CN112964486A - 一种高温超导磁悬浮侧向扰动测量系统 - Google Patents

一种高温超导磁悬浮侧向扰动测量系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高温超导磁悬浮侧向扰动测量系统，包括三维可移动滑台、悬浮系统轨道单元、悬浮端、测力限位端和侧向力传感器；三维可移动滑台包括底座、X轴滑台、Y轴滑台、Z轴滑台，Y轴滑台上设置置物平台；悬浮系统轨道单元固定于置物平台上；悬浮端包括悬浮主体、高度调节板、旋转轴；测力限位端包括连接顶板、两个激光位移传感器、两个限位导轨；两个激光位移传感器激光点关于悬浮端的Y向水平中轴线对称；两个限位导轨位于连接顶板两侧，下部均开设槽口，旋转轴沿限位导轨槽口纵向移动；连接顶板通过侧向力传感器与Z轴滑台连接。本发明可对悬浮端在侧向扰动下的垂直位移和水平倾斜角度进行实时测量。

Description

一种高温超导磁悬浮侧向扰动测量系统
技术领域
本发明涉及高温超导磁悬浮轨道交通运输领域，具体涉及悬浮车体在侧向扰动下，所产生的垂直位移和水平倾斜角度的测量方法，更具体的说，是涉及一种高温超导磁悬浮侧向扰动测量系统。
背景技术
传统的轨道运输方式，由于轮轨间粘着作用及其摩擦损耗，轮轨高铁的速度存在较大的局限性。而在磁悬浮轨道运输技术中，车辆与轨道之间没有直接接触，从根本上解决了限制轮轨速度提升的关键问题，其速度极限远远高于轮轨交通。
近些年发展起来的高温超导磁悬浮轨道运输是磁悬浮轨道交通运输的一个分支，其主要工作原理是高温超导材料的迈斯纳效应和钉扎效应。当处于超导状态时，超导块将受到下方磁性轨道作用在其上的悬浮力。在超导块受到侧向扰动产生横向偏移的时候，将受到与偏移方向相反的导向力，使得超导块可以实现“自稳定”悬浮。在实际应用中，侧向扰动主要包括轨道不平顺，侧风干扰，车体在弯道处所受的离心作用等。一方面，在产生横向偏移后，与悬浮力大小相关的背景磁场也发生了变化，超导块将处于非对称分布的磁场中；另一方面，侧向扰动的作用位置的不同将会影响悬浮端所受的合力矩的大小，因此，在侧向扰动下，车体除了会产生横向位移，还有可能产生垂向位移和水平倾斜。
在侧向扰动对车体稳定性影响的研究中，常用的测量方式主要有两种类型，一是将悬浮端进行固定，并测量其在给定位移下的受力，通过力值随位移的变化来分析悬浮端稳定性。二是搭建一段轨道-车体样机，让车体行驶一段具体，测量车体在一段行程内空间位置的振动响应。在这两种方法中，前者无法准确反映悬浮端在自由悬浮状态的下的实际位置状态的变化，后者需要搭建完整的行驶轨道和推进系统，实验成本较高，且针对不同轨道类型，不同车体结构的兼容性较低。所以，建立一个高温超导磁悬浮侧向扰动测量系统，测量和分析高温超导块材在不同轨道，不同工况下侧向扰动响应，是高温超导磁悬浮轨道交通技术研究的重要工作之一。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提出一种高温超导磁悬浮侧向扰动测量系统，可对悬浮端在侧向扰动下的垂直位移和水平倾斜角度进行实时测量，测量值可以在上位机分析平台进行观测和分析，并能储存至文本文档中，以便对数据进行后续处理。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
本发明高温超导磁悬浮侧向扰动测量系统，包括三维可移动滑台、悬浮系统轨道单元、悬浮端、测力限位端和侧向力传感器；
所述三维可移动滑台包括底座，所述底座上平行设置两个X轴滑台，两个X轴滑台之间垂直设置有Y轴滑台，所述Y轴滑台上设置有置物平台，所述底座上竖直设置有两根立柱，两根立柱之间垂直设置有Z轴滑台，所述Z轴滑台位于置物平台正上方且与Y轴滑台垂直；所述悬浮系统轨道单元固定于置物平台上端面；
