良好密封、保证列车正常运行、降低真

空管道磁悬浮列车运行成本的重要条件。

②在真空的环境下，一些相关的设备能否正常运行，例如列车的空调系统、悬浮系统及列车驱动系统的运行。

③保障列车安全运行和列车故障时安全停车的技术。虽然说真空管道磁悬浮列车几乎不受天气的影响，这可能会使其比其他普通交通方式更安全些，但并不意味着他不会出现事故和危险，当列车处于事故状态下，列车采取怎样的拦截和制动方式的技术。

我国幅员辽阔，人口众多，人口流动大，南北方天气差异大，并且现在中国的经济发展迅速，需要一种更快的交通方式，因此发展真空管道磁悬浮列车势在必行，本文的主要内容是关于真空管道磁悬浮列车的阻拦系统设计。

1.2 国内外真空管道磁悬浮列车阻拦系统研究现状

2017年8月30日,第三届中国国际商业空间高峰论坛在武汉举行。中国航天工业集团提出了发展真空管道磁悬浮列车的三步计划。第一步是真空管道磁悬浮列车的关键技术突破，并研制出最高时速可1000km/h的列车；第二步，2027年可以研制出2000km/h的真空管道列车；第三步研制出最高时速4000的列车。未来真空管道磁浮列车运行的时速可能在1000公里，对于这种高速运行的列车系统来说，必须完善其阻拦系统的方案，否则会造成潜在的安全隐患,造成严重的人员伤亡和经济损失。目前国内外对于真空管道磁悬浮列车的阻拦系统究文献仍然比较少。

1.2.1 国外研究现状

最早提出真空管道运输设想的是火箭之父罗伯特•哥达德，他希望在纽约和波士顿之间有一条真空管道路线，车辆悬浮在轨道上消除了机械摩擦和空气阻力，使从波士顿到纽约的行程只要20分钟；德国工程师Herman Kenbel也提出真空管道磁悬浮的设想和演示，并论证了此种运输方式会达到时速1000公里。真空管道磁悬浮列车受到各国的重视，真空管道磁悬浮列车在以下一些国家发展比较快，并具有一定的代表性。

首先,瑞士Rudolf Rees博士提出了“瑞士地铁”的概念,他的意思是真空管道磁悬浮列车在地下隧道中运行。可想而知这种运行方式的建设成本有多高。起初瑞士政府一开始支持了这个项目，并资助了这个项目的研究经费，但1999年之后“瑞士地铁”这个项目就发展遇到了瓶颈，这个项目一至处于停滞状态，直到最后2005年瑞士联邦议会中才决定不再推进这个项目，宣告了这个项目的失败。

美国的机械工程师戴勒·奥斯特在1999年提出了一种真空管道胶囊运输系统，并认为这种方式具有很大潜力发展并获得了该项目的专利。该原理可简单地描述为：将磁悬浮列车置于真空管道内，管道内部有悬浮系统和导向系统，列车的驱动方式是直线电机，通过直线电机达到与预定的速度^[13]。到了2013年，埃隆•马斯克声称从旧金山到洛杉矶的超高速列车可以达到每小时1200公里的超高速，同时在互联网上也上传了超级高铁的相关视频。在2017年马斯克的超级高铁的时速能达到355km/h。

自德国人赫尔曼·肯培尔在二十世纪三十年代提出电磁悬浮理论后，思维严谨的德国人分别对四种悬浮模式(气垫悬浮、永磁悬浮、常导悬浮、超导悬浮)进行了认真的比对后，最终确定了是以常导悬浮方式作为未来磁悬浮列车的发展方向。而后德国人建成了多条以长定子直线电机为驱动方式的常导磁悬浮列车，并建成了多个试验线。 二十一世纪后他们开始在国内外讨论备选线路投入商业运用。最后,他们于2001年1月与中国签署了关于浦东机场磁悬浮高速铁路建设的合同,并于3月在上海开工建设。最终他们在2002年年末建成了第一条磁悬浮上商业试验线。目前德国在常导磁悬浮列车领域处于领先水平。

