Опрос

Какие рубрики вам наиболее интересны?

View Results

Loading ... Loading ...

Наши партнеры

  • .

Последние комментарии

Поезда на магнитном подвесе.

Опубликовал Сергей 18 февраля 2012 в рубрике Технологии.

Поезда на магнитном подвесеИнтенсивный рост грузовых и пассажирских перевозок вызвал сложные проблемы экологии и привел к необходимости создания новых, более эффективных систем общественного транспорта.
Общепризнанно, что в области наземного транспорта наиболее предпочтительными являются технические решения, в которых отсутствуют колёса и механический контакт между экипажем и путевым полотном. Установлено, что наиболее полно требованиям экономного расходования энергии, бесшумности и малого загрязнения окружающей среды отвечает транспорт с магнитным подвесом экипажа и линейным тяговым электроприводом.

Анализ различных технических решений таких видов транспорта для скоростей до 500 км/ч показал, что основным фактором, сдерживающим их развитие является относительно сложная, дорогая и малонадёжная магнитная подвеска.
Так, наиболее развитая электромагнитная подвеска на силах притяжения к ферромагнитным балкам пути требует эстакады, быстродействующих регуляторов воздушного зазора (1 см) между путевым полотном и электромагнитами, имеет относительно большой вес. Большое количество весьма сложного электротехнического оборудования в каждом вагоне снижает надежность и экономичность такого транспорта.

Другое направление предлагает использование электродинамического подвеса на основе сверхпроводящих соленоидов на экипаже и электропроводящих контуров тока в путевом полотне. Недостатки этого направления обусловлены следующими факторами:
возможность проникновения мощного магнитного поля подвески в салон экипажа;
высокая стоимость и опасность криогенного оборудования соленоидов;
высокая стоимость электропроводящих контуров пути;
необходимость применения опорных колес типа шасси самолета, так как «всплытие» экипажа под действием магнитных сил подвеса происходит при скорости более 80 км/ч;
создание подъёмной силы сопровождается возникновением тормозной магнитной силы и большими потерями мощности (1300 кВт для вагона весом 40 т. при скорости 400 км/ч);
работа электродинамического подвеса сопряжена с возможными медленно затухающими колебаниями экипажа в вертикальной плоскости, что требует применения демпфирующих контуров с регулируемым автоматически током. То есть, весьма существенное преимущество такой подвески, связанное с предполагаемым ранее отсутствием регуляторов зазора, уменьшается при введении регуляторов демпфирования.
Устройство подвешивания экипажа, основанное на силах взаимного отталкивания постоянных магнитов, размещаемых в виде полос на пути и экипаже, неустойчиво в горизонтальной плоскости. Для его стабилизации необходима направляющая система, которая может быть выполнена в виде управляемых электромагнитов, направляющих роликов и т.п. К ее недостаткам следует также отнести высокую стоимость пути, его малую надежность и поломку при попадании в зазор (1,5 см) между магнитами посторонних предметов.

