真空管道运输系统管道实验模型概念设计图文精Word下载.docx

1、在火车、汽车和飞机等运输方式之后，人们认识到，磁悬浮技术将是未来交通运输领域的一个重要发展方向。这种磁悬浮车辆适合放置于管道中，再把管道中抽成一定真空，由于同时消除机械摩擦和空气阻力，其运行速度能比飞机快许多倍，此即真空管道运输系统。本文将从分析管道实验模型的尺寸、各功能部件的概念设计出发，研究管道模型内部的隔离室、密封舱等应用部件，并讨论管道内电机冷却方案以及实现需求真空度的真空获得设备的选择。关键词：真空管道运输；管道模型；概念设计西南交通大学硕士研究生学位论文第页，打，啦，（皿，：；西南交通大学硕士研究生学位论文第页学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的

2、规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于保密口，在年解密后适用本授权书：不保密彰使用本授权书。（请在以上方框内打“）蓄簧篓主差名：鹰茛乏言嘉于师签名！西南交通大学硕士研究生学位论文第页西南交通大学学位论文创新性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均

3、己在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。次凌蛄套沙西南交通大学硕士研究生学位论文第页第章绪论课题的研究背景及意义记得童年时曾看过一本书，名叫科学家谈世纪，书中描写了科学家们设想的世纪的种种美妙前景，这本书曾经激励了许多人的童年幻想。今天，这些美好的设想有些已经提前实现了，如人类登月、全球移动通信等。但在交通运输领域却不太乐观，人类进入世纪已经近十个年头了，但是我们使用的交通工具，从火车、汽车到飞机、轮船基本上还是上个世纪的技术产物，过去年来没有多少根本性的突破。世界已经进入了全球化时代，但是我们的交通运输却难以适应全球化的需求。今天的跨国旅行仍与年前差不多；就是在国内

4、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。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许要十天半月。信息化的高速度与交通运输的低速度形成巨大反差，经济全球化呼唤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，探索新的高速货物运输模式是未来货物运输不可回避的问题。那种认为只有人的运输才需要高速度，货运没必要高速的认识必将成为过去。管道化运输是一个有前景的方向，可以提高物流配送效率，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车辆模式，

5、则货物运输速度不会有很大提高，由于存在管道活塞效应，货物在管道中的传输速度还有可能降低。本文涉及一种具有革命性的未来交通方式真空管道运输（），即把磁悬浮车放到真空管道网中，实现超高速、低能耗、无噪声、无污染的交通运输。西南交通大学硕士研究生学位论文第页国内外本领域研究现状年，现代火箭之父演讲时提到：在波斯顿至纽约之间建一条真空管道铁路线，车辆通过电磁方式悬浮在轨道上，消除金属之间的接触。年，德国人赫尔曼一肯佩尔（）提出了电磁悬浮原理，并在年获得世界上第一项有关磁悬浮列车技术的专利。在其专利文献中他表达了采用管道抽真空的办法来实现其速度的目标值。世纪年代，美国麻省理工学院的研究人员提出建设真空管

6、道磁浮线路的设想。根据他们的计算，磁悬浮列车在抽成个大气压的真空管道中运行，速度可以达到，并在一小时内穿越全美国。年，发表了题为“高速管道运输（）的文章，提出了一个能够在分钟内从波斯顿到达华盛顿的客运系统设想，此系统由一对抽成一定真空的管道组成，其中的车辆运行速度为副。瑞士工程师先生于年提出“瑞士超高速地铁工程的项目建议，年，该项目得到洛桑理工学院专家们的支持并进行了初步可行性研究，年得到日内瓦州和铁辛州的官方支持；年联邦政府交通、通讯、能源部投入万瑞郎进行初步研究。年，美国兰德（，嗍）公司的研究人员作了如下描述：一种叫“运输之星的地铁系统，由电磁支撑和在地下一定真空度的管道中运行的车辆组成，

7、能够在一小时内穿越美国口。年，美国佛罗里达机械工程师获得真空管道运输（）系统发明专利乜，并在美国佛罗里达州注册成立了公司。年月日，由沈志云院士、钟山院士联合发起，在西南交通大学召开了“真空管道高速交通院士学术报告会，钱清泉、宋文骢、乐嘉陵、张涵信、葛昌纯等院士到会，何祚庥院士在不能到蓉参会的情况下向大会递交了书面意见。这次大会标志着真空管道运输系统的科学性、现实性、发展前景和重大意义等得到中国科学界的确认，是中国在真空管道运输领域迈出的重要一止】西南交通大学硕士研究生学位论文第页年，西南交通大学成立了“真空管道运输研究所”，正式启动了我国在真空管道运输领域的研究开发工作。这是世界上第一个由大学

