磁懸浮列車的原理及應(yīng)用一、 磁懸浮列車的概述傳統(tǒng)的鐵路列車都是依靠諸如蒸汽、燃油、電力等各種類型機(jī)車作為牽引動(dòng)力，車輪和鋼軌之間的相互作用作為運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向，由車輪沿著鋼軌滾動(dòng)而前進(jìn)的。而磁懸浮列車則是一種依靠電磁場特有的“同性相斥、異性相吸”的特性將車輛托起，使整個(gè)列車懸浮在線路上，利用電磁力進(jìn)行導(dǎo)向，并利用直線電機(jī)將電能直接轉(zhuǎn)換成推進(jìn)力，來推動(dòng)列車前進(jìn)的交通工具。按電磁鐵種類磁懸浮列車根據(jù)所采用的電磁鐵種類可以分為常導(dǎo)和超導(dǎo)兩大類按懸浮方式磁懸浮列車分為電磁吸引式懸浮（EMS）和永磁力懸?。≒RS）及感應(yīng)斥力懸?。‥DS）。二、 基本原理磁懸浮列車?yán)秒姶朋w“同性相斥，異性相吸”的原理，讓磁鐵具有抗拒地心引力的能力，使車體完全脫離軌道，懸浮在距離軌道約1厘米處，騰空行駛，創(chuàng)造了近乎“零高度”空間飛行的奇跡。由于磁鐵有同性相斥和異性相吸兩種形式，故磁懸浮列車也有兩種相應(yīng)的形式：一種是利用磁鐵同性相斥原理而設(shè)計(jì)的電磁運(yùn)行系統(tǒng)的磁懸浮列車，它利用車上超導(dǎo)體電磁鐵形成的磁場與軌道上線圈形成的磁場之間所產(chǎn)生的相斥力，使車體懸浮運(yùn)行的鐵路；另一種則是利用磁鐵異性相吸原理而設(shè)計(jì)的電動(dòng)力運(yùn)行系統(tǒng)的磁懸浮列車，它是在車體底部及兩側(cè)倒轉(zhuǎn)向上的頂部安裝磁鐵，在T形導(dǎo)軌的上方和伸臂部分下方分別設(shè)反作用板和感應(yīng)鋼板，控制電磁鐵的電流，使電磁鐵和導(dǎo)軌間保持10—15毫米的間隙，并使導(dǎo)軌鋼板的排斥力與車輛的重力平衡，從而使車體懸浮于車道的導(dǎo)軌面上運(yùn)行。三、 結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)計(jì)算磁懸浮車輛結(jié)構(gòu)主要是由車體（也稱為車廂）夾層結(jié)構(gòu)和懸浮架組成。車廂與走行機(jī)構(gòu)的懸浮架之間通過二系懸掛以及牽引拉桿相互連接。夾層要連接車廂和安裝走行機(jī)構(gòu)，以及安裝信號(hào)和電力設(shè)備等。懸浮架是車輛的走行機(jī)構(gòu)，其作用是裝載電磁鐵，且將懸浮力、導(dǎo)向力、牽引力和制動(dòng)力通過二系懸掛系統(tǒng)傳遞給車廂。磁懸浮車輛的整個(gè)模型可以認(rèn)為包括6個(gè)自由度，即車廂的3個(gè)位移自由度和夾層結(jié)構(gòu)的3個(gè)位移自由度。通常體坐標(biāo)系定義如下：X軸代表磁懸浮車輛沿軌道前進(jìn)的方向，相切于軌道的表面；Y軸在導(dǎo)軌平面內(nèi)，從車輛的右向左，相切于軌道的表面；Z軸完全是遵循右手法則，垂直于導(dǎo)軌的表面。vB=（u,v,w）B和3B=（p,q,r）B分別代表車輛車體結(jié)構(gòu)的速度和角速度（這里主要用車體說明，夾層結(jié)構(gòu)的速度和角速度也可以如此表示，如vC和3C。）下角標(biāo)B表示體坐標(biāo)系。在體坐標(biāo)系統(tǒng)中根據(jù)牛頓的第二法則，車輛車體的慣性加速度可以表達(dá)為Il式中：u,v,w分別為速度在x,y,z方向上的3個(gè)分量；p,q,r分別是與速度和曲線軌道相關(guān)的參數(shù)；(F)B=FX,FY,FZ是作用在車體上的矢量力；m是質(zhì)量。夾層作用力懸浮車輛的夾層結(jié)構(gòu)主要承受電磁牽引驅(qū)動(dòng)力、導(dǎo)向力和磁懸浮力等。