Различные варианты комбинированных систем, выполненных из рассмотренных выше конструктивных узлов, не дали приемлемых результатов.
В предполагаемом техническом решении для магнитного подвеса экипажа применен линейный асинхронный двигатель, индуктор которого установлен на экипаже, а вторичный элемент — в пути (рис. 1).
При подключении индуктора магнитного подвеса к источнику двухфазного переменного тока пониженной частоты (1 Гц) по его двухфазной обмотке, расположенной между зубцами, будут протекать токи пониженной частоты. Они создадут бегущее магнитное поле, скорость которого Von пропорциональна частоте тока питания подвеса.
Магнитное поле токов будет проходить через воздушные зазоры «б» между индикатором и блоками вторичного элемента, а также слой алюминия толщиной «∆» и зубцово-пазовые слои упомянутых блоков, ферромагнитные спинки. Обмотки вторичного элемента состоят из алюминиевых стержней, соединенных электрически со слоями алюминия, а их магнитопроводы — из магнитно- соединенных зубцов и спинок.
Под действием бегущего магнитного поля индукцией В в алюминиевых стержнях и слоях толщиной «∆» обмоток блоков наводится ЭДС Е2, пропорциональная В0 и Von. По известным формулам получаем, что мощность потерь во вторичном элементе пропорциональна квадрату Е. и обратно пропорциональна сопротивлению слоев и стержней. Нn она же равна и произведению Von на подъёмную силу Fn.
Тогда, в свою очередь, подъёмная сила предлагаемого электромагнитного подвеса для индуктора длиной 1 м пропорциональна квадрату индукции, удвоенной скорости магнитного поля, и обратно пропорциональна электрическому сопротивлению слоев и стержней.
Отсюда очевидны методы увеличения подъёмной силы подвеса: снижение сопротивления обмоток вторичного элемента, увеличение индукции В в рабочем зазоре. Однако необходимо учитывать, что при заданном полосном делении обмотки увеличение В сопряжено с уменьшением зазора «б» или повышением токов индуктора, сечения его магнитных зубцов, а также усилением магнитолровода вторичного элемента. При увеличении тока возрастают потери мощности в индукторе. Увеличение индукции приводит к утяжелению магнитной системы вторичного элемента и уменьшению расхода алюминия на единицу длины пути.
Для создания подъемной силы Fn, направленной вверх, необходимо, чтобы бегущее магнитное поле индуктора подвеса двигалось вниз, как это показано на рис. 1. Переключением питания фаз обмотки индуктора, возможно, изменить направление скорости Von поля и, соответственно, силы Fn. В этом случае сила Fn будет действовать в одном направлении с силой тяжести, прижимать основание индуктора к опоре скольжения, что позволит форсировать процесс торможения экипажа. Это свойство характерно только для данной подвески.
В отличие от магнитной подвески, использующей силы притяжения электромагнитов к ферромагнитной полосе пути (варианты ФРГ и СССР), где были трудности в получении зазоров более 1 см, в данной подвеске возможно без применения регуляторов получать значительно большие зазоры — 3 — 5 см и более. Данные признаки упрощают конструкцию и эксплуатацию пути и подвижного состава.

Рис.1.

Рис. 1. Конструкция магнитного подвеса и электропривода экипажа на базе линейных асинхронных машин:
1 — индуктор магнитного подвеса; 2 — вторичный элемент; 3 — крышка; 4,5 — зубцы и обмотка индуктора подвеса; 6,7 — токопроводящая клетка и магнитопровод вторичного элемента; 8 — основание; 9—платформа; 10 — кузов экипажа;11, 12 — пружины; 13 —демпфер; 14 — штанга; 15 — цилиндрический шарнир; 16 — опора скольжения; 17 — кронштейн;18 — упор;19 — штанга. Von — скорость магнитного поля: Fn — подъёмная сила подвеса: Вб — индукция рабочего зазора подвеса

Рис.2.

Рис.2. Конструкция тягового линейного асинхронного двигателя:
1 — индуктор тягового привода; 2 — вторичный элемент; 3 — магнитопровод индуктора привода; 4 — нажимные плиты индуктора привода; 5 — зубцы индуктора привода; 6 — катушки обмотки индуктора привода; 7 — основание.

С другой стороны, если не принять мер, величина перемещения индуктора вверх может быть столь большой, что он упрется в крышку вторичного элемента, а это недопустимо. Возможны варианты ограничения подъема индуктора. На рис. 1 показано приобретение такого свойства за счет уменьшения сечения стержней обмотки в верхней части вторичного элемента и их исключения вблизи крышки. Увеличение сопротивления обмотки в названном месте позволяет снизить величину подъёмной силы в случае подъёма индуктора до данного уровня, что исключает касание индуктором крышки вторичного элемента при порожнем вагоне.
Подбором толщины «∆» токопроводящего слоя вторичного элемента возможно изменять величину тока в нем, наклон силовых линий магнитного поля В и величину стабилизирующей силы, перпендикулярную к вертикальной плоскости Х-У. Самоустановке индуктора по продольной оси вторичного элемента способствует возможность его основанию смещаться в горизонтальной плоскости благодаря штангам и цилиндрическим шарнирам.
Расчётом ориентировочно определено энергопотребление подвеса на одну тонну подъемной силы. Для скорости поля 0,2 м/с оно составило 3 кВт: 2 кВт — во вторичном элементе и I кВт — в индукторе. Расход энергии подвесом на одного пассажира массой 100 кг при коэффициенте тары, равном 1, составит 0,6 кВт.ч за 1 ч движения. Ее стоимость равна 0,6 руб., что приемлемо. Оптимизация конструкции и режима электропитания подвеса позволит при необходимости снизить его энергопотребление. При расчётах не учтены потери в стали, индуктивность обмотки вторичного элемента, продольный краевой эффект, что оправдано ввиду малой частоты тока и скорости магнитного поля.

