автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Научно-технические основы создания высокоскоростного наземного транспорта с использованием электродинамической левитации
- доктора технических наук
- Дзензерский, Виктор Александрович
- город
- Днепропетровск
- год
- 1998
- специальность ВАК РФ
- 05.22.07
Автореферат диссертации по теме "Научно-технические основы создания высокоскоростного наземного транспорта с использованием электродинамической левитации"
инь, ПУ1
ДНЕПРОПЕТРОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА
НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СОЗДАНИЯ ВЫСОКОСКОРОСТНОГО НАЗЕМНОГО ТРАНСПОРТА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКОЙ
ЛЕВИТАЦИИ
Специальность 05.22.07 — Подвижной состав железных дорог
и тяга поездов
Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук
Для служебного пользования Экземпляр № о/
ДЗЕНЗЕРСКИЙ Виктор Александрович
УДК 629.439.027
Днепропетровск - 1998
Диссертация является рукописью.
Работа выполнена в Институте транспортных систем и технологий Национальной академии наук Украины «Трансмаг»
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
Манашкин Лев Абрамович,
Днепропетровский государственный технический университет железнодорожного транспорта, заведующий кафедрой теоретической механики
доктор технических наук, профессор Бахвалов Юрий Алексеевич, заслуженный деятель науки Российской Федерации,
Новочеркасский государственный политехнический университет, заведующий кафедрой прикладной математики
доктор технических наук, профессор Омельяненко Виктор Иванович, Харьковский государственный политехнический университет, заведующий кафедрой локомотивостроення
Ведущая организация: Институт технической механики Национальной
академии наук Украины и Национального космического агентства Украины, г.Днепропетровск
Защита состоится 25 декабря 1998 г. в 1400 часов на заседании специализированного ученого совета Д 08.820.02 при Днепропетровском государственном техническом университете железнодорожного транспорта по адресу: 320010, г. Днепропетровск, ул. Лазаряна, 2.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Днепропетровского государственного технического университета железнодорожного транспорта.
Автореферат разослан 24 ноября 1998 г.
Ученый секретарь специализированного ученого совета, доктор технических наук
'Б.Е.Боднарь
17
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность 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 протяжение 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 100200 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 маппгг — 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 HAH 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 HAH 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 динамических 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;
3) разработку основ расчета и проектирования транспортных сверхпроводящих магнитов; создание сверхпроводящих магнитов с улучшенными тепловыми и механическими характеристиками;
4) 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;
6) разработку методов и алгоритмов для исследования динамики и устойчивости экипажа с электродинамическим подвесом;
7) 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 диссертащш 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 HAH 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.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснованны важность и актуальность рассматриваемой проблемы, сформулированы цели и задачи исследований, дана краткая характеристика полученных в диссертации теоретических и практических результатов.
В главе 1 «Обзор литературы и выбор направления исследований» дан критический анализ исследований в области высокоскоростного магнитолевитирующего транспорта. Отмечено, что усилиями ученых разных стран (Астахов В.И., Бахвалов Ю.А., Бочаров В.И., Васильев C.B., Винокуров В.А., Дроздов C.B., Ким К.И., Кочетков В.М., Лазарян В.А. и его школа, Нагорский В.Д., Омельяненко В.И., Борчертс Р.Х., Девис Л.С., Ивамото М., Менеденц Р., Мирик Дж., Оно Е., Рейтц Д.Д., Торнтон Р.Д., Уранкар Л., Чун-ву Ли, Ямада Т. и др.) решены многие важные теоретические задачи и предложено значительное число конструктивных и технологических решений в области создания транспорта с ЭДП. Полученные результаты ставят на повестку дня практическую реализацию таких систем. Вместе с тем ряд задач, имеющих непосредственное отношение к расчету ВСНТ с ЭДП, либо разработаны недостаточно детально, либо вообще не рассматривались в литературе.
Так, при расчете систем подвеса со сплошной путевой структурой используются идеализированные математические модели, что приводит к погрешности в определении электродинамических сил. Число рассмотренных типов подвеса невелико, практически не исследован подвес с многослойным полотном. Существующие методы расчета систем ЭДП с дискретной путевой структурой трудоемки.
Недостаточно развиты методы исследования динамики левитирующего транспорта. Рассмотрено ограниченное число конструктивных схем и типов подвешивания, причем, как правило, использовались упрощенные динамические модели. Практически не исследовано движение по криволинейным участкам пути. Отсутствуют эффективные методы анализа устойчивости стационарного движения системы. Не рассмотрено влияние податливости несущих конструкций путевой структуры на величины электродинамических сил.
Известные конструктивные решения ряда основных узлов и силовых элементов систем подвеса не удовлетворяют современным требованиям. Так, для основного силового элемента ЭДП — криомодуля — не удалось найти решение, достаточно полно удовлетворяющее противоречивым требованиям прочности и теплозащиты.
Наличие широкого круга нерешенных или недостаточно изученных задач определило основные направления данной работы. Последние включают теоретические исследования в области магнитной левитации и динамики левитирующего экипажа, разработку новых типов подвеса и криомодулей с улучшенными характеристиками, создание стендов для комплексного исследования систем левитации, проведение цикла экспериментальных исследований узлов криомодулей и левитирующего экипажа. Таким образом, в работе используется комплексная методика исследований, включающая математическое и физическое моделирование и большое количество натурных экспериментов.
В главе 2 «Развитие теории и методов расчета электродинамических сил в системах подвеса со сплошным путевым полотном» рассматриваются различные системы подвеса. Основное внимание уделено разработке общей методики расчета сил, действующих на источник первичного магнитного поля в виде одной или нескольких катушек. Определены зависимости этих сил от формы и размеров катушек, скорости движения, толщины и структуры путевого полотна, его электрической проводимости и магнитной проницаемости, а также от других параметров систем подвеса.
Эти задачи ранее рассматривались в литературе с использованием рада упрощающих предположений. Так, источник первичного магнитного поля представляется контуром простой формы, образованным токовыми нитями бесконечно малого сечения. Неучет реальной формы катушек и размеров их поперечного сечения вносит погрешности в расчет силовых характеристик. Поэтому в диссертации рассмотрена общая задача расчета систем ЭДП, в которых источник первичного магнитного поля имеет произвольную форму и конечные размеры поперечного сечения.
тй
т
и <4
м
® Jl
Область
д= I
П
ш
ц, ст
ГУ
Расчетная схема нормально-поточной системы ЭДП представлена на рис.1. Одна или несколько катушек, в которых протекает постоянный ток, движутся с постоянной скоростью V над плоским электропроводящим путевым полотном толщиной Т и бесконечными размерами в
Рис.1. Расчетная схема нормально-поточной системы
горизонтальных направлениях. Ток катушки создает первичное магнитное поле,
наводящее в путевом полотне вихревые токи, которые, в свою очередь, создают вторичное
магнитное поле. Взаимодействие этого поля с током катушки приводит к возникновению
действующих на нее сил.
Распределение магнитных и электрических полей описываются системой уравнений
Максвелла. После некоторых преобразований и естественных упрощающих
предположений получена следующая краевая задача для вектора магнитной индукции В:
ДВ + /лау— = -¡лгоС х;
ск
(1)
Вч=В(ч+,); —В4 =
г > у "х.у
И ц
_Г)(Ч»1>.
(ч+|) *.у '
В
= 0,
где В^.В^.В^— компоненты вектора В на границах q-oй области!, I,- вектор плотности тока источника магнитного поля.
Решение задачи найдено с помощью двумерного интегрального преобразования Фурье. Искомый вектор силы Р, действующей на катушку, определяется через индукцию В по закону Ампера. Соответствующий интеграл по объему катушки после некоторых преобразований приведен к виду:
Ё= 8Я-2Я, |]-^5Ьг(кз)Щк)|1|у(к,5Д)|2е-2кМк,с1ку,
(2)
где
а + к4
■-НУ
Ча + к/
¿ = к = [к„ку,о]; а2 = к2 - jk5д)ov; ^ = -1;
11у(к,5,0 — у-составляющая Фурье-образа плотности тока катушки.
В теории ЭДП компоненты вектора Р принято называть подъемной (левитационной) р1=р7, тормозной Р0 =-Рх и боковой Р5 =РУ силами.
Для катушек, состоящих из кусочно-линейных усеченных призматических элементов, с помощью (2) решение найдено в явном виде. Поскольку катушка произвольной формы может быть сколько угодно точно аппроксимирована указанными
П
элементами, то этот результат позволяет рассчитывать силовые характеристики ЭДП при произвольной форме катушек с учетом реальных размеров их поперечного сечения.
С помощью полученных результатов проведен детальный анализ зависимости сил, действующих на катушку, и левитационного качества к^РьЯ-р от скорости движения и основных параметров системы подвеса (формы катушки, размеров ее поперечного сечения, толщины полотна и высоты подвеса).
При исследовании влияния формы катушки на левигационные характеристики системы подвеса рассмотрены прямоугольная, ромбическая и круглая катушки с одинаковым периметром среднего витка. Сопоставление полученных зависимостей позволило обобщить на случай катушек с конечным размером поперечного сечения следующее эмпирическое правило, сформулированное ранее [1] для идеальных токовых контуров: значения сил возрастают при увеличении площади катушки. Согласно этому правилу максимальные значения сил отвечают кольцевой катушке. Однако с практической точки зрения наиболее целесообразным является использование узких прямоугольных катушек, поскольку это позволяет уменьшить ширину путевой структуры.
При исследовании влияния конфигурации поперечного сечения токовых элементов на левитационные характеристики системы ЭДП установленно, что размеры поперечного
ро/ро сечения катушки существенно 014 влияют на силовые
0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0
0,12
0,1
0,08
0,06
0,04
0,02
0
V, м/с
Рис.2. Зависимости подъемной и тормозной сил от скорости движения
характеристики системы ЭДП. Наиболее целесообразным является применение катушки с наибольшим по горизонтали размером (шириной) 2Х. поперечного сечения, так как это приводит к увеличению подъемной силы.
