新能源和磁悬浮在未来交通中的应用毕业设计正文

./新能源与磁悬浮在未来交通中的应用摘要文中阐述了我国经济发展取得了举世属目的成就,但是大气污染严重影响了我们的正常生活；能源有效利用率低及能源短缺严重制约了经济的可持续发展。我们必须开发出新能源和能耗低的交通工具。在这些客观条件下,氢能源和磁悬浮列车诞生了,氢能源具有清洁、高效、储量大的优点；而磁悬浮列车兼有飞机和火车的优点,而且能耗极低,而更具前景的则是它的升级版—真空磁悬浮列车。在开发新能源方面,氢能源的制取和应用技术日益成熟,如此发展下去,21世纪将注定是以氢能源取代以碳为主要能源的时代。虽然氢能源有较多优点,但是氢能源不方便运输,更重要的是直接作为内燃机燃料的效率只有38%。我们只有将氢能源转化为电能,这样才能大大提高能源利用率,降低能耗。电能堪称是新能源和磁悬浮中间的桥梁,开发新能源、新能源的转化和磁悬浮技术的应用在未来交通运输中相当重要。磁悬浮列车能源利用率极高。并且它采用电力驱动,其发展不受能源结构,特别是燃油供应的限制,不排放有害气体,它具有快速、低耗、安全、经济、无污染等优点,发展磁悬浮列车势在必行。关键词:能源供应；可持续发展；氢能源；磁悬浮列车；真空管道运输AbstractThepaperindicatesthatChinahasachievedoutstandingprogressinitseconomy,buttheairpollutionseriouslyaffectsournormallife;Lowenergyeffectiveutilizationandenergyshortagesseriouslyrestrictsthesustainabledevelopmentoftheeconomy.Wehavetodevelopnewenergyandlowenergyconsumptionoftransportation.Undertheseobjectiveconditions,hydrogenenergyandmaglevtrainwasborn.Hydrogenenergyhastheadvantagesofcleanness,highefficiencyandlargereserve;maglevtrainhastheadvantagesofbothplanesandtrains,andlowenergyconsumption,butitismorepromisingitsupdatedversion-vacuummaglevtrain.Inthedevelopmentofnewenergy,makingandapplicationofhydrogenenergytechnologymatures,so,the21stcenturyisdestinedtoreplacehydrogenwithcarbonasthemainenergyera.Althoughhydrogenenergyhasmoreadvantages,buthydrogenisnoteasytotransportanddirectlyasaninternalcombustionenginefuelefficiencyisonly38%.Weshouldhavehydrogenenergyintoelectricalenergy,soastogreatlyimproveenergyefficiencyandreduceenergyconsumption.Electricityisthemiddlebridgeofnewenergyandmaglev.Thedevelopmentofnewenergy,newenergytransformationandapplicationofmagneticsuspensiontechnologyisquiteimportantinthefuturetransportation.Maglevtrainenergyutilizationrateisextremelyhigh.Anditusestheelectricdrive,whosedevelopmentisnotaffectedbytheenergystructure,especiallythelimitedfuelsupply.Inaddition,noharmfulgasemissions,itisfast,lowconsumption,security,economic,pollution-freeetc.Therefore,thedevelopmentofmaglevtrainisimperative.keywords:Energysupply;sustainabledevelopment;Hydrogenenergy;Maglevtrain；Thevacuumpipelinetransport目录TOC\o"1-3"\h\u257281课题研究背景和意义1145562发展新能源的必要性278712.1改善环境的迫切性 2145662.2现有三大能源短缺性严重制约经济的可持续发展 3268653新能源在交通发展中应用3305893.1新能源分类 3248963.2氢能源自然界储量十分丰富 3203373.3氢能源作为主要内燃机燃料 4326073.4氢燃料汽车的应用发展 4187544提高能源利用率5171515磁悬浮列车6263235.1世界第一条商业性运营线 9230795.2磁悬浮列车的原理 9176255.2.1悬浮与推进原理1082945.2.2导向原理12158105.3新型磁悬浮列车原理与设计 1232815.3.1该新型的磁悬浮列车的优势17175775.3.2该新型的磁悬浮列车的道岔1878765.4磁悬浮列车模型举例计算 20311015.5磁悬浮发展优势 2193225.5.1我国具备发展磁悬浮列车的需求22204265.5.2常规列车受力分析24289025.6磁悬浮铁路的发展趋势 26278495.6.1真空管道磁悬浮系统的优点26165555.6.2真空管道磁悬浮技术的意义27324716结语 299608参考文献 308649致谢 31.1课题研究背景和意义人类创造了文明,也创造了汽车。汽车的诞生使人类逐步步入现代化的文明进程。120余年的汽车发展史在人类历史长河仅是一瞬间,但汽车的诞生和发展却给人类社会带来了巨大而深刻的变化。汽车以其惊人的数量、卓越的性能和广泛的用途渗透到人类活动的各个领域,成为21世纪现代文明的主要标志,人类不可缺少的生存和发展趋势的伙伴。汽车是工业革命中最有影响、最具代表性的机械,因而自从汽车诞生以来,他一直领导着工业产品的新潮流；代表不同时期人类对美的追求,在一定程度上反映出该时代文化科学技术水平。