CN112848913A - 一种高温超导磁悬浮列车同步起落系统及场冷方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高温超导磁悬浮列车同步起落系统及冷却方法，同步起落系统包括同步起落单元与辅助支撑机构组成。在高温超导磁悬浮列车的场冷过程中，本申请可以实现多个悬浮杜瓦的同步场冷，有效提高悬浮杜瓦与永磁轨道间的定位精度，抑制垂向、横向定位误差及非同步场冷带来的承载性能分布不均衡、悬浮力衰减、横向漂移及侧滚等不足，提高了分布、大承载高温超导磁悬浮列车的悬浮导向性能、稳定性、可靠性与安全性，在高速电磁发射、磁悬浮交通运输领域中具有重要应用价值。

Description

一种高温超导磁悬浮列车同步起落系统及场冷方法

技术领域

本发明涉及磁悬浮列车领域，尤其涉及一种高温超导磁悬浮列车同步起落系统及场冷方法。

背景技术

在社会文明的发展历程中，人类从未停止过对速度的追求，高速列车的最高商业运行速度已经达到350 km/h，进一步提速将受到轮轨黏着力的限制，磁悬浮列车利用磁力实现无接触的支撑与导向，从而获得更高的运行速度。日本的低温超导电动磁浮列车实现了603 km/h的最高试验速度，美国的“超级高铁”首次实现低压管道内的载人测试，其理论时速可达1000 km，我国设计时速600 km高速磁浮试验样车在青岛下线，此外，基于高温超导块材钉扎悬浮的高温超导磁浮试验样车在西南交通大学下线，预期运行速度目标大于600 km/h。中国航天科工提出的“高速飞行列车”，最高设计时速达4000 km。同其它制式的磁浮列车比较，高温超导磁悬浮列车具有结构简单、超高速等优点，其理论最高时速达3000km。高温超导磁悬浮列车在运行前，为了获得自稳定的悬浮力与导向力，需要使固定在列车底部的悬浮杜瓦靠近永磁轨道，通过注入液氮对设置在悬浮杜瓦底部的高温超导材料进行有场冷却，悬浮杜瓦与永磁轨道间的垂向、横向相对位置决定了系统悬浮力、导向力的大小分配及稳定性，当列车由多个悬浮杜瓦提供支撑与导向时，如何确保多个悬浮杜瓦与单根永磁轨道保持一致的垂向、横向相对位置及同步场冷，对列车运行的安全性、可靠性与稳定性显得尤为重要。目前，相关装置与场冷技术以小规模、非自由悬浮状态下的基础实验研究为主，在高温超导磁悬浮列车的应用中，缺少专用于高温超导磁悬浮列车场冷的自动控制系统，有关技术方案采用标准件支撑或非同步升降机构对悬浮杜瓦的空间位置进行人工定位及升降控制，存在位置控制误差大，同时，难以保证悬浮杜瓦分布放置下的同步升降场冷。

发明内容

为了弥补高温超导磁悬浮列车场冷过程中，缺少专用的同步场冷自动控制装置，悬浮杜瓦与永磁轨道相对空间位置控制精度低、难以实现同步升降场冷等不足，本发明提供一种高温超导磁悬浮列车同步起落系统及冷却方法，能够实现高温超导磁悬浮列车的同步升降，精确控制系统的场冷过程，从而提高列车运行的悬浮导向性能、可靠性与安全性。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种高温超导磁悬浮列车同步起落系统，列车车体的底部两侧分别设有悬浮杜瓦，悬浮杜瓦的正下方设有固定在轨枕上的永磁轨道；所述同步起落系统包括同步起落单元与辅助支撑机构组成，所述同步起落单元包括电机、换向系统、传动轴系统和多个丝杆升降机，所述电机通过换向系统和传动轴系统与多个丝杆升降机连接，电机转动带动各丝杆升降机同步升降；所述辅助支撑机构包括支撑轮、横向导轮和辅助支撑轨，辅助支撑轨分别支撑于对应的丝杆升降机上并由丝杆升降机驱动升降，从而改变悬浮杜瓦与永磁轨道的相对位置；所述支撑轮连接于列车车体的底部，支撑轮和横向导向轮与对应辅助支撑轨滚动连接。