На рис.2 представлены кривые подъемной ^ (пунктир) и тормозной Бп (непрерывные линии) сил от скорости движения для прямоугольной катушки (размеры по среднему сечению вдоль осей х и у: 1,5x0,5 м; 2зх21 = 0,08x0,08 м) при высоте подвеса Ь' = Ь - б = 0,2 м и различных значениях толщины Т полотна; кривым 1 отвечает значение Т = 0,005м, 2 — 0,01м, 3 — 0,02 м, 4 — 0,1 м; силы нормированы на величину Р0 = БцоМ2/;:2, где N -намагничивающая сила катушки, Цо - магнитная проницаемость вакуума. Как видно, при увеличении толщины полотна подъемная сила увеличивается. При Т = 0,02м соответствующие значения уже близки к предельным, поэтому из экономических соображений целесообразно использовать полотна толщиной, близкой к Т = 0,02м.
Одним из путей повышения левитационных характеристик систем ЭДП является использование путевых полотен, имеющих в своей структуре ферромагнитные элементы.
21,.
— <— -
■X -X
Различные варианты систем электродинамического подвеса с модифицированной путевой структурой предложены диссертантом в работах [11,14,19,23,28].
Конструктивная схема одной из наиболее общих систем - нуль-поточной системы ЭДП с двуслойным полотном - представлена на рис.3. Две катушки жестко связанны между собой; направления токов в катушках противоположны. Между катушками находится путевое полотно, состоящее из двух слоев: верхнего - проводящего и нижнего -ферромагнитного, который имеет постоянную магнитную проницаемость.
Ь, ® ь а л т Область
I
II
ц, а=0 III
IV
X X
<— Л оП
Рис.3. Конструктивная схема нуль-поточной системы ЭДП с двуслойным полотном
С помощью описанной выше методики получены выражения для сил, действующих на систему жестко связанных катушек, каждая из которых имеет произвольную форму и конечные размеры поперечного сечения. Численные расчеты для прямоугольных токовых контуров показали, что рассматриваемая система имеет более высокие левитационные характеристики по сравнению с нормально-поточным вариантом ЭДП (рис.1) и типовой нуль-поточной системой подвеса, в которой используется однослойное полотно (рис.3 при Т2=0).
В главе 3 «Развитие теории и методов расчета электродинамических сил в системах подвеса и стабилизации с дискретной путевой структурой» рассмотрены системы с путевой структурой в виде отдельных замкнутых контуров. При движении поездных катушек создаваемый ими магнитный поток индуцирует э.д.с. в этих контурах, в результате чего возникают электродинамические силы, обеспечивающие левитацию и направление (боковую стабилизацию) экипажа.
Типовые схемы электродинамического подвеса с дискретной путевой структурой представлены на рис.4, где 1 — поездные катушки, 2 — контуры подвеса, 3 — контуры направления.
а) íz
У
п-и
о-2-о
/ /
Рис.4. Типовые схемы электродинамического подвеса с дискретной путевой структурой
В нуль-поточной системе направляющие контуры соединены между собой в замкнутую цепь. В комбинированной системе катушки, расположенные на боковых стенках путепровода, выполняют одновременно функции подвеса и направления. Улучшенные характеристики подвеса достигаются при использовании контуров в виде "восьмерки", расположенных на боковых стенках путепровода. В принципе, возможно применение и других схем, например, с наклонным расположением катушек и путевых контуров.
Задача определения сил, действующих на поездные катушки, требует отыскания стационарного решения достаточно большого числа уравнений (определяющих токи в контурах подвеса и направления) и является достаточно трудоемкой. Поэтому различными авторами предложены методы ее приближенного решения. К сожалению, общим недостатком этих методов является отсутствие оценки' достоверности получаемых результатов и быстрое возрастание трудоемкости решений при увеличении порядка системы.
В данной главе предложен эффективный метод расчета систем электродинамического подвеса и направления. Как известно, токи в путевых контурах описываются следующей системой дифференциальных уравнений:
где I — вектор-столбец токов ЦО, к = 1,..., р (р — число учитываемых путевых контуров); Ь — квадратная матрица коэффициентов ^самоиндукции (п = к) и взаимоиндукции (п/к) путевых контуров; Я — диагональная матрица с элементами г, где г — активное сопротивление контура; е — вектор-столбец э.д.с. е^, которые наводятся магнитным полем поездных катушек в путевых контурах.
В случае стационарного движения продольные координаты поездных катушек определяются выражениями X; = хщ + Л; остальные координаты катушек постоянны. При этом интерес представляет стационарное решение, при котором токи в контурах удовлетворяют соотношению
где Т = H/v; Н — шаг контуров. Таким образом, для определения токов i,(t) и, следовательно, электродинамических сил достаточно вычислить ток в одном контуре.
В силу соотношения (4) задача определения io(t) сводится к решению дифференциально-разностного уравнения
L—+ RI = e,
(3)
i,(t) = i0(t-sT),
(4)
dt ti dt
где ls = lnk (s = |n - k|).
и
Идея предлагаемого метода основана на следующем соображении: коэффициент взаимной индукции L¡ (s # 0) существенно меньше коэффициента самоиндукции Ь и быстро убывает с ростом s (например, в случае квадратных контуров со стороной а = 0,3 м и шагом Н = 0,36 м имеем: 1,Л0 = 0,0609, 12Л0 = 0,00420, 1з/10 = 0,00115, U/lo = 0,000473). Поэтому естественно решать уравнение методом последовательных приближений, приняв в качестве нулевого приближения io°(t) решение при L¡ = 0 (s Ф 0). Подставив io°(t) в правую часть (5) определяем io'(t) и т.д. Процесс повторяется, пока шах |¡ok+1(t) - iok(t)| < s, где е— заданная точность.
Таким образом, предложенный метод, в отличие от известных методов, допускает эффективную оценку точности получаемых результатов. Кроме того, трудоемкость метода мало зависит от числа учитываемых контуров путевой структуры.
Для оценки эффективности описанного метода проведены численные расчеты различных схем подвеса и направления. Во всех случаях сходимость последовательных приближений является весьма быстрой; уже второе приближение jj2(x) практически совпадает с точным решением.
С помощью указанного метода выполнен анализ влияния параметров подвеса на величины электродинамических сил. Рассматривались системы подвеса с горизонтальным и вертикальным расположением поездных катушек и путевых контуров, причем последние имели вид прямоугольников или "восьмерок". В результате дан сравнительный анализ различных схем подвеса и рекомендации по выбору их параметров. В частности, установлено, что при фиксированных размерах поездных катушек средние значения левитационной Fl и тормозной Fq сил (в отличие от их переменных составляющих F| (t) и FD(t)) незначительно зависят от длин путевых контуров. При принятом условии минимум |FL(t)| и |FD(t)| достигается, когда отношение продольных сторон путевых контуров и поездных катушек близки к 1/3 и 2/3 (заметим, что второе отношение является предпочтительным, так как оно отвечает меньшему расходу материалов путевых контуров на единицу длины пути).
При использовании контуров в виде "восьмерки" левитационная сила несколько уменьшается по сравнению с прямоугольными контурами, однако левигационное качество kL значительно увеличивается за счет существенного снижения тормозных сил.
В системах электродинамического подвешивания на экипаже устанавливается несколько поездных катушек. Индуцируемые ими токи в путевых контурах суммируются; в результате силы, действующие на каждую из катушек, отличаются от сил в случае отдельной катушки (п=1). В работе проанализировано влияние расстояний 5 между соседними катушками, а также направлений протекающих в них токов на величины электродинамических сил.
Рис.5. Зависимость левитационных сил от расстояния между соленоидами при скорости V = 100 м/с
На рис.5 для случая двух катушек даны графики левитационных сил в зависимости от расстояния 5 при согласном (рис.5а) и встречном (рис.5б) направлении токов в соседних катушках. Как видно, левитационная сила в первой (по направлению движения) катушке практически не зависит от 5 и направлений токов и равна силе Рх,0 в случае отдельной катушки, в то время как сила во второй катушке Б12 при согласном направлении токов меньше, а при встречном — больше Таким образом, для увеличения суммарной левитационной силы необходимо, чтобы направления токов в соседних катушках были противоположны. Этот вывод справедлив и в случае трех и более катушек.
Для исследования динамических характеристик системы ЭДП с дискретной путевой структурой были рассмотрены вертикальные колебания катушки относительно ее стационарного движения (при котором средняя левитационная сила равна весу системы). Эти колебания описываются уравнением
тг=Рь(1,2)-т& (6)
где т. — вертикальная координата катушки; т — масса системы; g — ускорение силы тяжести; I = 0ь...,1р) - вектор токов в контурах, определяемый уравнением (3). Таким образом, для решения задачи необходимо решать совместно уравнения (3) и (6).
Решение задачи проводилось численными методами для различных скоростей движения и схем подвешивания. Во всех рассмотренных случаях движение является колебательньм, причем амплитуды последовательных отклонений от положения равновесия возрастают. Таким образом, стационарное движение в системе с дискретной путевой структурой неустойчиво.
Заметим, однако, что во всех случаях скорость роста амплитуд сравнительно невелика, поэтому введение внешних Д1 ¡ссипативных сил позволяет стабилизировать систему. На рис.6 приведены результаты исследования стабилизации системы подвеса при помощи динамического гасителя колебаний с вязким трением (1—х=0,2-х=0.025, 3-х=0-075, где % - относительная масса гасителя). Как видно, эффективная стабилизация
1 Л
и У
V V У V
v V V
достигается уже при х=0,025; с увеличением массы гасителя скорость затухания колебаний быстро увеличивается.
Важнейшими показателями качества высокоскоростных транспортных средств являются их динамические характеристики, определяющие, в конечном счете,
возможность и условия транспортировки пассажиров и грузов. Поэтому создание транспортных средств с
электродинамическим подвесом требует глубоких теоретических исследований в области динамики систем ЭДП. В главе 4 «Динамика транспортных систем с электродинамическим подвесом»
разработаны методы исследования колебаний, стационарных режимов и устойчивости движения левитирующих экипажей; при помощи этих методов проведен анализ различных
конструктивных схем экипажей и типов подвеса.