所述悬浮端包括悬浮主体，所述悬浮主体的一组相对侧面均设置有高度调节板，每个高度调节板外端面均设置有滑动槽，每个滑动槽内均设置有旋转轴；
所述测力限位端包括连接顶板、激光位移传感器、限位导轨；所述激光位移传感器设置为两个，均固定于连接顶板底部，两个激光位移传感器的激光点关于悬浮端的Y向水平中轴线对称；所述限位导轨设置为两个，分别位于连接顶板的两侧，每个限位导轨顶部均与连接顶板固定连接，每个限位导轨下部均开设有槽口，且每个槽口均与其所在侧的悬浮端的旋转轴匹配对应，所述旋转轴沿限位导轨的槽口纵向移动；所述连接顶板通过侧向力传感器与Z轴滑台连接。
在电机控制下，所述Y轴滑台沿X轴滑台滑动，进而带动置物平台沿X方向移动；在电机控制下，所述置物平台沿Y轴滑台滑动，实现Y方向移动；在电机控制下，所述Z轴滑台沿立柱竖直运动，进而带动测力限位端沿Z方向移动。
所述悬浮系统轨道单元采用由永磁体或电磁铁组成的任意结构形式的轨道单元。
所述悬浮主体为放置单块或多块高温超导块材的单个杜瓦容器，或为多个杜瓦容器连接构成的车体悬浮架。
两个高度调节板外端面的滑动槽位于悬浮端的Y向水平中轴线上，每个旋转轴均沿其所在的滑动槽纵向移动，所述旋转轴相对于悬浮主体的位置均通过高度调节板的滑动槽进行调节，以实验位于不同高度上的侧向干扰的影响。
所述三维移动滑台、悬浮端和测力限位端均为非导磁材料。
所述侧向力传感器和激光位移传感器的实时测量值通过数据采集系统收集，并传输至上位机分析平台，在上位机分析平台中，通过一定的计算公式，对采集的数据进行转换和处理，最终可以得到悬浮端实时的侧向受力、侧向位移、垂直位移和水平倾斜角，并将数据保存至文本文档中。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
本发明弥补了现有磁悬浮测量技术的不足之处，可以对高温超导磁悬浮系统中悬浮端的侧向扰动进行动态测量。通过测量值能够从悬浮端垂向位移和水平倾斜角两个方面，直观的分析悬浮端的侧向稳定性，可以更加便捷的建立高温超导磁悬浮列车侧向稳定性与各因素之间的联系。测量装置结构简单，便于实现和操作，且具有较高的兼容性，可以配合不同的轨道类型和悬浮端类型进行测量。
附图说明
图1是本发明高温超导磁悬浮侧向扰动测量系统的结构总图；
图2是本发明中悬浮端的结构示意图；
图3是本发明中测力限位端的结构示意图；
图4是悬浮端倾斜角和垂直位移计算示意图；
图5是测量过程中悬浮端和测力限位端的配合示意图；
其中，(a)未悬浮状态，(b)悬浮状态，(c)侧向扰动状态。
附图标记：1三维可移动滑台；101Y轴滑台；102X轴滑台；103Z轴滑台；104置物平台；105底座；106立柱；2悬浮系统轨道单元；3悬浮端；301高度调节板；302旋转轴；303悬浮主体；4测力限位端；401连接顶板；402激光位移传感器；403限位导轨；5侧向力传感器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。
如图1所示，本发明高温超导磁悬浮侧向扰动测量系统，包括三维可移动滑台1、悬浮系统轨道单元2、悬浮端3、测力限位端4和侧向力传感器5。所述三维移动滑台1、悬浮端3和测力限位端4及其相关配件均为非导磁材料。