自1978年改革开放以来,中国经济一直保持快速发展,国内生产总值<GDP>从1978年的3645.2亿元增加到20XX的519322亿元按照可比价格比算,年平均增长率达到9.3%。经济的繁荣刺激着交通的发展,特别是道路交通的发展。中国机动车保有量的增加速度大大高于GDP发展速度,〔20XX上半年全国机动车总保有量达2.33亿辆,其中汽车1.14亿辆,摩托车1.03亿辆。中国成为仅次于美国的世界第二大汽车王国因而对汽、柴油的需求增长也特别快。能源短缺使未来交通走向新能源、低能耗。开发新能源和提高能源有效利用率是未来交通运输的主要课题。21世纪人类面临交通的最大困境就有四个方面：地面拥堵,能源的依赖,环境破坏,面对自然不可抗拒因素和人为因素的安全问题。其中对石油的依赖问题已经日趋严重,与此同时,美国能源部预测：石油受其储量的影响其价格在稳定15年之后会出现大幅上涨,出现供给萎缩,而依赖石油的航空领域会遭受噩梦般的打击。各种依赖石油作为能源动力的运输工具将会阻碍社会的进步和发展。因此,有前瞻性的开发能替代石油的新能源和不过分依赖石油的交通运输方式迫在眉睫。虽然当今世界己经进入了全球化时代,但是我们的交通运输方式却难以适应全球化的需求。今天的跨国交通仍与上个世纪相差不大；就是在国内两个中心城市之间的旅行也不轻松,坐火车要十几个小时,坐飞机算上机场巴士和安检的时间也得耗上半天。虽然城市轨道交通能在一定程度上缓解客流运输的拥挤,但是它并不是解决问题的良医妙药,不能在根本上解决全球经济化给我们带来的交通运输瓶颈。城市地铁造价昂贵,换乘不便,并且由于运行速度偏低而导致人均使用能源不经济,但它还给环境和噪声污染带来不少压力。现代物流在通讯技术上已经很现代化了,在网上下订单几分钟就可以搞定,但是一个集装箱的货物从中国原产地运到美国消费者手中也要十天半月。信息化的高速高效与交通运输的低速度形成巨大反差,经济全球化呼唤21世纪的交通运输现代化,交通运输瓶颈面临着一场技术革命。因此,未来交通运输需要新的高速运输模式。那种<以往>认为只有人的运输才需要高速度,货运没必要高速的认知已经彻底的成为过去。管道化运输是一个有前景的方向,一方面可以提高物流配送效率,另一方面减少地面交通拥挤压力和对环境的污染。但管道中的运行车体如果采用传统的轮轨车辆模式,则货物运输速度不会有很大提高。真空管道磁悬浮列车系统就是一种未来可以依赖的交通运输方式。它能解决由于我们人类过于依赖不可再生能源所要面临的能源枯竭问题,且能让我们的交通运输方式有质的变化。与传统交通方式相比,该系统有以下几个显著优点：①运营速度可以比飞机还要快捷②比铁路运输还要安全可靠；③可以像公共汽车一样高频率的发车,乘客可以不必在忍受晚点之痛,更不需要忍受取消预订的车次之苦④比火车更舒适,廉价⑤该技术不受地理位置,天气影响,可以适用在地球各个角落。因此发展真空管道磁悬浮列车势在必行。2发展新能源的必要性2.1改善环境的迫切性环境是当今世界普遍关注的重大课题,这是因为环境是人类赖以生存和发展的基础,如果人类的生存环境遭到破坏,将严重阻碍社会经济的发展和威胁人类的健康与生存。在诸多的环境问题中,大气污染是一个十分严重的问题。大气是人类生存不可缺少的最基本条件,但由于人类活动和自然过程引起的某些物质介入到大气中,使大气中固有的正常成分中增加了新的有害成分,一旦积累到足够的浓度,达到足够的时间,就会对人类活动、动植物以及环境造成危害。大气污染之所以发展成一个问题,首先是由于人类对能源的无节制利用,其次是城市人口的增加。18世纪产业革命和工业革命后,工业用的燃料更多,对大气的污染更加严重。到了19世纪,燃煤释放的烟气已成为严重污染问题。20世纪中叶后,工业发达国家的汽车数量急剧增加,并在城市高度集中,汽车排放的尾气已发展成为城市主要大气污染问题。由于城市人口的集中使局部大气中的污染物浓度提高,而且难以稀释和扩散出去,从而使空气污染问题更为严重。2.2现有三大能源短缺性严重制约经济的可持续发展世界能源主要包括石油、天然气、煤炭。我国是一个能源短缺的国家,但却是一个能源消耗大国。经济的可持续发展在很大程度上依赖于能源供应。按照当前的能源资源开采速度,各种一次能源可供应年限,石油8.3年；天然气24.2年；煤炭42年。汽车工业面临的最大挑战就是能源的消耗及尾气排放对环境的污染。目前虽有电动汽车及混合动力汽车已开发出来并陆续上市,但大部分仍在以汽油、柴油为燃料。所以说从未来汽车工业的发展趋势来看,要想让汽车摆脱对化石燃料的依赖,研发以太阳能氢能源为动力的汽车已经势在必行了,它也必将得到市场的认可。3新能源在交通发展中应用3.1新能源分类一是来自地球外部天体的能源：主要是太阳能〔除直接辐射外,还能为风能、水能、生物能和矿物能源等的产生提供基础；二是地球本身蕴藏的能量：通常指与地球内部的热能有关的能源和与原子核反应有关的能源,如原子核能、地热能等。温泉和火山爆发喷出的岩浆就是地热的表现；三是地球和其他天体相互作用的能量：如潮汐能等；四是氢能源。3.2氢能源自然界储量十分丰富在自然状态下,大气中只含有微量的氢气,因此要想利用氢气必须依靠提取。制取氢气的资源很多,如煤、石油、天然气、水等,都可用来制取氢气。尤其是水,在地球上的储量极其丰富,更重要的是其可再生和重复利用。所以氢气不像煤、石油、天然气等有较大的自然储量,但作为长期来源的资源是非常丰富的。这为氢气的广泛研究和使用提供了保障。氢的制取方法有水分解制氢；生物制氢<1细菌制取氢气如红螺菌,2用绿藻生产氢气3酶制取氢气>。生物制氢思路1966年提出,1990年后受到空前重视。从1990年开始,德、日、美等一些发达国家成立了专门机构,制订了生物制氢的发展计划,通过对省去制氢技术的基础性和应用性研究,在21世纪中叶实现工业化生产。3.3氢能源作为主要内燃机燃料传统的小轿车,功率一般在几十千瓦左右,而太阳辐射功率至多1kW/㎡,目前的光电转换效率小于30%。因此全部用太阳能驱动传统的轿车,需要几十平方米的接收面积,显然难以达到。但在传统汽车上可以用太阳能作为辅助动力,以减少常规燃料的消耗,而且现代汽车的电器化程度曰益提高,各辅助设备的耗电量也因此急剧增加。所以未来汽车必以电能、氢燃料为主驱动力,太阳能为汽车辅助设备的能源,其中电能来自太阳能、风能、水能、生物能、矿物能源、地热能、潮汐能及原子核能。这就构成了太阳能和其他能源混合驱动汽车。氢气可谓是最清洁最理想的能源,新能源太阳能氢能系统是全世界各国的研究方向。3.4氢燃料汽车的应用发展人类一直在寻找替代汽油的清洁能源,氢被众多汽车厂家及行业专家认为是最具可行的替代能源之一。氢能汽车是以氢为主要能量的汽车。氢能汽车分两类：1氢燃料汽车；2氢燃料电池汽车。