国防科学技术大学
硕士学位论文
高速磁悬浮列车走行机构关键零部件有限元分析
姓名：郝锋
申请学位级别：硕士
专业：机械设计及理论
指导教师：潘存云
2002.11.1
国防科学技术大学研究生院学位论文
摘要
随着现代高科技的发展，高速、平稳、安全、无污染的磁悬浮列车，已经成为２１世纪人类理想的交通工具。为了加快我国磁悬浮列车的国产化与仓Ｕ新研究步伐，尽快缩短与德国、日本等高速磁浮交通技术发达国家的差距，对他们已有技术的跟踪与消化吸收是我们开展工作的一条捷径。本课题就是在这样的思路下开展起来的。
走行机构是磁悬浮列车车辆的重要组成部分，也是决定磁浮列车整体性能的关键结构，因此，对走行机构关键零部件进行结构分析就显得尤为重要。对于像磁悬浮列车这样的大型、复杂系统？要实现其关键零部件的机械与结构分析，应用有限元法是一个行之有效的解决方案。
本文介绍了高速磁浮列车技术的发展与现状，指出了课题研究的意义及主要研究内容；对有限元法的相关理论进行了阐述，并选定Ｉ－ＤＥＡＳ作为有限元分析的工具软件；文章对磁悬浮列车走行机构的机械组成以及受载情况进行了分析，明确了要进行有限元分析的零部件的力学特性；详细叙述了应用Ｉ－ＤＥＡＳ软件对走行机构关键零部件进行有限元分析的全过程，最后给出了结构分析报告。
课题的分析结果对走行机构的零件测试具有理论上的指导意义，并为下一步的磁悬浮课题研究工作奠定了基础。
关键词：高速磁悬浮列车，走行机构，有限元法，结构分析，Ｉ－ＤＥＡＳ
Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ｗｉｔｈｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｍｏｄｅｍｈｉｇｈ－ｔｅｃｈ，ｔｈｅｆａｓｔ，ｃａｌｍ，ｓａｆｅ，ａｎｄｎｏｎ－ｐｏｌｌｕｔｅｄＭａｇｌｅｖＴｒａｉｎｈａｓｂｅｃｏｍｅｔｈｅｉｄｅａｌｖｅｈｉｃｌｅｉｎｔｈｅ２１ｔｈＣｅｎｔｕｒｙ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｓｐｅｅｄｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｉｏｎｏｆｏｌ／ｒｃｏｕｎｔｒｙ’ｓｏｗｎｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｏｆＭａｇｌｅｖＴｒａｉｎ，ａｎｄｔｏｓｈｏｒｔｅｎｔｈｅｄｉｓｔａｎｃｅｂｅｔｗｅｅｎｏｕｒｃｏｕｎｔｒｙａｎｄｏｔｈｅｒｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇｃｏｕｎｔｒｉｅｓ，ｓｕｃｈａｓＧｅｒｍａｎｙａｎｄＪａｐａｎ，ｗｅｍｕｓｔｔｒａｃｋｔｈｅｉｒｔｅｃｈｎｉｃａｎｄａｓｓｉｍｉｌａｔｅｉｔ．Ｉｔ’ｓａｓｈｏｒｔ．ｃｕｔｔｏｔｈｅｄｅｓｔｉｎａｔｉｏｎ．
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Ａｎａｌｙｓｉｓ，Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄＭａｇｌｅｖＴｒａｉｎ，ＭｏｖｉｎｇＭａｃｈｉｎｅ，ＦＥＡ，Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
０ＤＥＡＳ
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得
的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它
教育机构的学位或证书而使用过的材料．与我一同工作的同志对本研究所做的任
学位论文题目：雠蓬型至垂煎拉拉筮避壁盔退壶坌圻何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意．
学位论文作者签名：二盔｝１日期：加Ｄ２年ｆ／月ｆ７日
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学位论文题目：亩童塑选遵型至垂红垫担差邀盈壁堕堡垄篁盟
日期：细２年，，月，７日
日期：ｏｚ撕２年，／月矿日
第一章绪论
当今世界的快节奏运作，要求速度更快的运输工具，磁悬浮列车就是这样一种符合现代快节奏生活的新型的交通工具。本章阐述课题的来源和背景，通过对磁悬浮列车的发展情况以及现状的介绍，明确课题研究的目的和意义，并给出了课题的主要研究任务。
§１．１课题来源及背景
本课题是我国十五８６３发展计划——高速磁悬浮交通技术重大专项子课题的一部分。
磁悬浮列车是世界工业发达国家研制最早的新型列车之一，它借助于磁力来悬浮、导引与驱动车辆。磁悬浮列车有两种类型：一种是日本采用的排斥式电动系统，另一种是德国开发的吸引式电磁系统。
日本于１９６２年开始磁悬浮铁路的研究，１９７７年在南部九州建成７ｋｍ超导磁悬浮列车试验线，即宫崎试验线。宫崎试验线是单线，没有坡道和隧道，不能完全满足应用试验要求。１９９２年在山梨县境内开始建设山梨试验线。１９９７年４月３日，开始在新建成的１８．４ｋｍ长的试验线上进行试验运行。山梨线为双线，分别称为南线和北线。线路的８７％在隧道内，变电站和控制中心设在露天线路旁。在１９９７年１２月２４目的不载人试验运行中，最高试验速度达至ｌＪ５５０ｋｍ／ｈ，创下地面交通速度的最高世界纪录。１９９９年４月１４日，载人运行试验速度达到５５２ｋｍ／ｈ，再次刷新地面交通工具最高试验速度。
德国磁悬浮铁路的发展始于１９６９年关于“高运力快速铁路系统”的研究。德国联邦交通部、联邦铁路和德国工业界参与了这一目的在于探讨德国发展高速交通系统的经济和技术可能性的研究项目。所研究的高速交通涉及到传统的轮轨系统高速铁路技术和全新的磁悬浮铁路技术。为了建造第一段试验线路，德国工业界组成了磁悬浮铁路Ｔｒａｎｓｒａｐｉｄ联合体。在德国西北部的埃姆斯兰（Ｅｍｓｌａｎｄ）地区建设Ｔｒａｎｓｒａｐｉｄ试验线（简称ＴＶＥ）。第一期工程包括２１．５ｋｍ长的试验线路、试验中心和试验车Ｔｒａｎｓｒａｐｉｄ０６（简称ＴＲ０６）。第一期工程在１９７９～１９８４年之间实施完成。１９８３年６月３０日，随着ＴＲ０６试验磁悬浮列车从试验中心大厅驶出，标志着试验线第一段正式投入使用。１９８５年初，磁悬浮铁路试验和规划委员会（ＭＶＰ）作为试验设施的所有者与经营者接管了试验设施。考虑到将来的实际应
用，Ｔｒａｎｓｒａｐｉｄ系统以４００ｋｍ／ｈ以上速度，按实际运营要求连续运石的丽趸蔡秤ｉ＝暴雨合的环形试验线，因此德国联邦研究与技术部于ｉ９８４年决定在ＴＶＥ扩建南环线，即试验线路的第二线路段。南环线１９８４年开工，１９８７年竣工。至此，ＴＶＥ的试验线总长达到３１．５ｋｍ。同年，ＴＲ０６磁悬浮列车在试验线上达到４０６ｋｍ／ｈ的速度。１９８８年，试验速度提高到４１２．６ｋｍ／ｈ。从１９８６年开始，德国开发面向应用的Ｔｒａｎｓｒａｐｉｄ革新０７（以下简称ＴＲ０７）磁悬浮列车，１９８９年该列车投入试验线运行，１９９３年，ＴＲ０７在载人试验运行中，／３至ＯＴ４５０ｋｍ／ｈ的速度。由于线路长度的限制，磁悬浮列车不允许再往上加速。
目前，中国对磁悬浮铁路技术的研究还处于初级阶段。经过中国铁道科学研究院、西南交大、国防科大、中科院电工所等单位对常导低速磁悬浮列车的悬浮、导向、推进等关键技术的基础性研究，已对低速常导磁悬浮技术有了一定认识，初步掌握了常导低速磁悬浮稳定悬浮的控制技术。１９９４年，西南交大成功地进行了４个座位、自重４吨、悬浮高度为８毫米、时速为３０公里的磁悬浮列车试验。１９９８年，由包括国防科技大学在内的多家科研单位共同研制的长单转向架磁悬浮试验车在铁科院的室内磁悬浮实验线路上成功地进行了试验，并于当年１２月通过了铁道部科技成果鉴定。２０００年１２月３１日，世界上首辆高温超导磁悬浮实验车在西南交大研制成功。２００２年，由北京控股磁悬浮技术发展有限公司投资，国防科技大学负责系统设计和集成，国内１０多家科研单位和企业合作历时３年建成的中低速磁悬浮列车试验线在国防科技大学建成通车并通过中试验收评审。到２００２年４月５日为止，这一中国自行设计建造的第一条中低速磁悬浮列车试验线已无故障运行２０００公里。
迄今为止，世界上还没有一个国家建成商业运营的高速磁悬浮铁路。在研制成功中低速磁悬浮列车的基础上，加速我国高速磁浮列车的国产化与刨新研究步伐，尽快缩短与德国、日本等高速磁浮交通技术发达国家的差距，是我们当前迫切的任务。
２００１年初，我国和德国公司就磁悬浮列车技术合作事宜签署意向书，并于该年９月２５日，正式签署合同，要建设一条从浦东国际机场到市区龙阳路长约３５公里的双线、高架磁悬浮铁路，与穿越黄浦江的地铁二号线衔接；初期引进德国高速、常导型的最新磁悬浮列车３列，每列为３辆。加上其它一些设施，预计投资６０亿元。按计划，２００３年初，上海将建成中国乃至世界第一条商业化运营的磁悬浮列车。
本课题正是在这一前提和背景下提出并加以实施的。课题研究通过分析德国ＴＲ车辆的技术特点，并结合上海的磁悬浮列车示范运营线项目，在建设试验运营线的重大工程项目带动下，有效地开展国际合作，引进与消化国际先进技术与经验，逐步实现国产化与创新，
～旦防科学技术大学研究生院学位论文