日本在上个世纪70年代中期就认识到磁悬浮列车的好处，并且他们的主要研究方向是以超导磁悬浮列车的方向上发展，这一点是与德国人不同的。后面又研究了相继地在直线电机驱动、悬浮铁路系统上取得了突破。在1979年，试验车辆经过很大的改良后速度大幅度提高，可达550km/h，山梨试验线列车在2003年就已经累计行驶距离达到30万公里。近两年日本的磁悬浮列车也保持着最快速度纪录。德国和日本也是发展磁悬浮列车比较好的国家。

1.2.2 国内研究现状

1989年3月，国防科技大学开发了一种磁悬浮试验模型车，他集成悬浮、导向与推进为一体，车长1.2 m，重量为110 kg，运行速度为36 km/h，可在10 m长的轨道上往复运行。 2004年12月，在四川成都，许多中国院士和学术界权威学者参与了研讨会，主要讨论了真空管道高速交通未来的发展，尤其是石油渐渐枯竭成为战略资源的情况下，真空管道运输这种以电驱动并且能耗很低的交通方式将是未来交通不可回避的选择。并提出了真空管道交通的发展计谋：真空管道高速交通的战略应当是以实验和研究为基础，分阶段实现真空管道高速交通的工程化，在时间轴上争取在2020年可以拿出真空管道运输的最优工程方案，在2030年争取开通第一条真空管道磁悬浮列车线路。

1.3 论文研究内容

将来的真空管道磁浮列车计划速度将在200-300m/s，对于如此高速运行的列车系统，其阻拦系统的方案必须完善,否则会造成隐藏的安全隐患,造成严重的人员伤亡和经济损失。目前国内外对于真空管道磁悬浮列车阻拦系统研究文献较少，虽然早已有人指出问题存在的可能性，但并未提出实质研究方案；同时也有学者提出采用舰载机阻拦索系统（网状拦截技术）和航空救援方案进行设计，并对网状拦截技术进行仿真。但是我发现阻拦索拦截装置体积过大、重量重、成本高，不论装入列车中还是放入管道内，对列车的运行和管道密封都不利，因此我个人认为不适合在真空管道磁悬浮列车运用。因此本文针对真空管道磁悬浮列车运行在1000公里每小时情况下，他的阻拦系统设计，我主要做了如下研究内容:

（1）通过查阅资料，了解了铁路及飞机减速的加速度设计，对减速过程的加速度进行设计，求出了紧急制动距离，了解了飞机、高铁等相关的制动方式，对真空管道磁悬浮列车的阻拦系统进行了的制动方式总体方案设计。

（2）对其中的空气阻力进行仿真，采用了ansys fluent软件仿真了磁悬浮列车在真空管道中使用空气阻力制动方式时的制动力。

（3）查阅资料了解了现有涡流制动技术，对真空管道磁悬浮列车采用的轨道式涡流制动装置进行机械结构上的设计。

第2章 总体方案设计

虽然真空管道磁悬浮列车概念提的很早，但是由于科学技术的发展和相对较高的成本使其还未在现实生活中投入使用，相信随着科技的发展会使其降低成本，因此真空管道磁悬浮列车仍是一种新型轨道交通工具。磁悬浮列车在一种特殊的轨道系统中运行，列车在运行中与轨道系统保持悬浮状态，因此与普轮轨高速列车相比，磁浮列车的机械摩擦力就不存在了。与普通磁悬浮列车不同的是真空管道磁悬浮列车是接近真空环境下运行，因此真空管道磁悬浮列车大大的减小空气阻力的影响，而且因为空气阻力的大小与列车运行的速度平方成正比，所以列车在高速运行时，空气阻力是主要克服的作用力。从以上论述来说，真空管道磁悬浮列车既克服了机械摩擦阻力，又克服了空气阻力，因此实现了列车非常高的运行速度，目前我们国家的真空管道磁悬浮列车的设计速度是1000km/h，也就是300m/s（接近声速）对于如此高速运行的列车系统，其阻拦系统方案就必须要完善，不然会造成重大的人员伤亡和经济损失。目前国内外对于真空管道磁悬浮列车的阻拦系统研究文献较少，并未提出实际的设计方案，一开始有学者认为采用航空母舰的舰载机拦截技术对真空管道磁悬浮列车进行拦截，但是这种方案并未考虑人体的承受加速度的能力，还有阻拦索的体积大和成本等问题，因此并不适合在真空管道磁悬浮列车中运行。目前学者提出真空管道磁悬浮列车应该以快速制动的方案转变为安全制动的方案，为此我们需要设计一种可以保证列车快速、安全、舒适、可靠地停住的制动方案，为高速磁悬浮列车提供安全保证的方案。