氢燃料汽车不污染环境,是一种友好的绿色交通工具。缺点是燃烧效率低,大约只有38%,且由于氢燃料热值高、火焰传播速度快和着火范围宽等,氢燃料发动机容易发生早燃、回火、敲缸、负荷高以及氮氧化合物排放偏高等情况。氢燃料电池汽车是利用氢燃料电池发出的动力系统驱动电动机,带动汽车行驶,所以它是一种电动汽车。氢燃料电池汽车分三类：1全氢燃料电池,即汽车的动力全部来源于氢燃料电池；2氢燃料电池盒其他电池〔如太阳能电池板的混合系统即太阳能氢能系统；3氢燃料电池与内燃机组成混合动力。氢燃料汽车无污染、效率高、噪声低,且随着燃料电池制造技术的提高和成本低的降低,将会是未来的主要交通工具。早在1984年宝马公司就着手开发以氢为燃料的氢内燃机,经过20多年努力,世界第一辆氢/汽油双燃料汽车BMW745iTurbo诞生了,它奠定了这一新技术应用的基础。1999年第一家公共液氢加气站在慕尼黑开始运营。20XXBMW实验车型H2R赛车在位于法国密拉玛的BMW高速试车场创造了9项氢气内燃机车记录。最高时速达300km/h以上,破百时间被严格控制在了6s以内,并获得FIA确认。20XX,宝马推出世界第一款氢动力豪华轿车——BMW氢能7系,最小转弯直径12.6m,综合油耗为汽油13.9L/100km;综合氢耗,液氢3.6kg/100km;排放达标为EU4;汽油模式续驶里程为500km;液氢模式续驶里程200km;总续驶能力为700km;0~100km/h加速时间为9.5s;最高车速为230km/h。福特汽车公司成为世界首个正式生产氢燃料发动机的汽车制造商。福特E-450型氢燃料巴士的动力装置于20XX在北美国际汽车展览会上首次亮相。在使氢成为切实可行的发动机燃料的征程中,氢内燃机技术迈出了重要的一步。日本的马自达公司早在20XX便在东京车展上展出了名为RX-8HydrogenRE的燃烧后完全无污染的氢气燃料汽车。马自达RX-8HydrogenRE是全球第一辆同时搭载氢燃料与转子发动机科技的先进环保车,配置高压氢燃料和汽油油箱,可同时使用汽油与氢气,为车辆提供动力来源。20XX,由XXXX江奎科技有限公司、清华大学、奇瑞汽车三方自主研发的"示范性氢燃料轿车研制项目"通过国家级专家组评审,中国第一辆具有完全自主知识产权的以氢燃料为动力的轿车研制成功,标志着中国氢动力技术已达国际同步领先水平。20XX6月18日,我国自主研制的第一台高效低排放氢内燃机在XX长安汽车集团城地实现点火。高效低排放氢内燃机是国家"863"计划唯一立项的氢燃料重点项目,它的成功点火标志着我国氢内燃机研究技术获得突破性进展,为氢内燃机的产业奠定基础。4提高能源利用率现有三大能源即将枯竭,主要原因是储量有限；二是过度开发；三是没有合理有效利用及能源有效利用率低。开发出的新能源必须提高利用率,否则供不应求的态势还在阻碍经济的可持续发展。新能源中太阳能、风能、水能、原子核能、地热能、潮汐能我们都转化为电能,建立了各式电站。电能方便运输,有效利用率高。我们研究的氢燃料汽车不污染环境,是一种友好的绿色交通工具但是燃烧效率低,大约只有38%,显然直接作为内燃机燃料很浪费的,如果转化为电能应用于磁悬浮列车将大大降低能耗.据日本研究与实际试验的而结果,在500km/h的时速下能耗仅为飞机的1/3。据德国实验,当磁悬浮列车达到400km/h时,其每座位公里能耗与时速300km/h高速轮机列车持平；而当磁悬浮列车时速也降到300km/h时,它的每座位公里能耗可比轮机铁路低33%。磁悬浮的发展是最有潜力,最有发展必要的。磁悬浮将是21世纪新型现代化的高速交通工具。5磁悬浮列车图5-1行驶中的磁悬浮列车图5-2实验室中的磁悬浮列车第一条轮轨铁路出现在1825年,经过140年努力,其运营速度才突破200km/h,由200km/h到300km/h又花费了近30年,虽然技术还在完善发展,继续提高速度的余地已不大,而困难却很大,还应注意到,轮轨铁路提高速度的代价是很高的,300km/h高速铁路的造价比200km/h的准高速铁路高近俩倍,比120km/h的普通铁路高三至八倍,继续提高速度,其造价还将继续上升。高速公路和航空业的发展,铁路面临着严重挑战,因为传统的轮轨粘着式铁路是利用车轮和钢轨的粘着力使列车前进的,而其粘着系数又随着速度的增加而减小,走行阻力却随着速度的增加而增大。当速度超过粘着系数曲线和阻性阻力曲线的焦点时,速度就不可能再进一步提高了。如果要想再进一步提高速度,同时又要做到更加安全、舒适,减轻振动和噪音,减少能耗,降低运输成本,那么,传统铁路将是难以办到的。与之相比世界上第一个磁悬浮列车小型模型是1969年在德国出现的,日本是1972年造出的,可仅仅十年后的1979年,磁悬浮列车技术就创造了517km/h的速度记录。目前技术已经成熟,可进入500km/h的实用运营的建造阶段。它克服了传统轮机铁路提高速度的主要障碍,发展前景广阔。磁悬浮列车是由无接触的电磁悬浮、导向和驱动系统组成的新型交通工具,磁悬浮列车分为超导型和常导型两大类。简单地说,从内部技术而言,两者在系统上存在着是利用磁斥力、还是利用磁吸力的区别。从外部表象而言,两者存在着速度上的区别：超导型磁悬浮列车最高时速可达500公里以上〔高速轮轨列车的最高时速一般为300—350公里,在1000至1500公里的距离内堪与航空竞争；而常导型磁悬浮列车时速为400～500公里,它的中低速则比较适合于城市间的长距离快速运输。磁悬浮列车利用"同性相斥,异性相吸"的原理,让磁铁具有抗拒地心引力的能力,使车体完全脱离轨道,悬浮在距离轨道约1厘米处,腾空行驶,创造了近乎"零高度"空间飞行的奇迹。在这行研究中,德国和日本起步最早,但俩国采用的制式完全不同,德国采用常导磁吸式,而日本则采用超导磁斥式,在车辆和线路结构上,在悬浮、导向和推进方式上虽然不同,然而基本原理却是一样的。日本已在九州宫崎等几条试验线上悬浮运行,创造了517km/h的速度记录,但因常温下的超导材料尚未出现,还未能投入商业性的载人运行。日本的专家信心十足地认为他们的磁悬浮列车将是"最有发展前途的列车"为适应竞争的需要,日本还要修建50km长的试验线,一条从扎幌道千叶机场,另一条是连接东京至甲府的中央线。德国经系统的研究,创造了快捷、安全、可靠地地面运输系统。在300~500km速度范围,能量消耗和噪音明显降低,乘客的舒适度比较高。系统设计特别考虑了安全性、运行可靠性和环境的影响,广泛使用了成熟的部件技术,因而将复杂度、维修量和危害大幅度减少。此外,所有关键系统高度冗余保证了列车安全、可靠。在农村,速度高达300~500km.在市区,最高速可达300km/h.与其他工具相比,在相同速度下,污染少、噪音小、能耗低、占地少等优点。