Введение к работе
Аюуалыюсть темы. Полноценный рост производительных сил и решение возникающих в связи с этим транспортных проблем в следующем столетии будет невозможным без наземных транспортных систем, которые осуществляют перевозку пассажиров и грузов со скоростями порядка 500 км/ч. Этот высокоскоростной наземный транспорт (ВСНТ), подобно глобальному метрополитену, свяжет в одно целое основные научно-промышленные центры. Он сблизит время междугородных перевозок и внутригородских переездов, что позволит более эффективно использовать кадровый и экономический потенциалы разных регионов. Поэтому создание ВСНТ является назревшей проблемой для дальнейшего технического, экономического и социального развития общества.
Одним из перспективных направлений решения этой проблемы является разработка бесконтактного транспорта на магнитном подвесе, в котором левитация и движение транспортного средства осуществляются при помощи магнитного поля. В настоящее время интенсивные теоретические и экспериментальные исследования в области ВСНТ на магнитном подвесе ведутся в Германии, Японии, США, Италии и других странах мира, в частности, в Украине.
Существуют две основные системы магнитного подвеса (левитации) для ВСНТ:
1. Электромагнитный подвес (ЭМП), в котором используется притяжение
электромагнитов поезда к ферромагнитной путевой структуре.
2. Электродинамический подвес (ЭДП), основанный на эффекте отталкивания,
который возникает при взаимодействии магнитного поля движущегося сверхпроводящего
(СП) магнита с полем вихревых токов, наведенных им в электропроводящей путевой
структуре.
Систему ЭМП можно реализовать при помощи известных технических средств. Однако принципиальным недостатком такой системы является необходимость стабилизации клиренса (зазора между электромагнитами и путевой структурой). Это требует специальной быстродействующей системы управления током электромагнитов подвеса. Кроме того, при использовании системы ЭМП клиренс составляет всего около 10 мм. Малый клиренс, особенно при больших скоростях движения, предъявляет чрезвычайно высокие требования к качеству путевой структуры, что значительно увеличивает капитальные и эксплуатационные расходы, а в ряде климатических и сейсмоопасных зон делает применение этого подвеса практически невозможным.
В системе ЭДП, где используются сверхпроводящие магниты, зазор составляет 100-200 мм, что значительно снижает стоимость строительства пути и его эксплуатации. Если вследствие каких-нибудь возмущений зазор уменьшается, то подъемная сила возрастает, что приводит к восстановлению зазора; таким образом, такой подвес не требует специального управления. Основным силовым элементом системы ЭДП является транспортный сверхпроводящий мапшт — криомодуль, разработка которого связана с решением новых технических проблем и дальнейшим развитием транспортных
технологий.
Учитывая конструктивные особенности и потенциальные возможности систем ВСНТ на магнитном подвесе, а также последние успехи в области сверхпроводящих материалов, можно сделать вывод, что наиболее перспективной является система с ЭДП. Она может обеспечить высокую производительность перевозок со скоростями движения 250-500 км/ч при минимальном воздействии на окружающую среду, незначительном расходе энергии и независимости от погодных условий. Выполненные (в том числе в ИТСТ ПАН Украины 'Трансмаг") экономические исследования показывают, что такая транспортная система наиболее рациональна на расстояниях 1000-2000 км, заполняя вакуум между скоростями колесного и авиационного транспорта. Она может быть органически вписана в существующие схемы железных дорог с использованием их энергетических сетей и инфраструктуры. Однако практическая реализация такой системы сдерживается наличием целого комплекса нерешенных научно-технических проблем. В частности, недостаточно разработаны методы расчета силовых взаимодействий в системе ЭДП, нет эффективных методов исследования динамики и устойчивости движения левитирующего экипажа, отсутствуют методики и оборудование для комплексного экспериментального исследования систем электродинамической левитации, известные конструктивные решения транспортных криомодулей не полностью удовлетворяют современным требованиям.
Данная диссертация посвящена решению научных и технических проблем разработки и создания высокоскоростного наземного транспорта с электродинамическим подвесом.
Следует подчеркнуть, что исследования в области магнитного подвешивания представляют значительный интерес не только для создания транспорта недалекого будущего, но и для других областей техники. Система ВСНТ с использованием сверхпроводящих магнитов является принципиально новой технологией, на базе которой может быть создан целый класс новейших систем различного назначения (в частности, суда с магнитогидродинамическими движителями, электродинамические ускорители масс, технологическое оборудование с бесконтактным перемещением рабочих органов). Таким образом, указанная проблема имеет общенаучное и общетехническое значение. Все это свидетельствует о перспективности, важности и актуальности диссертационного исследования.
Связь работы с научными программами Работа выполнялась по Постановлениям ГКНТ СССР от 1988 г. № 323, Кабинета Министров Украины от 1996 г. № 517 и Президиума НАН Украины от 1989 г. № 33, от 1995 г. № 47.
Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка основных принципов и методов исследования, проектирования и создания высокоскоростного наземного транспорта на электродинамическом подвесе с использованием сверхпроводящих магнитов. Это предусматривает решение комплекса научных и технических проблем, в частности:
1) развитие теории и методов расчета систем электродинамической левитации;
определение статических и дшшмических характеристик различных вариантов подвеса и
выбор его рациональных конструктивных схем;
2) разработку и создание стендов для испытания систем левитации с
использованием сверхпроводящих магнитов; проведение комплекса экспериментальных
исследований систем подвеса;
-
разработку основ расчета и проектирования транспортных сверхпроводящих магнитов; создание сверхпроводящих магнитов с улучшенными тепловыми и механическими характеристиками;
-
создание стендов для проведения статических и динамических испытаний криомодулей и их отдельных узлов; экспериментальное исследование механических, тепловых и электромагнитных характеристик разработанных криомодулей;
5) экспериментальную отработку технологии эксплуатации транспортных
криомодулей;
-
разработку методов и алгоритмов для исследования динамики и устойчивости экипажа с электродинамическим подвесом;
-
анализ динамических характеристик экипажей с различными конструктивными схемами и типами подвеса; выбор рациональных схем и систем подвеса исходя из условий нагруженности, устойчивости и безопасности движения.