2.1 制动方式

首先，我们先了解一下目前的磁浮列车和高速列车的制动方式：电阻制动、能量回馈制动、线性电磁涡流制动、旋转式电磁涡流制动、空气阻力制动、机械摩擦制动等

电阻制动属于电力制动，其原理是在制动是，将直线同步电动机转变为发电机，然后将产生的电能消耗在电阻上产生热能消耗；能量回馈制动的原理与电阻制动的原理类似，只不过是将产生的电能用于自身携带蓄电池存起来。这两种制动方式主要适合运用在系统正常情况下的减速。

电磁涡流制动的原理是对感应体来说，当涡流制动器与感应体在做相对运动的时候会产生一个非恒定的磁场，感应体内将会产生旋涡状感应电流，并且电涡流产生产生电磁场会使原来的磁场发生畸变，磁力线会发生偏转，产生切向分力即为制动力，达到制动的目的。从能量的角度上考虑该装置也是将机械能转换为内能，使列车降速。电磁涡流制动有线性涡流制动和旋转型涡流制动两种，由于常导磁悬浮列车上没有轮子，所以轨道式涡流制动方式比较适合。电磁涡流制动也是非黏着制动方式的一种，与黏着制动相比其制动力与黏着重量及黏着系数无关，影响其因素较少，比较好控制；可以产生很强的制动力，减小制动距离，不对轨道产生强冲击。因此线性涡流制动非常适合中高速制动。但是如果同一线路频繁地使用电磁涡流制动，感应体会产生大量热，会导致感应板的性能降低，因此不适合做列车正常情况下的制动方式。图2.1为线性涡流制动装置的原理图。

图2.1 线性涡流制动装置

空气阻力制动的原理与飞机在空中减速时翼板尾部向上张开产生更大的接触面积，从而提高空气阻力类相类似。不过真空管道磁悬浮列车影响因子更多，真空管道磁悬浮列车在管道中空气阻力的大小还与管道和列车的阻塞比有关，通过查阅的资料，阻塞比越大产生的空气阻力越大^[5],对于阻塞比为0.5的真空管道磁悬浮列车来说，如若需要可以增设翼板装置来增大真空管道磁悬浮列车的阻塞比来增加空气阻力。

机械摩擦制动就是给刹车片施加一个压力从而产生摩擦制动力，从而使列车制动将机械能转换为内能，这是我们目前最常用的制动方式。但是这种制动方式不能应用在高速中，在高速中运用可能会产生强烈的火花，影响制动效果。

2.2 制动设计要求

真空管道磁悬浮列车要想成为未来中方要的交通工具，其不仅要具有安全可靠的阻拦系统，而且还应该考虑在制动过程中加速度、甚至加加速度对人体的影响。人体对各个方向的加速度敏感程度不一样，对人体的机体不同的反应^[8]，由于列车的速度在300m/s，真空管道磁悬浮列车路线的最小曲线半径大约在57公里左右，因此可以认为磁悬浮列车的制动过程可以近似的认为是一个直线减速的过程。因此对于真空管道磁悬浮列车里的乘客应该只需要考虑磁悬浮列车的纵向加速度。

根据目前的研究表明，每个人对加速度的忍受程度是有极限的。一个正常人在3倍的重力加速度状况下会有严重的头晕恶心呕吐的症状，超过3倍的重力加速度的情况下，人们有可能会产生一些不良反映，比如心脑血管会严重受损；人体体内会局部严重充血、同时另一端严重缺血；会有生命危险。因此真空管道磁悬浮列车的制动过程应该考虑乘客的承受能力以及乘客的舒适度。

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