积累经验并逐步掌握设计、工程建设与运营管理，为我国尽覃趸设苌面焉萋甬虿赢孑ｉ＝Ｆ亘实基础。
§１．２课题研究的目的和意义
作为目前最快速的地面交通工具，磁悬浮列车技术的确有其他地面交通技术无法比拟的优势。
首先，它克服了传统轮轨铁路提高速度的主要障碍，发展前景广阔。
第一条轮轨铁路出现在１８２５年，经过１４０年努力，其运营速度才突破２００公里／小时，由２００公里／小时到３００公里／４，时又花了近３０年，虽然技术还在完善与发展，继续提高速度的余地已不大，而困难很大。还应注意到，轮轨铁路提高速度的代价是很高的，３００公里／小时高速铁路的造价比２００公里／小时的准高速铁路高近两倍，比１２０公里／ｄ，时的普通铁路高三至八倍，继续提高速度，其造价还将急剧上升。世界第一个磁悬浮列车小型模型是１９６９年在德国出现的，日本是１９７２年造出的。可仅仅十年后的１９７９年，磁悬浮列车技术就创造了５１７公里／小时的速度纪录。目前技术已经基本成熟，可进入５００公里／小时实用运营的建造阶段。
第二，磁悬浮列车是当今唯一能达到运营速度５００公里／小时的地面客运交通工具，具有不可取代的优越性。
对于客运来说，提高速度的主要目的在于缩短乘客的旅行时间，因此，运行速度的要求与旅行距离的长短紧密相关。各种交通工具根据其自身速度、安全、舒适与经济的特点，分别在不同旅行距离中起骨干作用。专家们对各种运输工具的总旅行时间和旅行距离的分析表明，按总旅行时间考虑，３００公里／ｄ，时的高速轮轨与飞机相比在旅行距离小于７００公里时才优越。而５００公里／小时的高速磁悬浮，则比飞机优越的旅行距离将达１５００公里以上。
上述观点已为近年来国际高速轮轨交通的实践所证实。国际上２５０—３００公里／小时的高速轮轨铁路迄今共有１３条运营，总长４３６９公里。除日本东京一博多全长１０６９公里外，其它均小于６００公里。日本各种交通工具市场占有率与旅行距离间的关系表明，２５０公里／小时的新干线高速轮轨铁路，随旅行距离的增加，其市场占有率迅速上升，在约８００公里时达到约７０％的峰值。距离继续增大，由于旅客更多选择了飞机，占有率急剧下降，１２００公里时降到约３０％。
第三，能耗低。它在５００公里／，Ｊ、时速度下每座位?公里的自吾磊及两弋瓦丽了万歪。ｉ７Ｆ比汽车小３０％。在３００公里／小时的相同速度下，德国ＴＲ磁浮列车每座位／公里能耗比ＩＣＥ（ＩｎｔｅｒＣｉｔｙＥｘｐｒｅｓｓ）高速列车在３００公里／小时速度时相当。
第四，噪音小。实测表明，列车通过时２５米距离处的噪音，在３００公里／小时速度时，德国ＴＲ列车为７９分贝，ＩＣＥ列车为９１分贝。
第五，启动停车快，爬坡能力强，选择自由度较大。德国ＴＲ０７磁浮列车启动５０秒後（行程２公里），时速可达２００公里／小时，１００秒后（４．８公里）达３００公里／小时，１５０秒後（９．６公里）达４００公里／小时；ＩＣＥ轮轨高速在１５０秒后（行程５公里）达２００公里／小时。已经证明，磁浮列车爬坡能力要远远优于轮轨高速，在同等速度下，磁悬浮列车转弯半径小，从而其选线自由度较大，这意味着线路可较短、少占地面、耕地，降低总投资。
第六，磁悬浮列车与轮轨列车相比还有安全、舒适，维修少的优势。磁浮列车在结构上保证不易脱轨，推进方式保证不易撞车。磁悬浮列车没有车轮和铁轨的接触以及与受电弓的机械接触，震动小，舒适性好，其工作属於无磨损运行，维修主要集中在电子技术方面，不需大量体力劳动。
第七，磁悬浮列车采用电力驱动，不需燃油，这使它的发展不受能源结构，特别是燃油供应的限制；同时，无有害气体排放，环境污染小。
磁悬浮铁路系统是一种新型的有导向轨的交通系统。磁悬浮列车采用无接触的电磁悬浮、导向和驱动，主要依靠电磁力实现传统铁路中的支承、导向和牵引功能。由于运行的磁悬浮列车和线路之间无机械接触或大大避免机械接触，从根本上突破了轮轨铁路中轮轨关系和弓网关系的约束，因而磁悬浮列车可以比轮轨铁路更经济地达到较高的速度。
此外，磁悬浮列车也并不是交通运输的专利，它还有着更多的应用前景。高速磁悬浮列车，还可以成为航天器的载体，利用地面能源将卫星和二级以上的火箭送入太空轨道，从而降低发射成本。为此美国航空航天局正在肯尼迪航天中心建设一条太空发射轨道，预计２００４年完成。
我国幅员广大，不同于日、德和法等国，主要城市间距离为１５００～ｉ０００公里，在这种条件下，高速轮轨铁路在运行时间上将无法与飞机竞争，只有应用磁悬浮列车，将时速增至５００公里／小时，才能建成我国大城市间有市场竞争力的地面交通干线网，以缓解大城市高速交通主要依赖航空所带来的经济、安全和环境等问题。特别是，我国目前还没有完整的高速公路系统，民航也处在发展阶段，可以发挥后发优势。另外，高速磁悬浮体系的发展将带动当前众多高新技术前沿的发展，这些高新技术本身又将为传统工业迸行结构
调整和新兴产业的形成和经济发展起着重要的作用。。～因此，在部署２ｌ世纪我国有轨、公路和飞机交通系统时，发展磁悬浮列车是重要的战略选择。
分析德国的ＴＲ系列车辆概念的形成与发展过程及其相关技术，有助于我们对高速磁悬浮交通技术有一个全面而准确的理解，不至于去重复人们已走过、并且已经放弃了的技术老路，同时也充分吸取其有益的经验，为车辆系统国产化与创新研究提供基本依据。
引进与消化国际先进技术与经验，逐步实现国产化与创新，掌握与积累设计、工程建设经验，为我国尽早建设长距离高速磁悬浮客运专线奠定坚实的技术基础提供开发试验基地，建立科技骨干队伍。通过项目可以锻炼一只攻关队伍，通过项目可以拉动科技进步，通过项目更可以促进行业发展。这其中更重要的是培养一批或一代人。
§１．３课题主要研究内容
车辆系统涉及到系统动力学、机械结构、电力电子、信息电子、自动控制、气路、材料、空气动力、安全等一系列跨专业的学科，就其机械结构部分而言，结构十分复杂，且承受各种载荷，用一般的方法无法精确分析其机械性能。因此，本课题的任务就是对关键零部件进行机械结构特性与强度分析，采用有限元方法并借助Ｉ－ＤＥＡＳ软件对关键零部件进行强度分析，以期获得直观、准确的分析数据，并得出有价值的结论。
主要研究内容有：
（１）磁悬浮列车车体结构分析主要是针对悬浮架的几何结构，弄清其组件构成及各组件功能，进而得出各个零部件的受力状况。
（２）计算机三维造型根据零件图，应用Ｉ－ＤＥＡＳ软件的三维造型功能设计得到各零件的三维造型，为整体机构仿真和单个零件的结构分析做准备。
（３）关键零部件的有限元分析应用Ｉ－ＤＥＡＳ软件的有限元分析功能，对组成悬浮架的关键零部件进行受力分析，得出承受静载下零件的应力与变形分布情况，为下一步的零件测试提供理论依据。
第二章有限元法简介
有限元法是最近四十多年发展起来的一种有效的通用计算方法，它既包括有数学理论，又包括有程序设计技巧，在工程技术各个领域中得到了广泛应用。本章将阐述有限元方法的概念和基本思想，介绍有限元法的发展，具体说明有限元分析的基本步骤，并结合本课题，简要介绍所用有限元分析软件——Ｉ—ＤＥＡＳ。
§２．ｉ有限元法的发展概况
有限元法是在电子数字计算机飞速发展及数值方法在工程中的应用日益广泛的背景下发展起来的。这一方法的出现与发展为力学带来了革命性的变化。
有限元法在五十年代起源于航空工程中的结构矩阵分析方法，而有限元分析的思想可以追溯到更早一些时候。１９４３年Ｒ．Ｃｏｕｒａｎｔ首先提出离散化概念——将一个原来是连续的整体剖分（离散）成为有限个分段连续单元的组合，并第一次尝试应用三角形单元的分片连续函数来求解扭转问题。５０年代，有限元法首先用于飞机设计中，１９５６年Ｍ．．Ｔ．Ｔｕｒｎｅｒ和Ｒ．ｗ．Ｃｌｏｕｇｈ等人用矩阵的法对飞机结构进行了受力和变形分析，应用当时出现的数字计算机，第一次给出了用三角形单元求得复杂平面应力问题的解。１９６０年Ｒ．ｗ．Ｃｌｏｕｇｈ首次提出“有限元”这个名词，有限元法作为一种数值分析方法正式出现于工程技术领域。
有限元法的第一个黄金时期开始于６０年代初，当时，将一个连续体离散化为有限个单元组合体的这种有限元概念开始在工程界流行，Ｇ．Ｎ．Ｗｈｉｔｅ和Ｋ．０．Ｆｒｉｅｄｒｉｃｈｓ采用了规则的三角形单元，从变分原理出发求解微分方程式。１９６３年Ｊ．Ｆ．Ｂｅｓｓｅｌｉｎｇ等人认识到有限元法是里兹法的另一种形式，并且证实了它是处理弹性连续介质问题的一种通用方法，此后有限元法才开始巩固其在工程计算中的地位。１９６５年０．Ｃ．Ｚｉｅｎｋｉｅｗｉｃｚ等发表了有限元法可以应用于所有能按变分形式计算的场问题，这就使有限元法得到了更广泛的使用。
随着有限元法在工程界和物理界日益流行，较多的应用数学家有兴趣对这个方法给予严格的数学论证，使有限元的第二个黄金时期大约于１９６８年开始。当时，他们发表了很多关于有限元法的数学文献，论证有限元法的基本原理是逼近论，是偏微分方程及其变分形式和泛函分析的结合，并致力于估计各种单元类型离散化的误差、收敛速度和稳定性。
～．国防科学技术大学研究生院学位论文
从方法提出至今四十多年来，有限单元法的应用己由弹性另孚平面而面矛夏罚写三丽题、板壳问题，由静力平面问题扩展到稳定问题、动力问题和波动问题。在工程分析中的作用也已从分析和校核扩展到优化设计，并与计算机辅助设计技术实现完美结合。如今，有限元法正在继续向纵深发展。从工程实用观点来看，有限元法今后的发展方向应该是使分析方法更有效、更广泛、使用更方便。随着计算机技术的发展，有限元法作为一个具有巩固理论基础和广泛应用前景的数值分析工具，必将在国民经济建设和科学技术发展中发挥更大的作用，其自身也将得到进一步的发展和完善。