进一步的，所述换向系统包括第一级换向器和第二级换向器；所述传动轴系统包括横向传动轴和纵向传动轴，所述电机的输出轴与第一级换向器的输入端传动连接，第一级换向器的输出端通过横向传动轴与两侧的第二级换向器的输入端传动连接，所述第二级换向器的输出端通过纵向传动轴与各丝杆升降机传动连接。

进一步的，所述支撑轮和横向导轮通过H形机构连接，横向导轮对称分布于支撑轮的两侧，并与辅助支撑轨构成一个限位结构。

进一步的，所述辅助支撑轨由多段升降轨与固定轨组成，升降轨由其下方的同步起落单元驱动升降，固定轨位置保持不变。

进一步的，所述悬浮杜瓦的底部固定有高温超导材料，所述高温超导材料为高温超导块材、高温超导带材堆叠及线圈中的单一结构或组合排列结构。

进一步的，所述的永磁轨道为永磁体、电磁体、超导磁体中的单一结构或组合排列结构。

进一步的，所述辅助支撑轨为倒T形钢轨，所述丝杆升降机包括丝杆轴向运动结构或螺母轴向运动结构。

进一步的，所述的支撑轮与横向导轮为不锈钢或尼龙材质。

本发明高温超导磁悬浮列车同步起落系统，用于高温超导磁悬浮系统场冷过程的实施方法，其包括以下步骤：

1）使悬浮杜瓦正对永磁轨道，控制同步起落单元驱动辅助支撑轨上升，直到悬浮杜瓦与永磁轨道的间距达到预定的场冷高度；

2）向悬浮杜瓦中注入液氮，对高温超导材料进行冷却；

3）高温超导材料完全进入超导态后，控制同步起落单元驱动辅助支撑轨按预定的速度下降，当支撑轮与辅助支撑轨分离后，承载对象从辅助支撑轨的支撑转为永磁轨道的支撑，系统进入自由悬浮状态，辅助支撑轨返回初始位置后，停止同步起落单元驱动。

本发明高温超导磁悬浮列车同步起落系统，采用多个同步起落单元用于高温超导磁悬浮列车场冷过程的实施方法，其包括以下步骤：

1）升降轨与固定轨处于相同高度；

2）悬浮杜瓦正对永磁轨道，列车驶入辅助支撑轨区域，直至列车车体完全覆盖升降轨；

3）同步起落单元驱动升降轨按预定速度向上运动，使列车升起；

4）当悬浮杜瓦与永磁轨道间距达到预定的场冷高度后，同步起落单元停止驱动，向悬浮杜瓦内注入液氮，对高温超导材料进行冷却；

5）当高温超导材料完全进入超导态后，同步起落单元驱动升降轨按预定速度向下运动，列车降落，升降轨与永磁轨道共同为列车提供支撑；

6）列车脱离升降轨，永磁轨道产生的悬浮力抵消列车重力，永磁轨道为列车提供完全支撑；

7）当升降轨下降至固定轨相同高度后，同步起落单元停止驱动；

8）列车驶离辅助支撑轨区域。

本发明的有益效果是：

1、降低了手动定位与非同步升降带来的悬浮杜瓦与永磁轨道间的相对位置误差与操控难度；

2、能够实现多分布放置悬浮杜瓦的位置控制、同步升降及其速度控制；

3、在一般高温超导磁悬浮系统与高温超导磁悬浮列车的场冷过程中，实现系统高精度、同步与自由状态下的场冷控制；

4、有效提高悬浮杜瓦与永磁轨道间的定位精度，抑制垂向、横向定位误差及非同步场冷带来的承载性能分布不均衡、悬浮力衰减、横向漂移及侧滚等不足；

5、提高了分布、大承载高温超导磁悬浮列车的运行时的悬浮导向性能、稳定性、可靠性与安全性；

6、填补了高温超导磁浮列车场冷控制系统的空白，在高速电磁发射、磁悬浮交通运输领域中具有重要应用价值。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明；