Рис.3.

Рис.3.Рис. 3. Транспорт на магнитном подвесе (ограждения торцов и бортов в нижней части вагона сняты):
1— кузов; 2 — платформа; 3 — вторичный элемент ЛАД подвеса и тяги; 4 — индуктор магнитного подвеса; 5 — опора скольжения; 6 — фигурная шпала; 7 — токосъёмник; 8, 9 — амортизаторы; 10 — штанга шарнирного подвеса; 11— кронштейн; 12 — основание: 13 — контактные рельсы токопровода.

Зубчатость конструкции магнитопровода вторичного элемента способствует снижению тормозных магнитных сил подвеса при движении экипажа со скоростью более 100 км/ч.
Выполнение обмотки индуктора подвеса из алюминия в сочетании с малым объемом стали (только зубцы) способствует снижению их удельной массы до 50 кг на 1 т подъёмной силы, что позволяет создавать легкие поезда на магнитном подвесе. Индукторы имеют длину около 1 м.
Конструкция тягового линейного асинхронного двигателя (ЛАД) пояснена рис. 2. В качестве вторичного элемента двигателя использован вторичный элемент подвески. Это снижает стоимость пути и упрощает конструкцию транспорта. Обмотка индуктора собрана из кольцевых катушек (типа Грамма), которые одеты на шихтованный ферромагнитный сердечник. Между катушками располагаются приставные ферромагнитные зубцы. Данную обмотку легко выполнить посредством соединения катушек в виде трехфазной или двухфазной. Рабочие зазоры двигателя образованы между зубцами и токопроводящими слоями вторичного элемента. Для уменьшения потерь энергии на процессы «входа-выхода» контуров вторичного элемента в рабочий зазор предусматривается снижение магнитной индукции в нем к торцам приблизительно до 30% этого параметра в средней части двигателя. Общее число полюсов индуктора — 10, его мина — 2 м.
Аналогично рассмотренной выше подвеске при взаимодействии бегущего магнитного поля с вторичным элементом возникает изгиб силовых линий магнитного поля в рабочем зазоре двигателя, но не в вертикальных, а в горизонтальных плоскостях. Благодаря этому явлению, достигается самостабилизация зазоров между индуктором и вторичным элементом двигателя. Индукторы тяговых двигателей установлены на основаниях аналогично индукторам подвески. Тяговое усилие двигателя передается платформе посредством штанг и цилиндрических шарниров. Для улучшения условий прохождения криволинейных участков пути индуктор тягового двигателя может быть разделен по длине на несколько блоков, его обмотка это позволяет сделать с использованием блоков практически любой длины.
Высокая степень чистоты (шлифовка и полировка) рабочих поверхностей индукторов подвеса и тяги, а также их антифрикционное покрытие исключают образование задиров на поверхности вторичного элемента при его соприкосновении с индукторами. Такие соприкосновения происходят в нештатных режимах (отключение электропитания и др.).
Место расположения индукторов тяговых двигателей по длине экипажа определяются индивидуально для каждого конкретного проекта.
Управление работой двигателей производится посредством полупроводниковых преобразователей частоты, получающих питание постоянным током через двухпроводную троллейную сеть.
Компоновка транспорта на магнитном подвесе с линейным асинхронным приводом представлена на рис. 3.
На основе электромагнитной подвески переменного тока и линейного асинхронного привода, возможно, спроектировать относительно легкий подвижной состав. Весьма существенным его качеством является отсутствие регуляторов зазоров в подвесе и двигателе, возможность относительно простого «парения» экипажа над путевым полотном в состоянии его покоя и при движении. Магнитный подвес обеспечивает более равномерное распределение давления экипажа на путь. Так колесные опоры движения магистрального железнодорожного транспорта имеют 22,5 т/ось. Здесь же можно обойтись давлением 1 т на метр погонный и менее. Это открывает возможности создания более легкого путевого полотна, его экономной прокладки по поверхности, огражденной в условиях города забором, относительно легкой эстакаде, в туннеле типа метро. В последнем случае имеется возможность сократить диаметр туннеля с 5.1 м (Московское метро) до 3 м и площадь его сечения приблизительно в 3 раза. Это позволит сократить стоимость подземных сооружений.
Комбинированная прокладка пути позволит иметь оптимальные трассы, сократить капитальные вложения и сроки прокладки новых путей в условиях крупного города.
Что касается скорости данного транспорта, то рационально начинать с ее минимального значения, определяемого городскими условиями. По мере освоения систем электрооборудования и конструкции пути увеличивать скорость движения применительно к требованиям пригородного и междугородного сообщения.
Система электромагнитного подвеса и линейного асинхронного двигателя имеет простую по сравнению с колесными опорами и приводом вращательного движения кинематику ходовой части, обеспечивающую передачу больших транспортных усилий бесконтактным способом, что, безусловно, позволит повысить надежность и скорость наземного транспорта, улучшить его технико-экономические параметры.