§２．２有限元法的分类
从求解的基本未知量来分类，有限元法可分为：
１．位移法：以离散化单元的节点位移为基本未知量。由于它易于实现自动计算和计算机程序的编制，具有较大的通用性，因此在有限元法中，位移法的使用最为广泛。
２．力法：以单元节点力为基本未知量，因为力法的程序编制比位移法较为困难，因此应用较少，但由于结构的计算未知量少，且求得的应力分量值比较准确，因此在某些特殊问题上仍得到一定的应用。
３．混合法：取单元一部分节点位移和一部分节点力作为基本未知量。它综合了上述两种方法的优点，且能放宽单元间的协调条件，因此在板壳等问题上得到较广泛的应用。
４．杂交法：在单元内部和沿单元边界上各自含有独立的位移函数或应力函数，一般以节点力为基本未知量。杂交法发展较晚，由于它能较方便地满足单元间边界上的协调条件，因此在板壳、应力奇异、复合材料等结构分析中得到广泛的重视与应用。
从有限元的推导来分类，主要可分为两类：
１．直接法：采用结构力学的方法，概念形象直观，易于被一般工程技术人员所接受，便于理解掌握。但只能解决一些较为简单的问题，如杆系结构和平面与三维结构分析。
２．能量法：在各种能量原理中，虚位移原理的应用最为方便，因此应用较为广泛。变分法也是基于能量原理，如最小位能原理和最小余能原理，它把有限元归结为求泛函的极值问题，而使有限元建立在更加可靠的数学基础上，扩大了有限元方法的应用范围。除线性的固体力学问题外，其它较为复杂的几何非线性与材料非线性问题，以及固体力学问题外的内容如热传导、流体力学等问题都是应用变分法来推导的。
有限元分析（ＦＥＡ，ＦｉｎｉｔｅＥｌｅｍｅｎｔＡｎａｌｙｓｉｓ）的基本概念是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。
许多工程分析问题，如固体力学中位移和应力场分析、振动特性分析、传热学中的温度场分析、流体力学中的流场分析等都可以归结为在给定的边界条件下求解其控制方程（一般为偏微分方程）的问题。这些控制方程只有在极其简单的情况下才能获得解析解，大部分情况下只能用数值方法求得其近似解，随着计算机技术的飞速发展，数值解法变得越来越重要。有限单元法就是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法。、
用弹性力学经典方法分析连续体时，是从研究连续体中微元体的性质着手，在分析过程中容许微元体的数目无限多而它的大小趋近于零，从而得出描述弹性体性质的偏微分方程，求解偏微分方程可以得到一个解析解。这种解是一个数学表达式，它给出连续体内每～点上所要求的未知量的值。然而，对于绝大多数工程实际问题，由于其几何形状的不规则，或由于其材料的非线性或不均匀等原因，要得到问题的解析解是十分困难的。
有限元法的基本思想用～句话概括就是“先分后合”。有限元法在处理连续体问题时，首先把连续体离散化，即“化整为零”。把连续体假想分割成数目有限的小块单元，而单元之间只在数目有限的指定点处相互连结，用这样单元的集合体来代替原来的连续体。其次，对每个单元，由于其分块较小并且形状较为规则，易于由平衡关系或能量关系建立节点之间的方程式，因而可以选择一个较简单的函数来近似地表示其位移的分布规律，并用弹性力学中的基本方程建立起单元上节点力与位移的关系。最后，把所有单元的这种力学特性予以综合，即“积零为整”。借助于矩阵方法加以集合起来，从考虑各节点的平衡条件着手，得到整个结构上力与位移的关系式，一般情况下这是一组以节点位移为未知量的线性方程组，代入边界条件后，解此方程组可求得连续体上有限个节点上的位移，并迸一步解得单元的内力。
§２．４平面问题的静力分析
２．４．１平面问题离散化
△口△
睑口
图２—１平面单元类型
最简单而又被广泛采用的是三角形三节点单元。下面以该类型单元为例来进行分析。三角形三节点单元有三个节点，共六个自由度。当节点位移或其中某一个位移分量为零时，可在该节点处设置一个平面铰支座或连杆铰支座，以限制节点位移或沿某个方向的位移分量。
用三角形单元划分网格时，应注意以下几点：
（１）任一三角形单元的节点必须同时也是相邻三角形单元的节点，而不能是其相邻三角形单元的内点。
（２）三角形单元的各边长相差不应太大，否则，在计算中会出现较大的误差。
（３）划分单元时应充分利用结构的特点，如对称性等，从原结构中取出一部分进行分析。且可采用疏密不同的网格剖分，对应力变化急剧的区域可分得密些，应力变化平缓的区域可分得疏些。对于大型复杂结构，可采用分阶段计算法来划分单元，即先用比较均匀的粗网格计算，然后根据计算结果，在应力变化急剧的局部区域再细分单元，进行二次计算。
（４）当计算对象的厚度或者弹性系数有突变时，应把突变线作为单元的边界线。
在构件划分后，便对单元及节点进行编号。单元的编号一般来讲是任意的，单元的节点编号一般都按右手规则进行，节点编号还应尽量遵循单元节点编号最大差值为最小的原则。否则，在总体刚度矩阵中的带宽将增大，致使所需的计算机内存容量增大。２．４．２单元分析
结构离散化后，耍把单元中任一点的位移分量表示成坐标的粟莉瓦甄■嚣＝ｉｊ夏ｉ５丙单元的位移函数。假设序号为ｅ的三角形三节点单元，其节点编号为Ｉ，Ｊ，ｋ，选取位移为坐标的线性函数，即
｛ｕ（ｘ，，ｙｙ））：＝届ｃｔＩ＋＋尼ｃｔ２。ｘ＋＋。屈ｑ；（
式２－１ｖ（ｘ）【，ｙ）＝届＋尼ｘ＋屈ｙ’。
’
式中口。、口：、口，、屈、屈、屈为待定系数，ｕ、ｖ分别为单元水平、垂直方向位移函数，进行单元分析就是选定位移函数后，推导出单元内任意一点的位移、应变及应力的关系式，利用虚功原理，建立作用于单元上的节点力和节点位移之间的关系，即单元刚度方程。
该单元所在整体坐标系为ＸＯＹ，这样三节点在整体坐标系下的坐标为ｆ（ｘ。，只）、，（ｘ，，乃）、后（＿，ｙｋ）；三节点的位移量为ｉ（ｕ，，ｖ１）、ｊ（ｕ，，０）、七（‰，ｖｋ）。单元节点位移列阵为
【占。］＝心Ｖ，“，Ｖ，‰Ｖ々］１
设三角形单元的三个节点在水平和垂直方向的分力分别为瓦、凡、忍和
凡、％、％，则单元节点力列阵为
【Ｆ１＝［吒巳吃乃％％】２
由单元节点位移推算其内部任一点的位移，确定（式２－１）中的六个待定系数。已知三个顶点的坐标及其位移，分别带入（式２一１），得
ｆ％＝口１＋口２‘＋口３Ｙ，
ｆｖｊ＝届＋屈一＋屈ｙ。｛“Ｊ＝∞＋口２■＋％ＹＪ
｛…Ｊ＝届＋岛■＋岛ｙ』（式２－２）
【“女＝口ｌ＋口２ｚ々＋口３Ｙ｝【Ｖｔ＝届＋岛扎＋屈ｙＩ求解六个系数，然后将系数代回式（２—１），并整理成矩阵形式
Ｈ一『Ⅳｆ０ＮｊｏＭｏｌｖｎ０Ｎｉ０Ｍ
０Ｎｋ（式２－３）式中Ｎｉ＝掣，Ⅳ，＝！学，Ⅳ。＝旦学。称Ⅳ；、Ｎｊ，Ⅳ。为单元位移的形状函数，简称形函数或插值函数。
ｍ研晰叱蜥ｎ
Ｊ口ｆ２ｚ，一Ｙｋ
｛ｂ．＝乃一儿（其中，ｊ，ｋ轮换）（式２—４）
１日，＝ｘＩ—ｘ，
△＝兰丝±掣一兰丝±竽的物理意义为三角形单元的面积。
将（式２—３）简写成［绷＝［Ⅳ］【万。】，其中，是单元内任一点的位移矩阵，陋ｅ】是单元节点的位移矩阵，［Ｎ］为形状函数矩阵。上式建立了单元中任一点的位移与单元节点位移间的关系，采用不同的形状单元，会有不同的形状函数矩阵。
在求得单元内各点位移后，由弹性理论中平面问题几何方程就可求出相应点的应变，从而推导出节点位移陋。】与单元内任一点应变［司之间的转换关系。应变Ｍ可用线应交
ｔ＝ａｕ／ａｘ，占，＝西／钞和切应变，，，＝Ｏｕ／砂＋ａｖ／锄组成的列阵描述，写成矩阵形式为
Ｍ＝ｑ］。『
玎五ｌｂｉ０ＣＪ
０
ｃ
Ｊ
ｂｊ
以
０
ｑ
＝【司【占。］（式２－Ｓ）
式中【Ｂ］称为单元的几何矩阵，它反映了单元中任一点的应变与节点位移之间的关系。可以看出，三角形单元面积△，系数６ｆ、ｂｊ、吣ｃ．、卟ｑ均为常数，因而几何矩阵［明是
单元中任一点的应力状态可以由ｘ轴方向的正应力Ｏ＂ｘ、Ｙ轴方向的正应力盯。和切应力ｆ，，组成的应力列阵来描述。由弹性理论中关于平面问题的物理方程可知，单元中任～点的
ｃ盯，。ｌ耄］２ｃ。儿占，＝ｃ。ⅡＢⅡ占。，ｃ式ｚ—ｅ，
式中［Ｄ］为材料的弹性矩阵，它反映了单元材料方面的特性。此式反映了节点位移与
们ｎ竹ｎ以仉
对于平面应变问题［Ｄ】：去
ｌ一“‘
吲２南
１“
ｕＩ
Ｏ０
Ｉ“
∥ｌ１
００
Ｏ
Ｏ
ｌ一“
２
０
Ｏ
１一∥ｌ
２
（式２－７）
（式２－８）
上两式中Ｅ为材料的弹性模量，∥为泊松比，巨＝Ｅ／（１一乒２），ｕ．＝ｐ／（１一∥）。可见（式２－７）、（式２－８）具有同样的形式，这说明只要对材料的弹性模量及柏松比进行相应的代换，则平面应力问题和平面应变问题在计算中可以采用同样形式的弹性矩阵公式。
由虚功原理可得
［Ｆ。】＝ｆ△［Ｂｒ［Ｄ】［Ｂ】【占。】＝［足。］陋。】
此式称为单元的刚度方程，其中眯‘】称为单元的刚度矩阵，瞄‘】＝谢冽７［Ｄ］【别，它反映了节点位移和节点力之间的转换关系。对于三角形三节点单元。瞵。】为６Ｘ６矩阵。
单元剐度矩阵中的元素的物理意义是单位节点的位移分量所引起的节点力分量，该矩阵具有下列性质：
（Ｉ）单元刚度矩阵只与单元的几何形状、大小及材料性质有关，它不随单元或坐标的平移而改变。
（２）单元刚度矩阵为对称矩阵，这是由弹性力学中的功的互等原理所决定的。
（３）单元刚度矩阵的主对角元素恒为正值。