图1为高温超导磁悬浮列车同步起落系统横向截面结构示意图；

图2为高温超导磁悬浮列车同步起落系统纵向截面结构示意图；

图3为高温超导磁悬浮列车同步起落单元三维结构示意图；

图4为高温超导磁浮列车同步起落单元分布示意图；

图5为高温超导磁浮列车场冷过程示意图。

具体实施方式

如图1-3所示，本发明一种高温超导磁悬浮列车同步起落系统，列车车体1的底部两侧分别设有悬浮杜瓦2，所述悬浮杜瓦2的底部固定有高温超导材料3，悬浮杜瓦2的正下方设有固定在轨枕5上的永磁轨道4；所述同步起落系统包括同步起落单元与辅助支撑机构组成，所述同步起落单元包括电机12、换向系统、传动轴系统和多个丝杆升降机9，所述电机12通过换向系统和传动轴系统与多个丝杆升降机9连接，电机12转动带动各丝杆升降机9同步升降；所述辅助支撑机构包括支撑轮6、横向导轮7和辅助支撑轨8，辅助支撑轨8分别支撑于对应的丝杆升降机9上并由丝杆升降机9驱动升降，从而改变悬浮杜瓦2与永磁轨道4的相对位置；所述支撑轮6连接于列车车体1的底部，支撑轮6和横向导向轮与对应辅助支撑轨8滚动连接。

所述换向系统包括第一级换向器11和第二级换向器14；所述传动轴系统包括横向传动轴10和纵向传动轴13，所述电机12的输出轴与第一级换向器11的输入端传动连接，第一级换向器11的输出端通过横向传动轴10与两侧的第二级换向器14的输入端传动连接，所述第二级换向器14的输出端通过纵向传动轴13与各丝杆升降机9传动连接，从而控制悬浮杜瓦2与永磁轨道4间的悬浮间隙。

优选的，同步起落单元由6台丝杆升降机9、3台换向器、1台电机12组成，最大承载15吨，升降行程100 mm。

所述支撑轮6和横向导轮7通过H形机构连接，横向导轮7对称分布于支撑轮6的两侧，并与辅助支撑轨8构成一个限位结构。

基于以上装置及工作原理，可以精确、可靠地实现高温超导磁悬浮系统的场冷过程，具体步骤主要包括：

（1）调节横向导轮7与辅助支撑轨8的横向距离，使车体1位于轨枕5中央正上方，悬浮杜瓦2正对永磁轨道4，通过电机12驱动丝杆升降机9，使悬浮杜瓦2与永磁轨道4的间隙达到预定的场冷高度；

（2）向悬浮杜瓦2中注入液氮，对高温超导材料3进行冷却，使所有高温超导材料进入超导态；

（3）高温超导材料3进入超导态后，通过电机12驱动丝杆升降机9，使车体1与悬浮杜瓦2整体按预定的速度下降，当支撑轮6与辅助支撑轨8分离后，车体1由辅助支撑轨8的支撑转为永磁轨道4的支撑，控制电机12停止驱动，系统进入自由悬浮状态。

优选的，所述的高温超导材料3为ReBa₂Cu₃O_7-x (ReBCO，Re为稀土元素)块材、带材堆叠及线圈的单一结构或组合排列结构。

优选的，ReBa₂Cu₃O_7-x (ReBCO，Re为稀土元素)块材为尺寸40mm×40mm×16mm的单籽晶正方形块材。

优选的，所述的永磁轨道4为永磁体、电磁体及超导磁体的单一结构或组合排列结构。

优选的，所述的永磁轨道4的永磁体组合排列结构横截面结构由7块磁化方向依次为水平向右、竖直向上、水平向左、竖直向下、水平向右、竖直向上、水平向左的磁体按halbach阵列排列。

