مفهوم جدیدی از قطار تعویض مغناطیسی مدولار برای حمل و نقل شهری

هدف: هدف از پروژه ما حل کلیه مشکلات فناوری و عملکردی مربوط به توسعه مگلو معلق شهری ، ضمن حفظ نیاز سادگی و هزینه کم ساخت ، بهره برداری و نگهداری است. هم زیرساخت ها و هم وسیله نقلیه به گونه ای طراحی شده اند که در سایت تولید و مونتاژ شوند.

روشهای مطالعات: مطالعه ما مبتنی بر نتایج نظری و تجربی به دست آمده در طی یک پروژه از شورای تحقیقات ملی ایتالیا ، در مورد عملکرد مخالف آهنرباهای دائمی ، طراحی موتور همزمان خطی و راه حل های ممکن برای تحقق سیستم راهنمایی است. بشربر اساس این نتایج ، مطالعه سیستم معلق انجام شد.

یافته ها: در این مقاله ، مگلو معلق شهری با تعلیق اولیه PM/PM (با آهنرباهای دائمی مخالف) توصیف شده است و یک سیستم راهنمایی مکانیکی را پیشنهاد می کند که برای تثبیت همان نیروهای دافع کننده بین آهنرباهای دائمی استفاده می کند. ما همچنین پیکربندی جدیدی را با HTS/PM تعلیق اولیه (با ابررساناهای با درجه حرارت بالا مخالف آهنرباهای دائمی) پیشنهاد می کنیم ، و مثبت و منفی این راه حل را ارزیابی می کنیم. سرانجام ما داده های طراحی را در مورد موتور همزمان خطی مناسب برای سیستم خود ارائه می دهیم.

نتیجه گیری: در این مقاله پیشنهاد ما برای یک مگلف شهری معلق با استفاده از آهنرباهای دائمی شرح داده شده است. علاقه ما بر لزوم توسعه بیشتر راه حل های عملی صنعتی ، آسان برای ساخت و مدیریت ، به منظور پیشنهاد سیستمی که از نظر تجاری نیز مناسب و رقابتی باشد ، متمرکز است. مزایای شناسایی شده مطالعات بیشتر را توجیه می کند.

ключевы جو

полый текст

معرفی

علیرغم امیدوارکننده چشم انداز و ده ها سال تحقیق و توسعه ، همه سیستم های ماگلو هنوز با موانعی برای موفقیت خود روبرو هستند. با این حال ، فناوری Maglev دارای ویژگی های بسیار جالبی است ، به ویژه برای حمل و نقل شهری: عدم تماس بین وسیله نقلیه و مسیر هزینه های نگهداری را کاهش می دهد. سایر مزایای مهم این است که بار توزیع شده ، کاهش مقطع وسیله نقلیه ، امکان غلبه بر دامنه های بالا ، کاهش سر و صدای ایجاد شده توسط ترافیک قطار است. بنابراین ، توسعه سیستم های MAGLEV باید ادامه یابد ، اما ما باید بر روی یک راه حل جدید و سفارشی برای حمل و نقل شهری ، که با ساخت و ساز ساده ، سبک وزن ، مصرف کم انرژی ، اتوماسیون کامل ، هزینه کم ساخت و ساز و بهره برداری متمرکز شده ایم ، تمرکز کنیم.

با بهره گیری از عملکرد بهبود یافته آهنرباهای دائمی و ساخت مطالعات انجام شده در طی چند سال گذشته در مورد بهینه سازی آهن ربا (از جمله موارد انجام شده توسط شورای تحقیقات ملی ایتالیا) ، یک راه حل اصلی از یک مگلو شهری معلق (که در آن وسیله نقلیه است. تحت یک مسیر ثابت به حالت تعلیق درآمده است) به منظور برآورده کردن این الزامات سادگی و کم هزینه [1 ، 2 ، 3]. نسخه اول این سیستم ، که قبلاً در کنفرانس Maglev 2016 در برلین ارائه شده است [4] ، سیستم های سودآوری و راهنمایی خودرو را بر اساس نیروهای دافع بین آهنرباهای دائمی با شکل و ابعاد خاص اتخاذ کرده است.