（４）单元刚度矩阵总是奇异矩阵。从物理上说，由于建立单元刚度矩阵时，没有对单元节点施加约束，即允许单元产生刚体位移。而从数学上讲，由于单元刚度矩阵各元素所组成的行列式值为零，即单元刚度矩阵不存在逆矩阵，所以它是一个奇异矩阵。２．４．３整体分析
建立了单元刚度矩阵方程式之后，就可以把各单元剐度矩阵合并，通过按节点叠加的原则，建立整体节点位移列阵【们和节点载荷列阵【卅之间的关系式，即整体刚度方程
【Ｆ】＝【ｘＨ翻
式中Ｋ为整体刚度矩阵。
２．４．４整体矩阵方程求解。～引入约束条件，对结构的总体矩阵方程求解，得到各节点的位移，进而计算出节点的应力。
§２．５有限元法的应用领域及特点
有限元法应用范围很广，它不但可解决工程中的线性问题、非线性问题，而且对于各种不同性质的固体材料，如各向同性和各向异性材料、粘弹性和塑性材料以及流体均能求解。另外，对于工程中最有普遍意义的非稳态问题也能求解，甚至还能模拟构件之间的高速碰撞、炸药的爆炸和应力波的传播。目前，有限元法的应用已遍及机械、建筑、矿山、冶金、材料、化工、能源、交通、电磁甚至日常生活用品设计分析的各个领域。它已被公认是一种有效的数值计算方法，成为工程技术人员手中的有力工具。
有限元法具有以下的主要优点：
（１）概念清晰，容易掌握有限元法从一开始就从力学角度进行简化，可以通过非常直观的物理途径来学习与掌握这一方法。
（２）方法灵活通用它对于各种复杂的因素（如复杂的几何形状，任意的边界条件，不均匀的材料特性，不同类型构件的组合等等）都能灵活地加以考虑，而不会发生处理、求解上的困难。
（３）应用范围广它不仅能处理结构力学，弹性力学中的各种难题，而且随着其理论基础与方法的逐步改进与完善，还可以成功地用来求解热传导、流体力学及电磁场等其他领域的许多问题。实际上，在所有连续介质问题和场问题中，几乎都有它的用武之地。
（４）可充分利用计算机的性能该方法采用矩阵形式作为表达工具，便于编制计算机程序，可以充分利用电子计算机的大容量记忆与高速运算。因而有限元法已被公认为是机械结构的位移分析与内力分析的有效工具，而得到普遍的重视与广泛的应用。
§２．６本课题应用有限元软件介绍
国际上大型的结构分析有限元通用程序有几百种之多，其中著名的有ＮＡＳＴＲＡＮ、ＡＮＳＹＳ、ＡＳＫＡ、ＡＤＩＮＡ、ＳＡＰ、Ｉ—ＤＥＡＳ等。随着计算机技术的发展，有限元分析软件的功能越来越完
善，不仅包含多种条件下的有限元分析程序，而且带有功能强大的前处理和后处理程序，由于有限元通用程序使用方便，计算精度高，其计算结果已成为各类工业产品和设计性能分析的可靠依据。有限元分析、计算机图形学、优化技术与可靠性相结合可形成完整的计算机辅助设计与分析系统，从而可以显著提高产品设计性能、缩短生产周期以增强产品的市场竞争力。
本课题所选用有限元软件ｌ－Ｄｅａｓ是由美国ＳＤＲＣ（ＳｔｒｕｃｔｕｒａｌＤｙｎａｍｉｃｓＲｅｓｅａｒｃｈＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）公司开发的运行于高档图形工作站的大型通用ＣＡＤ／ｃＡＥ／ＣＡＭ软件。该公司成立于１９６７年，总部设在美国的俄亥俄州，是目前世界领先的自动化（ＭＤＡ）和产品数据管理（ＰＤＭ）系统及工程服务公司。
Ｉ—ＤＥＡＳ（ＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＤｅｓｉｇｎ，ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＡｎａｌｙｓｉｓＳｏｆｔｗａｒｅ）包括实体建模、工程分析、系统动态分析、制图、测试数据分析、数控编程等软件包，利用通用的用户接口和共享的应用数据库将这些软件包的功能模块集成为一个一体化的工程软件包。其工程分析软件包具有综合的设计分析功能，包括几何定义、网格生成、模型准备、模型检查、载荷及边界条件、网格调整等。设计者可以根据物体的几何形状构成有限元模型，它的网格生成方法有自由、映射及人工技术等多种。使用网格的自动调整功能，可以根据分析结果误差修改网格密度。载荷和边界条件的定义与几何项相联系，其后处理还有等应力线、等变形线、矢量图、变形图、彩色云图、结果分类和组合等等。Ｉ—ＤＥＡＳ软件是一套完全一体化的、面向二十一世纪的解决方案，贯穿了从概念设计直到生产开发的全过程，涵盖机械设计自动化、产品数据管理，协同产品商务（ＣＰＣ）以及工程咨讯和实施服务等各方面，已经成为新一代机械设计自动化软件。
Ｉ—ＤＥＡｓ的最新版本为ＭａｓｔｅｒＳｅｒｉｅｓ９．０，它可运行于Ｗｉｎｄｏｗｓ／ＮＴ和ＵＮＩＸ平台上，共有七大主模块。
一、工程设计（ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＤｅｓｉｇｎ）模块
工程设计模块主要用于对产品进行几何设计，包括ＭａｓｔｅｒＭｏｄｅｌｅｒ（建模）、Ｍａｓｔｅｒｓｕｒｆａｃｉｎｇ（曲面）、ＭａｓｔｅｒＡｓｓｅｍｂｌｙ（装配）、Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ（｝］冲ｌＪ）、Ｄｒａｆｔｓｅｔｕｐ（制图建模）几个子模块。
１．实体建模（ＭａｓｔｅｒＭｏｄｅｌｅｒ）子模块
以前，在零件未制造出时，是无法观看零件形状的，只能通过二维平面图进行想象。现在，用３Ｄｓ可以生成实体模型，但用３ＤＳ生成的模型在工程实际中是“中看不中用”。用Ｉ－－ＤＥＡＳ生成的实体建模，不仅中看，而且相当管用。事实上，Ｉ－－ＤＥＡＳ后阶段的各个
。——
旦堕科学技术大学研究生院学位论文
工作数据的产生都要依赖于实体建模所生成的数据。
２．曲面（Ｍａｓｔｅｒ．Ｓｕｒｆａｃｅ）子模块
前面由基本体素拼合成的实体，属于比较规则的物体。但在实际中存在大量形状不规则的物体表面，这些称为自由曲面。随着人们生活水平的提高，对曲面产品的需求将会大大增加。用Ｉ－－ＤＥＡＳ生成曲面仅需２步～３步｝作。ＭａｓｔｅｒＳｕｒｆａｃｅ生成曲面的方法有：拉伸、旋转、放样、扫掠、网格、点阵等。由于生成曲面的方法较多，因此ＭａｓｔｅｒＳｕｒｆａｃｅ可以迅速建立任何复杂曲面。
３．装配（ＭａｓｔｅｒＡｓｓｅｍｂｌｙ）子模块
ＭａｓｔｅｒＡｓｓｅｍｂｌｙ可将零件在计算机上组装起来。它可用于计算干涉、质量特性等，并能进行装配体的仿真显示。
二、工程制图（Ｄｒａｆｔｉｎｇ）模块
Ｉ－－ＤＥＡＳ的绘图模块是一个高效的二维机械制图工具，它可绘制任意复杂形状的零件。它既能作为高性能系统独立使用，又能与Ｉ－－ＤＥＡＳ的实体建模模块结合起来使用，它支持ＧＢ、ＡＮＳＩ、ＢＳ３０８、ＤＩＮ、ＩＳＯ和ｊｉｓ等制图标准。
１．由三维实体零件直接形成二维图（ＤｒａｆｔｉｎｇＳｅｔｕｐ）子模块
在Ｉ－－ＤＥＡＳ中，当实体模型建立后，只须几步十作，我们就可以生成三视图（主视图、俯视图、侧视图）及轴测图。
２．详细绘图（ＤｅｔａｉｉＤｒａｆｔｉｎｇ）子模块
ＤｅｔａｉｌＤｒａｆｔｉｎｇ子模块可生成符合各种标准的工程图。ＤｅｔａｉｌＤｒａｆｔｉｎｇ还提供了许多有用的工具，如动态导航技术等，这使设计人员制图变得非常方便。
三、制造（Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）模块
在机械行业中用到的Ｉ—ＤＥＡｓ制造模块中的功能是ＮＣＭａｃｈｉｎｉｎｇ（数控加工）。说到Ｉ－－ＤＥＡＳ的数控功能，就不能不提八十年代著名的“东芝事件”。当时，苏联从日本东芝公司引进了一套五座标数控系统及数控软件ＣＡＭＭＡＸ，加工出高精度、低噪声的潜艇推进器，从而使西方的反潜系统完全失效，损失惨重。东芝公司因违反“巴统”协议，擅自出口高技术，受ＮＴ严厉的制裁。在这一事件中出尽风头的ＣＡＭＭＡＸ软件就是Ｉ－－ＤＥＡＳ数控模块的一部分。
Ｉ—ＤＥＡＳ的数控模块分三大部分：前置处理模块、后置处理编写器和后置处理模块。在前置处理模块中，Ｉ—ＤＥＡＳ提供了完整的机加工环境，可同时处理三维实体和曲面。ＮＣ刀具轨迹可根据仿真情况进行修正。后置处理编写器用于生成适合具体ＮＣ机床的后处理程
序，该部分采用表格驱动，很容易编写出适应ＦＡＮｕｃ、百面西ｉ１丽舔１虱弱蒌蟊甄ｉｉｉ覆处理程序。后处理模块读入生成的后处理程序后，再对前置处理模块中生成的刀位文件．ＣＬ进行处理，就可生成所需的数控程序。‘
四、有限元仿真（Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ）模块
我们中国有句古话：“画虎画皮难画骨，知人知面不知心”。主要是讲事物内在特征很难把握。机械零件的内部变化情况是难以知晓的。ＦｉｎｉｔｅＥｌｅｍｅｎｔＳｉｍｕｌａｔｉｏｎ（有限元仿真）使我们有了一双慧眼，能“看到”零件内部的受力状态。利用该功能，在满足零件受力要求的基础上，便可充分优化零件的设计。著名的可口可乐公司，利用有限元仿真，分析其饮料瓶，结果使瓶体质量减轻了近２０％，而其功能丝毫不受影响，仅此一项就取得了极大的经济效益。
Ｉ－－ＤＥＡＳ的有限元仿真应用包括三个部分：前置处理模块（Ｐｒｅ－－Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）、求解模块（Ｓｏｌｕｔｉｏｎ）、后处理模块（Ｐｏｓｔ－－Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）。
五、测试数据分析（ＴｅｓｔＤａｔａＡｎａｌｙｓｉｓ）模块