8、或者政府部门成立的真空管道运输研究机构。日前，世界第一条商业运营的磁悬浮路线已落户上海，沪杭磁悬浮线路也获批立项，这些都是真空管道高速磁浮运输在我国发展十分有利的条件。由于真空管道运输只是作为下一代的运输方式被提出，国内和国外对这一问题的研究尚处于起步阶段，在此方面的研究较少。本文的主要工作论文研究的思路本文所涉及的真空管道运输系统是一种满足地面高速交通需求和环保节能的运输方式，它的各种要素都存在于现有的运输方式中，如真空管道运输的管道与地铁系统类似，它运行的环境与飞机在万米高空类似等等。本文中的真空管道系统是在现有轨道交通基础上减少了空气阻力的一种考虑。作为一种可能的下一代运输方式，在现有的

9、技术条件下，真空管道运输系统中管道布置涉及哪些实用性问题，管道内各功能部件如何设置？如何解决电机发热问题？选择哪种真空泵组可以快速高效的得到管道内预期的真空度？本论文对这些问题尝试着进行了分析研究。论文研究的目的及预期目标鉴于真空管道运输系统的研究现状，国内外针对此项研究尚处于起步阶段，大量的基础理论需要认真的探索和研究，本文总结了真空管道运输系统的研究现状，进一步分析了真空管道运输系统的提出、发展、所具备的优点以及现阶段的两种主要的真空管道运输系统；对管道实验模型整体结构进行了分析，并详细研究了观察孔、管道开口处、真空表预留孔、管道电源接线处及抽气（放气孔）的结构与工艺；针对实际应用中管道内

10、密封门、隔离室、车体与车站的对接装置以及锁紧装置进行了讨论与设计；分析了管道内电机发热的原因，运用有限元分析方法分析两种电机冷却方案，并比较得出其中最优方案；对真空管道运输（）系统的重要组成部分，真空泵的选择进行了优化分析，得出螺杆式真空泵与三叶型罗茨泵组成的干式泵机组是真空获得设备的最佳选择，本西南交通大学硕士研究生学位论文第页文通过对真空管道运输系统管道实验模型的以上几点的讨论，为真空管道运输系统的理论研究和实践研究起到铺垫和承上启下的作用，使其推广并应用于工程实践。西南交通大学硕士研究生学位论文第页第章真空管道运输系统（）分析真空管道运输理论简介物体所受空气阻力与速度关系分析空气阻力经验

11、公式为：凡，（）（）式中：列车运行速度，一列车运行时的空气阻力系数；其中的计算公式为：形（兰）只，（）、厶二式中：列车编组车辆数；一空气密度（不同真空度下的空气密度需要测定）：一空气阻尼系数：一列车前端部面积；由式（）可知在其他参数不变的情况下，列车在空气中运行所受的空气阻力与速度平方成正比。真空管道运输系统的概念气动阻力与速度的二次方成正比，气动噪音随速度七次或八次方而急增，因此在地表稠密大气层中运行的高速交通工具，最高经济速度不超过。欲使地面交通以每小时以上的速度经济合理地运行，就要减少两种影响行车速度的摩擦即接触摩擦和空气摩擦，可能的做法是让运载工具进入密闭管道，将其抽成低气压，让车辆以

12、磁悬浮方式无接触、无摩擦地在其中运行，这就是真空管道运输系统。西南交通大学硕士研究生学位论文第页真空管道运输的优点跟现有的运输工具（飞机、火车、汽车等）相比，真空管道运输系统有以下优越性：匝面函：图真空管道运输系统的优点（）快速纽约落杉矶，分钟；华盛顿一北京，小时；本地旅行速度，国际间旅行速度大于；与常压下的轨道交通对比，在个大气压下真空管道系统中的车辆速度可以达到。（）方便连续运行，可以在任何时候搭乘、旅行，没有延迟与停止，到任何目的地均为直达；运行过程可参考地铁“快速起停、快速乘降的原则，即：无需待避会让；快速起停，起、停附加时分约分多钟；旅客上下时分约秒。（）高效、节能在一定速度下由于快