在我国磁悬浮已在上海运行,上海磁悬浮列车是世界上第一段商业运行的磁悬浮列车,设计时速430km/h,实际时速380km/h,但是由于技术方面等问题,我国磁悬浮耗资较大,所以一直没有大力推广。但是,我们可以看到磁悬浮列车的发展前景相对其他交通工具是最广阔的。5.1世界第一条商业性运营线我国举世属目的上海磁悬浮列车示范线是中国第一条集城市交通、观光、旅游于一体的世界第一条商业性运营线。该示范线西起上海地铁二号线龙阳路站南侧,东到浦东国际机场一期航站楼东侧,线路全长29。863公里,总投资约89亿元人民币。这列当今世界上最酷的列车,带车头的车厢长27.196米,宽3.7米。中间的车厢长24.768米,14分钟内能在上海市区和浦东机场之间打个来回。置身其中,您将亲身体验到这架"陆地客机"所带来的奇异感受。乘客不会有不适感。轨道全线两边50米范围内装有目前国际上最先进的隔离装置。磁悬浮列车的车窗是减速玻璃,乘客可以更好的观赏窗外的风景。减速玻璃在与车体接触的边缘处有弧度变形,正因为这个弧度可以使车外景物在透过弧度时发生变形,从而影响车内乘客的视觉,产生减速的效果。并且在挡风玻璃边缘都有渐淡的点状黑色装饰边,同样也起到一定效果。它是21世纪理想的超级特别快车,世界各国都十分重视发展磁悬浮列车。磁悬浮列车是一种采用无接触的电磁悬浮、导向和驱动系统的高速列车系统。磁悬浮列车具有快速、低耗、安全、经济、无污染等优点。磁悬浮列车从北京运行到上海,不超过4个小时,从XX至上海只需23分钟。在时速达200公里时,乘客几乎听不到声响。磁悬浮列车采用电力驱动,其发展不受能源结构,特别是燃油供应的限制,不排放有害气体。据专家介绍,磁悬浮线路的造价只是普通路轨的85%,而且运行时间越长,效益会更明显。因为,磁悬浮列车的路轨寿命可达80年,而普通路轨只有60年。磁悬浮列车车辆的寿命是35年,轮轨列车是20至25年。此外,磁悬浮列车的年运行维修费仅为总投资的1．2%,而轮轨列车高达4．4%。磁悬浮高速列车的运行和维修成本约是轮轨高速列车的1/4。磁悬浮列车和轮轨列车乘客票价的成本比约为1:2.8。5.2磁悬浮列车的原理传统的铁路列车都是依靠诸如蒸汽、燃油、电力等各种类型机车作为牵引动力,车轮和钢轨之间的相互作用作为运动导向,由车轮沿着钢轨滚动而前进的。而磁悬浮列车则是一种依靠电磁场特有的"同性相斥、异性相吸"的特性将车辆托起,使整个列车悬浮在线路上,利用电磁力进行导向,并利用直线电机将电能直接转换成推进力,来推动列车前进的交通工具。虽然磁悬浮列车仍然属于陆上有轨交通运输系统,并保留了轨道、道岔和车辆转向架及悬挂系统等许多传统机车车辆的特点,但由于列车在牵引运行时与轨道之间无机械接触,因此从根本上克服了传统列车轮轨粘着限制、机械噪声和磨损等问题,是一种新型的载运工具,其速度介于轮轨高速列车<400km/h>与飞机<700km/h>之间,而造价比地铁低。如上海地铁造价为每公里人民币8亿元,而上海磁悬浮试验线的造价约每公里人民币3亿元。磁悬浮列车按悬浮方式可分为常导磁吸型和超导排斥型两大类。常导磁吸型以德国高速常导磁悬浮列车为代表。它是利用普通直流电磁铁电磁吸力的原理,由车上常导电流产生电磁引力,吸引轨道下的导磁体,使列车浮起。常导磁吸型技术较简单,产生的电磁吸力相对较小,悬浮的气隙较小,一般为8mm～10mm。常导型高速磁悬浮列车的速度可达400km/h～500km/h,适合于城市间的长距离快速运输。超导排斥型磁悬浮列车以日本为代表。它是利用超导磁体产生的强磁场在列车运行时与布置在地面上的线圈相互作用,产生电动斥力将列车悬起,悬浮气隙较大,一般为100mm左右,技术相当复杂,并需屏蔽发散的电磁场,速度可达500km/h以上。根据行驶速度的不同,又可分为高速型和中低速型。超导磁悬浮列车的最主要特征就是其超导元件在相当低的温度下所具有的完全导电性和完全抗磁性。超导体由超导材料制成的超导线圈构成,它不仅电阻为0,而且可以传导普通导线根本无法比拟的强大电流。磁悬浮列车的研究和制造涉及自动控制、电力电子技术、直线推进技术、机械设计制造、故障检测与诊断、通讯与信号控制等众多学科,技术十分复杂。5.2.1悬浮与推进原理磁悬浮列车利用"同性磁极相斥,异性磁极相吸"的原理,让磁铁具有抗拒地心引力的能力,使车体完全脱离轨道,悬浮在距离轨道约10mm处,腾空行驶。磁悬浮列车的驱动运用同步直线电动机的原理。在位于轨道俩侧的线圈里流动的交流电,能将线圈变为电磁体。由于它与列车上的超导电磁体的相互作用,就使列车开动起来。列车前进是因为列车头部的电磁体〔N级被安装在靠前一点的轨道上的电磁体〔S级所吸引,并且同时又被安装在轨道上稍后一点的电磁体〔N级所排斥。当列车到达下一位置,在线圈里流动的电流流向就反转过来了。其结果就是原来那个S级线圈,现在变为N级线圈了,反之亦然。这样,列车由于电磁铁极性的转换而得以持续向前奔驰。根据车速,通过电能转换器调整在线圈里流动的交流电的频率和电压。同推进原理相同,当列车需要减速时,就在相当于定子的悬浮电磁铁中通入反向交流电流,这样产生的与列车行进方向相反的磁场就会给列车一制动力,使得列车减速。此时加速与减速作用时间相等。另外,如不通入反向电流而停止通电,一样能得到减速刹车的效果,只是加速度较小。磁悬浮列车主要由悬浮系统、推进系统和导向系统三大部分组成。由于磁铁有同性相斥和异性相吸两种形式,磁悬浮列车因此也有两种相应工作形式：一种是以德国为代表的常规磁铁吸引时悬浮系统━━━EMS系统,它利用常规的电磁铁与一般铁磁性物质相吸引的基本原理,把列车吸引上来,悬空运行。另一种是以日本为代表的排斥悬浮系统━━━EDS系统,它使用超导的磁悬浮原理,使车轮与钢轨之间产生排斥力,使列车悬空运行。不同的悬浮系统,其悬浮原理不同。磁悬浮列车上装有电磁体,铁路底部则安装线圈。通电后,地面线圈产生的磁场极性与列车上的电磁体极性总保持相同,两者"同性相斥",排斥力使列车悬浮起来。铁轨两侧也装有线圈,交流电使线圈变为电磁体。它与列车上的电磁体相互作用,使列车前进。列车头的电磁体〔N极被轨道上靠前一点的电磁体〔S极所吸引,同时被轨道上稍后一点的电磁体〔N极所排斥,结果是一"推"一"拉"。这样,列车由于电磁极性的转换而得以持续向前奔驰。1.EMS系统悬浮原理电磁悬浮系统〔EMS是一种常导吸力悬浮系统,它是结合在机车上的电磁铁和导轨上的铁磁轨道相互吸引产生悬浮。常导磁悬浮工作时,首先调整车辆下部的悬浮和导向电磁铁的电磁吸力,与地面轨道俩侧的绕组发生磁铁反作用将列车浮起。在车辆下部的导向电磁铁与轨道磁铁的反作用下,使车轮与轨道保持一定的侧向距离,实现轨道在水平方向和垂直方向的无接触支撑和无接触导向。车辆与行车轨道之间的悬浮信息间隙为10mm,s是通过一套高精度电子调整系统得以保证的。