Ｉ－－ＤＥＡＳ的测试数据分析模块就像一位保健医生，它在计算机上对产品性能进行测试仿真，找出造成产品各种故障的原因，帮助你对症下药，排除产品故障，改进产品设计。
六、数据管理（ＤａｔａＭａｎａｇｅｍｅｎｔ）模块
Ｉ－－ＤＥＡＳ的ＤａｔａＭａｎａｇｅｍｅｎｔ模块简称Ｉ脒，它就像Ｉ—ＤＥＡＳ家庭的一个大管家，将触角伸到Ｉ－－ＤＥＡＳ的每一个任务模块。并自动跟踪你在Ｉ－－ＤＥＡＳ中创建的数据，这些数据包括你存贮在模型文件或库中零件的数据。ＩＤＭ也跟踪数据之间的关系。这个管家通过～定的机制，保证了所有数据的安全及存取方便。
七、几何数据交换（ＧｅｏｍｅｔｒｙＴｒａｎｓｌａｔｏｒ）模块
在实际中还存在一些别的ＣＡＤ系统，如ｕＧＩＩ、ＥＵＣＬＩＤ等，由于它们门户有别，所以自己的数据都难以被对方所识别。但在实际工作中，往往需要接受别的ＣＡＤ数据。这时几何数据交换模块就会发挥作用。Ｉ－－ＤＥＡＳ中几何数据交换模块有好几个，如ＩＧＥＳ、ＳＴＥＰ、ＤＸＦ等，其工作原理是先将别的ＣＡＤ数据转换成中性数据（不依赖于该ＣＡＤ系统），然后将中性数据通过几何数据交换模块转换成Ｉ－－ＤＥＡＳ数据，这样就可将外来数据全部“同化”。
超导磁悬浮列车的工作原理 超导磁悬浮列车工作时主要利用了磁性物质同性排斥异性吸引的基本原理,从而最终达到了列车悬浮在车轨上方,列车在磁力的牵引下高速前行,列 车在高速前行过程中自动调整姿势以避免倾斜的目的. 首先,对于列车之所以能够悬浮在轨道上方做简单说明:磁铁有同性相斥 和异性相吸两种形式，故磁悬浮列车也有两种相应的形式：一种是利用磁铁 同性相斥原理而设计的电磁运行系统的磁悬浮列车，它利用车上超导电磁铁 形成的磁场与轨道上线圈形成的磁场之间所产生的相斥力，使车体悬浮运行 的铁路；另一种则是利用磁铁异性相吸原理而设计的电动力运行系统的磁悬 浮列车，它是在车体底部及两侧倒转向上的顶部安装磁铁，在T形导轨的上 方和伸臂部分下方分别设反作用板和感应钢板，控制电磁铁的电流，使电磁 铁和导轨间保持10—15毫米的间隙，并使导轨钢板的排斥力与车辆的重力 平衡，从而使车体悬浮于车道的导轨面上运行。 那么，磁体间为什么能产生如此强大的磁场而最终让沉重的车厢悬浮起 来呢？在演示实验中我们用的是极冷的液氮冷却那种放在车厢底部的超导元 件办到的。超导元件在相当低的温度下具有的完全导电性和完全抗磁性。而 实际运用的超导磁体是由超导材料制成的超导线圈构成，它不仅电流阻力为零，而且可以传导普通导线根本无法比拟的强大电流，这种特性使其能够制 成体积小功率强大的电磁铁。。超导磁悬浮列车的工作原理是利用超导材料 的抗磁性，将超导材料置于永久磁体（或磁场）的上方，由于超导的抗磁性，磁体的磁力线不能穿过超导体，磁体（或磁场）和超导体之间会产生排斥力，使超导体悬浮在上方。 其次，磁悬浮列车的高速前进也是利用电磁体间的磁力完成的。 简单的讲就是，在位于轨道两侧的线圈里流动的交流电，能将线圈变为 电磁铁。由于它与列车上的超导电磁体的相互作用，就使列车开动起来。列 车前进是因为列车头部的电磁体（N极）被安装在靠前一点的轨道上的电磁 体（S极）所吸引，并且同时又被安装在轨道上稍后一点的电磁体（N极） 所排斥。当列车前进时，在线圈里流动的电流流向就反转过来了。其结果就 是原来那个S极线圈，现在变为N极线圈了，反之亦然。这样，列车由于电 磁极性的转换而得以持续向前奔驰。根据车速，通过电能转换器调整在线圈 里流动的交流电的频率和电压。 具体地讲超导磁悬浮列车的车辆上装有车载超导磁体并构成感应动力集 成设备，而列车的驱动绕组和悬浮导向绕组均安装在地面导轨两侧，车辆上 的感应动力集成设备由动力集成绕组、感应动力集成超导磁铁和悬浮导向超 导磁铁三部分组成。当向轨道两侧的驱动绕组提供与车辆速度频率相一致的 三相交流电时，就会产生一个移动的电磁场，因而在列车导轨上产生磁波， 这时列车上的车载超导磁体就会受到一个与移动磁场相同步的推力，正是这
上海磁悬浮列车 磁悬浮列车是一种利用磁极吸引力和排斥力的高科技交通工具。简单地说，排斥力使列车悬起来、吸引力让列车开动。磁悬浮列车上装有电磁体，铁路底部则安装线圈。通电后，地面线圈产生的磁场极性与列车上的电磁体极性总保持相同，两者“同性相斥”，排斥力使列车悬浮起来。铁轨两侧也装有线圈，交流电使线圈变为电磁体。它与列车上的电磁体相互作用，使列车前进。列车头的电磁体（N极）被轨道上靠前一点的电磁体（S极）所吸引，同时被轨道上稍后一点的电磁体（N极）所排斥——结果是一“推”一“拉”。磁悬浮列车运行时与轨道保持一定的间隙（一般为1—10cm），因此运行安全、平稳舒适、无噪声，可以实现全自动化运行。磁悬浮列车的使用寿命可达35年，而普通轮轨列车只有20—25年。磁悬浮列车路轨的寿命是80年，普通路轨只有60年。此外，磁悬浮列车启动后39秒内即达到最高速度，目前的最高时速是552公里。据德国科学家预测，到2014年，磁悬浮列车采用新技术后，时速将达1000公里。而一般轮轨列车的最高时速为350公里。 “常导型”磁悬浮列车 世界第一条磁悬浮列车示范运营线——上海磁悬浮列车，建成后，从浦东龙阳路站到浦东国际机场，三十多公里只需6～7分钟。上海磁悬浮列车是“常导磁吸型”（简称“常导型”）磁悬浮列车。是利用“异性相吸”原理设计，是一种吸力悬浮系统，利用安装在列车两侧转向架上的悬浮电磁铁，和铺设在轨道上的磁铁，在磁场作用下产生的吸力是车辆浮起来。 列车底部及两侧转向架的顶部安装电磁铁，在“工”字轨的上方和上臂部分的下方分别设反作用板和感应钢板，控制电磁铁的电流使电磁铁和轨道间保持1厘米的间隙，让转向架和列车间的吸引力与列车重力相互平衡，利用磁铁吸引力将列车浮起1厘米左右，使列车悬浮在轨道上运行。这必须精确控制电磁铁的电流。 悬浮列车的驱动和同步直线电动机原理一模一样。通俗说，在位于轨道两侧的线圈里流动的交流电，能将线圈变成电磁体，由于它于列车上的电磁体的相互作用，使列车开动。 列车头部的电磁体N极被安装在靠前一点的轨道上的电磁体S极所吸引，同时又被安装在轨道上稍后一点的电磁体N极所排斥。列车前进时，线圈里流动的电流方向就反过来，即原来的S极变成N 极，N极变成S极。循环交替，列车就向前奔驰。 稳定性由导向系统来控制。“常导型磁吸式”导向系统，是在列车侧面安装一组专门用于导向的电磁铁。列车发生左右偏移时，列车上的导向电磁铁与导向轨的侧面相互作用，产生排斥力，使车辆恢复正常位置。列车如运行在曲线或坡道上时，控制系统通过对导向磁铁中的电流进行控制，达到控制运行目的。 “常导型”磁悬浮列车的构想由德国工程师赫尔曼?肯佩尔于1922年提出。 “常导型”磁悬浮列车及轨道和电动机的工作原理完全相同。只是把电动机的“转子”布置在列车上，将电动机的“定子”铺设在轨道上。通过“转子”，“定子”间的相互作用，将电能转化为前进的动能。我们知道，电动机的“定子”通电时，通过电磁感应就可以推动“转子”转动。当向轨道这个“定子”输电时，通过电磁感应作用，列车就像电动机的“转子”一样被推动着做直线运动。 上海磁悬浮列车时速430公里，一个供电区内只能允许一辆列车运行，轨道两侧25米处有隔离网，上下两侧也有防护设备。转弯处半径达8000米，肉眼观察几乎是一条直线；最小的半径也达1300米。
磁悬浮列车 1.磁悬浮技术的原理 磁悬浮技术的系统，是由转子、传感器、控制器和执行器4部分组成，其中执行器包括电磁铁和功率放大器两部分。假设在参考位置上，转子受到一个向下的扰动，就会偏离其参考位置，这时传感器检测出转子偏离参考点的位移，作为控制器的微处理器将检测的位移变换成控制信号，然后功率放大器将这一控制信号转换成控制电流，控制电流在执行磁铁中产生磁力，从而驱动转子返回到原来平衡位置。因此，不论转子受到向下或向上的扰动，转子始终能处于稳定的平衡状态。 2.磁悬浮技术的应用 国际上对磁悬浮轴承的研究工作也非常活跃。1988年召开了第一届国际磁悬浮轴承会议，此后每两年召开一次。1991年，美国航空航天管理局还召开了第一次磁悬浮技术在航天中应用的讨论会。现在，美国、法国、瑞士、日本和中国都在大力支持开展磁悬浮轴承的研究工作。国际上的这些努力，推动了磁悬浮轴承在工业上的广泛应用。 国内对磁悬浮轴承的研究工作起步较晚，尚处于实验室阶段，落后外国约20年。1986年，广州机床研究所与哈尔滨工业大学首先对“磁力轴承的开发及其在FMS中的应用”这一课题进行了研究。此后，清华大学、西安交通大学、天津大学、山东科技大学、南京航空航天大学等都在进行这方面的研究工作。 目前在工业上得到广泛应用的基本上都是传统的磁悬浮轴承(需要位置传感器的磁悬浮轴承)，这种轴承需要5个或10个非接触式位置传感器来检测转子的位移。由于传感器的存在，使磁悬浮轴承系统的轴向尺寸变大、系统的动态性能降低，而且成本高、可靠性低。此外，由于传感器的价格较高，从而导致磁悬浮轴承的售价很高，大大限制了它在工业上的推广应用。 2009年8月，参观者在北京看磁悬浮列车轨道，北京城建设计研究总院的总工杨秀仁透露，北京正在做一条磁悬浮线的长期规划———通往门头沟的S1轨道线路正在筹划，计划采用中国自主研发的磁悬浮技术。而由北京控股磁悬浮技术发展有限公司和国防科技大学合作的中低速磁浮列车，是中国唯一具有完全自主知识产权的磁悬浮列车。 3.磁悬浮技术的前景 随着电子元件的集成化以及控制理论和转子动力学的发展，经过多年的研究工作，国内外对该项技术的研究都取得了很大的进展。但是不论是在理论还是在产品化的过程中，该项技术都存在很多的难题，其中磁悬浮列车的技术难题是悬浮与推进以及一套复杂的控制系统，它的实现需要运用电子技术、电磁器件、直线电机、机械结构、计算机、材料以及系统分析等方面的高技术成果。需要攻关的是组成系统的技术和实现工程化。 磁悬浮轴承面向电力工程的应用也具有广阔的前景，根据磁悬浮轴承的原理，研制大功率的磁悬浮轴承和飞轮储能系统以减少调峰时机组启停次数；进行以磁悬浮轴