13、速的特点，其通过能力将大大高于与常压下的轨道交通，另外由于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。（）安全消除了相撞的可能性；不受任何气候条件影响，不会因不良天气而中断。洁净环境友好；使用可再生能源少量电力，可持续性好，由于管道内抽成真空，自然形成隔音屏障，以至无任何对外噪声。现实可行所有建设的设备都是现成的：所涉及的各项技术都已投入商业应用。西南交通大学硕士研究生学位论文第页现阶段两种主要的真空管道系统现阶段提出的真空管道系统主要有两种，分别是美国的的（）系统和瑞士的超高速地铁（）。美国公司的￥系统经过多年的研究与设计，美国佛罗里达机械工程师于年获得真空管道运输（）系统发明专

14、利。至此，真空管道运输作为一项正式的专利技术被记录在世界科技发明史上。图美国公司的真空管道运输模式（）公司的专利简介的专利（美国专利号：，）包括如下内容：沿线路方向的两根抽成真空的管道，车体，真空设备，悬浮部件，加速装置，能够回复能量的刹车系统，减振装置，管道定位器，辙叉系统，自动控制、检测与维护装置，施工方法，安全系统等。今后可能增加或变更的专利项有：车辆、传输能量的线路、能量储存和生产设各、加热器、空调、排水设施和通信设施。系统根据设计时速分为三种系统：低速系统，设计时速（）与现有的地面交通展开竞争；中迷系统，设计时速（）与航空运输展开竞争：高速系统，设计时速（）；运行系统首选是磁悬浮方式

15、。（）管道简介西南交通大学硕士研究生学位论文第页管道内压强为个大气压。管道由持久耐用的可保持真空的材料制成。由于每条路线所处的环境、气候等实际情况部不尽相同，因此管道的材料也是因地而异。管道主要材料有：混凝土、陶瓷、钢铁、铝、玻璃纤维和塑料。根据实际情况可能还有其他更合适的材料。管道可地上也可地下布置，这要根据当地的地形和经济条件来决定。（）车体简介公司车体的动力首选是磁悬浮方式。公司的专利中提到了一种（见图）车辆，其质量只有，这种车型可以直接从家开到真空管道车站，然后进入管道中搭载磁悬浮列车高速行驶。直径，长的可载人满载后只有千克。据测算这种车型是效率和成本的最佳比。还有一种比较适合家庭使用

16、，这种车体一般可以载两个成年人和部分行李。车辆的能耗只有，采用内燃机驱动，燃料以可再生能源为主。圈公司专利中的的真空管道运输车辆。饕广一鞫蠢图美国公司的真空管道运输车辆透视图（）其他公司的车辆可在内带到达到时速（），内速西南交通大学硕士研究生学位论文第页度减为。考虑到舒适性问题，车辆一般在内达到上述速度，加速和制动距离小于英里（）。发车间隔是，这个时间主要包括车辆进入管道时间、车辆启动时间、两车间隔时间和空气锁工作时间。按每车载人计算，对向两根管道的流量为人次时。过大的加速度将引起人体的不适。太空中的宇航员随轨道舱以高于的速度运行。人体可以在短时间内承受个重力加速度或更多。高速赛车加速或减速时

17、大约有个重力加速度，大多数过山车有个重力加速度，汽车在紧急制动情况下有个重力加速度。系统中的加速度限制为个重力加速度，这将不会引起乘客在加速或减速过程中的任何不适。在管道沿线每隔一定距离设有安全舱，当车辆发生故障停止后，乘客可从此安全舱逃离。由于管道内含氧量极低，所以车体内部的生命支持系统显得尤为重要。太空舱中的生命支持系统可以支承宇航员几个月，潜水艇上的生命支持系统亦可维持艇员一个多月的生命，飞机上的生命支持系统也发展相当完善。这些成功经验都可以借鉴。在真空管道运输的高速度使得乘客在管道中最多待几个小时，其生命支持系统要求相对较低，所以真空管道中的生命支持系统很易实现。瑞士超高速地铁（洲洲）

18、系统是一个地下高速磁悬浮列车系统，设计速度，瑞士政府把它定名为瑞士地下铁路。作为一个高速的客运交通系统方案，最初是计划以高速度和高频率把瑞士的主要城市和地区联系起来，并考虑未来向其他欧洲城市的延伸。西南交通大学硕士研究生学位论文第页（）车站地铁车站在两个运营层面上进行，在第层的过渡厅，用作辅助运输，供上下旅客乘公共交通；在第一层下面的第二层为从上下车部分，旅客通过过道进出列车。两个层面由竖井和电梯相连，为使乘客顺利的出入瑞士地铁的车站大厅，需要在第二层设置隧道之外的洞室空间（内尺寸为）。在车站范围内设有纵向自动闸门，为避免真空损失，列车在站内停车之前须先经过闸室，当列车停在车站准确位置，半真空