此外由于悬浮和导向实际上与列车运行速度无关,所以即使在列车停车状态下列车仍然可以进入悬浮状态。磁悬浮车辆结构主要是由车体〔也称为车厢夹层结构和悬浮架组成。车厢与走行机构的悬浮架之间通过二系悬挂以及牵引拉杆相互连接。夹层要连接车厢和安装走行机构,以及安装信号和电力设备等。悬浮架是车辆的走行机构,其作用是装载电磁铁,且将悬浮力、导向力、牵引力和制动力通过二系悬挂系统传递给车厢。2.EDS系统悬浮原理电力悬浮系统〔EDS是一种斥力悬浮系统,它利用了超导体的完全导电性和完全抗磁性。超导体的完全导电性。超导体的完全导电性是指在相当低的温度下超导态电阻为零的特性,当电阻为零时,可以传导超大电流。超导态的另一个基本性质是抗磁性,即在磁场中一个超导体只要处于超导态,则它内部产生的磁化强度与外磁场完全抵消,从而内部的磁感应强度为零。也就是说,磁力线完全被排斥在超导体外面。因而超导体能够支撑体积小功率强大的电磁铁,利用超导的抗磁性可以实现磁悬浮。如果把一块磁铁放在超导盘上,由于超导盘把磁感应线排斥出去,超导盘跟磁铁之间有排斥力,就可以使磁铁悬浮在超导盘的上方。超导磁悬浮就是利用了这一悬浮原理。由于导轨产生的悬浮磁场为感应磁场,列车运行速度越高则悬浮力越大。当列车运行速度低于120km/h之后,所产生的悬浮力较小,不足以支撑车辆悬浮。故当运行速度低于120km/h时,日本的超导磁悬浮车辆需依靠安装在转向架底部的车轮支撑行驶,当速度高于120km/h时,车辆就自动悬浮起来。车辆以500km/h的速度运行时,其悬浮高度约为10cm。5.2.2导向原理导向系统是用一种侧向力来保证悬浮的机车能够沿着轨道的方向运动的系统。必须的推力与选福利类似,在机车底板上的同一块电磁铁可以同时为导向系统和悬浮系统提供动力,也可以采用独立的导向系统电磁铁。5.3新型磁悬浮列车原理与设计为了克服现有磁悬浮列车普遍存在投资大、造价高、轨道路面平整度要求高、技术要求高等缺点,本人设计了一种悬浮和导向简单、并且节能效果明显的新型磁悬浮列车。该新型磁悬浮列车综合利用德国EMS制的磁吸力原理、日本EDS制的磁斥力原理以及美国magplane和UrbanMaglev方案中的悬浮原理。以下具体分析其结构及工作原理：该磁悬浮列车主要有车载悬浮磁体1、悬浮铝板2、推进磁体6、驱动绕组7、车体8和路轨9。该实施例的悬浮铝板2分别敷设在路轨竖直轨道面面上悬浮阵列。其中两列悬浮阵列呈竖直放置,左右各一列,具体来说就是：悬浮铝板2敷设在路轨的两条竖直的平行轨道面壁上,悬浮铝板2与悬浮铝板2左右相向排列,车载悬浮磁体1竖直地非接触性地插入路轨悬浮铝板2之间形成悬浮阵列,车载悬浮磁体1表面积最大的面与悬浮铝板2表面积最大的面相向平行,其磁轴垂直于悬浮铝板表面积最大的面。该悬浮系统和导向系统合二为一,悬浮系统既用于列车悬浮又用于列车导向〔如下图3所示,图3中车载悬浮磁体1采用铷铁硼等强力永久磁体,也可采用电磁体、超导磁体等。图5-31为车载悬浮磁体、2为悬浮铝板、6为推进磁体、7为驱动绕组、8为车体、9为路轨。新型磁悬浮列车综合利用德国EMS制的磁吸力原理、日本EDS制的磁斥力原理以及美国magplane和UrbanMaglev方案中的悬浮原理,将车载悬浮磁体非接触性地插入悬浮铝板之间,利用磁体与铝板作相对运动在铝板内产生感应电流及感应磁场的原理来实现列车的悬浮和导向,其性能比其他磁悬浮系统更为优越,是一种很有发展潜力的新一代磁悬浮列车。1.悬浮原理：当列车处于整个轨道的正中央运行时,由于车载悬浮磁体1非接触性地插入悬浮铝板2之间,根据磁体与导体作相对运动将在导体内产生感应电流的原理〔楞次定律,当车载悬浮磁体1与悬浮铝板2作相对运动时,悬浮铝板2里产生感应电流,感应电流的磁场与车载悬浮磁体1的磁场方向相反,悬浮铝板2与车载悬浮磁体1之间出现磁斥力。在竖直的悬浮阵列中,F1和F3分别代表磁悬浮列车的车载悬浮磁体1和悬浮铝板2相对运动产生的磁斥力,F1和F3沿竖直方向的合力起着列车悬浮的作用,F1和F3沿水平方向的合力起着列车导向的作用。该悬浮列车的悬浮力随列车速度增大而变大,列车在启动时有最低的悬浮速度,因而它有小辅助轮,当列车低于该速度运行时,车体由轮子支撑运行,当列车达到某一个速度时,列车起浮,车速达到两、三百公里,悬浮非常明显,达到四、五百公里,悬浮更高。总之,车速越快悬浮越高。图5-4实施方案的悬浮力示意图2.导向原理：当列车处于整个轨道的正中央运行时,列车左悬浮阵列沿水平方向的合力与列车右悬浮阵列沿水平方向的合力都为零。但当列车不处于轨道正中央时,则左右合力不为零。当列车向左偏移时,列车右悬浮阵列的车载悬浮磁体1会向该悬浮阵列的左悬浮铝板靠近而远离该悬浮阵列的右悬浮铝板,此时,F1大于F3,列车右悬浮阵列沿水平方向的合力向右；同样原理可以得出列车左悬浮阵列沿水平方向的合力也向右,这样列车被迫右移。当列车向右偏移时情况正好相反,列车受到沿水平方向的总合力向左,这样列车被迫左移。因此,只有列车在整个轨道的正中央位置时,列车受到沿水平方向的合力才为零,这样就保证了列车在任何速度下都能稳定地处于轨道中心行驶。3.推进原理：实施方案的推进系统主要有驱动绕组和推进磁体,该推进系统分两种〔即长定子和短定子：第一种推进系统由轨道路面中间的驱动绕组和列车底部中间的车载推进磁体构成,作为直线电机的定子〔即驱动绕组沿着轨道连续分布,而作为车载推进磁体的转子固定在列车上,推力由轨道上驱动绕组的交流电流产生；该推进系统系统采用分段供电,大约2～3km为一个供电区,每个供电区通过沿线分布的供电柜供电,使驱动绕组与列车下面的车载推进磁体或者动力集成绕组产生电感应而驱动,实现非接触性牵引和制动,由于列车推进系统的驱动绕组<定子电枢>安装在路轨上,功率电源放置在地面,用接力的方式驱动车辆运行,运行更加可靠。由于不需要受流轨供电,所以列车运行无须馈电线和集电弓。第二种推进系统由轨道路面中间的推进磁体和列车底部中间的车载驱动绕组构成,推进磁体的定子沿着轨道连续分布,而作为直线电机的转子〔即驱动绕组固定在列车上,推力是由列车驱动绕组的交流电流产生的,驱动绕组与轨道上面的推进磁体或者动力集成绕组产生电感应而驱动列车,由于推进系统的驱动绕组安装在列车上,需要受流轨供电,所以列车运行时需要馈电线和集电弓。4.补充图片:车载悬浮磁体示意图3。图中箭头代表磁轴方向,N代表北极,S代表南极,磁轴方向为10由S极指向N极,双箭头11代表磁体的宽度。车载磁体采用片状强力永磁体〔或电磁体,永磁体叠加起来构成磁模块并封装在列车底部的磁体柜中。图5-5车载悬浮磁体示意图5.3.1该新型的磁悬浮列车的优势一是技术要求低：由于车载悬浮磁体1是竖直地非接触性地插入路轨悬浮铝板2之间之间形成悬浮阵列,车载悬浮磁体1在列车加速时就会在悬浮铝板2间上浮,在列车减速时就会下降,因此列车的悬浮力是由车载悬浮磁体1与悬浮铝板2作相对运动的速度以及车载悬浮磁体1在悬浮铝板2之间的插入量来决定的。