Рис.4.

Рис. 4. Поезд для ремонтно-спасательных робот:
1 — пассажирский вагон; 2 — ремонтная платформа; 3 — кран; 4 — привод поезда; 5 — опорные колёса с подрезиненым ободом.

Транспорт на магнитном подвесе относится к общественному рельсовому транспорту. Его применение в перевозке пассажиров позволит в ряде случаев сократить время пребывания пассажира в пути, стоимости проезда, будет способствовать снижению потока легковых автомобилей. Последний фактор улучшит экологию городов и пригородных зон, снизит количество жертв от дорожно-транспортных происшествий на автодорогах. Их число по России растет и превышает 40 тыс. человек в год. Еще больше число травмированных людей. Закономерность столкновения автомобилей аналогична столкновениям частиц газа или плазмы. Число столкновений автомобилей за 1 ч пропорционально квадрату концентрации автомобилей на единицу изучаемой площади, т.е. тенденция развития индивидуального автотранспорта, особенно в крупных городах и их пригородных зонах, имеет негативные признаки. В этих случаях целесообразно развивать общественный транспорт. К такому выводу пришли специалисты и население США и многих стран Европы. Что касается традиционных видов общественного транспорта (метро, электричка, трамвай, троллейбус, автобус), то их развитие и повышение технико-экономических показателей в условиях сложившихся городов и пригородных зон во многих случаях проблематично.

Поезда же па магнитном подвесе, ввиду отмеченных выше преимуществ, имеют возможность способствовать развитию необходимого для населения общественного транспорта.
В случае неисправности системы электроснабжения, путевого полотна или подвижного состава на магнитном подвесе, транспортирующего пассажиров, к требуемому месту направляется специальный поезд, который состоит из ремонтной платформы и легких пассажирских вагонов (рис. 4). Поезд имеет ребордные колёса, которые совершают движение по вторичным элементам пути транспорта на магнитном подвесе. Привод колёс производится от двигателя внутреннего сгорания или от электродвигателей. Во втором случае питание электродвигателей происходит от накопителей энергии (аккумуляторы и т.п.).
Для подъёма элементов конструкции пути или подвижного состава на магнитном подвесе ремонтная платформа поезда имеет подъёмный кран, а для ремонтно-восстановительных работ соответствующий инструмент.
При необходимости эвакуация пассажиров из поезда на магнитном подвесе к ближайшей станции проводится в вагонах специального поезда. Пересадка пассажиров из одного поезда в другой происходит с использованием переносных лестниц и необходимых ограждений.
Транспортировка вагонов поезда на магнитном подвесе (при неработающем подвесе) к ближайшей станции по вторичным элементам пути проводится при подаче сжатого воздуха между основанием подвески и опорой скольжения (см. рис. 1, рис. 3) из резервуаров этого поезда. Сжатый воздух уменьшает силу трения и снижает необходимое от специального поезда тяговое усилие.

Читайте также:

ГОРНОЛЫЖНЫЕ HI-TECH.
ЛУННОЕ БУДУЩЕЕ ЗЕМНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ.
АММОНИТ ДЛЯ ВЕШНИХ ВОД
УКРОЩЕНИЕ РЫЖЕЙ СТРОПТИВИЦЫ

Метки:

Написать комментарий

RSS

rss Подпишитесь на RSS для получения обновлений.