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懸浮在道軌上的磁懸浮列車

 沙金泰 2012-12-21


 

一提到車輛就會想到輪子,自古以來的人力車、畜力車,或是現(xiàn)代的機械車輛幾乎都離不開輪子,多數(shù)的交通工具都是依靠輪子飛奔前進的。

隨著科學技術(shù)的發(fā)展,人們也在絞盡腦汁的改進交通工具,特別是在火車出現(xiàn)以后,許多新技術(shù)在不斷出現(xiàn),因而火車的速度也在不斷地提高。

20世紀,隨著電力時代的到來,有的科學家突發(fā)奇想的想造出一種不依靠輪子飛速快跑的交通工具,當然古代時候的人們并不會突發(fā)出這種奇想,就是有這種想法也只能是神話,因為那時根本也不可能造出什么沒有輪子的車輛,因為那時人們還不知何為電磁現(xiàn)象,而到了20世紀,人們已進入了電力時代,這時才會想到要利用電磁現(xiàn)象的原理,依靠電磁的作用使車輛墊離鐵軌就會成為可能。那樣就可把車輛墊起來,以避免車輪和道軌的接觸, 那樣也就不會產(chǎn)生因輪子和鐵軌接觸產(chǎn)生的摩擦阻力而影響車輛的速度,那樣車輛的速度就會大大提高,讓沒有輪子的車輛比有輪子的車輛快。首先想到這個辦法人就是德國的科學家、工程師赫爾曼·肯佩爾。

     赫爾曼·肯佩爾等一些人研究的磁懸浮列車的原理是電磁現(xiàn)象,這個原理是運用磁鐵同性相斥,異性相吸的性質(zhì),使磁鐵具有抗拒地心引力的能力,即磁性懸浮。

科學家將磁性懸浮這種原理運用在鐵路運輸系統(tǒng)上,使列車完全脫離軌道而懸浮行駛,成為無輪列車,這種磁懸浮列車時速可達幾百公里以上。這就是所謂的磁懸浮列車,也有的人稱之為磁墊車的新型軌道交通工具。

從理論上說,由于車輪不與鐵軌接觸,就會減少摩擦阻力,因而也就能提高車速,科技人員真的造出了這種減少摩擦阻力的磁懸浮列車。       

由于磁懸浮列車是在軌道上行駛,導(dǎo)軌與機車之間不存在任何實際的接觸,成為無輪狀態(tài),故其幾乎沒有輪和軌之間的摩察,這就可以使磁懸浮列車與道軌之間沒有接觸后產(chǎn)生的摩擦力,只受來自空氣的阻力,因此,磁懸浮列車的時速大大提高,可達時速幾百公里, 甚至最高速度可達每小時500公里以上,比輪軌高速列車的300多公里還要快。

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吸原理而設(shè)計的電磁運行系統(tǒng)的常導(dǎo)型磁懸浮列車,一種是利用超導(dǎo)體產(chǎn)生的強磁場斥力而設(shè)計的超導(dǎo)型磁懸浮列車。

“常導(dǎo)型”也稱常導(dǎo)磁吸型,它是利用普通直流電磁鐵電磁吸力的原理,將列車懸起的電動力運行系統(tǒng)的磁懸浮列車,其懸浮的空隙較小,一般為10毫米左右。這種車在車體底部及兩側(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,這種磁懸浮列車使電磁鐵和導(dǎo)軌間懸浮保持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)軌面上運行。

常導(dǎo)型高速磁懸浮列車的速度可達每小時400500公里,適合于城市間的長距離快速運輸,以德國高速常導(dǎo)磁浮列車為代表,我國上海浦東的磁懸浮就是常導(dǎo)型磁懸浮列車。

超導(dǎo)型磁懸浮列車也稱超導(dǎo)磁斥型,它是利用超導(dǎo)磁體產(chǎn)生的強磁場斥力,這種斥力能使列車懸起 100毫米左右的空隙,使車體懸浮運行在鐵軌上。 

超導(dǎo)磁懸浮列車的最主要特征就是其超導(dǎo)元件在相當?shù)偷臏囟认滤哂械耐耆珜?dǎo)電性和完全抗磁性。超導(dǎo)磁鐵是由超導(dǎo)材料制成的超導(dǎo)線圈構(gòu)成,它不僅電流阻力為零,而且可以傳導(dǎo)普通導(dǎo)線根本無法比擬的強大電流,這種特性使其能夠制成體積小功率強大的電磁鐵。

利用相斥磁力懸浮的列車,一開動很快就可以加速到時速50公里,跑了50—60米的距離之后,便在軌道上懸浮起來。列車沿著地面越越快,目前最高可以達每小時550公里以上,日本研制實驗的就是這種超導(dǎo)型磁懸浮列車。

“超導(dǎo)型”磁懸浮列車的車輛上裝有車載超導(dǎo)磁體,這時和常導(dǎo)型磁懸浮根本不同的地方,正因為這種不同,而其它列車、軌道等構(gòu)造及運行方式也不一樣。