在同一条线路上,列车速度越大则悬浮力越大而插入量越小；速度越小则悬浮力越小而插入量越大。只要列车上用来固定车载悬浮磁体1的竖直底架有一定长度,列车就能够在一个比较大的浮降范围内而能够使底架不会接触路基轨道面,所以该磁悬浮列车对路基下沉量等技术的要求比普通磁悬浮列车低得多。二是悬浮力大：该磁悬浮系统充分利用了同一磁体的N极和S极两个磁极参与悬浮,因而该磁悬浮系统的悬浮力大。三是列车和轨道结构简单,造价低：悬浮系统的路轨面仅为铝板,铝在地球上储量丰富,来源广泛,车载悬浮磁体可采用永磁体,这使得整个悬浮系统和导向系统的结构及原理非常简单,系统可靠性大幅提高,建造更方便,维修更简单。同时,列车的悬浮和导向系统合二为一,不但简化了结构、节省了造价,又能够保证列车在任何速度下都能稳定地处于轨道中心行驶。四是节能环保：悬浮系统和导向系统由于采用铝板和永磁体,其除了涡流损耗外几乎不耗电,只有推进系统耗电。五是安全性高：由于列车的上浮和下降有较大的空间范围,悬浮刚度大,因而安全性能高。同时,该悬浮列车有辅助轮,当驱动电源系统发生故障得停车或者紧急情况或者列车突然失去悬浮力,辅助轮便作为一种保护措施,使列车可以借助辅助轮慢慢停下来,防止车体直接与轨道相撞。而且即使驱动电源系统发生故障或线路停电,列车的惯性运动也能够使车载悬浮磁体与悬浮铝板间产生磁斥力,这种磁斥力是逐渐变小的,因而悬浮力也是逐渐变小的,这样列车不会出现突然失去悬浮力的现象。六是该新型磁悬浮列车的道岔具有结构简单、不占地和操作方便等优点。七是由于该新型磁悬浮列车的车载悬浮磁体主要是插入路轨的悬浮铝板之间,磁场被封闭在路轨竖槽里,不向外散发,所以磁场辐射对路轨沿线居民的伤害小。5.3.2该新型的磁悬浮列车的道岔目前高速磁悬浮列车面临的难点之一就是道岔问题。在本磁悬浮方案中,由于车载悬浮磁体是竖直地非接触性地插入路轨悬浮铝板之间形成悬浮阵列,轨道结构是竖槽型或空心体,车载悬浮磁体在竖槽里运行,所以道岔的结构非常简单。道岔的工作原理如图4和图5所示的道岔俯视图,图中道岔头13的上表面略呈扁长三角形,道岔头13置于道岔口的轨道竖槽里。图5-6道岔俯视图,图中9为路轨、13为道岔头、双箭头14和15为列车运动方向当列车需要按图4中箭头14所示方向的轨道运行时,道岔头13便挡住了所有通往箭头15所示方向的轨道；而当列车需要按图5中箭头15所示方向的轨道运行时,道岔头13便挡住了所有通往箭头14所示方向的轨道。道岔头13在道岔口的移动由电子系统实现自动控制,道岔头13只需在道岔口水平移动,按照图4和图5就是上下移动。例如,把图4所示的所有道岔头水平移动则变成了图5所示的道岔,这时列车沿箭头15所示方向的轨道运行；若把图5所示的所有道岔头平移则变成了图4所示的道岔,这时列车沿箭头14所示方向的轨道运行。图5-7道岔俯视图,图中9为路轨、13为道岔头、双箭头14和15为列车运动方向当然道岔头还可以设计成升降式,当列车需要按图4中箭头14所示方向的轨道运行时,道岔头便从竖槽型轨道底部升上来,挡住所有通往箭头15所示方向的轨道；而当列车需要按图4中箭头15所示方向的轨道运行时,则上述所有挡住通往箭头15所示方向轨道的道岔头便下降至竖槽型轨道底部,而用来挡住所有通往箭头14所示方向轨道的道岔头则从竖槽型轨道底部升上来,变成图5所示,反之亦然。毫无疑问,这种结构是既简单便于操作又不占地。道岔头13如下图6所示：图5-8道岔头13示意图,2为悬浮铝板补充说明：1.车载悬浮磁体主要采用铷铁硼等强力永久磁体,当然不排除采用电磁体、超导磁体等,对推进磁体,中低速以永久磁体为佳,而高速时则可采用电磁体或超导磁体。2.为了防止车载磁体吸附路轨上的微小铁磁物质,可以在每天清晨第一趟列车发车前由专门的铁磁清扫车对路轨进行一次彻底清扫,或者在列车车头的前部加装铁磁清扫器。3.对推进磁体不一定要粘在列车底架上,也可以固定在一个能够径向运动的装置上。该装置为电子调节系统,可以自动调节推进磁体与驱动绕组之间的气隙,保证推进磁体与驱动绕组之间有一个相对稳定的间隙。4.和美国的Magplane和UrbanMaglev一样,采用整体铝导电板,涡流损耗会大些,当然对一条线路来说,用电量不是主要的,最主要的是要降低造价。5.4磁悬浮列车模型举例计算磁悬浮列车的原理如图所示,在水平面上,两根平行的直导轨间有竖直方向且等间距的匀强磁场B1和B2,导轨上有金属框abcd,金属框宽度与每个磁场的宽度相同,当匀强磁场B1和B2同时以v沿直导轨向右运动时,金属框也会沿直导轨运动,设直导轨间距为L=0.4m,B1=B2=1T,磁场运动的速度为v=5m/s,金属框的电阻为R=2Ω.计算：〔1金属框为什么运动？若金属框不受阻力时,金属框如何运动〔真空管道磁悬浮模型>〔2当金属框始终受到f=1N的阻力时,金属框最大速度是多少。〔3当金属框始终受到1N的阻力时,要使金属框维持最大速度,每秒钟需消耗多少能量？这些能量是谁提供的。计算：〔1金属框在安培力的作用下运动,不受阻力时,框向右做变加速运动,最后以5m/s的速度匀速运动。〔2当框受阻力时,由受力分析得F安－f=ma［〔V－V〔B+B2L/R］－f=ma,当a=0时,有4〔V-VB2L/R=f,代入数据得V=1.875m/s.〔3由能量转换得W=fVt+［〔V-V〔B+BL］2t/R=1.875J+3.125J=5J5.5磁悬浮发展优势磁悬浮列车做到了更加安全、舒适,减轻振动和噪音,减少能耗和降低运输成本。突破了传统铁路的各种困难。吸力型磁悬浮列车原理系统工作时,支撑电磁铁通过控制器的自动调节,产生和整个车体的重量相等的磁力,使得车体脱离同轨道的约束,并保持一定的间隙,从而可以在很大程度上消除铁轨的不平造成的高频干扰,同时车体与轨道脱离机械接触,不存在常规列车的轮轨碰撞噪音,从而乘坐的舒适性得到了保证;导向电磁铁的作用是使车体侧向稳定和控制车体前进的方向。由于车体与轨道之间无机械摩擦,列车靠直线电机和铁轨的相互作用获得前进的驱动力,其爬坡力也较常规轮轨列车强〔轮轨列车前进依赖的是轮轨之间的粘轴力另一方面,由于采用转向架结构,使得"越轨"事故不可能发生,从而乘坐较安全。斥力磁悬浮与吸力类似。由原理可以知道它具有以下优点：<1>速度快：常导磁悬浮列车车速可达400～500km/h,超导磁悬浮列车车速可达500～600km/h.它是当今世界最快的地面客运交通工具,它的高速度使其在1000～1500km之间的旅行距离比乘坐飞机更优越。<2>运行成本和能耗低：由于没有轮子、无摩擦等因素,它比目前最先进的高速火车省电30％.