1 引言 近些年来，磁浮列车以其高速、节能、安全、舒适、环保等优点日益受到人们越来越多的关注。目前德国和日本是世界上磁浮列车研究最多的国家：德国已经研制了tr系列吸力型磁浮列车，并在埃姆斯兰建造了大型试验用的tve试验线;日本也研制了mlu系列斥力型磁浮列车和hsst系列吸力型磁浮列车，并修建了山梨试验线。我国也在积极开展这方面的研究工作，上海已从德国引进了tr08型磁浮列车，并已投入了商业运行，同时也拉开了消化吸收其先进技术的序幕。在磁浮列车运行系统中，合理有效的牵引供电系统是实现磁浮列车高速可靠运行的关键之一，故而成为本文的主要研究对象。 2 磁浮列车牵引供电系统概况 磁浮列车按照动力源（直线电动机）定子的长短相应可分为短定子直线电动机驱动的磁浮列车和长定子直线电动机驱动的磁浮列车。短定子直线电动机是将定子绕组安装在车体的底部，通过向磁浮列车提供变压变频的电源，由车上的短定子产生行波磁场; 轨道上安置结构较为简单的长转子，这种结构多用于直线异步牵引电动机的驱动系统。由于列车通过受流器供电，而高速受流困难使列车运行速度、异步电机的功率因数及效率均受到限制，因此该系统仅用于低速小功率短距离的电力牵引。长定子直线同步电动机驱动的磁浮列车的底部安置有直线电机的转子，整条轨道上安装同步电机的长定子绕组。磁浮列车内部对转子的供电简单，没有高速受流的困难。采用这种直线同步电动机驱动，适合于高速、大功率、长距离的电力牵引。德国和日本均采用这种系统。德国研制了常导吸浮式磁浮列车：由车上常导电流产生的电磁吸引力吸引轨道下方的导磁体，使列车浮起。常导电流比较容易获得，通常由蓄电池或感应式发电线圈等设备产生电流，供给同步直线电动机的转子。但常导系统电磁吸引力相对较小，列车悬浮高度约10mm，故对控制精度的要求很高。日本研制的超导斥浮型磁浮列车是由车上强大的超导电流产生极强的电磁场，该电磁场相对线路侧墙上的8字形导电环高速移动，使导电环感应出强大的环流，在8字形下半环中形成推斥磁场，而上半环中则形成吸力磁场，使列车悬浮。该悬浮系统是一个无需反馈控制的稳定系统，而且悬浮高度可在10cm左右，从而使控制相对简单。 3 上海高速磁浮列车的牵引供电系统［1］ 上海运营的高速磁浮列车是从德国引进的tr08型磁浮列车，采用长定子直线同步电动机和常导吸浮式系统。其牵引供电系统如图1所示，由高压变压器（110kv/20kv）、输入变压器、输入变流器、逆变器和输出变压器等主要部件构成。 磁悬浮列车牵引供电系统从110kv网压经高压变压器变为20kv，再由输入变压器和输入变流器变为±2500v的直流电压。从直流环节来的直流电压，由三相三点式逆变器产生可变频率（0～300hz）、可变幅值（0～×4.3kv）、可调相角（0～360°）的三相交流电。磁悬浮列车的牵引变流器有两种工作模式：
说明文阅读《高速磁悬浮列车》 （1）近日，随着国家重点研发计划“先进轨道交通”重点专项“磁浮交通系统关键技术”项目启动，我国时速600公里高速磁浮研发正式拉开序幕。 （2）2016年10月21号，我国轨道交通设备制造商中国中车股份有限公司宣布，将启动时速600公里高速磁浮项目的研发。近日，科技部认证微博再次发文称，该项目由中车青岛四方机车车辆股份有限公司牵头组织实施，将建成一条长度不少于5公里高速磁浮的试验线，研制一列设计时速600公里高速磁浮试验列车。与国外同类高速磁浮相比，悬浮能耗降低35%、电磁铁温升降低40℃、单位有效载荷车辆减重6%以上，最终建成具有影响力的高速磁浮运输系统协同创新与集成化试验平台。形成国际领先的标准规范体系和综合评估及评价方法。 （3）据了解，目前世界上在磁浮方面领先的是日本和德国。日本采用超导磁浮，最高试验时速603公里;德国采用常导磁浮，最高试验时速505公里。上海的磁浮线路采用德国技术，运营时速430公里。据中国之声《央广新闻》报道，科技部表示，这个项目的实施，将使磁浮交通运营的速度达到一个新高度，更进一步提升磁浮交通的舒适度，降低运行能耗，为后高铁时代做好前沿技术的储备。 （4）尽管中国铁路网尤其是高铁网的运营和再建规模、系统很大，但地域广、人口多、中东部地区城市密集的特点，使得中国的点对点大容量高速旅客的运输需求很大，比如上海到北京，成都和重庆之间。北京交通大学教授贾利民认为，磁悬浮技术是一种点对点大容量的运输技术，可以作为现在高速和城际铁路路网系统的有益补充。 1、（2分）与外国同类高速磁浮相比，我国研发的高速磁浮项目的优点是什么？ 2、（4分）高速磁浮项目的实施有哪些益处？ 3、（2分）指出下列句子所使用的说明方法。（一个括号内只能填写一种说明方法） 与国外同类高速磁浮相比，悬浮能耗降低35%、电磁铁温升降低40℃、单位有效载荷车辆减重6%以上。（）（） 4、（3分）是什么“使得中国的点对点大容量高速旅客的运输需求很大”？
来，认识磁悬浮列车 认识磁悬浮列车 我国人口众多，资源的人均占有量远远低于世界平均水平。所以在考虑发展我国交通运输系统时，应结合我国国情。发展高速、节能、少污染、占地少的公共交通系统，而磁悬浮列车正是能满足这样要求的较为现实的新型交通工具。它的发展将会大大促进我国高新技术的发展，也可带动一批新兴企业的成长。 磁悬浮列车是一种利用电磁磁极间产生吸引力、排斥 力的作用原理，以直线电机作为推动力前进的新型交通工具。简单地说，排斥力使列车悬起来，吸引力让列车开动起来。 尽管我们还将磁悬浮列车的轨道称为“铁路”，但这两个字已经不够贴切了。就拿铁轨来说，实际上它已不复存在——轨道只剩下一条，而且也不能称其为“轨道”了，因为轮子并没有从上面滚过——事实上连轮子也没有了。它运行时并不接触轨道，只是在离轨道上10厘米的高度“飞行”。 上海磁悬浮列车 世界上第一条以商业运营为目的的磁悬浮列车试验线，将于两年后在上海浦东建成通车。这一消息一经公布，“磁悬浮列车”立刻成了上海最引人注目，同时又是最令上海人骄傲的一个新名词。因为两年后，从浦东龙阳路起始站乘上磁 悬浮列车，只需6分钟就能到达浦东国际机场。而同样的路程，如果乘出租车，在道路通畅的情况下，至少需要30分钟。 磁悬浮列车是一种利用电磁磁极间产生吸引力、排斥力的作用原理，以直线电机作为推动力前进的新型交通工具。简单地说，排斥力使列车悬起来，吸引力让列车开动起来。 尽管我们还将磁悬浮列车的轨道称为“铁路”，但这两个字已经不够贴切了。就拿铁轨来说，实际上它已不复存在——轨道只剩下一条，而且也不能称其为“轨道”了，因为轮子并没有从上面滚过——事实上连轮子也没有了。它运行时并不接触轨道，只是在离轨道上10厘米的高度“飞行”。
磁悬浮列车发展史 磁悬浮列车 2003-12-31 磁悬浮列车是自大约200年前斯蒂芬森的“火箭”号蒸气机车问世以来铁路技术最根本的突破。磁悬浮列车在今天看似乎还是一个新鲜事物，其实它的理论准备已有很长的历史。磁悬浮技术的研究源于德国，早在1922年德国工程师赫尔曼·肯佩尔就提出了电磁悬浮原理，并于1934年申请了磁悬浮列车的专利。进入70年代以后，随着世界工业化国家经济实力的不断加强，为提高交通运输能力以适应其经济发展的需要，德国、日本、美国、加拿大、法国、英国等发达国家相继开始筹划进行磁悬浮运输系统的开发。而美国和前苏联则分别在七八十年代放弃了这项研究计划，目前只有德国和日本仍在继续进行磁悬浮系统的研究，并均取得了令世人瞩目的进展。下面把各主要国家对磁浮铁路的研究情况作一简要介绍。 日本于1962年开始研究常导磁浮铁路。此后由于超导技术的迅速发展，从70年代初开始转而研究超导磁浮铁路。1972年首次成功地进行了2.2吨重的超导磁浮列车实验，其速度达到每小时50公里。1977年12月在宫崎磁浮铁路试验线上，最高速度达到了每小时204公里，到1979年12月又进一步提高到517公里。1982年11月，磁浮列车的载人试验获得成功。1995年，载人磁浮列车试验时的最高时速达到411公里。为了进行东京至大阪间修建磁浮铁路的可行性研究，于1990年又着手建设山梨磁悬浮铁路试验线，首期18.4公里长的试验线已于1996年全部建设完成。 德国对磁浮铁路的研究始于1968年（当时的联邦德国）。研究初期，常导和超导并重，到1977年，先后分别研制出常导电磁铁吸引式和超导电磁铁相斥式试验车辆，试验时的最高时速达到400公里。后来经过分析比较认为，超导磁浮铁路所需的技术水平太高，短期内难以取得较大进展，遂决定以后只集中力量发展常导磁浮铁路。1978年，决定在埃姆斯兰德修建全长31.5公里的试验线，并于1980年开工兴建，1982年开始进行不载人试验。列车的最高试验速度在1983年底达到每小时300公里，1984年又进一步增至400公里。目前，德国在常导磁浮铁路研究方面的技术已趋成熟。 与日本和德国相比，英国对磁浮铁路的研究起步较晚，从1973年才开始。但是，英国则是最早将磁浮铁路投入商业运营的国家之一。1984年4月，伯明翰机场至英特纳雄纳尔车站之间一条600米长的磁浮铁路正式通车营业。旅客乘坐磁浮列车从伯明翰机场到英特纳雄纳尔火车站仅需90秒钟。令人遗憾的是，在1995年，这趟一度是世界上唯一从事商业运营的磁浮列车在运行了
