真空管道磁浮列车救援动力学仿真分析

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)西南交通大学超导与新能源研究开发中心 作者:陈绪勇

  未来真空管道磁浮列车设计速度将在100~300m/s,对于如此高速运行的列车系统,其救援方案必须完善,否则将会留下安全隐患造成重大的人员伤亡和严重的经济损失。而在诸救援中列车制动失效和管道失压将是未来真空磁浮列车安全运行首要研究的因素。本文以牛顿第二定律为依据,通过对分析模型得到的基本关系方程的推导、求解,从而推导出列车在拦阻索减速制动过程中,其拦阻位移、拦阻力和列车初速度三者之间的基本关系式,同时也推导出管道失压过程中,列车安全运行所需相邻闸门之间距离、管道阻塞比和真空度三者之间的关系式.在MATLAB环境下对以上关系式进行仿真分析,我们得到制动失效时拦阻力、列车初速度和拦阻位移三者之间的优化值;同时也得到管道失压时相邻真空闸门之间距离、管道真空度和管道阻塞比三者之间的优化值。以上仿真优化值将为真空管道列车系统设计提供理论依据。

  随着社会的进步、生活节奏的加快,人们对于出行和物流配送时间要求逐步提高。步入21世纪以来世界高速交通发展迅速,但是航运、铁路、水运和公路运输终会遇到自己的发展瓶颈,而在此之前真空管道运输(EvacuatedTubeTransportation)作为一种构想曾被提出,这主要由于真空管道列车有如下优势:高速、阻力小、噪音小、安全和能耗低等。

  近年来对于真空管道列车国内有些研究,而国外比较少,但本文主要偏于对于真空管道列车空气动力学研究:周主要集中阐述真空管道列车速度在200m/s运行于真空管道压强1000Pa环境下的列车空气动力学问题;张主要阐述真空管道列车速度从50~300m/s运行于真空管道压强从10~10000Pa环境下的列车空气动力学问题;文献主要阐述不同流线型列车的头车尾车外形对于真空管道磁浮列车空气阻力的影响;以上文均未涉及真空管道的救援研究。文献从真空管道列车碰撞、管道失压及管道系统失效阐述了真空管道运输安全,但并未提出具体的解决措施;虽然文献提出了真空管道列车涡流制动和制动磨耗板来应急,但仅仅给出抽象的方案。而对于运行中的真空管道列车最大的危害在于速度过大时制动系统失效和管道失压,从而造成重大的人员伤亡和管道损坏,甚至车毁人亡。本文借助于现今在航空母舰舰载机的拦截技术应用于真空管道列车制动失效时的拦截,通过对拦截时列车的动力学方程的MATLAB分析得到真空管道列车拦截过程中拦阻索拦截力、磁浮列车初速度和拦截位移三者之间的优化值,并在MATLAB环境下绘出了不同拦阻力下的速度拦阻位移关系曲线和一定初速度下不同拦阻力下拦阻位移关系曲线,从而得到一定拦阻力下列车初速度越大拦截位移增大但增大趋势逐渐减小,一定初速度下拦阻力越大拦阻位移不断减小,但减小率趋势逐步减小;虽然文章从维持管道压强角度给出了真空阀门的建议值,但本文从管道失压时救援角度分析得出了比较优化的真空管道相邻闸门距离,这对于维持平时管道压强和列车救援都有一定的指导意义。

1、模型分析

  1.1、真空管道磁浮列车拦阻和救援系统示意图

  如图1所示拦阻系统三维示意图,考虑到管道内部面积和建设成本,拦阻发射装置对称安装在管道出口外侧(二者纵向距离为15m),此装置主要是在磁浮列车刹车失效时在管道外对列车进行有效拦截。

真空管道磁浮列车拦阻三维示意图

图1 真空管道磁浮列车拦阻三维示意图

真空管道磁浮列车拦阻平面受力分析示意图

图2 真空管道磁浮列车拦阻平面受力分析示意图

  图3为真空管道磁浮列车运行救援示意图,管道在进气口外安装有压力传感器目的是检测管内压力达到大气压时关闭进气口,管道两端为自动闸门示意图。

真空管道列车空气气囊援示意图

图3 真空管道列车空气气囊救援示意图

结论

  (1)在一定的拦阻力下拦阻位移随着磁浮列车的初速度的增加其值不断增大,而在一定的初速度下随着拦阻力的增加拦阻位移不断减小,但从分析曲线结果来看,随着拦阻力增大而拦阻位移减小率在下降,为此综合拦阻索材料性质、磁浮轨道建设和经济效益来看,初步选择拦阻索拉力在6×105N左右,磁浮列车运营速度设置在200m/s;

  (2)从管道失压救援角度并不能为了减小磁浮列车运行阻力而一味的降低管道真空度,也不能为了救援而去增加管道真空度这样会增大磁浮列车运行阻力,为此必须从维持管道压强、阻塞比、降低磁浮列车运行阻力和管道救援四者之间为真空管道相邻闸门之间距离寻找一个优化区间,为将来真空管道磁浮列车的经济运营提供依据,为此初步选择管道阻塞比选择在0.25,管道压强选择10000Pa的环境。

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