在500km?h速度下,每座位每公里的能耗仅为飞机的三分之一至二分之一,比汽车也少耗能30%。<3>维修少。磁悬浮列车属于无磨损运行,需要维修的主要是电气设备。随着电子工业的发展,电子元件的可靠性将不断提高。因此,磁悬浮列车的维修工作量较少。<4>有利于环保。磁悬浮列车采用电力驱动,不需燃油,这使它的发展不受能源结构,特别是燃油供应的限制；同时,无有害气体排放,环境污染小。它在运行时不与轨道发生摩擦,所以发出的噪声很低。<5>安全性高。磁悬浮列车在轨道上运行,按飞机的防火标准实行配置。其结构特点决定了其不会出轨,具有较高的安全性。<6>转弯半径小,爬坡能力强。由于磁悬浮高速列车具有较高的爬坡能力<10%,而一般铁路为3%>和较小的曲线半径<速度300km/h时,磁悬浮铁路为R2350m,传统铁路为R3350m>,因而其线路对地形的适应性非常灵活。<7>具有乘坐舒适、启动快、制动快等优点。磁悬浮不仅在交通运输中可以得到很好应用,随着越来越高的摩天大楼在各地落成,而今普遍使用的钢索悬挂式电梯已经不适应现代生活的需求。这是因为钢索的长度随着楼层的增高而相应增加,这些钢索会由于承受不了自身的重力,还没有挂电梯就会被拉断。未来解决这些问题,磁浮电梯在以后也将开发出来。5.5.1我国具备发展磁悬浮列车的需求我国幅员辽阔、人口众多,800～1500km中长距离的客运市场潜力巨大。21世纪,随着经济的持续快速发展和社会飞速进步、已经并将继续产生极大的高速客运交通需求。目前,我国大容量高速客运交通基础设施的建设还远低于发达国家水平,迄今尚无一条真正意义上的高速铁路客运专线,未来几年迫切需要建设、发展与高速客运交通需求相适应的高速轨道交通体系。高速磁浮交通系统由于有着较高的经济运行速度,不仅适合于相距数百公里至一千多公里的交通枢纽之间的大运量快速客运交通,而且还适合于相距数十公里至数百公里的中心城市与附近重要城市之间的现代大容量高速客运交通系统,将是中国选择建设大容量客运体系时考虑的重要方案之一。<京沪1320公里,京广港澳2550公里,哈大940公里,XX宝1030公里,浙赣940公里,津渖730公里,沪杭194公里>大多在100公里以上。500公里／小时的磁悬浮列车比300公里／小时的高速轮轨列车在旅客选择民航或铁路中具有显著的优越性。高速磁悬浮的投资成本比高速轮轨相差不多,其更高速的优越性无疑应该成为优先选择的方案。高速磁悬浮的投资的确比高速轮轨铁路高1.2-1.5倍,但前者的速度却比后者要高出50-70%,这样比较起来,其实是一个优点。随着产业发展与经验的积累,其降低投资的可能性与幅度可能远大与高速轮轨。

我国第一条铁路建成在1876年,经过七十多年的发展,全国解放时总长2.18万公里,承担全国65%的客运量和约85%的旅客周转量,是主要的客运交通工具。建国以来,我国铁路得到了迅速发展,营业里程迅速增长,达到当前的6.5万公里,直到七十年代中後期,仍然保持全国客运中的骨干地位。八十年代以来,由於公路与民航的迅速发展,以及经济发展对客运速度提高的需求日益增大,导致了铁路在客运中的地位明显下降,1997年铁路在全国客运量中的份额降至7%,在旅客周转量中份额降至35%。人们已经认识到,必须大力致力於客运提速,才能保持和发展铁路作为重要客运工具的地位。近年来,在既有提速和建造高速轮轨铁路的准备方面,取得了可喜的成绩。

我国是否需要高速磁悬浮列车与如何预测我国铁路网的需求和发展紧密相关。最近铁道部经济规划研究院路网研究所李宏等同志发表了21世纪上半叶我国铁路网需求与总规模的预测研究结果,并提出了发展设想。按照他们的研究意见,我国铁路在21世纪上半叶仍属建设高潮时期,约至2050年全国人口约14.7亿,城镇人口约占75%；铁路年人均乘车率将由目前的0.8次增至约3次；铁路旅客平均行程将由目前的约360公里增至460-500公里,铁路旅客周转量将达2-2.2万亿人公里。从上述预测需求出发,他们建议：我国铁路网总规模将由目前的6.5万公里增至12万公里。

新的铁路网将由三部分组成,即：约0.8万公里的高速客运专网；约2-2.2万公里的客货混跑快速客运网和约9万公里的普通铁路网。显然,这意味我国已具备了发展磁悬浮列车的需求。当前问题的关键在於,21世纪上半叶我国将建造的、目前为零、全长近8000公里的高速客运专网应该采用500公里／小时的高速磁悬浮铁路还是300公里／小时的高速轮轨铁路,这是决定我国是否需要高速磁悬浮铁路的基础。高速磁悬浮铁路体系的发展将带动当前众多高新技术前沿的发展。这些高新技术本身又将形成新兴产业,对经济发展发挥重要的作用。我国及时抓住高速磁悬浮铁路体系的发展,将为我国在21世纪中相关产业发展中处於前列奠定良好基础。5.5.2常规列车受力分析列车运行基本阻力。概念:列车在空旷地段沿平直道运行时所受的阻力。特点:在列车运行过程中任何时候都存在,列车在平直道上运行只有基本阻力。成因:机车、车辆各零部件之间,机车、车辆表面与空气以及车轮与钢轨之间的摩擦与冲击。基本阻力的组成:1轴承阻力2滚动阻力3滑动阻力4冲击和震动阻力5空气阻力。1轴承阻力轮对滚动时,轴颈与滑动轴承之间发生相对运动,接触面产生摩擦力。由轴承摩擦产生的机车车辆运行阻力为轴承阻力。轴承阻力与轴荷重、摩擦系数、轴颈半径、车轮半径有关。影响摩擦系数的因素:<1>轴承类型<2>润滑油的影响。粘度降低,系数降低<3>列车运行速度。随速度升高,系数先下降后升高4轴颈表面的单位压力：压力增大,系数降低2.滚动阻力:车轮在钢轨上滚动所产生的机车车辆运行阻力。3.滑动阻力:由车轮踏面与钢轨顶面间的滑动摩擦产生<1>车轮踏面与轨面各接触点的直径不相等。<2>同一轮对的两个车轮直径不同。<3>轮对组装不正确,也要引起车轮在钢轨上发生纵向和横向滑动。<4>列车的蛇行运动引起轮轨间产生摩擦阻力。4.冲击和振动阻力:由于钢轨接缝、轨道不平直、轮轨擦伤等原因引起的轮轨间的冲击和机车车辆的震动；机车车辆之间存在的横向、纵向的冲击和震动。5.空气阻力:包括正面压力、列车表面和空气摩擦以及列车两侧和顶部的涡流。空气阻力决定于列车速度、列车外形和尺寸,与速度平方成正比。通常用下式表示：Wa=CxΩpv/2Wa=CxΩρv2/2Cx—空气阻力系数;Ω—列车最大截面积；ρ—空气密度；v—列车的相对速度。上述五种阻力随着列车速度的大小而有不同的变化。低速时,轴承阻力、滚动阻力占较大的比例；速度提高后,轮轨间滑动阻力、冲击振动阻力、空气阻力占的比例逐渐加大；高速时<200km／h以上>,列车基本阻力则以空气阻力为主。列车运行时与空气相互作用,有空气作用在车体表面,阻碍列车运行的作用力。列车运行中所受到的阻碍列车运行的作用力称为列车阻力。列车阻力分为由机械摩擦阻力和空气阻力组成,附加阻力包括坡道、弯道、隧道和起动阻力等。