Экипаж моделировался системой твердых тел (кузов, сверхпроводящие магниты, рамы тележек), соединенных между собой упруго-диссипативными элементами. Рассматривались как сплошная, так и дискретная путевые структуры.
Наиболее детально исследованы стационарные режимы прямолинейного движения, а также движения по пути постоянной кривизны. При этом предполагалось, что электродинамические и аэродинамические тормозные силы уравновешиваются силой тяги линейного двигателя.
Транспортное средство с электродинамическим подвесом представляет собой электромеханическую систему, поведение которой в общем случае описывается механическими переменными (обобщенными координатами узлов экипажа) и электрическими переменными (токами в элементах подвеса и направления). Поведение механических переменных определяет система дифференциальных уравнений Лагранжа
г,м
0,16
0,15
0,14
0,13
0,5
1.0
1,5
и С
Рис.6. Вертикальные колебания экипажа в системе с дискретной путевой структурой
(1 аТ 5Т оП дФ дс[и 5яо + 5я„ + с^ ~ "
(о=1,2,...,п), (7)
где qu — обобщенные координаты, п — число степеней свободы системы, Т, П и Ф — соответственно кинетическая энергия, потенциальная энергия и функция рассеяния; О, — обобщенные силы. В качестве обобщенных координат пршгамались продольные, поперечные, вертикальные и соответствующие угловые перемещения твердых тел системы (боковая качка, галопирование, виляние).
В системе с дискретной путевой структурой электрические переменные определяются системой уравнений (3). В выражение О, входят электродинамические силы, зависящие от токов в контурах подвеса и направления. Последние, в свою очередь, зависят от относительного положения поездных катушек и путевых токопроводящих элементов и, тем самым, от координат с^,. Таким образом, системы уравнений относительно механических и электрических переменных оказываются связанными и, в общем случае, их необходимо решать совместно.
В системе со сплошным токопроводящим полотном вычисление электродинамических сил при произвольном характере движения поездных катушек представляет собой чрезвычайно сложную задачу. Поэтому при исследовании динамики такой системы использовалась аппроксимация решений, полученных для сил взаимодействия катушки, совершающей гармонические колебания относительно путевого полотна.
В стационарном режиме движения транспортной системы со сплошным токопроводящим полотном координаты постоянны (ц/О^ц). Подстановка их в (7) приводит к системе нелинейных алгебраических уравнений относительно ц,. Эти уравнения решались итерационными методами.
Стационарные режимы движения могут быть физически реализованы при условии их устойчивости; поэтому анализ устойчивости является важнейшим элементом динамического расчета системы. В системе со сплошной путевой структурой устойчивость исследовалась по уравнениям первого приближения. С этой целью уравнения возмущенного движения линеаризовались в окрестности с^ и вычислялись собственные значения А,к соответствующей матрицы; движение устойчиво, если гпах(Яе)^) < 0.
Исследование нестационарных режимов движения проводилось путем численного интегрирования. Были рассмотрены следующие конструктивные схемы транспортной системы со сплошным токопроводящим полотном (рис.7): I — сверхпроводящие магниты прикреплены к кузову жестко или при помощи упруго-диссипативних элементов; II — магниты жестко прикреплены к отдельной раме, соединенной с кузовом упруго-диссипативними связями; III — магниты прикреплены к двум рамам, которые непосредственно не связаны между собой или связаны при помощи упругих или шарнирных элементов. Для всех схем рассматривались случаи П-образной и и-образной путевой структуры.
При прямолинейном движении в схеме I при жестком креплении магнитов к кузову стационарный режим устойчив при у<70 м/с и неустойчив при у>70 м/с. Неустойчивость обусловлена тем, что здесь коэффициент диссипации электродинамического подвеса отрицателен. Стабилизация достигается введением упруго-диссипативних связей между кузовом и магнитами. Однако запас устойчивости мал; кроме того, система весьма чувствительная к возмущениям.
В системе с отдельной рамой (схема II) стационарное движение устойчиво при всех скоростях. Динамические характеристики экипажа улучшаются при понижении центра тяжести корпуса. Однако затухание по координатам бокового
относа, боковой качки и виляния очень медленное.
В экипажах с двумя рамами (схема III) несколько увеличивается показатель
устойчивости движения структура; 4-токопроводящий элемент путевой струетуры; сисхемы Наилучшие
5 - упруго-диссипативные элементы; 6 - рама; ' ^
7 - упругий элемент или шарнир. показатели получены для
U-образной путевой
структуры, где скорость затухания колебашш достаточно велика по всем координатам (при этом схема со связанными рамами предпочтительней схемы со свободными рамами). Таким образом, проведенные исследования показали, что наилучшими динамическими качествами при стационарном прямолинейном движении обладает схема с двумя связанными промежуточными рамами и жестко прикрепленными к ним магнитами при U-образной путевой структуре.
Исследованы также колебания и устойчивость движения системы со сплошной путевой структурой на криволинейных участках переменной и постоянной кривизны. Как показали расчеты, частоты и скорости затухания колебаний при движении по криволинейному пути постоянной кривизны близки к соответствующим величинам при прямолинейном движении. Как и следовало ожидать, на переходных и круговых участках пути боковой относ и боковая качка кузова значительно возрастают благодаря действию центробежных сил. Наиболее сильно этот эффект проявляется в случае П-образной путевой структуры, что объясняется значительным превышением центра тяжести над центром поворота корпуса. Так, для кривой радиуса R=8000 м при скорости v=120 м/с для схемы III с П-образной структурой амплитуда боковой качки кузова равна 0.35 рад, в то время как для U-образной структуры она равно только 0.006 рад (рис.8, где 0 < S < 800 м — прямолинейный участок пути, 800< S < 1300 м — входная переходная кривая, 1300< S < 1800 м — круговая кривая, 1800< S < 2300 — выходная переходная кривая). Таким образом, с точки зрения колебании и устойчивости движения системы на криволинейных участках пути наилучшей также является схема III с U-образной путевой структурой.
® С
®
ч. .it-lb:
® ^
^77/ \б\з
Рис. 7. Расчетные схемы транспортных систем со сплошной путевой структурой. 1 - кузов; 2 - сверхпроводящий магнит; 3 - путевая
0, рад
0,015 0,01
-0,005 0
-0,005 -0,01
~Т7Х\ АЛ
1 А Л А А /V ^
аН КЛ/
О
500 1000 1500 2000 Б, м
Были исследованы и аварийные режимы движения, вызванные обесточиванием одного из сверхпроводящих магнитов. Системы сравнивались по запасу устойчивости и амплитудам колебаний, а также по критерию безопасности (отсутствию
соударений с путевой структурой после обесточивания). Оказалось, что в схеме с упруго-связанными
Рис.8. Зависимости утлов боковой качки корпуса (1) и рамы (2) от пройденного пути для Ч-образной путевой структуры
рамами безопасность обеспечивается 16 магнитами, в то время как в других схемах необходимо до 24 магнитов.
В системах с дискретной путевой структурой, несмотря на наличие периодической составляющей электродинамических сил Р(ф, координаты стационарного режима также практически постоянны. Подстановка средних значений Р(с[) в (7) приводит к системе уравнений относительно я. Для отыскания Р(с[) необходимо найти установившееся решение системы дифференциальных уравнений, описывающей токи в путевых контурах; решение этой задачи осуществлялось предложенным в главе 3 методом.
Как отмечено выше, при наличии возмущений в системе подвеса с дискретной путевой структурой амплитуды вертикальных колебаний возрастают, что свидетельствует о неустойчивости стационарного режима. При исследовании пространственных колебаний такой системы обнаруживается другой тип неустойчивости, при котором быстрое нарастание начальных возмущений не сопровождается колебаниями системы относительно равновесного состояния. В механике указанные типы неустойчивости называются соответственно флатгерным и дивергентным.
В отличие от флаттерной, дивергентная неустойчивость не устраняется диссипативными силами. Многочисленные расчеты показали, что в большинстве рассмотренных конструктивных схем такая неустойчивость имеет место в широком диапазоне параметров. Так как число варьируемых параметров системы велико, а проверка устойчивости конкретной системы требует проведения трудоемких расчетов, то выбор устойчивой конструктивной схемы представляет собой весьма сложную задачу.
Для выбора устойчивых динамических моделей и параметров систем с электродинамическим подвесом в диссертации предложен метод, который не требует интегрирования уравнений системы. Идея метода заключается в замене катушек упругими опорами, потенциальные функции которых равны осредненным по времени потенциальным функциям электродинамических сил. В результате задача сводится к анализу механической системы с упругими опорами, условием устойчивости которой служит положительная определенность соответствующей квадратичной формы, определяющей потенциальную энергию системы.
Рис. 9. Динамическая схема экипажа
Для оценки достоверности предложенной методики проведены численные расчеты колебаний системы, представленной на рис.9, в плоскости У02. На рис. 10а приведены графики колебаний системы при таких значениях параметров, при которых потенциальная функция имеет минимум по г и максимум по у. Как видно, система неустойчива, причем движения по
вертикальной г и угловой б координатам являются колебательными с возрастающими амплитудами, в то время как боковое отклонение растет монотонно (т.е. по координате у имеет место дивергентная неустойчивость). На рис. 106 приведены колебания в случае положительно определенной потенциальной функции. Как видно, все амплитуды
а) л у, м
9, рад 0,02
0
-0,02
-0,04
0,2
0,4
0,6
и с
б) т,у,м 9, рад 0,01
0,005
0
-0,005 -0,01 -0,015
\\2
\\\ Ж А
Я г
\ у V V
V V
1
ис
Рис.10. Пространственные колебания системы: I - г, 2-у, 3 - 0 монотонно убывают, т.е. стационарное движение системы устойчиво. Таким образом, предложенная методика позволяет получать достоверные выводы об устойчивости стационарного движения системы.
Описанную методику целесообразно использовать для синтеза параметров системы, при которых дивергентная неустойчивость будет исключена. Что касается флаттерной неустойчивости, то, как отмечено выше, она устраняется введением диссипативных связей. При найденных параметрах окончательный вывод об устойчивости может быть сделан путем непосредственного интегрирования уравнений возмущенного движения системы, однако такой путь достаточно трудоемок. Поэтому для стационарного движения в диссертации разработана методика проверки устойчивости по Ляпунову.