Научная новизна полученных результатоа В диссертацш разработаны научно-технические основы создания высокоскоростного наземного транспорта с электродинамическим подвесом. Впервые полученные теоретические результаты в области магнитного подвеса и динамики высокоскоростного левитирующего транспорта заключаются в следующем:
разработана обобщенная теория расчета силовых взаимодействий в системе ЭДП со сплошной путевой структурой, которая позволяет, в отличие от известных результатов, учитывать размеры поперечного сечения источника магнитного поля, а также проводить расчеты для катушек произвольной формы;
предложен новый эффективный метод расчета подвеса и боковой стабилизации для систем ЭДП с дискретной путевой структурой;
разработаны уточненные математические модели и методы исследования динамики транспортных систем с электродинамическим подвесом со сплошной и дискретной путевыми структурами;
дана классификация типов неустойчивости стационарного режима и предложен метод выбора устойчивых динамических моделей ВСНТ с дискретной путевой структурой.
Прикладное значение полученных результатов. Диссертация содержит новые конструктивные и технологические решения основных элементов и узлов электродинамического подвеса с использованием сверхпроводящих магнитов. Эти прикладные разработки заключаются в следующем:
предложены оригинальные системы электродинамической левитации с использованием многослойного путевого полотна;
найдены конструктивные решения транспортных сверхпроводящих магнитов с улучшенными тепловыми и механическими характеристиками;
разработано и создано новое стендовое оборудование для исследования элементов и узлов ВСНТ;
разработан и создан действующий макетный образец экипажа ВСНТ на электродинамическом подвесе с использованием сверхпроводящих магнитов.
Приоритет оригинальных технических решений, предложенных в диссертационной работе и использованных при создании основных узлов транспортных средств, макетного экипажа ВСНТ и испытательных стендов, защищен 39 авторскими свидетельствами. Данные технические решения, а также разработанные в диссертации методы динамичного расчета и предложенные рекомендации по выбору рациональных конструктивных схем экипажа и подвеса могут быть непосредственно использованы при проектировании высокоскоростного магнитолевитирующего транспорта.
Результаты исследований могут также найти применение при разработке специальных транспортных устройств (электродинамических ускорителей и др.), а также при создании сверхпроводящих магнитов для различных областей техники.
Разработанные в диссертации методики расчета силовых взаимодействий в системах подвеса имеют самостоятельное практическое значение для решения различных задач магнитной левитации.
Личный вклад соискателя. В рамках программ ГКНТ СССР и Президиума НАН Украины автор был руководителем научно-исследовательских работ по разработке и созданию высокоскоростного наземного транспорта с использованием электродинамической левитации. Ему принадлежит формулировка проблемы и выбор стратегии ее решения, оперативное руководство теоретическими и экспериментальными исследованиями. Личный вклад автора отражен в отдельной главе коллективной монографии [1], работах [6, 29, 30], написанных без соавторов, а также в статьях [2-5, 7-28, 70-75], в которых соискателю принадлежит постановка задачи, выбор метода исследований и анализ полученных результатов. Конструкторские и технологические разработки, которые защищены авторскими свидетельствами [31-69], созданы под руководством и при непосредственном участии соискателя.
Апробация результатов диссертации. Результаты работы были представлены и доложены на I, II, III Всесоюзных научно-технических конференциях "Итоги и перспективы создания высокоскоростного наземного транспорта (ВСНТ)" (Новочеркасск; 1976г., 1980г., 1984г.), научно-техническом семинаре "Проблемы создания высокоскоростного наземного транспорта на сверхпроводящих магнитах" (Ленинград; 1990г.), Всесоюзных научно-практических конференциях "Научно-
технический прогресс и перспективы развития новых специализированных видов транспорта" ("Спецтранс"; Москва; 1985г., 1990г.), Всесоюзной научно-практической конференции "Применение новых видов транспорта в народном хозяйстве и перспективы их развития" (Тюмень; 1978г.), семинарах по проблемам машиноведения в Институте машиноведения АН СССР (Москва; 04.1987г., 01.1990г.), заседании Бюро Научного совета по проблеме "Комплексное развитие транспорта" при ГКНТ СССР (Москва; 03.1986 г.), межведомственном координационном совете по новым видам транспорта при Госплане СССР и ГКНТ СССР (Москва; 01.1987г.), XIV Международной конференции по технической сверхпроводимости и криогенным материалам (Киев, 1992г.), I Международной конференции по электромеханике и электротехнологии (МКЭЭ-94; Суздаль, 1994г.), VII и IX международных конференциях "Проблемы механики железнодорожного транспорта" (Днепропетровск; 1992г., 1996г.), международной конференции "Городской транспорт и окружающая среда в 21-м веке" (Саугемптон, Англия; 1995г.).
Публикации. Основное содержание, научные положения и результаты работы опубликованы в монографии и 35 статьях, которые напечатаны в научно-технических журналах, материалах конференций и семинаров, а также депонированы в органах научно-технической информации. Приоритет основных технических решений, предложенных в диссертации, защищен 39 авторскими свидетельствами.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, восьми глав, выводов, списка использованных источников из 164 наименований и приложения. Общий объем работы составляет 360 стр., в том числе 261 стр. текста, 76 стр. с рисунками, 23 стр. приложения.