上海磁悬浮（高速）列车 Shanghai Maglev (Rapid) Train 上海磁浮示范运营线，是“十五”期间上海市交通发展的重大 项目，也是世界上第一条投入商业化运营的磁浮示范线，具有交通、 展示、旅游观光等多重功能。 上海磁浮示范运营线，西起上海地铁2号线龙阳路站，东到浦 东国际机场，主要解决连接浦东机场和市区的大运量高速交通需求。 线路正线全长约30公里，双线上下折返运行，设计最高运行速度为 每小时430公里，单线运行时间约8分钟。 从2004年3月29日起，磁浮列车调整了运行时间，由“工作 日半天运行、双休日全天运行”调整为每天早8：30至下午5：30全天运行，每20分钟一班，全天双向对开共54班。 同时，为了充分体现磁浮列车的交通优势，凡是搭乘飞机的旅客都可凭其本人当日机票以八折的价格购买磁浮单程票一张，即普通席40元或贵宾席80元。 对荣誉军人、离休干部、残疾人等特殊人群，上海磁浮交通发展有限公司也推出了凭证八折购票的优惠措施。同时，身高120cm 以下的儿童在成人陪同下免票。 车票为当日当班次有效，过期作废。每张车票票面均印有发车 时间，在发车前20分钟开始进站检票，发车前5分钟停止检票，为 了确保您的乘车，请至少在发车前20分钟到达乘车地点的检票口。 地点 ： 龙阳路磁悬浮站 票价 ： 单程 ： 普通席50元，贵宾席100元； 往返程 ： 普通席80元，贵宾席160元。 订票热线 ： 8008204800、63600688 Maglev Demonstration Line - from Pudong International Airport to Longyang Road Metro Station - the 30-kilometer trip will take only eight minutes. It is the world's first commercial magnetic levitation line.From March 29 2004, It was put into use formally and operates everyday from 8:30am to 17:30pm. The operation interval is 20 minutes . The round trip ticket cost 80 yuan and the one way ticket cost 50 yuan. Passengers with current day flight ticket can buy a one way ticket of Maglev Train at 20% discount. Add : Maglev Train Station of Longyang Rd Price(RMB) : One Way Ticket : 50, 100(VIP)
第九篇磁悬浮列车原理 §9.1磁悬浮列车综述 你一定听说过磁悬浮列车吧，最近它的上镜率可是居高不下，大家都在密切地关注着它的发展态势。我们一直都在盼望着火车的提速，可经过几轮的努力，却总是达不到心中理想的标准，如果你家住在西安，距北京1000多公里，原先回家要17个小时，现在要14个小时，唉，只减少了区区3个小时，还要有难熬的一宿呀！可是你知道吗？普通磁悬浮列车的时速就可以达到500公里/小时，那么，回家就只需要不到3个小时，跟飞机差不多了！ 其实，在本世纪五、六十年代，铁路曾经被认为是一个夕阳运输产业。因为面对航空、高速公路等运输对手的强劲挑战，它蜗牛般的爬行速度，已越来越不适应现代工业社会物流和人流的快速流动需要了。但七十年代以来，特别是近几年，随着铁路高速化成为世界的热点和重点，铁路重新赢回了它在各国交通运输格局中举足轻重的地位。法国、日本、俄国、美国等国家列车时速由200公里向300公里飞速发展。据1995年举行的国际铁路会议预测，到本世纪末，德国、日本、法国等国家的高速铁路运营时速将达到360公里。 但要使列车在如此高的速度下持续行驶，传统的车轮加钢轨组成的系统，已经无能为力了。这是因为传统的轮轨粘着式铁路，是利用车轮与钢轨之间的粘着力使列车前进的。它的粘着系数随列车速度的增加而减小，走行阻力却随列车速度的增加而增加，当车速增至粘着系数曲线和走行阻力曲线的交点时，就达到了极限。据科研人员推算，普通轮轨列车最大时速为350-400公里左右。如果考虑到噪音、震动、车轮和钢轨磨损等因素，实际速度不可能达到最大时速。所以，欧洲、日本现在正运行的高速列车，在速度上已没有多大潜力。要进一步提高速度，必须转向新的技术，这就是超常规的列车－－磁悬浮列车。 尽管我们还将磁悬浮列车的轨道称为"铁路"，但这两个字已经不够贴切了。
高速磁悬浮列车动力学研究 摘要：随着物流行业的崛起，同时面临交通发展的瓶颈。经济发展离不开交通基建与交通工具的进步，目前高铁建设的竞赛已经趋于稳定阶段，我国的高铁总里程数超过2.5万公里，现在世界各国竞相开展对磁悬浮列车的研究，准备下一场交通技术的迭代更新，因此对于磁悬浮列车的进行研究很有必要，其中磁悬列车动力学研究尤为关键，它对施工、运行的平稳性有密切关系，本文以我国某市磁悬浮列车为研究对象，通过建立列车动力学模型来研究磁悬浮列车运行稳定性的关键因素。 1.1磁悬浮列车技术发展现状 交通史的发展就是人类历史文明交流的急先锋，从丝绸之路兴起和大航海时代，从工业革命的蒸汽火车到飞机的发展，目前形成飞机、火车、轮船和汽车运输的三位一体的陆海空的运输行业，尤其是近些年高铁的发展，中国的高铁总里程数达到2.5万公里，居世界之首。但是轨道交通未来的发展趋势更趋向于超高速发展模式，即磁悬浮列车。从1970年起外国已经开始了对磁悬浮列车的研发试运行，并取得较好的成果。两千年后我国也开始研制自己的磁悬浮列车，并成功的投入实际运营中。目前世界上最快的磁悬浮列车是日本研制的它的时速超过580Km/h。 1.1.1国外现状 磁悬浮列车是在普通高速列车的基础上提出的新型轨道交通，对于磁悬浮列车最早提出是德国人赫尔曼肯佩尔，他认为磁悬浮的技术主要是两个动力系统，首先是让磁悬浮列车飘起来电磁力，另一个动力是牵引列车运行系统。 1.1.2国内现状 我国是从上世纪八十年代开始进行对磁悬浮列车进行研究的，九十年代初我国的一些科研单位和高校进行合作研究。之后磁悬浮列车技术被列入国家重要科研项目。到九五年是我国正真的突破磁悬浮列车的关键技术，掌握制造中低速列车的能力。 2.1磁悬浮列车的介绍 我国某市的高度磁悬浮列车全称三十公里，车辆的构成见下图2-1，本磁悬浮列车一部分技术是从德国引进，一部分是我国自行研发的。 2.1.1基本运行原理 列车的上浮系统是利用电励磁产生电磁场，电磁场利用和磁悬浮列车的轨道的磁铁之间的引力使得磁悬浮列车上浮一定的高度，这样一来列车就没有了与常规列车与轨道间的摩擦力，这是实现超高度的前提，另一方面是利用电磁场产生牵引力牵引磁悬浮列车前进，这是磁悬浮另一个重要动力系统，是实现磁悬浮列车高速行驶的主要动力。 2.1.2车辆系统 磁悬浮列车中最重要的组成部分就是车辆，是否能实现磁悬浮列车悬浮和高速行驶车辆是重中之重。本文研究的示范磁悬浮列车是参考德国的技术。磁悬浮列车的车厢是三段式组成，主要是由铝构成的，外形进行了风动实验后得到的最佳的空气动力学的外形，磁悬浮列车在行驶中最主要的阻力就是空气阻力，因此减小空气阻力是提升磁悬浮列车高速运行和保证列车安全运行的重要因素。 2.1.3路线系统 本文研究的研究的磁悬浮列车的轨道的曲线主要有六段，占总长的百分之六
[转载]磁悬浮原理
磁悬浮转子真空计工作原理图 时间:2008-09-16 来源:真空技术网整理编辑:真空技术网 根据磁悬浮转子转速的衰减与其周围气体分子的外摩擦有关的原理制成的真空测量仪表称为磁悬浮转子真空计。 图22：磁悬浮转子真空计结构图 由图22可见，除了用于磁悬浮转子的螺旋线圈2外，在真空室下边还设置一敏感线圈5，通过伺服电路控制螺旋线圈2的电流，使转子悬浮在预定高度。在真空室两侧的一对驱动线圈3产生旋转磁场，驱动转子以每秒200～400转的速度自转。虽然转子在给定的垂直位置会自动地趋向磁场最强处(一般在垂直对称轴上)，但若受外界扰动，转子将围绕轴作水平振动。图中紧临真空室下方的阻尼钢针6可使这种振动衰减。 这种真空计是基于气体分子对自由旋转钢球的减速作用而工作的。当钢球被驱动线圈的磁场
从静止加速到每秒400转速之后，停止驱动场，由于气体分子摩擦的积分作用引起钢球自转速度衰减，其转速衰减与气体压力p有着严格的对应关系。 磁悬浮转子真空计是标准真空计，量程宽(10-1～10-5Pa)，用它作互校传递标准时，累积误差小，可靠性重复性好。 SKF公司最新推出磁浮轴承（图文） ＳＫＦ（斯凯孚）公司最新推出磁浮轴承。半导体工业需要极纯净的环境 来制造日益复杂的电路晶片，其中，ＴＭＰ（Turbo Molecular Pumps）涡轮子真 空泵主要是利用高速旋转的涡轮叶片转子，撞击气体分子后，把气体分子带出 制程腔体。由于需要高速旋转，传统陶珠轴承系统存在油气污染问题，目前业界已大量使用无接触的磁浮轴承。 ＳＫＦ磁浮轴承还可应用于三轴加工中心机床，主轴转速１０万转／分钟。 此主轴目前是展示阶段的原型，唯有依赖磁浮轴承才能达到如此高的转速，而如此高的表面加工精度及轴承寿命，是传统滚动轴承所无法达到的。 磁浮轴承的性能由于软件算法的改进而大大加强，坚固性，稳定性，经济性的提高使磁浮轴承从试验