Задача сведена к исследованию преобразования иг = У(и<)), связывающего совокупность всех (механических и электрических) переменных в начале и конце интервала движения [0,Т=Н/у]. Стационарные значения переменных служат неподвижной точкой этого преобразования. Особенность данной задачи заключается в том, что для электрических переменных условия стационарности имеют вид (4), что требует перенумерации контуров в конце каждого интервала; это обстоятельство учтено в
структуре оператора V. Стационарный режим асимптотически устойчив, если |p¡| <1, где р, — собственные значения матрицы U, получаемой линеаризацией преобразования V(u) в его неподвижной точке. Для вычисления U необходимо п раз проинтегрировать систему уравнений в вариациях, отвечающую уравнениям (3) и (7). Проверка условия устойчивости сводится к отысканию максимального по модулю собственного значения матрицы U; для решения этой задачи существуют эффективные численные методы.
С помощью описанного алгоритма проведены расчеты устойчивости стационарного движения экипажа при различных схемах подвешивания. Полученные результаты проверялись непосредственным интегрированием уравнений системы (3) и (7) при малых начальных возмущениях стационарного режима. Во всех случаях выводы об устойчивости движения совпадали: при выполнении условия |p¡| < 1 начальные возмущения стремились к нулю; в противном случае амплитуды возмущений возрастали.
Обычно предполагается, что путевая структура транспорта на магнитном подвесе располагается на эстакаде. При прохождении левитирующего экипажа электродинамические силы, приложенные к путевым контурам, вызовут колебания эстакады. В результате вертикальные расстояния между поездными катушками и путевыми контурами будут меняться, что, в свою очередь, приведет к изменению электродинамических сил. Таким образом, динамический расчет путевой структуры, имея самостоятельное значение, представляет в то же время интерес с точки зрения динамики экипажа. Для оценки этого эффекта в диссертации разработана методика динамического расчета несущих конструкций эстакады в случае дискретных контуров подвеса.
Для простоты предположено, что путевые контуры расположены на шарнирно 4 2 ^4 3 опертых балках (рис.11, где
/\
l~o¿b t^-o/ o-¿o о^-о|-► 1 — балка, 2 — путевые контуры,
— экипаж, 4
7777
экипаж, 4 — поездные 'о=Ълх£1.аrJ**' //¡Ч/// катушки), однако развитая
L
tz
методика легко обобщается на другие системы. Вертикальные
Рис. 11. Схема для динамического расчета электродинамические силы
путевой структуры считаются сосредоточенными и
приложенными в центре соответствующего контура. Рассмотрен стационарный режим, когда экипаж движется с постоянной скоростью вдоль прямолинейной оси путевой структуры.
Динамический прогиб балки z(x, t) представлен в виде разложения по формам ее собственных колебаний; обобщенные координаты прогиба балки n(t) определялись в результате численного решения соответствующей системы дифференциальных уравнений совместно с уравнениями (3). При найденных ц(0 можно определить динамические перемещения и изгибающие моменты в любых заданных сечениях балки.
В соответствии с описанной методикой были проведены расчеты колебаний балки пролетом L = 18 м при различных скоростях движения v. Как показали результаты, податливость путевой структуры приводит к уменьшению среднего значения левитационной силы на 10-15%. Кроме того, в ней появляется значительная периодическая составляющая с периодом T=L/v. Эти обстоятельства необходимо учитывать при проектировании и расчете транспортных систем с электродинамическим подвесом.
В главе 5 «Экспериментальное исследование систем подвеса с использованием сверхпроводящих магнитов» приведены результаты соответствующих экспериментов. Экспериментам предшествовала большая подготовительная работа, связанная с разработкой и созданием криомодулей, испытательных стендов, макетного экипажа ВСНТ, оригинальной измерительной аппаратуры и другого оборудования. Большое количество предложенных при этом конструктивных решений было защищено авторскими свидетельствами.
Основными задачами экспериментов являлись:
• практическая реализация конкретных видов подвеса для ВСНТ;
• экспериментальное определение сил, действующих на СП катушки;
• проверка функциональных возможностей транспортных криомодулей и систем их жизнеобеспечения;
• сравнение полученных результатов с теорией для проверки правильности выбора математических моделей при расчете силовых взаимодействий.
Экспериментальная модель экипажа ВСНТ (рис.12) имеет длину 6,0 м, ширину 2,5 м и высоту 1,5 м. Экипаж состоит с опорной рамы 1, на которой жестко закреплен кузов 2. В опорной раме имеется четыре узла 3 (по два с каждой стороны) для крепления и жесткой фиксации криомодулей. В экспериментах были использованы криомодули типа KT-ЮМ (детальное описание их конструкции приведено в главе 8).
имитатор путевой структуры, который выполнен в виде четырех алюминиевых барабанов. Барабаны попарно расположены на валах, приводимых во вращение двигателями постоянного тока. Экипаж располагался над имитатором путевой структуры так, что криомодули находились непосредственно над барабанами. Эксперимент проводился по "способу обращенного движения": носовые и кормовые барабаны вращались с одинаковой частотой навстречу друг другу. При этом экипаж
Левитационные характеристики макетного экипажа ВСНТ исследовались на стенде электродинамической путевой структуры (4ЭДПС), размещенном на экспериментальном полигоне
Рис.12. Макетный экипаж ВСНТ
ИТСТ HAH Украины "Трансмаг". Стенд 4ЭДПС представляет собой
свободно перемещался по вертикальной оси под действием силы левитации.
Были проведены три серии испытаний при полном весе макетного экипажа Р = 6 кН, 10 кН и 14 кН и средней намагничивающей силе катушек криомодулей К=200кА (при Р=6 кН вместо макетного экипажа использовалась более легкая платформа, оборудованная
узлами для крепления криомодулей). На рис.13 экспериментальные зависимости высоты подвеса Ь от скорости движения путевой структуры V показаны точками, соответствующие теоретические зависимости — сплошными линиями.
Как следует из рис.13, в качественном отношении экспериментальные и
теоретические зависимости согласуются между собой. При всех скоростях экспериментальные значения высоты подвеса больше теоретических на 3-5 мм. Это связано, по-видимому, с наличием краевых эффектов, обусловленных конечной шириной барабанов имитатора путевой структуры.
Зависимость силы торможения от скорости движения определялась в эксперименте по изменению нагрузки на двигатели; было получено хорошее согласие с теорией. В целом комплекс проведенных экспериментов показал надежную работу криомодулей. Он подтвердил, что при использовании системы электродинамического подвеса могут быть достигнутые большие левитационные зазоры (—0,1 м «в свету»). Хорошее качественное и вполне удовлетворительное количественное согласие между теорией и экспериментом подтвердило правильность выбора математической модели и аналитических методов, использованных при описании электродинамического подвеса.
В главе 5 представлены также результаты экспериментального исследования подвеса, принцип действия которого основан на известном свойстве замкнутой СП катушки сохранять постоянное потокосцепление. Для реализации этого подвеса необходимо перевести СП катушку в рабочее состояние и замкнуть ее, преварительно расположив в неоднородном магнитном поле. При смещении катушки из положения, в котором она была переведена в автономный режим, в ней возникнет ток, благодаря взаимодействию которого с внешним магнитным полем появится возвращающая сила. То есть СП катушка будет стремиться сохранить свое исходное пространственное положение относительно источника внешнего магнитного поля.
В эксперименте такая система подвеса была реализована при помощи двух криомодулей: стационарного, который работал в принудагтелыюм режиме и играл роль источника внешнего магнитного поля, и левитирующего, который был подвешен после
Рис.13. Теоретические и экспериментальные зависимости высоты подвеса Ь от скорости движения. 1 - Р = 6 кН; 2 - Р = 10кН; 3-Р=14кН
замыкания накоротко его СП катушки. При этом установлена устойчивость подвеса, получено хорошее соответствие теоретической и экспериментальной зависимостей возвращающей силы, действующей на подвешенный криомодуль, от величины смещения последнего относительно положения равновесия.
Одной из основных проблем при создании высокоскоростного транспорта с электродинамическим подвесом является разработка транспортного сверхпроводящего магнита - криомодуля. При этом важное значение приобретает конструктивное согласование требований обеспечения теплового режима и функций передачи электродинамических сил на экипаж. При технической реализации эти требования противоречат друг другу. Поэтому в главе 6 «Разработка элементов системы внутренней подвески криомодулей со сбалансированными тепловыми и механическими характеристиками» проведен детальный анализ этой проблемы и предложен ряд новых технических решений по разработке опорных элементов внутренней подвески криомодулей.
Принципиальная схема криомодуля показана на рис.14. Силы Fl и Fd приложены к СП катушке 1, которая закреплена с помощью опор 2 внутри гелиевого контейнера 3. Контейнер крепится к азотной силовой раме 4 при помощи опор 5. На корпус криостата 6 нагрузки передаются по опорам 7, откуда они снимаются опорами 8, которые являются элементами внешней подвески, установленными на экипаже ВСНТ.
Опоры внутренней подвески могут быть разделены на группы по температурным условиям и динамике тепловой нагрузки. На каждую группу опор действует одна и та же механическая нагрузка, но различие температурных условий и скорости диффузии тепловой энергии существенным образом определяют конструкцию опор и принципы подбора материалов. Опоры, соединяющие зоны с разном температурой, служат каналами теплопритока в криогенные сосуды. Теплоприток может нарушить устойчивость работы СП катушки и поэтому должен быть минимизирован, в частности, за счет уменьшения сечений опор. Последнее однако вступает в противоречие с требованиями обеспечения прочности опор. Данное противоречие между температурными и прочностными требованиями является одной из основных трудностей при создании транспортных криомодулей. В диссертации разработан ряд технических приемов, ведущих к решению этой проблемы.
В частности, предложено увеличивать термическое сопротивление взаимодействующих опор за счет минимизации их контактирующих поверхностей и разработана методика расчета теплопритока таких опор. Опоры подобного типа [39] представляют собой несколько стержней, соединенных между собой при помощи гаек; при
этом угол профиля резьбы стержня не равен углу профиля резьбы гайки. В этом случае механический и тепловой контакты между стержнем и гайкой осуществляются не по всей резьбовой поверхности, а только по узкой винтовой дорожке, площадь которой во много раз меньше площади резьбовой поверхности.