در این مقاله ، ما برخی از راه حل ها را برای تحقق یک سیستم قابل اعتماد MAGLEV معلق پیشنهاد می کنیم. ما یک سیستم کنترل رانندگی مکانیکی را برای تثبیت وسایل نقلیه کم سرعت (فقط برای حمل و نقل شهری) توصیف می کنیم که در مخالفت با آهنرباهای دائمی ، و یک نسخه به روز شده از طرح Maglev معلق ، که یک سیستم تعلیق اولیه متشکل از ابررساناهای درجه حرارت بالا و آهنرباهای دائمی را اتخاذ می کند ، توصیف می کنیم. اقدامات فنی بیشتر برای اطمینان از امکان سنجی صنعتی و رقابت این سیستم حمل و نقل شهری نشان داده شده است.

سیستم معلق

در بین تمام تنظیمات ممکن سیستم ، ما ترجیح دادیم وسیله نقلیه را از بالا (شکل 1) به حالت تعلیق درآوردیم تا بتوانیم قسمت تکنولوژیکی (مسیر و وسیله نقلیه) را در موقعیتی متمرکز کنیم که به راحتی در دسترس نباشد. این راه حل به محافظت ذاتی آهنربا در برابر دستکاری اجازه می دهد و قسمت فناوری را بسیار فشرده می کند و همچنین طراحی سوئیچ ها را آسان تر می کند. علاوه بر این ، این انتخاب فضای آزاد را روی زمین در زیر وسیله نقلیه می گذارد. در طول مسیر هیچ تجهیزات لازم نیست. در مورد برنامه سفر تونل زیرزمینی ، کف زیر وسیله نقلیه را می توان پیاده روی کرد و می توان به عنوان یک مسیر فرار استفاده کرد. در نتیجه ، فضاهای آزاد در طرفین مسیر لازم نیست. درهای انتهای وسیله نقلیه خروجی اضطراری است که توسط مسافران برای فرار قابل استفاده است.

شکل 1. پیکربندی Maglev معلق

شکل 2 محلول انتخاب شده برای مسیر (قرمز) و قسمت فوقانی وسیله نقلیه را نشان می دهد: بوگی (سبز) ، تعلیق و قاب بدنه (آبی).

آهنگ (قرمز) از یک جعبه فلزی تشکیل شده است که حاوی دو تخت آهن ربا است که روی صفحات فولادی گذاشته شده و سیم پیچ موتور همزمان خطی (LSM) برای پیشران و ترمز است. در خارج از جعبه ، دو راهنمای آهن از واکنش الکترومغناطیس (برای تثبیت) و تماس تصادفی اسکیدهای ضد سوزنی اطمینان می دهند. فناوری آهنگ به عنوان یک محصول صنعتی بسیار ساده و امکان پذیر است ، به ماژول هایی از طول که به بهترین وجه برای تولید ، حمل و نقل و مونتاژ در سایت متناسب است ، تقسیم می شود.

Bogie (سبز) یک پرتو دوتایی آلومینیومی (طول 0. 7 متر) است. هر بوگی از طریق دو صفحه آهنربای مخالف (تعلیق اولیه PM/PM) روی تخت های آهنربای مسیر قرار می گیرد ، که درون بالهای فوقانی دوتایی چسبانده شده است. دستگاه کنترل تثبیت شده و اسکیت های ضد سوزنی روی باند عمودی پرتو دوتایی قرار می گیرند. آنها در راهنمای آهن مسیر عمل می کنند. آهنرباهای سلف LSM بر روی Double-T قرار می گیرند. عناصر الاستیک سیستم تعلیق ، پین اتصال دهنده bogie/وسیله نقلیه ، دو میراپ و یک نوار پیچشی بر روی بالهای پایین پرتوی دوتایی ثابت شده است.

شکل 2. هسته سیستم معلق Maglev Core - راه حل A با PM/PM تعلیق اولیه

قاب بدنه (آبی) یک ساختار آلومینیومی (طول 1. 6 متر) است که با استفاده از چهار چشمه (تعلیق ثانویه) روی دو باتلاق قرار می گیرد. قاب های بدنه ماژول های وسیله نقلیه مجاور همراه هستند. هر قاب بدنه از محفظه مسافر (پوسته) پشتیبانی می کند. پشتیبانی مداوم در مسیر نه تنها طراحی وسیله نقلیه را تسهیل می کند (Bogie تقریباً مداوم می شود ، هر وسیله نقلیه یک پوسته ساده با طول بسیار کاهش یافته است) ، بلکه از ساختارهای حامی آهنگ نیز هست ، زیرا بار متمرکز بر روی آنها وجود ندارد.