所述三维可移动滑台1包括底座105，所述底座105上平行设置两个X轴滑台102，两个X轴滑台102之间垂直设置有Y轴滑台101，所述Y轴滑台101上设置有置物平台104，所述底座105上竖直设置有两根立柱106，两根立柱106之间垂直设置有Z轴滑台103，所述Z轴滑台103位于置物平台104正上方且与Y轴滑台101垂直。测力限位端4通过侧向力传感器5与Z轴滑台103固定连接。在电机控制下，所述Y轴滑台101沿X轴滑台102滑动，进而带动置物平台104沿X方向移动；在电机控制下，所述置物平台104沿Y轴滑台101滑动，实现Y方向移动；在电机控制下，所述Z轴滑台103沿立柱106竖直运动，进而带动测力限位端4沿Z方向移动。在X轴滑台102、Y轴滑台101、Z轴滑台103的作用下，置物平台104与测力限位端4可实现空间三维的相对运动。
所述悬浮系统轨道单元2固定于置物平台104上端面。所述悬浮系统轨道单元2采用由永磁体或电磁铁组成的任意结构形式的轨道单元。
如图2所示，所述悬浮端3包括悬浮主体303，所述悬浮主体303的一组相对侧面均设置有高度调节板301，每个高度调节板301外端面均设置有滑动槽，每个滑动槽内均设置有旋转轴302。其中，所述悬浮主体303为放置单块或多块高温超导块材的单个杜瓦容器，或为多个杜瓦容器连接构成的车体悬浮架。两个高度调节板301外端面的滑动槽位于悬浮端3的Y向水平中轴线上，每个旋转轴302均沿其所在的滑动槽纵向移动，所述旋转轴302相对于悬浮主体303的位置均通过高度调节板301的滑动槽进行调节，以实验位于不同高度上的侧向干扰的影响。
如图3所示，所述测力限位端4包括连接顶板401、激光位移传感器402、限位导轨403。所述激光位移传感器402设置为两个，均固定于连接顶板401底部，两个激光位移传感器402的激光点关于悬浮端3的Y向水平中轴线对称。所述限位导轨403设置为两个，分别位于连接顶板401的两侧，在实验过程中，限位导轨403须位于悬浮端3的Y向水平中轴线上，每个限位导轨403顶部均与连接顶板401固定连接，每个限位导轨403下部均开设有槽口，且每个槽口均与其所在侧的悬浮端3的旋转轴302匹配对应，所述旋转轴302的尺寸需与限位导轨403的槽口尺寸匹配，所述旋转轴302沿限位导轨403的槽口纵向移动。所述连接顶板401通过侧向力传感器5与Z轴滑台103连接。
所述侧向力传感器5和激光位移传感器402的实时测量值通过数据采集系统收集，并传输至上位机分析平台，在上位机分析平台中，通过一定的计算公式，对采集的数据进行转换和处理，最终可以得到悬浮端实时的侧向受力、侧向位移、垂直位移和水平倾斜角，并将数据保存至文本文档中。
在实验准备阶段，需将悬浮系统轨道单元2放置于置物平台104上并固定，悬浮端3放置于悬浮系统轨道单元2正中央。调整两个激光位移传感器402的激光点，使其关于悬浮端3的Y向水平中轴线对称。
在实验的过程中，当悬浮端3进入悬浮状态，旋转轴302在限位导轨403的槽口中垂向移动至预定悬浮高度后，三维可移动滑台1通过电机控制进行X向移动，带动悬浮系统轨道单元2沿X向移动，使得悬浮端3相对于悬浮系统轨道单元2产生X向偏移。此时，由于超导块的钉扎作用，悬浮端3将受到与水平偏移方向相反的导向力，该值可由侧向力传感器5测得，并实时传输至上位机中。同时，由于偏移过程中悬浮力的变化，使得悬浮端3发生垂直高度的变化和水平倾斜，两个激光位移传感器402的数值将发生不同程度的改变。
根据图4可以看到，由于旋转轴302和限位导轨403的作用，悬浮端3垂直位移和水平倾斜都以旋转轴302的轴心为基准，图中Sa和Sb分别为两个激光位移传感器402的激光发射点，两发射点之间的水平距离为ds。虚线矩形为悬浮端3的初始位置，实线矩形为悬浮端3实时位置，激光位移传感器402的激光点关于处于初始位置的悬浮端3的Y向水平中轴线对称。Za0和Zb0分别为两个激光位移传感器的初始测量值，Za1和Zb1分别为两个激光位移传感器的实时测量值。