На эффекте уменьшения теплопроводности за счет ограничения площади контакта основано другое техническое решение [37], в котором контакт осуществляется при помощи системы шариков. Еще один метод уменьшения теплопроводности опоры заключается в уменьшении ее механической нагруженности за счет компенсирующих силовых нагрузок [46,47].
Существенное уменьшение суммарного теплопритока достигается путем автоматической замены типа опорных элементов при помощи специального устройства [32,33]. Последнее имеет две системы опор для гелиевого контейнера. Одна из них рассчитана на большие механические нагрузки и имеет более высокую суммарную теплопроводность. Другая компенсирует только вес гелиевого контейнера, имеет малое сечение и, следовательно, низкую теплопроводность. В зависимости от режима работы криомодуля (рабочий или холостой) подвеска гелиевого контейнера осуществляется соответствующей системой опор, другая же в это время не функционирует.
Таким образом, разработанные приемы и решения дают возможность обеспечить передачу больших механических сил с СП катушки на экипаж транспортного средства без нарушения теплового режима.
С точки зрения эксплуатации транспортные криомодули имеют ряд специфических отличий от стационарных СП установок.. Отличия связаны с тем, что в процессе эксплуатации криомодули не связаны с агрегатами, с помощью которых они приводятся в рабочее состояние. Обеспечение автономного режима функционирования транспортных криомодулей требует решения ряда сложных вопросов. В главе 7 «Разработка стендов для испытаний и установок для эксплуатации транспортных криомодулей» разработаны устройства [49,50] для утилизации отработанного гелия и его рефрижерации по замкнутому циклу. Разработанные установки позволяют увеличить ресурс автономного режима работы криомодулей.
Исследования пассивных методов обеспечения автономного режима привели к разработке твердотельных аккумуляторов холода на основе отвержденных газов [44]. Вокруг СП катушки, а также во всех пустотах внутри обмотки по специальной технологии формируется твердотельная среда, которая при сильном переохлаждении выполняет функцию теплового демпфера. Установлено, что наилучшим веществом в качестве рабочего тела в аккумуляторе холода является отвердевший неон.
Для перевода криомодуля в рабочее состояние после его захолаживания необходимо завести ток в сверхпроводящую катушку. С этой целью в экспериментах, которые описаны в главе 5, использовался стационарный трашисторный источник питания, обеспечивающий регулирование величины тока и скорости его роста. В разделе 7 показаны возможность и перспективность использования для этой цели свинцово-
кислотных аккумуляторов. Исследования в области использования химических источников тока в бортовых системах энергообеспечения экипажей ВСНТ способствовали созданию стартерних аккумуляторов для специальной техники [68] и разработке ориентированных на сырьевую базу Украины новых типов аккумуляторов с бинарной системой электролитов [69].
Узлы и детали транспортных СП магнитов имеют сложное устройство и работают в условиях многофакторного воздействия, поэтому методы математического моделирования должны дополняться экспериментальными исследованиями, что требует разработки специальных установок и стендовых комплексов. В главе 7 разработаны устройства, с помощью которых могут быть исследованы количественные характеристики сложных динамических процессов взаимодействия СП магнитов с путевой структурой, систем теплозащиты, деталей внутренней подвески СП катушки, а также отработаны вопросы эксплуатационной надежности криомодулей.
В частности, разработана установка [48], моделирующая процесс взаимодействия переменного магнитного потока с деталями, оболочками и экранами металлических криомодулей. Она позволяет довольно просто и точно изучить количественную сторону такого сложного процесса, как диссипация энергии в оболочках криомодуля.
При разработке магнитной бесконтактной опоры для транспортных средств с использованием СП магнитов представляет интерес определение рационального профиля путевого полотна при заданной форме СП контура. Достоверные сведения такого рода можно получить путем физического моделирования процессов магнитного подвешивания с помощью разработанного в диссертации стенда [64]. Стенд содержит модель СП катушки криомодуля, установленную на барабане, и расположенный против нее имитатор путевого полотна, который выполнен в виде заполненной расплавленным металлом емкости. СП катушка моделируется при помощи системы постоянных магнитов, количество и расположение которых могут меняться. При вращении барабана взаимодействие магнитного потока с металлом сопровождается искривлением его поверхности. Показано, что путевая структура полученного при этом профиля отвечает минимальной тормозной силе.
Для всесторонних испытаний полномасштабных криомодулей разработан стенд, обеспечивающий комплекс технологических процедур для вывода СП магнита на рабочий режим и регистрацию его технических характеристик Стенд представляет собой манипуляционно-измерительный комплекс, оснащен криогенным оборудованием и аппаратурой. Экспериментальные исследования криомодуля на стенде дают наиболее достоверные сведения о прочностных свойствах оболочек, качестве теплоизоляции, электромагнитных свойствах СП катушки, а также о герметичности оболочек, гидравлической и коммуникационных систем. Исследуются также динамические процессы, которые протекают в криомодуле на всех стадиях приведения его в рабочее состояние.
Разработанный парк установок и стендов дает возможность проведения всесторонних исследований как макетов и фрагментов криомодулей, так и их
полномасштабных модификаций. Изготовленные установки не имеют серийных промышленных аналогов и являются уникальными устройствами.
На основании полученных результатов в главе 8 «Разработка и создание транспортных криомодулей» разработаны два принципиально различных криомодуля: металлический криомодуль КТ-10М и криомодуль КТК-1, наружный корпус которого изготовлен из композитных материалов. ■
При разработке криомодуля КТ-10М были использованы предложенные технические решения, касающиеся опор внутренней подвески [31,34,39], экранно-вакуумной теплозащиты [65] и способа герметизации разъемных соединений [61]. Криомодуль КТ-10М является универсальным устройством, т.е. может одновременно выполнять несколько функций: силового узла подвеса, магнита возбуждения в линейном синхронном двигателе, а также узла стабилизации, обеспечивающего боковую устойчивость экипажа ВСНТ. С помощью описанных выше стендов были проведены тепловые, механические и электромагнитные испытания криомодуля. Сравнение криомодуля КТ-10М с криомодулями, построенными ведущими заграничными фирмами, показало, что он не уступает лучшим зарубежным СП транспортным магнитам и может служить базовой моделью для создания полномасштабного коммерческого образца транспортного СП магнита.
Криомодуль КТК-1 отличается наличием оригинальной сотопластовой теплоизоляции, обеспечивающей высокую механическую прочность и низкую теплопроводность. Использование композитных материалов для изготовления оболочки и опор дало возможность значительно увеличить эффективность системы теплозащиты криомодуля, повысить его функциональную устойчивость, снизить расход хладагентов и увеличить длительность автономного рабочего режима СП магнита, а также существенно уменьшить вес криомодуля.
ВЫВОДЫ
В диссертации решена крупная прикладная проблема, которая заключается в разработке научно-технических основ создания высокоскоростного наземного транспорта с использованием электродинамической левитации на сверхпроводящих магнитах. Эта проблема связана с созданием новейших технологий и имеет важное значение для дальнейшего научного, технического и экономического развития общества. Представленные в диссертации результаты получены на базе комплексного подхода, который включает теоретические исследования, математическое и физическое моделирование, конструкторские и технологические разработки.
Основные теоретические результаты работы относятся к исследованиям систем электродинамического подвеса и динамики левитирующего экипажа и состоят в следующем:
1. предложены обобщенная теория и методика расчета силовых взаимодействий в системах электродинамической левитации со сплошной путевой структурой; данный
подход, в отличие от существующих, позволяет более полно учитывать конструктивные особенности различных типов подвешивания, т.е. как форму и расположение магнитных катушек, так и размеры их поперечного сечения:
2. предложен путь повышения левитационных характеристик систем электродинамического подвеса со сплошным путевым полотном, который состоит в использовании ферромагнитных элементов в структуре полотна; разработана оригинальная комбинированная система электродинамической левитации с двуслойным путевым полотном, одним из слоев которого является ферромагнетик;
3. разработан эффективный метод расчета подвеса и боковой стабилизации в системах электродинамической левитации с дискретной путевой структурой, который позволяет, в отличие от существующих методов, вычислять электродинамические силы с заданной точностью;
4. разработаны математические модели левитирующих транспортных систем, которые учитывают связь уравнений движения экипажа и уравнений токов в элементах подвеса; предложены методики и алгоритмы для исследования динамики левитирующего экипажа и устойчивости его движения на прямолинейных и криволинейных участках пути; проведен анализ динамических характеристик различных конструктивных схем и систем левитации и определены их рациональные исполнения в соответствии с условиями нагруженности, устойчивости и безопасности движения;
5. дана классификация типов неустойчивости стационарного режима движения левитирующего экипажа и предложен метод, который позволяет выбирать устойчивые конструктивные схемы высокоскоростного наземного транспорта с дискретной путевой структурой без интегрирования соответствующих дифференциальных уравнений;
6. предложена методика расчета поведения конструктивных элементов путевой структуры при условиях динамического взаимодействия с левитирующим экипажем; установлено, что упругость путевой структуры существенно (на -104-15%) снижает величины электродинамических сил.
В области разработки, проектирования и экспериментального исследования
основных силовых узлов электродинамического подвеса получены следующие
результаты:
7. разработаны основы расчета и проектирования транспортных сверхпроводящих магнитов и устройств их автономного жизнеобеспечения;
8. созданы транспортные криомодули с улучшенными тепловыми и механическими характеристиками; эти криомодули способны обеспечивать многокоординатное силовое взаимодействие транспортного средства с системами подвеса, направления и тяги;
9. создан парк оригинальных экспериментальных стендов для испытания систем электродинамической левитации, комплексного исследования механических, тепловых и электромагнитных характеристик разработанных криомодулей и их отдельных узлов.