19、隧道闸门自动关闭，使旅客在上下车时在大厅的正常气压下，车内也保持正常气压，如图、所示，旅客通过自动闸室和个闸门进出，每个车站每小时客流量可达人次。幽瑞士地铁车站平面图车站闸乩量图瑞士地铁车站示意图（）隧道为避免两辆迎头对开的列车相遇时出现气压转变及震荡，而使迎头对开的列车彻底分开，的主体由两条隧道组成。根据地貌不同，隧道深度在之间。为了减小空气阻力，在隧道中抽成真空，气压约等于海拔米高空的气压（约为个大气压），隧道直径，个隧道间隔，并用钢筋混凝土西南交通大学硕士研究生学位论文第页管片（）衬砌，铺密封层及现浇混凝土内层衬砌（）。岩层与衬砌管片间的缝隙（）用灌浆封闭。两条对向隧道通过横向的走廊连接

20、起来，产生和保持部分真空的抽气泵就放在这里。限界图瑞士地铁隧道截面图（）车体车辆属于常导磁悬浮型（），与德国的类似。列车截面为直径的环形，车头与车尾为半圆形，长的列车空车重量为，包括车门、座席、磁悬浮系统、空调设备和安全设备装置。列车主要技术参数如下：表唧列车技术参数列车长度座席个车体外直径隧道直径空车重量有效载荷曲线半径最短使用寿命年造价万法郎车体由节中间车和首尾节端车组成，它们都是刚性的，互相采用柔性连接。节中间车共有台直线电机，每台电机的功率为，每节中间车的台电机并列连接，并通过同一逆变器供电，该逆变器将提供的功率，功率因数为。从启动到速度达期间加速度为；速度西南交通大学硕士研究生学位论

21、文第页期间，以恒定功率进行加速，整个效率为；车辆垌定子之问的气隙为。圈车辆为了乘坐舒适、安全，保证车内空气质量，列车上装有换气系统。有三种可能的方案以消除车厢内的空气污染，即分别是：稀释法、吸附法和分离法。其中分离法看来是针对系统最有效的方法，该方法是将污染物在气态时通过一种薄膜分离出来，目前这种分离薄膜还没有达到理想的过滤系数。但这个领域发展很快，当然可以应用该领域最新的研究成果。（）部分真空为制造和保持隧道中的部分真空，可使用市面上常见的抽气机。每长的区段，抽风效率要求达到，这样列车就能在气压（相当于个大气压）的环境中运行，预计不可避免的泄漏约为，因此，隧道区段的持续抽气效率约为。（）运营

22、“瑞士地铁”网由两条平行，而行车方向相反的线路构成。计划两站问运行时间一般为，停车时间为，每小时单方向开行长的列车列，每列车座席定员人，即单向每小时运能为人。西南交通大学硕士研究生学位论文第页口口车站图一瑞士地铁线网平面图（）效率及经济性将整个供电系统考虑在内，变压器的效率为，个逆变器的效率为，隧道内的直流供电效率为，则可能的效率约为。加上直线电机的效率约为，整个推进系统的效率将大于。系统经济性分析显示：日内瓦一洛桑全长的线路，大约需要投资为万亿瑞士法郎，平均每千米为万瑞士法郎。西南交通大学硕士研究生学位论文第页第章管道实验模型结构分析系统管道介绍实际运营中的管道可采取如图所示的上下结构或水平结构布置。系统的管道可设置在地上或地下，这要根据当地的地形和经济条件来决定。（）上下结构管道截面（）水平结构管道截面图管道结构布置管道实验模型断面尺寸、形状本文讨论的管道实验模型，大小可容纳磁悬浮车体通过，高度便于人们的研究观察，考虑到造价因素和维护使用的方便，管道实验模型的长度定为米、宽度为米、高度为米，在本文中墙壁的厚度暂定为米，具体数据可根据将来建造时的情况进一步计算确定，管道实验模型的断面为拱形结构，其尺寸及形状如图、图。西南交通大学硕士研究生学位论文第页图管道实验模型断面尺寸图管道实验模型外观图一端门密封、锁紧装