由于运行速度的不断提高,空气阻力成为了阻碍列车高速运行的最大因素。近年来,国外高速列车最大营运速度已达到350ldIl／ll,此时列车的空气阻力占了列车总阻力的80％．以德国ICE／V列车阻力公式为例：列车所受的总阻力：F=l1.4M+<0．025M+17.86p>V+0.0428N式中F为阻力〔N>,M为列车质量<t>,p为空气密度仪g／m3>,N为中间悬挂车辆数,矿为列车速度娜>；假设列车质量为800t,中间悬挂车辆数为N=12,按上式计算出各种速度下的列车总阻力、机械阻力、空气阻力见表1-1速度km/h200250300350机械阻力f〔KN17.7319.8822.0324.18空气阻力f<KN>35.2755.1279.37101.3总阻力F<KN>53.075101.4132.48百分比f/F<100%>66.5%73.5%78.381.9%表5-1表明了列车运行速度越高,空气阻力所占总阻力的比重越大为了克服空气阻力对高速交通速度的限制,而地表稠密的大气是影响空气阻力的一个最主要的因素。空气阻力与速度的二次方成正比,由此产生的气动噪音随速度的七次或八次方而急增。在标准大气压环境下,当列车运行速度在400km／h以上时,阻碍列车运动的空气阻力消耗了80％用来牵引列车的驱动能源,这是及其不经济的。而且由于高速的原因,气动噪音也成倍的增加,这给我们高速交通带来的不少负面影响。既然高速的障碍来自稠密的地表大气,那么解决这一问题的根本途径只能是改变大气的密度。利用密闭管道来降低管道内的大气压力,从而降低列车运行环境的空气密度,摆脱或部分摆脱空气阻力与噪音的困扰,实现列车的高速行驶。真空管道磁悬浮列车系统就是在这种设想中被提出的。5.6磁悬浮铁路的发展趋势由于列车运行过程中主要受的是空气阻力,如果能降低空气密度更将大大降低能耗,而列车的速度将发生质的飞跃。真空管道磁悬浮列车才是最理想的交通工具。图5-9真空管道磁悬浮5.6.1真空管道磁悬浮系统的优点与现有的运输工具<飞机、高铁、汽车等>相比,真空管道磁悬浮系统有以下显著优点：<1>快速：洛杉矶一纽约,仅需要45分钟；北京—华盛顿,只需2小时；本地旅行速度350km/h,国际间旅行速度达到4000km/h左右；与常压下的轨道交通对比,在0.1个大气压下的真空管道磁悬浮系统中磁浮列车速度可以达到运营速度500-700km/h。<2>高效、节能：由于快速的特点,减小了空气阻力和轮轨间的摩擦力,使得列车的能耗大大降低。这将大大有利于缓解日益紧张的能源问题。<3>便捷:运行过程采用"快速起停、快速乘降"的原则,即：无需待避／会让：快速起停,减少了旅客等待时间。由于列车在封闭的管道内运行,也使得列车和旅客的出行不在受天气因素影响。<4>安全：由于其运行环境的封闭性和行驶的路径单一性具有其他运输方式无法比拟的优势,可以减少甚至避免引起各种传统运输方式的事故因素。<5>洁净：环境友好；使用可再生能源一。少量的电力,可持续性好,由于管道内抽成一定要求的真空,自然形成隔音屏障,以至无任何对外噪声。<6>现实可行所有建设ETT的设备和绝大部分的技术都是现成的；部分所涉及的技术己投入商业应用。5.6.2真空管道磁悬浮技术的意义类似于当初蒸汽机取代马力,将带来划时代的变革。民航、铁路运输将被大面积取代,人类将进入更清洁、高效的旅行时代。为了解决建造和运行中的难题,张耀平和他的团队日以继夜地工作,"真空管道中的隔离室"、"一种真空管道运输系统中磁悬浮车与车站间的对接装置"、"一种用于真空管道系统中的密封门"、"真空管道高速交通运行抽气系统"等专利相继问世。最早提出真空管道磁悬浮运输概念的,是美国兰德咨询公司和麻省理工学院的专家,真正将这一运输方式落实为图纸的,是美国佛罗里达州机械工程师戴睿·奥斯特<DarylOster>,经过多年的研究与设计,戴睿于1999年在美申请获得真空管道运输<ETT>系统发明专利。首先将真空管道磁悬浮概念引进中国的科学家,是毕业于西南交通大学的张耀平,在20XX成功申请国家自然科学基金项目"真空管道高速磁浮交通基础研究"<项目编号：50678152>后,他的研究得到了政府层面的资助。在XX省有关方面支持下,他目前调至该省西京学院,专门组建了真空管道运输研究所,正全力推进这一"运输革命"进入现实。张耀平认为,目前科研项目唯一的需要,就是要从国家层面统筹建造第一条实验线路,"要有建设三峡大坝和开发大飞机、长征火箭项目的魄力,这个项目无法由某一高校、公司或单位单独完成,但一旦完成,中国将在技术革命中占据主导地位。20XX,与戴睿相识并成为密友的张耀平将这项技术首次引进中国。20XX,戴睿和妻子前往中国,帮助张耀平和同事在西南交通大学组建了专门研究机构。经过多年努力,张耀平的研究获得了中国学界和政府全方位的支持,他认为,目前这项技术所需的技术已经完全成熟。"院士大会上专家们提出的每小时600-1000公里时速,是一个保守的对外口径,实际上所有研究者一开始就把这一运输方式的常规运行速度定位为每小时4000公里,经过技术改进,每小时6500公里是一个中期目标。虽现在不宜提得太高,但只要磁悬浮列车改进之后,克服技术障碍,那就相当于一颗卫星。作者在与一名长江学者及其研究生座谈时,他们提出,真空管道磁悬浮列车的理路极限速度接近第一宇宙速度,要达到每小时2万公里是可以实现的。张耀平在接受采访时指出,中国目前在各国研究者中研究进度最快。如果国家能将这项技术上升到三峡工程、长征火箭这样的国家高度,统筹资金、技术,就能在21世纪运输革命中占得先机。磁悬浮运载技术不仅能够用于路上运载,也可以用于海上运载,还能应用于垂直发射,美国就在试验用磁悬浮技术发射火箭；磁悬浮技术在磁悬浮、直线驱动、低温超导、电力电子、计算机控制与信息技术、医疗等多个领域都有及其重要的价值。概括地说,它是一种能带动众多高新技术发展得分基础科学,有是一种具有极广泛前景的技术。可以预见,随着超导材料和超导低温技术的发展,修建磁浮铁路的成本、技术及其性能都有可能会大大降低。到那时,磁浮铁路将作为一种快速、舒适的"绿色交通工具",得到人们的亲睐。每一种新的交通工具的问世,都极大的推动社会的进步,回顾交通工具发展史,我们发现汽车极大的方便了人们的而生活,但长途运输差,且日益增多的汽车数量使交通拥挤赌赛现象越来越严重。常规轮轨列车的运输量大,但运行速度慢,运行速度慢,噪音大,爬坡能力低,高速轮机列车要求轨道有很高的额平整度,在高速运输时,能量消耗大,铁轨和车轮的磨损很严重,从而导致维修费用高昂。飞机运行速度快,但运输量小,且事故往往是致命性的〔本文介绍的磁悬浮列车是一种新的交通工具,相对而言,它有多方面优点如高速、运输量大、安全、舒适无噪音等。综合各种因素,磁悬浮的发展是最有潜