محفظه مسافر. هر قاب بدنه از محفظه مسافر (پوسته) پشتیبانی می کند. ابعاد پوسته عبارتند از: طول 1. 6 متر ، عرض 2. 2 متر ، ارتفاع 2. 2 متر. همان قاب بدنه 1. 6 متر طول می تواند از سه نوع پوسته مختلف پشتیبانی کند: ماژول انتهای وسیله نقلیه (با درهای فرار) ، ماژول با درب های دسترسی (عرض درب 1. 4 متر) و ماژول با صندلی های مسافران. با استفاده از این نوع ماژول ها ، ترکیبات مختلف کاروان امکان پذیر است.

قطار حاصل شبیه به یک لوله انعطاف پذیر است که توسط اتحاد بسیاری از ماژول ها تشکیل شده است. شکل 3 قطار مناسب برای خطوط کم ظرفیت را نشان می دهد: طول کل 26. 4 متر ، متشکل از 15 ماژول (10 ماژول با صندلی + 5 ماژول با درهای دسترسی). اگر قطار بتواند حداکثر 4 مسافر در هر متر مربع را در خود جای دهد ، مکان های ارائه شده در کل 205 است که از این تعداد 145 ایستاده و 60 نشسته است.

شکل 3. طرح وسیله نقلیه مدولار

با چنین ماژول های کوتاه ، حتی جابجایی های نسبی بین انتهای ماژول های مجاور بسیار اندک است. این امر تحقق پوشش تغییر شکل قابل استفاده در کل محیط پوسته را تسهیل می کند. با اتخاذ حداقل شعاع 200 متر ، جابجایی بین انتهای پوسته های مجاور در حدود 20 میلی متر است.

در مقایسه با سیستم های معمولی ، وسیله نقلیه وزن و ابعاد قابل توجهی پایین تر دارد ، زیرا بار در طول طول آن توزیع می شود. بنابراین وسیله نقلیه لحظه های خمش طولی بزرگی را که بر روی وسایل نقلیه حمل شده توسط باتلاق ها کار می کند ، ندارد. در نتیجه ، ساده سازی سازنده و کاهش وزن هر دو زیرساخت و وسیله نقلیه قابل دستیابی است.

به منظور به حداقل رساندن هزینه های تعمیر و نگهداری و تضمین تداوم عمل ، در صورت امکان ، توابع سنتی که روی صفحه قرار می گیرند (مانند مکانیسم باز/بسته شدن درب ، سیستم ترمز موقعیت یابی و غیره) می توانند روی زمین نصب شوند. بنابراین ، بخش فناوری فعال وسیله نقلیه محدود به سیستم های راهنمایی ، توقف اضطراری و ارتباط با مرکز کنترل علاوه بر روشنایی و بلندگوهای موجود در پوسته است.

فاقد هرگونه تماس بین وسیله نقلیه و مسیر ، ترمز وسیله نقلیه حتی در صورت خرابی برق باید تضمین شود. هنگامی که قطار در ایستگاه متوقف می شود ، موتور خطی نیرو نمی یابد ، اما قطار را می توان با اتصال خودکار بین درهای قطار و دروازه های ثابت ایستگاه مربوطه ثابت نگه داشت ، بنابراین از حرکت طولی قطار در هنگام ورود و خروج جلوگیری می شود. مسافرانفقط یک ترمز اضطراری سوار بر سوار است (ترمز عملیاتی همان دستگاه همزمان است). سیستم کنترل از راه دور ترمز اضطراری را در صورت بروز سرعت بیش از حد ، توقف غیر طبیعی در خط ، وسیله نقلیه در حال برگشت و غیره فعال می کند.

به طور کلی ، راه حل پیشنهادی به شدت مبتنی بر سادگی و فشرده سازی سیستم تعلیق اولیه متشکل از آهنرباهای دائمی در مخالفت بود. دو ترکیب آهنربای دائمی NDFEB در صفحه آهنی ، هر 13 سانتی متر عرض (با 5400 سانتی متر 3 ماده مغناطیسی در هر متر خطی) ، تضمین می شود که یک وسیله نقلیه جرم برابر با 1600 کیلوگرم در هر متر خطی ، با فاصله عمودی 12 میلی متر(شکل 4). این همه است! تست های آزمایشی این مقادیر را تأیید کردند.