Изготовленные установки не имеют серийных аналогов и являются уникальными устройствами;
10. экспериментально отработана технология эксплуатации транспортных криомодулей, которая включает в себя следующие этапы: вакуумирование, захолаживание, заведение тока в сверхпроводящую катушку, перевод в состояние "замороженного" магнитного потока, работу в автономном режиме на транспортном средстве и вывод из рабочего режима;
11. разработана, создана и испытана на имитаторе путевой структуры действующая модель экипажа высокоскоростного наземного транспорта с электродинамическим подвесом на сверхпроводящих магнитах. Результаты экспериментов показали хорошее качественное и количественное соответствие с разработанной теорией, надежную работу всего комплекса установленной на экипаже автономной аппаратуры и убедительно продемонстрировали, что при использовании системы электродинамической левитации могут быть достигнуты большие (—0,1 м в "свету") левитационные зазоры, которые на порядок выше зазоров при электромагнитном подвесе (-0,01 м в "свету"). Тем самым экспериментально доказана перспективность выбранного направления технической реализации системы подвеса для высокоскоростного магнитолевитирующего наземного транспорта;
12. предложены оригинальные технические решения, которые использованы при создании основных узлов транспортных средств, макетного экипажа и испытательных стецдов. Эти технические решения, приоритет которых защищен 39 авторскими свидетельствами, в комплексе с разработанными в диссертации рекомендациями относительно выбора рациональных конструктивных схем экипажа и подвеса могут быть непосредственно использованы при проектировании высокоскоростного магнитолевитирующего транспорта.
Полученные в диссертации теоретические и экспериментальные результаты, а также созданное оборудование использованы при проведении научно-исследовательских работ в ИГТМ HAH Украины и ИТСТ HAH Украины. Технические решения, связанные с разработкой бортовых источников энергообеспечения транспортных средств, внедрены на Днепропетровском аккумуляторном заводе при производстве аккумуляторных батарей для специальной техники. Решением Министерства обороны Украины и Министерства промышленной политики Украины эти аккумуляторы приняты для поставки в Вооруженные Силы Украины.
СПИСОК ОСНОВНЫХ ТРУДОВ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
1. Бочаров В.И., Салли И.В., Дзензерский В.А. Транспорт на сверхпроводящих магнитах. - Ростов: Изд-во Ростовского университета, 1988. - 152 с.
2. Салли И.В., Дзензерский В.А., Долгошеев Э.А., Горский О.И. Электродинамическое подвешивание экипажей ВСНТ // Электровозостроение. - 1979. - № 19. - С. 163170.
3. Горский О.И., Дзензерский В.А., Воровский В.Ю. Сверхпроводящий магнит для исследования вихревых токов в динамических моделях // Изв. ВУЗов. Электромеханика. - 1984. - № 2. - С.92-94.
4. Дзензерський В.О., Воровський В.Ю., Горський O.I. та ¡нш. Надпровщш магшти i крюстати для eкiпaжiв високошвидюсного наземного транспорту на магштному шдв1шуванш // BicHHK Академи наук УРСР. - 1986. - № 7. - С.26-33.
5. Дзензерский В.А., Воровский В.Ю., Горский О.И. и др. Прочность материалов и конструкций при низких температурах в сильных магнитных полях // В сб.: Прочность материалов и конструкций при низких температурах. - Киев: Наукова думка, 1990.-С.81-86.
6. Дзензерский В.А. Проблемы и перспективы развития электродинамической системы высокоскоростного транспорта на сверхпроводящих магнитах // Проблемы создания высокоскоростного наземного транспорта на сверхпроводящих магни-тах: Мат. научно-техн. семинара. - Ленинград, ЛДНТП, 1990. - С.4-12.
7. Дзензерский В.А., Бобришов A.M., Финагина И.И., Левченко Ж.А. О влиянии механического сопротивления на силовые характеристики электродинамического подвеса при его испытании на стенде // Проблемы создания высокоскоростного наземного транспорта на сверхпроводящих магнитах: Маг. научно-техн. семинара. -Ленинград, ЛДНТП, 1990. - С.51-55.
8. Горский О.И., Дзензерский В.А., Зельдина Э.А., Кулиненко В.О. Устойчивое электродинамическое подвешивание тел без использования сверхпроводников // Письма в журнал технической физики. - 1990. - Т. 16. - № 18. - С.4-8.
9. Горский О.И., Дзензерский В.А. Наблюдение бифуркации колебательной моды левитирующего (подвешенного) над (под) ВТСП постоянного магнита // Письма в журнал технической физики. - 1991. - Т. 17. - № 4. - С.54-57.
Ю.Буряк A.A., Горский О.И., Дзензерский В.А., Зельдина Э.А., Ляшенко В.И. Исследование магнитной левитации тел на низкотемпературных сверхпроводящих контурах// Журнал технической физики. - 1991.-Т.61.-№2.-С.82-87.
П.Горский О.И., Дзензерский В.А., Зельдина Э.А., Кулиненко В.О. Электродинамическая система подвешивания на двухслойном ферромагнитном полотне//Журнал технической физики. - 1991.-Т.61. -№ 11.-С.1-5.
12. Дзензерский В.А., Крютченко В.Е. Направления развития высокоскоростного наземного транспорта // Транспорт: Наука, техника, управление. - М., ВИНИТИ. -1991.-№2. -С.27-31.
13.Дзензерский В.А., Крютченко В.Е. Тенденции развития путевых структур альтернативных видов скоростного наземного транспорта // Транспорт: Наука, техника, управление. - М., ВИНИТИ. -1991.-№10, - С.25-32.
14. Горский О.И., Дзензерский В.А., Зельдина Э.А., Кулиненко В.О. Левнтационные характеристики системы электродинамического подвеса над двухслойным полотном // Изв. АН СССР, Сер.:Энергетика и транспорт. -1991. - № 4. -С. 101-105.
15. Горский О.И., Дзензерский В.А., Зельдина Э.А. Исследование сложных колебаний в
переменном магнитном поле при подвешивании сверхпроводника // Журнал технической физики. - 1992. - Т.62.-№ 9. -С.118-124.
16. Горский О.И., Дзензерский В.А., Зельдина Э.А. Частотные характеристики многоконтурных систем подвешивания // Известия РАН. Серия: Энергетика и транспорт. - 1992. - № 5. - С.125-129.
17. Дзензерский В. А., Крютченко В.Е. Вопросы экологии высокоскоростного наземного транспорта: проблема шума // Транспорт: Наука, техника, управление. -М„ ВИНИТИ. - 1992,-№7.-С. 18-24.
18. Дзензерский В. А., Крютченко В.Е. Экологические проблемы воздействия магнитного поля на пассажиров магнитолевитирующего поезда // Транспорт: Наука, техника, управление. - М., ВИНИТИ. - 1992. - № 11-12. - С.2-11.
19.Бурылов C.B., Горский О.И., Дзензерский В.А. Левитационные характеристики комбинированной системы электродинамического подвеса нуль-поточного типа // Известия РАН. Серия: Энергетика и транспорт. - 1993. - № 2. - С.76-82.
20. Дзензерский В.А., Крютченко В.Е. Эволюция магнитолевитирующего транспорта // Транспорт: Наука, техника, управление. - M., ВИНИТИ. - 1993. - № 2. -С.30-39.
21.Gorsky O.I., Dzenzersky V.A., Lyashenko V.l., Shustov G.R., Zeldina E.A. The low-temperature Superconducting Magnet Suspension System // Physica C. - Elsevier. -1994.-V.230.-P.213-216.
22. Дзензерский В. А., Кузенцова Т.И., Радченко H.A. Оценка динамических характеристик экипажей с электродинамическим подвесом, имеющих различные структуры конструктивных схем // Механика транспорта: вес поезда, скорость, безопасность движения. Межвузовский сборник научных трудов / Днепропетровский государственный технический университет железнодорожного транспорта. - 1994. - С.43-52.
23. Выдутая Е.Л., Горский О.И., Дзензерский В.А., Зельдина Э.А. О левитационных характеристиках электродинамического подвеса над многослойными полотнами // Известия РАН. Серия: Энергетика. - 1994. -№ 2. - С.85-90.
24. Дзензерский В.А., Радченко H.A. Исследование колебаний и устойчивость движения вагона с электродинамическим подвесом // Прикладная механика. -1994. - т.ЗО. -№1. - С.76-81.
25.Дзензерский В.А., Кузнецова Т.И., Радченко H.A. Стабилизация левитационного движения экипажа на магнитном подвешивании // Техническая механика. -1994.-вып. 3.-С.96-100.
26. Дзензерский В.А., Зевин A.A., Филоненко Л.А. Устойчивость вертикальных колебаний в системе электродинамического подвеса с дискретной путевой структурой // Прикл. механика. - 1995. - Т.31. - № 7. - С.88-93.
27. Dzenzersky V.A., Khatchapuridze N.M., Manashkin A.L., Radchenko N.A., Zevin A.A. Dynamical analysis of electrodynamically suspended vehicles // FIRST INTERNATIONAL CONFERENCE ON URBAN TRANSPORT AND THE ENVIRONMENT (URBAN TRANSPORT 95). - Urban Transport and the Environment for the 21-st Century. Editor: L.J.Sucharov. - Computational Mechanics Publications. Southhampton, Boston. - P.467-474.
28.Выдутая Е.Л., Горский О.И., Дзензерский В.А., Зельдина Э.А. О левитационных характеристиках в системах электродинамического подвеса // Известия РАН. Серия: Энергетика. - 1995. - № 4. - С. 131 -135.
29. Дзензерский В. А. Устойчивость движения левитирующего экипажа с
электродинамическим подвесом // Техн. механика. - 1998. - Вып.7. - С.87-93.
30. Дзензерский В.А. Динамический расчет путевой структуры левитирующего экипажа с электродинамическим подвесом // Техн. механика. - 1998. - Вып.8. С.70-75.
31. A.c. 1047323 СССР, МКИ3 H01F 7/22; В61В 13/08. Криомодуль для высокоскоростного наземного транспорта / И.В.Салли, В.А.Дзензерский, А.А.Буряк и Ю.К.Трикоз (СССР). - № 3373982/27-11; Заявлено 31.12.81. - 7 с: ДСП.