从图中可以看出，悬浮端在实时位置的倾斜角α可以由下式计算得到。
Figure BDA0002963378040000051
悬浮端中心的垂直位移Sz可由下式计算得到，
Figure BDA0002963378040000061
其中，S2是旋转轴轴心到悬浮端上边缘的距离，Δza＝za1-za0,Δzb＝zb1-zb0。
将该计算表达式输入上位机分析软件中，即可在显示平台中，观察悬浮端在与轨道发生水平相对位移的过程中的垂直位移和水平倾斜角。
实施例1：
本发明中的悬浮系统轨道单元2选用E型电磁铁，放置在三维可移动滑台1的置物平台104上并固定。悬浮端3的悬浮主体303为尺寸为60mm*30mm*30mm的方形杜瓦，杜瓦内放置两块直径为30mm，高度为15mm的YBCO超导块材，并通过螺丝进行压固。
在实验准备阶段，悬浮端3放置在E型电磁铁的中柱上方，并使两者水平中轴线对齐，调整置物平台104的位置，使得两个激光位移传感器402的激光点落在悬浮端3的上面板上，且关于其Y向水平中轴线对称。记录此时两激光点之间的距离ds。调整限位导轨403的高度，使得旋转轴302进入限位导轨403的槽口，如图5(a)所示。
开始实验后，打开数据采集系统，在冷却超导块至完全进入超导态后，增加E型电磁铁的励磁电流以增加超导块材周围的磁场，根据迈斯纳效应，超导块材受到向上的悬浮力，当悬浮力的大小超过悬浮端的重力时，悬浮端3开始进入悬浮状态。之后，随着磁场的继续增大，悬浮高度逐渐增加，由于超导块的钉扎效应和限位导轨的限制，此时悬浮端3只在垂直方向上移动，不会发生水平倾斜，如图5(b)所示。
当悬浮端3到达预定悬浮位置时，利用电机控制置物平台104沿x轴向移动一定距离。此间，由于悬浮端3与E型电磁铁的水平中轴线之间产生相对偏移，受钉扎力的作用，超导块受到与运动方向相反的导向力，该力值的大小可视为此时悬浮端3所受的侧向扰动力，经由侧向力传感器5测得后，显示在上位机分析平台中。
与此同时，由于悬浮端3的X向偏移，超导块上所受的悬浮力不再关于其水平中轴线对称，再加上侧向扰动力和钉扎力合力矩的作用，悬浮端3将发生水平倾斜，如图5(c)所示。两个激光位移传感器402的数值将分别发生相应的变化，测量值传输至上位机后，通过预先设置好的计算公式，可得到悬浮端3的实时垂直位移和偏转角度，并显示在分析平台中。
实施例2：
本发明中的悬浮系统轨道单元2选用永磁体阵列，放置在三维可移动滑台1的置物平台104上并固定。其余组件与实施例1相同。
在实验准备阶段，悬浮端3放置在永磁体阵列的正中位置，用非导磁材料(如高密度泡沫)垫高一定高度，保证悬浮端3与永磁体阵列的水平中轴线对齐。调整置物平台104的位置，使得两个激光位移传感器402的激光点落在悬浮端3的上面板上，且关于其Y向水平中轴线对称。记录此时两激光点之间的距离ds。调整限位导轨的高度，使得旋转轴302进入限位导轨403的槽口并到达一定深度，如图5(a)所示。
开始实验后，打开数据采集系统，在冷却超导块至完全进入超导态后，缓慢撤去悬浮端3下方的非导磁材料。受重力影响，悬浮端3将首先下落，之后由于内部的超导块材周围磁场的变化，使其随即受到向上的悬浮力，当悬浮力的大小等于悬浮端的重力时，悬浮端3达到稳定悬浮。在此过程中，由于超导块的钉扎效应和限位导轨403的限制，悬浮端3只在垂直方向上移动，不会发生水平倾斜，如图5(b)所示。
在完成稳定悬浮后，其余测量分析步骤与实施例1完全一致。