شکل 4. پیکربندی آهن ربا برای استفاده از وسیله نقلیه 1600 کیلوگرم در متر

کل مطالعه ارائه شده در برلین در سال 2016 با هدف کاهش هزینه های عملیاتی با ساده کردن و در صورت امکان از بین بردن عناصر فعال در محفظه مسافر انجام شد. نیاز به نگهداری در قسمت موبایل سیستم به موارد ضروری کاهش یافته است.

تعلیق اولیه

با توجه به مشکلات سیستم های صنعتی شدن با تعلیق اولیه ارزان ، ساده و قابل اعتماد ، بسیاری از سیستم های Maglev برای خدمات حمل و نقل تجاری آماده نیستند.

تعلیق اصلی سیستم پیشنهادی ما با هدف این اهداف ، استفاده از مقدار غیرقابل محاسبه سادگی است. نتیجه (انبوه و حجم اشغال شده) برای طراحی سیستم های نوآورانه حمل و نقل شهری بسیار مهم است ، که ما هرگونه تلاش را برای تکمیل یک وسیله راهنمایی مناسب ، قادر به کنترل بی ثباتی جانبی ذاتی در سیستم پیشنهادی در نظر گرفتیم (آهنرباهای موجود در مخالفت)بشر

در سیستمی با آهنربای دائمی در مخالفت ، در واقع ، جابجایی جانبی از آهنرباهای فوقانی یک نیروی افقی F ایجاد می کند_yدر همان جهت جابجایی y کارگردانی شده است. قسمت متحرک به پهلو حرکت می کند (شرایط ناپایداری) تا زمانی که روی یک مانع متوقف شود (برای مثال یک راهنمای ثابت به موازات مسیر).

بار تولید شده در راهنمای ثابت به جابجایی جانبی انجام شده بستگی دارد. شکل 5 مقدار نیروی افقی f را نشان می دهد_yبه عنوان تابعی از جابجایی y (نتایج تجربی به سیستم شکل 4 با 3 + 3 جفت آهن ربا اشاره شده است). به منظور حفظ F_yنیروی کم ، بنابراین لازم است تا حد ممکن جبران Y را محدود کنید.

شکل 5. نیروی جانبی FY به عنوان تابعی از جابجایی y ، برای ترکیب آهن ربا از شکل 3

در جابجایی جانبی y چند میلی متر (برای هر تعداد جفت آهن ربا) افزایش در نیرو متناسب با Y و برابر با حدود 8 ٪ از بار عمودی برای هر میلی متر جابجایی وجود دارد.

بنابراین ، در مورد جابجایی های جانبی کوچک ، یک سوء استفاده از y با یک نیروی افقی مطابقت دارد: F_y00. 08 · py ، که در آن P بار عمودی (وزن خود وسیله نقلیه + بار حمل شده) است.

به عنوان مثال ، با یک بار عمودی برابر با p = 16000 n در هر متر خطی ، یک نیروی جانبی در حدود f_y= 2050 N در یک قاب کشویی به طول 1. 6 متر ، برای هر میلی متر جابجایی جانبی عمل می کند.

به نیروی جانبی f_y0. 0. 08 · py (که بین آهنرباهای ثابت و متحرک در حضور یک سوء استفاده تولید می شود) ، یک نیروی جانبی اضافی P · A/G اضافه می شود ، به دلیل شتاب غیرقابل جبران A [M/S 2] (مثبت یا منفی)بشرنیروی جانبی کل f_gبنابراین هر قاب کشویی به راهنمای ثابت منتقل می شود بنابراین توسط مبلغ (1) داده می شود:

f g = 0. 08 · p y + p a a g (1)

اصولی که سیستم راهنمایی در آن مبتنی است از همان نیروی ناپایدار f استفاده می کند_gبشردر حقیقت ، تعادل جانبی با یک آیین نامه کمک شده که قاب آهنرباهای فوقانی را در جهت مخالف به بار جانبی منتقل می کند ، اطمینان می یابد ، تا اینکه دومی دقیقاً توسط نیروی دفع جانبی F متعادل شود_gبین آهنرباهای فوقانی و آهنرباهای پایین عمل می کند.