32. A.c. 1050484 СССР, МКИ3 H01L 39/00. Транспортный криомодуль / И.В.Салли, В.А.Дзензерский, В.Ю.Воровский и А.А.Буряк (СССР). - № 3423654/18-11; Заявлено 12.04.82. - 7 е.: ДСП.
33. A.c. 1080688 СССР, МКИ3 H01L 39/04. Транспортный криомодуль / И.В.Салли, В.А.Дзензерский, А.А.Буряк и Ю.К.Трикоз (СССР). - № 3449350/27-11; Заявлено
07.06.82. - 6 е.: ДСП.
34. A.c. 1103461 СССР, МКИ3 В61В 13/08, Н 01 L 39/04. Транспортный криомодуль / И.В.Салли, В.А.Дзензерский, Ю.К.Трикоз, А.А.Буряк и В.И.Ляшенко(СССР).
№ 3430517/27-11; Заявлено 27.04.82. - 6 е.: ДСП.
35. A.c. 1134029 СССР, МКИ3 H01F 7/22. Сверхпроводящий магнит / В.А.Дзензерский, В.Ю.Воровский, В.И.Ляшенко и А.А.Буряк (СССР). - № 3584745/24-07; Заявлено
20.04.83. - 5 е.: ДСП.
36. A.c. 1145756 СССР, МКИ3 G01M 17/00. Стенд для испытания сверхпроводящих магнитов / И.В.Салли, В.А.Дзензерский, В.И.Ляшенко, А.А.Буряк и Ю.К.Трикоз (СССР). - № 3618283/27-11; Заявлено 12.07.83. - 5 е.: ДСП.
37. A.c. 1145859 СССР, МКИ3 H01L 39/04, Н 01 F 7/22. Криомодуль для высокоскоростного наземного транспорта / В.А.Дзензерский, А.А.Буряк, Ю.К.Трикоз и О.И.Горский (СССР). - № 3663323/24-25; Заявлено 16.11.83; - 8 е.: ДСП.
38. A.c. 1156327 СССР, МКИ3 В61В 13/08. Система стабилизированного подвеса экипажа высокоскоростного наземного транспорта / И.В.Салли, В.А.Дзензерский, О.И.Горский и А.А.Буряк (СССР). - № 3546874/27-11; Заявлено 28.01.83. - 8 е.: ДСП.
39. A.c. 1166622 СССР, МКИ3 H01F 7/22 // H01F 27/26. Сверхпроводящий электромагнит / И.В.Салли, В.А.Дзензерский, В.И.Ляшенко и А.А.Буряк (СССР). -№ 3581164/24-07; Заявлено 20.04.83. - 6 е.: ДСП.
40. A.c. 1169288 СССР, МКИ3 В61В 13/08. Транспортное средство на электродинамической подвеске / И.В.Салли, В.А.Дзензерский, О.И.Горский и А.А.Буряк (СССР). -№ 3688893/27-11; Заявлено 09.01.84. -4 е.: ДСП.
41. A.c. 1170699 СССР, МКИ3 В61В 13/08, H01F 7/22. Криомодуль / В.А.Дзензерский,
A.А.Буряк, Ю.К.Трикоз, В.И.Бочаров, С.В.Васильев и Н.М.Новогренко (СССР). - № 3656468/27-11; Заявлено 19.10.83. - 7 е.: ДСП.
42. A.c. 1181446 СССР, МКИ3 H01F 7/22. Сверхпроводящая магнитная система /
B.А.Дзензерский, А.А.Буряк и Ю.К.Трикоз (СССР). - № 3743370/24-07; Заявлено
18.05.84.-8 е.: ДСП.
43. A.c. 1212211 СССР, МКИ4 H01F 7/22. Криомодуль для скоростных транспортных систем на магнитной подушке / И.В.Салли, В.А.Дзензерский, А.А.Буряк, Ю.К.Трикоз, В.И.Бочаров и С.В.Васильев (СССР). - № 3773318/24-07; Заявлено 23.07.84.-2 е.: ДСП.
44. A.c. 1248465 СССР, МКИ4 H01F 7/22. Способ криостатирования сверхпроводящей системы/ И.В.Салли, В.А.Дзензерский, А.А.Буряк и О.И.Горский (СССР). - № 3804124/24-07; Заявлено 23.10.84.-3 е.: ДСП.
45. A.c. 1250035 СССР, МКИ4 G0 IM 17/00. Имитатор путевой структуры транспортного средства с магнитным подвешиванием / В.А.Дзензерский, В.И.Бочаров, М.Б.Бондаренко, С.В.Васильев, А.А.Буряк, Ю.К.Трикоз, О.И.Горский,
A.Я.Лесник, В.И.Ляшенко и В.Ю.Воровский(СССР). - № 3826489/27-11; Заявлено
18.12.84.-2 с.: ДСП.
46. A.c. 1289021 СССР, МКИ4 В61В 13/08, H01F 7/22. Криомодуль для транспортного средства / В.А.Дзензерский, А.А.Буряк, Ю.К.Трикоз и О.И.Горский (СССР). -№ 3675030/27-11; Заявлено 15.12.83. -4 е.: ДСП.
47. A.c. 1334573 СССР, МКИ4 B60L 13/04, H01F 7/22. Транспортный криомодуль /
B.А.Дзензерский, А.А.Буряк, О.И.Горский и В.Ю.Воровский (СССР). № 3826662/31-11; Заявлено 17.12.84. - 7 е.: ДСП.
48. A.c. 1351383 СССР, МКИ4 G01M 17/00. Стенд для имитации работы магнитной подвески транспортного средства / В.А.Дзензерский, О.И.Горский, Г.Р.Шустов, А.А.Буряк и В.Ю.Воровский (СССР). - № 3892280/31-11; Заявлено 29.04.85. - 5 е.: ДСП.
49. A.c. 1360059 СССР, МКИ4 B60L 13/04, H01F 7/22. Сверхпроводящая система для электродинамического подвеса экипажа / В.А.Дзензерский, В.Ю.Воровский,
A.А.Буряк, Т.В.Макарова и Ю.К.Трикоз (СССР). - № 3964184/31-11; Заявлено
15.10.85.-3 е.: ДСП.
50. A.c. 1432924 СССР, МКИ4 B60L 13/04, H01F 7/22. Транспортный криомодуль /
B.А.Дзензерский, В.Ю.Воровский, А.А.Буряк и Ю.К.Трикоз (СССР). № 4238752/31-11; Заявлено 29.04.87. - 3 е.: ДСП.
51. A.c. 1477067 СССР, МКИ4 G01M 17/00. Стенд для испытания сверхпроводящих магнитов / В.А.Дзензерский, А.Я.Лесник, Е.Ю.Ситник, И.В.Поддубный, А.А.Ерохин, С.В.Васильев, В.И.Матин, И.О.Падас, А.И.Ковырзин и А.М.Бобришов (СССР).-№4111990/31-11; Заявлено 18.06.86. -4 е.: ДСП.
52. A.c. 1524349 СССР, МКИ4 B60L 13/04, G01M 17/00. Стенд для испытания ротора кольцевого двухстороннего синхронного двигателя / В.А.Дзензерский, А.Я.Лесник, А.М.Бобришов, А.Н.Ерохин, И.В.Поддубный, Е.Ю.Ситник и В.И.Матин (СССР). -№ 4183896/31-11; Заявлено 19.11.87. -4 е.: ДСП.
53.A.c. 1524350 СССР, МКИ4 B60L 13/10. Транспортное средство с магнитным подвешиванием / В.А.Дзензерский, Е.Ю.Ситник, О.И.Горский, А.А.Буряк и Ю.К.Трикоз (СССР). - № 4400488/31-11; Заявлено 30.03.88. - 4 е.: ДСП.
54. A.c. 1524359 СССР, МКИ4 B60L 13/10. Транспортная система с аэродинамической подвеской / В.А.Дзензерский, В.Н.Потураев, Б.Л.Заславский, А.И.Кучеренко (СССР). -№ 4348267/31-11; Заявлено 23.12.87. - 3 е.: ДСП.
55. A.c. 1533195 СССР, МКИ4 B60L 13/10. Транспортная система с электродинамическим подвесом / С.В.Васильев, К.К.Ким, В.И.Матин, В.А.Дзензерский и Б.Л.Заславский (СССР). -№ 4341006/31-11; Заявлено 05.11.87. - 6 е.: ДСП.
56. A.c. 1552522 СССР, МКИ4 В61В 13/08. Транспортная система с электродинамическим подвесом / С.В.Васильев, К.К.Ким, А.В.Куракин, Т.И.Маргулис, С.Н.Цыган и В.А.Дзензерский (СССР). - № 4365924/31-11; Заявлено 14.01.88. - 5 е.: ДСП.
57. A.c. 1552523 СССР, МКИ4 B60L 13/10. Система высокоскоростного наземного транспорта с электродинамическим подвесом / С.В.Васильев, К.К.Ким, А.В.Куракин, Т.И.Маргулис, С.Н.Цыган, В.А.Дзензерский и В.И.Матин (СССР). -№ 4342396/31-11; Заявлено 14.12.87. - 5 е.: ДСП.
58. A.c. 1563110 СССР, МКИ4 B60L 13/10. Транспортная система с электродинамическим подвесом / С.В.Васильев, В.А.Дзензерский, С.Н.Цыган, А.В.Куракин,
К.К.Ким и В.И.Матин (СССР). -№ 4431413/31-11; Заявлено 27.05.88. -4 е.: ДСП.
59. A.c. 1571920 СССР, МКИ5 B60L 13/04. Система подвеса экипажа высокоскоростного наземного транспорта / В.А.Дзензерский, О.И.Горский, А.А.Буряк и Е.Ю.Ситник (СССР).-№4472030/23-11; Заявлено 10.08.88.-5 е.: ДСП.
60. A.c. 1572311 СССР, МКИ5 H01F 7/22. Сверхпроводящий электромагнит / В.А.Дзензерский, А.М.Бобришов, Г.Р.Шустов и В.И.Ляшенко (СССР). -№ 4343259/24-07; Заявлено 09.10.87. - 4 е.: ДСП.