沿X軸的作用力Fx=耳］4Gv4曲_「Fp2-fi-Fi (2)式中：Fp1為直線同步電機(jī)產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力；Gx為重力加速度在X方向的分量，主要取決于夾層重量以及車輛的側(cè)滾角等因素；FCB-X為夾層和車廂之間沿X軸方向的耦合作用力；FP2為車輛和前車之間的耦合作用力，首車沒有；Ff為車輛和跟隨車輛之間的耦合作用力，尾車沒有；Fa為氣動(dòng)阻力，它和車輛前進(jìn)速度的平方成正比。沿Y軸作用力Fy=Gf+R+ (3)式中：GY為重力加速度沿Y方向的分量；側(cè)導(dǎo)向力FG=FG/Ri-FG/Le，F(xiàn)G/Ri和FG/Le分別是由車輛夾層結(jié)構(gòu)右側(cè)和左側(cè)的側(cè)導(dǎo)向系統(tǒng)產(chǎn)生的導(dǎo)向力；FCB-Y為夾層和車廂之間沿Y軸方向的耦合力。沿Z軸作用力Fz=凡罰+位+ (4)懸浮力廠_± L 供一，口+式中：GZ為重力加速度沿z方向的分量，主要依賴于夾層結(jié)構(gòu)的重量以及車輛的滾動(dòng)；FCB-Z為夾層和車廂之間沿Z軸的耦合力；其他變量的具體含義見文獻(xiàn)［1］。車體上的作用力作用在車體上的力基本是由重力（含安裝的設(shè)備）、空氣阻力以及車廂和夾層之間的耦合作用力等組成?？梢院唵蔚耐ㄟ^如下公式表示：TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"FV= Gr - _r -凡 （5）Fr= Gy - Fcb_K ⑹\o"CurrentDocument"Fz= Gz - Fcb_z ⑺通過分析結(jié)構(gòu)載荷受力狀況，在進(jìn)行磁懸浮車輛多體動(dòng)力學(xué)研究的時(shí)候，就可以考慮如何準(zhǔn)確簡化系統(tǒng)多體模型。一般在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，除了彈性部件外，當(dāng)結(jié)構(gòu)部件的彈性變形和剛性位移量級(jí)相當(dāng)時(shí)，需將其中某些實(shí)體（車體、夾層或懸浮架的撓曲）視為彈性體來研究，而且在一個(gè)真實(shí)典型的情況中，對(duì)于載荷、應(yīng)力、材料疲勞、振動(dòng)或噪聲的分析都應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)的彈性變形。這就要求在復(fù)雜多體系統(tǒng)研究時(shí)，有時(shí)要考慮研究對(duì)象的彈性問題。在磁懸浮車輛多體系統(tǒng)中，車體和夾層結(jié)構(gòu)一般作為剛體考慮，并根據(jù)它們的質(zhì)量和幾何特性分別進(jìn)行定義。在行駛過程中，空調(diào)等動(dòng)力源由于高速回轉(zhuǎn)會(huì)產(chǎn)生劇烈的振動(dòng)，將成為激勵(lì)源。如果不忽略這些動(dòng)力源引起的振動(dòng)成分，最后得到的磁懸浮車輛激勵(lì)源就是軌道激勵(lì)和動(dòng)力總成激勵(lì)的共同作用的結(jié)果。由于各部件的振動(dòng)與整個(gè)車體振動(dòng)很容易產(chǎn)生耦合，從而會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜結(jié)構(gòu)的振動(dòng)非線性的變化，系統(tǒng)就很難識(shí)別。因此在磁懸浮系統(tǒng)的一般動(dòng)力學(xué)研究中，常假定空調(diào)這些動(dòng)力源在行駛過程中不產(chǎn)生振動(dòng)，只視為剛度較大的剛體。四、磁懸浮列車與當(dāng)今的高速列車相比，具有許多無可比擬的優(yōu)點(diǎn)：1、 由于磁懸浮列車是軌道上行駛，導(dǎo)軌與機(jī)車之間不存在任何實(shí)際的接觸，成為“無輪”狀態(tài)，故其幾乎沒有輪、軌之間的摩察，時(shí)速高達(dá)幾百公里；2、 磁懸浮列車可靠性大、維修簡便、成本低，其能源消耗僅是汽車的一半、飛機(jī)的四分之一；3、 噪音小，當(dāng)磁懸浮列車時(shí)速達(dá)300公里以上時(shí)，噪聲只有656分貝，僅相當(dāng)于一個(gè)人大聲地說話，比汽車駛過