دستگاه های راهنما (الکترومغناطیسی و/یا مکانیکی) ، که قادر به کنترل جابجایی Y هستند ، قبلاً با نتایج دلگرم کننده آزمایش شده اند ، حتی اگر قابلیت اطمینان کل آنها هنوز تضمین نشده باشد (تست های استاتیک انجام شده بر روی نمونه اولیه در دانشگاه پلی تکنیک تورین [4 ،5] نتایج رضایت بخش ارائه داده اند ، اما اینها باید در شرایط پویا تأیید شوند).

برای ماگلولهای شهری ، که به طور معمول با سرعت 25 متر بر ثانیه کار می کنند ، یک سیستم راهنمایی مکانیکی ساده ارائه شده است که قادر به نگه داشتن نیروی F است_gدر راهنمای ثابت در محدوده بسیار محکم (بیش از 3 ÷ 3 ٪ از وزن وسیله نقلیه P).

یک فضا مکانیکی فاصله بین مواد معلق و راهنمای ثابت را به موازات مسیر تنظیم می کند (فضا با یک کنترل شده F بر روی راهنما قرار می گیرد_gبار). در این روش تضمین می کند که بار موجود در راهنما در محدوده تنگ نشان داده شده است.

در صورت قطار با وزن P = 16000 N در هر متر خطی و متشکل از جانشینی 1. 6 قاب کشویی بلند ، برای هر قاب کشویی می توان از دو فاصله استفاده کرد. برای هر فاصله ، بار f_gدر راهنما همیشه باید بین 130 تا 390 N. باشد.

در این محلول همه مکانیکی ، طول مفید فضا را می توان با یک موتور الکتریکی (از نوع گام به گام) تنظیم کرد ، که باعث می شود فاصله زمانی (اندازه گیری شده توسط یک سلول بار درج شده در خود فضا) به یک مسافت کاهش یابد. حد بالایی ، و فاصله زمانی را که بار زیر حد پایین تر می شود ، افزایش می دهد.

راه حل های دیگر (تا حدی که قبلاً مورد آزمایش قرار گرفته اند) مطمئناً امکان پذیر است ، هم برای غلبه بر سرویسکنی همه مکانیکی و هم برای از بین بردن تماس مکانیکی در راهنمای جانبی ثابت.

یک راه حل جایگزین برای سیستم تعلیق اولیه

محلول A در شکل 2 تعلیق اولیه متشکل از آهنرباهای دائمی مخالف (تعلیق اولیه PM/PM) و کنترل راهنمایی را با استفاده از الکترومغناطیس نشان می دهد.

به عنوان جایگزینی برای این راه حل و تا حدودی از سادگی ، سیستم شهری ما همچنین می تواند از ابررساناهای درجه حرارت بحرانی (HTS) در کرایوژن ها استفاده کند ، که در دمای حدود 77 K (نیتروژن مایع) نگهداری می شوند. شکل 6 ترتیب جدید (محلول B) را با سیستم تعلیق اولیه ساخته شده توسط ابررساناهای درجه حرارت بالا روی وسیله نقلیه و آهنرباهای دائمی در مسیر (HTS/PM تعلیق اولیه) نشان می دهد. این ترتیب یک افزایش پایدار را تضمین می کند.

شکل 6. هسته سیستم MAGLEV معلق - راه حل B با HTS/PM تعلیق اولیه

این راه حل برخی از مشکلات حل نشده را نشان می دهد:

• هزینه بالای ابررساناهای YBCO ؛
• هزینه عملیاتی برای حفظ توانایی Levitation (شارژ مکرر نیتروژن مایع و ترمیم شرایط ابررسانا در حضور یک میدان مغناطیسی - این فعالیت ها به یک گیاه اختصاصی نیاز دارند).
• خطر متوقف کردن هزینه به دلیل وخیم تر شدن شرایط ابررسانا ، که موظف به تأمین سیستم پشتیبانی ایمنی در وسیله نقلیه (چرخ یا غلطک) است.