61. A.c. 1609808 СССР, МКИ5 С09К 3/10. Способ герметизации разъемных соединений криогенной техники / В.И.Ляшенко, В.А.Дзензерский, А.А.Буряк и Ю.К.Трикоз (СССР). - № 4291263/23-05; Заявлено 28.07.87; Опубл. 30.11.90, Бюл. № 44. - 2 с.
62.A.c. 1612475 СССР, МКИ5 B60L 13/10. Транспортная система с подвесом на сверхпроводящих магнитах / С.В.Васильев, Б.Л.Заславский, В.А.Дзензерский,
A.А.Буряк и В.И.Матин (СССР). -№ 4705879/31-11; Заявлено 10.05.89. - 6 е.: ДСП.
63. A.c. 1646182 СССР, МКИ5 B60L 13/02, B64F 1/06. Электромагнитный ускоритель транспортного средства / В.А.Дзензерский, О.И.Горский, А.А.Буряк и Ю.К.Трикоз (СССР). - № 4709657/31-11; Заявлено 10.05.89. - 6 е.: ДСП.
64. A.c. 1665256 СССР, МКИ5 G01M 17/00, B60L 13/04. Стенд для моделирования магнитной подвески транспортного средства / В.А.Дзензерский, И.В.Салли, О.И.Горский, Ю.К.Трикоз, Е.Ю.Ситник и А.А.Буряк (СССР). - № 4633811/11; Заявлено 11.01.89; Опубл. 23.07.91, Бюл. № 27. - 3 с.
65. A.c. 1708090 СССР, МКИ5 H01F 7/22. Сверхпроводящий магнит / В.А.Дзензерский, Н.Ф.Линский, В.Н.Бижко, А.М.Бобришов и А.А.Буряк (СССР). - № 4747813/07; Заявлено 11.10.89. - 5 е.: ДСП.
66.A.c. 1830831 СССР, МКИ5 B60L 13/04. Система магнитной подвески транспортного средства / В.А.Дзензерский, О.И.Горский, В.И.Ляшенко, А.А.Буряк и Е.Ю.Ситник (СССР). - № 4727335/11; Заявлено 07.04.89. - 3 е.: ДСП.
67. A.c. 1837492 СССР, МКИ5 B60L 13/04. Транспортное средство на электродинамической подвеске / В.А.Дзензерский, О.И.Горский, В.И.Ляшенко, А.А.Буряк и
B.А.Чернобай (СССР). - № 4905337/11; Заявлено 28.01.91. - 4 е.: ДСП.
68. Патент № 24887А. Украина, МКИ6 Н01М 2/10. Аккумуляторная батарея / В.А.Дзензерский, С.В.Васильев, В.И.Матин, В.Н.Привалов, Ю.И.Скосарь и И.И.Соколовский (Украина); Акционерное общество закрытого типа «Оберон-Центр». -№ 97073945; Заявл. 17.12.97.
69.В.З. 4025699 Германия, МКИ Н01М 2/14, Н01М 4/42, Н01М 4/50. Akkumulator / Vassil'ev S.V., Dzenzerskij V.A., Ostapenko E.I., Levotman E.S. (СССР); Theess. Rolf (Германия). - № P4025699.5; Заявл. 14.08.90; 0публ.2002.92. - 6 с.
70. Дзензерский В. А., Горский О.И., Шинкаренко В.Я. Распределение вихревых токов и электродинамическая левитация для полотна многослойной структуры. -Днепропетровск, 1980. - 7 с. Деп. в ВИНИТИ Библиогр. указатель "Депонированные рукописи" № 8, № 1794-80 деп.
71. Дзензерский В.А., Горский О.И., Шинкаренко В.Я. Система электродина-мического подвешивания экипажей ВСНТ. -Днепропетровск., 1980. - 8 с. Деп. в ВИНИТИ Библиогр. указатель "Депонированные рукописи" № 6, № 905-80 деп.
72. Васильев В.В., Васильев С.В., Дзензерский В.А., Ким. К.К., Матин В.И. Характеристики электродинамического подвеса с дискретной путевой структурой при угловом и боковом смещениях обмотки возбуждения. - Псков, 1988. - 20 с. -Деп. в ВИНИТИ 03.01.89, № 70-В89.
73.Дзензерский В.А., Крютченко В.Е., Цукров И.И. Конечно-элементный анализ
влияния некоторых особенностей нагружения на прочностные характеристики сверхпроводящих криомодулей. - Днепропетровск, 1990. - 19 с. - Деп. в ВИНИТИ 15.05.90. №2653-В90.
74. Дзензерский В.А., Крютченко В.Е., Цукров И.И. Анализ деформационных свойств многоопорных пластинчатых элементов транспортных сверхпроводящих криомодулей. - Днепропетровск, 1990. - 18 с. - Деп. в ВИНИТИ 20.08.90. № 4692-В90.
75. Дзензерский В.А., Крютченко В.Е., Лашер А.Н., Уманов М.И. О сферах применения транспортной системы с экипажами на электродинамическом подвесе. -Днепропетровск, 1991.-18 с. - Деп. в ВИНИТИ 22.06.91. № 2078-В91.
Дзензерський В.О. Науково-техшчш основи створення високошвидккного наземного транспорту з використанням електродинам1чно1 левггацй'.- Рукопис.
Дисертащя на здобугтя наукового ступеня доктора техшчних наук за спещаль-шспо 05.22.07 - рухомий склад зашзниць i тяга поТзд1в. - Дшпропетровський державний техшчшй ушверситет затзничного транспорту, Дшпропетровськ, 1998.
У дисертаци вирйнено комплекс наукових i техшчних проблем, пов'язаних 3i створенням високошвидюсного наземного транспорту на елекгродинам1чному П1двю1 з використанням надпровщних магнтв. Розвинено Teopito розрахунку силових взаемодш в системах елекгродинам1чно'1 лсв1таци та запропоновано нов1 варианта систем шдвку. Розроблено орипнальн1 матсматичн! модел1 та запропоновано метода досл1дження динам1чних характеристик левггуючого еюпажу; дано анал1з р1зних конструктивних схем i тип1в пщв1шування. Розроблено метода розрахунку i проектування транспортних надпровщних магнтв, виготовлено транспорта! крюмодул1 з П0л1ншеними характеристиками, вщпрацьовано технологтю ix експлуатацн. Створено парк експериментальних установок i проведено дослщження основних елеменпв та вузл1в транспортних еюпаж1в з електродина\пчним пщв1Сом. Розроблено, створено i перев1рсно модель магштолевпуючого еипажу.
Ключов1 слова: високошвидюсний наземний транспорт, слсктродинам1чна лев1тац1я, транспортний крюмодуль, динам1чн1 характеристики, сттййсть руху.
Дзспзсрский В.Л. Научно-технические основы создания высокоскоростного наземного транспорта с использованием электродинамической левитации. - Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.22.07 - подвижной состав железных дорог и тяга поездов. -Днепропетровский государственный технический университет железнодорожного транспорта, Днепропетровск, 1998.
В диссертации решен комплекс научных и технических проблем, связанных с созданием высокоскоростного наземного транспорта на электродинамическом подвесе с использованием сверхпроводящих магнитов. Развита теория расчета силовых взаимодействий в системах электродинамической левитации и предложены новые варианты систем подвеса. Разработаны оригинальные математические модели и предложены методы исследования динамических характеристик левитирующего экипажа; дан анализ различных конструктивных схем и типов подвешивания. Разработаны методы расчета и проектирования транспортных сверхпроводящих магнитов, изготовлены транспортные криомодули с улучшенными характеристиками, отработана технология их эксплуатации. Создан парк экспериментальных установок и проведены исследования основных элементов и узлов транспортных экипажей с электродинамическим подвесом. Разработана, создана и испытана модель магнитолевитирующего экипажа.
Ключевые слова: высокоскоростной наземный транспорт, электродинамическая левитация, транспортный криомодуль, динамические характеристики, устойчивость движения.
Dzenzersky V.A. Scientific and technical problems of high-speed ground transport with the use of clectrodynamical lévitation. - Manuscript.
Doctorate (Tech. Sc.) thesis by speciality 05.22.07 - railway rolling stock and train traction. - The Dnipropetrovsk State Technical University of Railway Transport, Dnipropetrovsk, 1998.
Л complex of scientific and technical problems of maglev transport using clectrodynamical lévitation with superconducting magnets is solved. Methods for computation of electrodynamical forces are developed and new types of lévitation systems are offered. Original mathematical models and new methods for investigation of dynamical characteristics of a levitating vehicle are worked out; diverse structural schemes and types of lévitation are analyzed. Methods for computation and design of transport cryomodulus are worked out; new cryomodulus with improved physical properties are created and their service conditions are established. A complex of test installations is created and basic elements of transport vehicles with electrodynamical lévitation are being tested. Л model of a levitating vehicle is created and tested.
Key words: high-speed ground transport, electrodynamical lévitation, transport cryomodulus, dynamical characteristics, stability of motion.
-
Похожие работы
- Повышение эффективности работы комбинированной системы левитации и тяги ВСНТ на переменном токе
- Пуско-тормозные режимы высокоскоростного наземного транспорта с магнитным подвесом на однофазном переменном токе
- Магнитный подвес на основе объёмных высокотемпературных сверхпроводников для высокоскоростного наземного транспорта
- Расчет индуктивностей и рабочих характеристик линейных синхронных двигателей для высокоскоростного наземного транспорта
- Силовые элементы систем электромагнитного подвеса высокоскоростного наземного транспорта
-
- Транспортные и транспортно-технологические системы страны, ее регионов и городов, организация производства на транспорте
- Транспортные системы городов и промышленных центров
- Изыскание и проектирование железных дорог
- Железнодорожный путь, изыскание и проектирование железных дорог
- Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация
- Управление процессами перевозок
- Электрификация железнодорожного транспорта
- Эксплуатация автомобильного транспорта
- Промышленный транспорт
- Навигация и управление воздушным движением
- Эксплуатация воздушного транспорта
- Судовождение
- Водные пути сообщения и гидрография
- Эксплуатация водного транспорта, судовождение
- Транспортные системы городов и промышленных центров