尽管上面结合附图对本发明的功能及工作过程进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体功能和工作过程，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (7)

1.一种高温超导磁悬浮侧向扰动测量系统，其特征在于，包括三维可移动滑台(1)、悬浮系统轨道单元(2)、悬浮端(3)、测力限位端(4)和侧向力传感器(5)；
所述三维可移动滑台(1)包括底座(105)，所述底座(105)上平行设置两个X轴滑台(102)，两个X轴滑台(102)之间垂直设置有Y轴滑台(101)，所述Y轴滑台(101)上设置有置物平台(104)，所述底座(105)上竖直设置有两根立柱(106)，两根立柱(106)之间垂直设置有Z轴滑台(103)，所述Z轴滑台(103)位于置物平台(104)正上方且与Y轴滑台(101)垂直；所述悬浮系统轨道单元(2)固定于置物平台(104)上端面；
所述悬浮端(3)包括悬浮主体(303)，所述悬浮主体(303)的一组相对侧面均设置有高度调节板(301)，每个高度调节板(301)外端面均设置有滑动槽，每个滑动槽内均设置有旋转轴(302)；
所述测力限位端(4)包括连接顶板(401)、激光位移传感器(402)、限位导轨(403)；所述激光位移传感器(402)设置为两个，均固定于连接顶板(401)底部，两个激光位移传感器(402)的激光点关于悬浮端(3)的Y向水平中轴线对称；所述限位导轨(403)设置为两个，分别位于连接顶板(401)的两侧，每个限位导轨(403)顶部均与连接顶板(401)固定连接，每个限位导轨(403)下部均开设有槽口，且每个槽口均与其所在侧的悬浮端(3)的旋转轴(302)匹配对应，所述旋转轴(302)沿限位导轨(403)的槽口纵向移动；所述连接顶板(401)通过侧向力传感器(5)与Z轴滑台(103)连接。
2.根据权利要求1所述的高温超导磁悬浮侧向扰动测量系统，其特征在于，在电机控制下，所述Y轴滑台(101)沿X轴滑台(102)滑动，进而带动置物平台(104)沿X方向移动；在电机控制下，所述置物平台(104)沿Y轴滑台(101)滑动，实现Y方向移动；在电机控制下，所述Z轴滑台(103)沿立柱(106)竖直运动，进而带动测力限位端(4)沿Z方向移动。
3.根据权利要求1所述的高温超导磁悬浮侧向扰动测量系统，其特征在于，所述悬浮系统轨道单元(2)采用由永磁体或电磁铁组成的任意结构形式的轨道单元。
4.根据权利要求1所述的高温超导磁悬浮侧向扰动测量系统，其特征在于，所述悬浮主体(303)为放置单块或多块高温超导块材的单个杜瓦容器，或为多个杜瓦容器连接构成的车体悬浮架。
5.根据权利要求1所述的高温超导磁悬浮侧向扰动测量系统，其特征在于，两个高度调节板(301)外端面的滑动槽位于悬浮端(3)的Y向水平中轴线上，每个旋转轴(302)均沿其所在的滑动槽纵向移动，所述旋转轴(302)相对于悬浮主体(303)的位置均通过高度调节板(301)的滑动槽进行调节，以实验位于不同高度上的侧向干扰的影响。
6.根据权利要求1所述的高温超导磁悬浮侧向扰动测量系统，其特征在于，所述三维移动滑台(1)、悬浮端(3)和测力限位端(4)均为非导磁材料。
7.根据权利要求1所述的高温超导磁悬浮侧向扰动测量系统，其特征在于，所述侧向力传感器(5)和激光位移传感器(402)的实时测量值通过数据采集系统收集，并传输至上位机分析平台，在上位机分析平台中，通过一定的计算公式，对采集的数据进行转换和处理，最终可以得到悬浮端(3)实时的侧向受力、侧向位移、垂直位移和水平倾斜角，并将数据保存至文本文档中。
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