這種車載超導(dǎo)體構(gòu)成感應(yīng)動力集成設(shè)備,而列車的驅(qū)動繞組和懸浮導(dǎo)向繞組均安裝在地面導(dǎo)軌兩側(cè)。車輛上的感應(yīng)動力集成設(shè)備由動力集成繞組、感應(yīng)動力集成超導(dǎo)磁鐵和懸浮導(dǎo)向超導(dǎo)磁鐵三部分組成。

當向軌道兩側(cè)的驅(qū)動繞組提供與車輛速度頻率相一致的三相交流電時,就會產(chǎn)生一個移動的電磁場,因而在列車導(dǎo)軌上產(chǎn)生磁。這時列車上的車載超導(dǎo)磁體就會受到一個與移動磁場相同步的推力,正是這種推力推動列車前進。
   
它的軌道是“U”形的。當列車向前運動時,車輛下面的電磁鐵就使埋在軌道內(nèi)的線圈中感應(yīng)出電流,使軌道內(nèi)線圈也變成了電磁鐵,而且它與車輛下的磁鐵產(chǎn)生相斥的磁力,把車輛向上推離軌道。將磁鐵使用在運動的機車上以在導(dǎo)軌上產(chǎn)生電流。由于機車和導(dǎo)軌的縫隙減少時電磁斥力會增大,從而產(chǎn)生的電磁斥力提供了穩(wěn)定的機車的支撐和導(dǎo)向。然而機車必須安裝類似車輪一樣的裝置對機車在起飛著陸時進行有效支撐,這是因為在機車速度低于大約25英里/小時無法保證懸浮。系統(tǒng)在低溫超導(dǎo)技術(shù)下得到了更大的發(fā)展。

磁懸浮車輛主要由三部分構(gòu)成,即:客室、操縱室和動力室??褪艺嫉谋戎剌^大,內(nèi)設(shè)若干排座椅。在動力室中,設(shè)有輔助動力裝置、冷凍機空調(diào)器和冷卻風扇等設(shè)備。此外還設(shè)有車輛轉(zhuǎn)向架,在車輛未浮起或減速停車著地時的輔助支持車輪,以及超導(dǎo)磁體、燃料電池等。

磁懸浮列車比照普通列車具有很多的優(yōu)點。

磁懸浮列車采用電力驅(qū)動,其發(fā)展不受能源結(jié)構(gòu)局限,能源的消耗量也較低,磁懸浮列車能源消耗僅是汽車的一半、飛機的四分之一;不僅如此,磁懸浮列車還不排放有害氣體。無污染,是一種名副其實的綠色交通工具。

磁懸浮列車造價及維護成本都比較低,磁懸浮線路的造價只是普通路軌的85%,磁懸浮列車的年運行維修費僅為總投資的12%,而輪軌列車高達44%,磁懸浮高速列車的運行和維修成本約是輪軌高速列車的1/4。磁懸浮列車的路軌壽命可達80年,而普通路軌只有60年。磁懸浮列車車輛的壽命是35年,輪軌列車是2025年。

 

在實驗研究過程中科技人員也發(fā)現(xiàn),目前,磁懸浮列車在某些方面也存在一些問題,這些問題還沒有得到有效地解決,因此,還不具備廣泛地推廣條件,不過,據(jù)研究人員稱磁懸浮列車的發(fā)展前景還是比較樂觀的。

  首先是安全方面還存在一定的問題。由于磁懸浮系統(tǒng)必須輔之以電磁力完成懸浮、導(dǎo)向和驅(qū)動,因此在斷電情況下列車的安全就不能不是一個要考慮的問題。此外,在高速狀態(tài)下運行時,列車的穩(wěn)定性和可靠性也需要長期的實際檢驗。還有,則是建造時的技術(shù)難題。由于列車在運行時需要以特定高度懸浮,因此對線路的平整度、路基下沉量等的要求都很高。

另外,磁懸浮另一大缺點是它的車廂不能變軌,不像軌道列車可以從一條鐵軌借助道岔進入另一鐵軌。這樣一來,如果是兩條軌道雙向通行,一條軌道上的列車只能從一個起點駛向終點,到終點后,原路返回。而不像軌道列車可以換軌到另一軌道返回。因此,一條軌道只能容納一列列車往返運行,這就會因軌道的使用率低而造成浪費。磁懸浮軌道越長,使用效率越低。

還有強磁場對人的健康,生態(tài)環(huán)境的平衡與電子產(chǎn)品的運行都會產(chǎn)生不良影響。如何避免強磁場對人體及環(huán)境的影響也有待進一步研究。

  由于,磁懸浮的許多問進一步題還沒有突破,因而在一些國家的試驗或暫時擱淺,或正在研究實驗。目前,只有我國在上海的一條磁懸浮列車在進行商業(yè)化運營,日本、德國等一些磁懸浮列車還都在進行試驗或是示范運營。

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