优选的，所述的辅助支撑轨8为倒T形钢轨，所述的丝杆升降机9为丝杆轴向运动结构；所述的支撑轮6与横向导轮7分别为不锈钢与尼龙材质。

如图4所示，考虑整车车体1具有一定长度，根据车体1总重与同步起落单元的最大承载，在整车车体底部沿纵向设置多个同步起落单元，通过现场总线对同步起落单元进行同步控制，从而使整车车体1实现同步升降控制。

优选的，同步起落单元在每节车厢下方沿纵向均布3个。

如图5所示的高温超导磁浮列车场冷过程示意图，为便于该过程的描述，图中省略了支撑轮、悬浮杜瓦及永磁轨道等结构。辅助支撑轨由多段升降轨与固定轨组成，每一段升降轨下方设置一套同步起落单元，通过现场总线进行控制，实现多段分布放置的升降轨同步起落，固定轨放置于升降轨之间，仅用于列车的辅助支撑，不能升降。基于以上结构，列车的场冷过程包括：

(1)如图5（a）所示，使升降轨与固定轨处于相同高度，组成一根连续辅助支撑轨道，列车可以在该轨道的支撑与导向下行驶；

(2)如图5（b）所示，列车沿辅助支撑轨道运行至预定的位置，使列车完全覆盖升降轨；

(3)如图5（c）所示，同步起落单元驱动升降轨按预定速度向上运动，使列车整体向上升起；

(4)如图5（d）所示，当悬浮杜瓦与永磁轨道间的距离达到预定的场冷高度，同步起落单元停止驱动，向悬浮杜瓦内注入液氮，对高温超导材料进行冷却，直到所有高温超导材料进入超导态；

(5)如图5（e）所示，当所有高温超导材料进入超导态后，同步起落单元驱动升降轨向下运动，列车整体向下降落，列车的支撑由辅助支撑轨与永磁轨道共同提供；

(6)如图5（f）所示，永磁轨道产生的悬浮力抵消列车重力，列车的支撑完全由永磁轨道提供，列车脱离升降轨，同步起落单元继续驱动升降轨向下运动，直到升降轨与固定轨处于相同高度；

(7)如图5（g）所示，当升降轨与固定轨处于相同高度后，同步起落单元停止驱动，列车静止悬浮一段时间，确保悬浮与导向的可靠性与安全性；

(8)如图5（h）所示，列车悬浮与导向稳定后，通过直线电机牵引沿轨道方向运行，驶离辅助支撑轨区域；

可以看出，与手动定位与非同步升降比较，本发明的有益效果包括：提高了悬浮杜瓦与永磁轨道相对位置的定位精度，减小了垂向定位误差带来的悬浮力与导向力分配偏差，同时，减小了横向定位误差带来的悬浮力衰减与系统横向漂移。此外，通过多点联动的同步起落系统，实现了悬浮杜瓦分布设置下的同步场冷，提高了高温超导磁悬浮系统的稳定性与可靠性，特别是在高温超导磁浮列车的场冷过程中，减小了悬浮杜瓦定位误差与非同步场冷带来的列车承载分布不均衡与侧滚。

上面结合附图对本发明的实施加以描述，但是本发明不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式是示意性而不是加以局限本发明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (10)

1.一种高温超导磁悬浮列车同步起落系统，列车车体底部两侧分别设有悬浮杜瓦，悬浮杜瓦的正下方设有固定在轨枕上的永磁轨道；其特征在于：所述同步起落系统包括同步起落单元与辅助支撑机构组成，所述同步起落单元包括电机、换向系统、传动轴系统和多个丝杆升降机，所述电机通过换向系统和传动轴系统与多个丝杆升降机连接，电机转动带动各丝杆升降机同步升降；所述辅助支撑机构包括支撑轮、横向导轮和辅助支撑轨，辅助支撑轨分别支撑于对应的丝杆升降机上并由丝杆升降机驱动升降，从而改变悬浮杜瓦与永磁轨道的相对位置；所述支撑轮连接于列车车体的底部，支撑轮和横向导向轮与对应辅助支撑轨滚动连接。