برخی از اظهارات در مورد طراحی سیستم پیشران

پیشرانه و نیروهای ترمز در سیستم ما توسط یک موتور همزمان خطی (LSM) تولید می شوند. سلف ، که به طور انحصاری از آهنرباهای دائمی ساخته شده است ، توسط باتلاق های کشویی حمل می شود و زیر آرماتور قرار می گیرد که در وسط مسیر قرار دارد (شکل 2 و شکل 6 را ببینید). بنابراین ، آرماتور به اندازه خط راه آهن و سلف به عنوان وسیله نقلیه است.

سیم پیچ سه فاز بر روی آرماتور (با یک زمین متناسب با طول قطب های تحریک ، شکل 7) تنظیم شده است ، که توسط یک ژنراتور واقع در نزدیکترین ایستگاه در یک فرکانس متغیر تغذیه می شود.

شکل 7. موتور همزمان خطی (LSM)

قطب های سلف (ارتفاع H ، نیمه مرحله P) از آهنرباهای دائمی NDFEB تشکیل شده و مشخصات سینوسی دارند (شکل 8). در نتیجه ، القاء B در داخل قطب های سلف یک عملکرد سینوسی است که به حداکثر مقدار B می رسد_mدر میانه عمودی قطب و در امتداد محور با بیان نشان داده شده است (شکل 9).

شکل 8. شکل سلف

شکل 9. روند سینوسی القاء در قطب های سلف

روابط بین مقادیر الکتریکی ، مغناطیسی و مکانیکی عبارتند از:

e e f f = 1 2 b m h p v l (2)

i e f f · c o s δ = f m l 1. 5 2 B M H H (3)

اشمیه_عارضه: نیروی الکتروموتوری مؤثر در امتداد سیم پیچ آرماتور (V) ؛

من_عارضه: جریان مؤثر برای هر مرحله از آرماتور (A) ؛

جایی که D جابجایی فاز میدان سلف با توجه به میدان ترجمه تولید شده توسط آرماتور (در درجه ؛ D و P در متر) است

F_ml: نیروی پیشرانه در هر متر خطی سلف (n/m) ؛

L: طول قطار (M)

برخی ملاحظات در مورد فرمول (2) و (3):

اشمیه_عارضهبا توجه به سرعت قطار V ، طول قطار L ، حداکثر القایی b رشد می کند_m، نسبت شکل H/P ، در حالی که مستقل از مقاومت در هنگام حرکت در قطار است. من فعلی_عارضهارجاع شده به یک فاز مستقل از سرعت و طول قطار است و به طور معکوس با القاء b متفاوت است_m، به نسبت شکل H/P و COS ؛متناسب با مقاومت در برابر حرکت اشاره شده به یک متر خطی طول قطار رشد می کند.

در نتیجه ، برای قطارهای پر سرعت ، که عمدتا در شرایط پایدار با شتاب های نادر و نه بسیار زیاد اجرا می شوند ، مقادیر کم B_m(0. 20 ÷ 0. 25 T) و نسبت H/P (0. 6 ÷ 0. 4) انتخاب شده اند ، که بیش از ولتاژهای مرتبط 2500 ولت 2000 در سیم پیچ های آرماتور ، حتی برای قطارهای طول 250 متر 200 متر نیست.

در مقابل ، برای قطارهای شهری ، که با شتاب های بسیار مکرر و زیاد مشخص می شوند ، معیارهای مخالف به منظور محدود کردن تلفات اثر ژول به دلیل چگالی جریان زیاد در سیم پیچ های آرماتور اتخاذ می شوند: مقادیر بالای B_m.

نتیجه گیری

سیستم های Maglev تنها در صورتی که محققان قادر به تهیه راه حل های ساده با هزینه های پایین عملیاتی و نگهداری باشند ، در آینده در برابر سیستم های معمولی رقابتی خواهند بود. هنوز مسائل فنی مهمی برای حل و فصل وجود دارد و پیشنهادات مختلفی در حال تهیه است.

در این مقاله پیشنهاد ما برای یک مگلف شهری معلق شرح داده شده است. علاقه ما به نیاز به یافتن راه حل های عملی صنعتی ، آسان برای ساخت و مدیریت ، به منظور پیشنهاد سیستمی که از نظر تجاری نیز به عنوان جایگزینی برای راه آهن معمولی رقابتی باشد ، متمرکز شده است. مزایای مشخص شده در سیستم ، مطالعات و آزمایش های بیشتر را تشویق می کند.