2.根据权利要求1所述的一种高温超导磁悬浮列车同步起落系统，其特征在于：所述换向系统包括第一级换向器和第二级换向器；所述传动轴系统包括横向传动轴和纵向传动轴，所述电机的输出轴与第一级换向器的输入端传动连接，第一级换向器的输出端通过横向传动轴与两侧的第二级换向器的输入端传动连接，所述第二级换向器的输出端通过纵向传动轴与各丝杆升降机传动连接。

3.根据权利要求1所述的一种高温超导磁悬浮列车同步起落系统，其特征在于：所述支撑轮和横向导轮通过H形机构连接，横向导轮对称分布于支撑轮的两侧，并与辅助支撑轨构成一个限位结构。

4.根据权利要求1所述的一种高温超导磁悬浮列车同步起落系统，其特征在于：所述辅助支撑轨由多段升降轨与固定轨组成，升降轨由其下方的同步起落单元驱动升降，固定轨位置保持不变。

5.根据权利要求1所述的一种高温超导磁悬浮列车同步起落系统，其特征在于：所述悬浮杜瓦的底部固定有高温超导材料，所述高温超导材料为高温超导块材、高温超导带材堆叠及线圈中的单一结构或组合排列结构。

6.根据权利要求1所述的一种高温超导磁悬浮列车同步起落系统，其特征在于：所述的永磁轨道为永磁体、电磁体、超导磁体中的单一结构或组合排列结构。

7.根据权利要求1所述的一种高温超导磁悬浮列车同步起落系统，其特征在于：所述辅助支撑轨为倒T形钢轨，所述丝杆升降机包括丝杆轴向运动结构或螺母轴向运动结构。

8.根据权利要求1所述的一种高温超导磁悬浮列车同步起落系统，其特征在于：所述的支撑轮与横向导轮为不锈钢或尼龙材质。

9.基于权利要求1至8中任意一项所述的高温超导磁悬浮列车同步起落系统，用于高温超导磁悬浮系统场冷过程的实施方法，其特征在于：包括以下步骤：

1）使悬浮杜瓦正对永磁轨道，控制同步起落单元驱动辅助支撑轨上升，直到悬浮杜瓦与永磁轨道的间距达到预定的场冷高度；

2）向悬浮杜瓦中注入液氮，对高温超导材料进行冷却；

3）高温超导材料完全进入超导态后，控制同步起落单元驱动辅助支撑轨按预定的速度下降，当支撑轮与辅助支撑轨分离后，承载对象从辅助支撑轨的支撑转为永磁轨道的支撑，系统进入自由悬浮状态，辅助支撑轨返回初始位置后，停止同步起落单元驱动。

10.基于权利要求1至8中任意一项所述的高温超导磁悬浮列车同步起落系统，采用多个同步起落单元用于高温超导磁悬浮列车场冷过程的实施方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）升降轨与固定轨处于相同高度；

2）悬浮杜瓦正对永磁轨道，列车驶入辅助支撑轨区域，直至列车车体完全覆盖升降轨；

3）同步起落单元驱动升降轨按预定速度向上运动，使列车升起；

4）当悬浮杜瓦与永磁轨道间距达到预定的场冷高度后，同步起落单元停止驱动，向悬浮杜瓦内注入液氮，对高温超导材料进行冷却；

5）当高温超导材料完全进入超导态后，同步起落单元驱动升降轨按预定速度向下运动，列车降落，升降轨与永磁轨道共同为列车提供支撑；

6）列车脱离升降轨，永磁轨道产生的悬浮力抵消列车重力，永磁轨道为列车提供完全支撑；

7）当升降轨下降至固定轨相同高度后，同步起落单元停止驱动；

8）列车驶离辅助支撑轨区域。

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