专业知识分享版 使命：加速中国职业化进程 在1500公里旅行距离内，磁浮磁悬浮火车好还是乘飞机好？ --中国将建造全长8000公里的高速客运专用网磁浮磁悬浮火车技术能入选吗？ --磁浮磁悬浮火车技术已近成熟，中国如何发挥後发优势，实现技术跨越？ 整个人类客运交通发展的历史是一个速度不断提高的历史。每一种新型交通工具的出现和重大技术的突破都伴随 速度的显著提高。二十世纪在这方面尤为突出，飞机、汽车与火车均在不断刷新 其速度的纪录磁浮磁悬浮火车发展尤为令人瞩目。 传统轮轨铁路的运营速度经过100多年的发展，达到了300-350公里／小时，其进一步提高受到了用轮轨支承和受电弓供电的限制磁浮磁悬浮火车用电磁力将火车浮起而取消轮轨，采用长定子同步直流电机将电供至地面线圈，驱动火车高速行驶，从而取消了受电弓，实现了与地面没有接触、不带燃料的地面飞行，克服了传统轮轨铁路的主要困难。从六十年代起，日本、德国作为强大的国家研究发展计划，投入了数十亿美元的资金，经过持续努力，使整个技术已经成熟到可以建造实用运营 ，最高试验运营速度已达550公里／小时。从而，人类地面客运的速度可望在21世纪前、中期达到500公里／小时的新水平，使高速地面交通的发展继续长足前进。 作为目前最快速的地面交通磁浮磁悬浮火车技术的确有 其他地面交通技术无法比拟的优势。 首先，它克服了传统轮轨铁路提高速度的主要障碍，发展前景广阔。 第一条轮轨铁路出现在1825年，经过140年努力，其运营速度才突破200公里／小时，由200公里／小时到300公里／小时又花了近30年，虽然技术还在完善与发展，继续提高速度的余地已不大，而困难很大。还应注意到，轮轨铁路提高速度的代价是很高的，300公里／小时高速铁路的造价比200公里／小时的准高速铁路高近两倍，比120公里／小时的普通铁路高三至八倍，继续提高速度，其造价还将急剧上升。世界磁浮磁悬浮火车小型模型是1969年在德国出现的，日本是1972年造出的。可仅仅十年後的19磁浮磁悬浮火车技术就创造了517公里／小时的速度纪录。目前技术已经成熟，可进入500公里／小时实用运营 的建造阶段。 磁浮磁悬浮火车是当今唯一能达到运营速度500公里／小时的地面客运交通工具，具有不可取代的优越性，火车时刻表将因此改写。
磁悬浮原理 磁悬浮列车是一种采用无接触的电磁悬浮、导向和驱动系统的磁悬浮高速列车系统。它的时速可达到500公里以上，是当今世界最快的地面客运交通工具，有速度快、爬坡能力强、能耗低运行时噪音小、安全舒适、不燃油，污染少等优点。并且它采用采用高架方式，占用的耕地很少。磁悬浮列车意味着这些火车利用磁的基本原理悬浮在导轨上来代替旧的钢轮和轨道列车。磁悬浮技术利用电磁力将整个列车车厢托起，摆脱了讨厌的摩擦力和令人不快的锵锵声，实现与地面无接触、无燃料的快速“飞行”。 稍有物理知识的人都知道：把两块磁铁相同的一极靠近，它们就相互排斥，反之，把相反的一极靠近，它们就互相吸引。托起磁悬浮列车的，那似乎神秘的悬浮之力，其实就是这两种吸引力与排斥力。 应用准确的定义来说，磁悬浮列车实际上是依靠电磁吸力或电动斥力将列车悬浮于空中并进行导向，实现列车与地面轨道间的无机械接触，再利用线性电机驱动列车运行。虽然磁悬浮列车仍然属于陆上有轨交通运输系统，并保留了轨道、道岔和车辆转向架及悬挂系统等许多传统机车车辆的特点，但由于列车在牵引运行时与轨道之间无机械接触，因此从根本上克服了传统列车轮轨粘着限制、机械噪声和磨损等问题，所以它也许会成为人们梦寐以求的理想陆上交通工具。
根据吸引力和排斥力的基本原理，国际上磁悬浮列车有两个发展方向。一个是以德国为代表的常规磁铁吸引式悬浮系统－－EMS系统，利用常规的电磁铁与一般铁性物质相吸引的基本原理，把列车吸引上来，悬空运行，悬浮的气隙较小，一般为10毫米左右。常导型高速磁悬浮列车的速度可达每小时400-500公里，适合于城市间的长距离快速运输；另一个是以日本的为代表的排斥式悬浮系统－－EDS系统，它使用超导的磁悬浮原理，使车轮和钢轨之间产生排斥力，使列车悬空运行，这种磁悬浮列车的悬浮气隙较大，一般为100毫米左右，速度可达每小时500公里以上。这两个国家都坚定地认为自己国家的系统是最好的，都在把各自的技术推向实用化阶段。估计到下一个? 磁悬浮的构想是由德国工程师赫尔曼?肯佩尔于１９２２年首先提出的。磁悬浮列车包含有两项基本技术，一项是使列车悬浮起来的电磁系统，另一项是用于牵引的直线电动机。 直线电动机的原理早在１８世纪末就已经出现，形象地说，是把圆形旋转电机剖开并展成直线型的电机结构。它依靠铺在线路上的长定子线圈极性交错变化的电磁场，根据同极相斥异极相吸的原理进行牵引。 在肯佩尔的主持下，经过漫长的研究，德国于１９７１年造出了世界上第一台功能较强的磁悬浮列车。 磁悬浮列车按悬浮方式又分为常导型及超导型两种。常导磁悬浮列车由车上常导电流产生电磁吸引力，吸引轨道下方的导磁体，使列车浮起。常导型技术比较简单，由于产生的电磁吸引力相对较小，列车悬
原理上海磁悬浮列车是“常导磁吸型”（简称“常导型”）磁悬浮列车。是利用“异性相吸”原理设计，是一种吸力悬浮系统，利用安装在列车两侧转向架上的悬浮电磁铁，和铺设在轨道上的磁铁，在磁场作用下产生的吸力是车辆浮起来。 世界第一条磁悬浮列车示范运营线——上海磁悬浮列车，建成后试运行了一段时间。 磁悬浮有哪些优缺点？为什么引起如此大的争议？ 磁悬浮列车有许多优点：列车在铁轨上方悬浮运行，铁轨与车辆不接触，不但运行速度快，能超过500 千米/小时，而且运行平稳、舒适，易于实现自动控制；不排出有害的废气，有利于环境保护；可节省建设经费；运营、维护和耗能费用低。 磁悬浮列车的缺点：磁悬浮列车突然情况下的制动能力不可靠，不如轮轨列车。在陆地上的交通工具没有轮子是很危险的。因为列车要从动量很大降到静止，要克服很大的惯性，只有通过轮子与轨道的制动力来克服。 磁悬浮列车需要高架，高架梁的绕度必须小于1毫米，因此，高架桥跨一般要小于25米，桥墩基础要深30米以上。比如在上海到杭州的地面上要形成一道200多公里的挡墙。此外，由于运行动力学的影响，轨道两侧各100米内是不允许有其他建筑物的。修建沪杭磁悬浮，占地多，对环境影响比较大。 北京有关磁悬浮的《公示》说明电磁环境影响：主要发生在地面高架桥段，高架线磁悬浮列车运行时可能会对开放式电视接收用户产生电磁干扰以及对人体健康的影响。 磁悬浮列车是连接上海机场和经济新区浦东以及老市中心的主要交通工具。然而这条线路，并没有把机场和浦东中心、老市中心以及上海火车站直接连接起来，只把机场和浦东龙阳 路２号地铁站连接起来，旅客们必须在此中转。这样，上海市的一般旅客，要先乘坐公共 汽车或地铁，再换乘２号地铁，最后再换乘世界上最先进的磁悬浮列车到机场。根据德国 公共交通的经验，一次换乘，旅客尚能接受；二次换乘，部分旅客将不优先选用公共交通 工具；三次换乘，只剩下不得不采用公共交通的顾客。从公共交通运输网的组成来看，选 用最高时速４５０公里的磁悬浮列车来连接相距３３公里的两地，并非合理的选择，因为 磁悬浮列车的速度快、时间短的优点并显示不出来，而换车等车的时间和麻烦，超过选用磁悬浮列车所能节约的时间和舒适 有人算了一笔账，按照目前的设计水平，磁悬浮列车９节车箱可坐９５９人，每小时 可发车１２列，双向运量可达２, ３万人，按每天运行１８小时计算，最大年运量可达
0.磁悬浮技术与高速轮轨技术相比优势何在？ 速度高 常导磁悬浮可达４００—５００公里／小时，超导磁悬浮可达５００—６００公里／小时。轮轨高速的最高运营速度一般认为不宜超过４００公里／小时。磁悬浮的高速度使其在１０００至１５００公里的距离范围可与航空竞争。 能耗低 据德国资料，在３００公里／小时的速度下，磁悬浮比ＩＣＥ３高速轮轨能耗少２８％。 维修少 磁悬浮列车属于无磨损运行，要维修的主要是电气设备。随着电子工业的发展，器件可靠性将不断提高。 无污染 采用电力驱动，无需燃油，无有害气体排放。此外还有噪音小（在速度较低时极明显）、乘坐舒适、爬坡能力强、通过的曲线半径小、加速减速快等优点。 1.TR05、06、07、08有什么不同，各有什么进步？解决了什么问题？ 1979年, 世界第一列准许载客的长定子动力装置磁悬浮列车TR05在汉堡国际运输展览会运行。在为期三周的展览会中,TR05客超过50000人。 1980年, 在Emsland的Transrapid测试中心开始建筑导轨和TR06试验车。该车有2节, 长54m, 重102t , 有192个座位, 利用电磁悬浮和制导系统,动力装置使用同步长定子线性感应电机, 设计速度为400km/h。1988年1月, TR06创下载人时速为412.6km/h的记录。 1987年,TVE建成了耗资7.8亿马克,可以在与实际应用相似的条件下, 用于长期运行的有两个环、总长31.5km 的闭合轨道;并开始研究设计目标最高速度为500km/h的应用车TR07 。TR07由两节构成,总长51m ; , 车重92t, 利用电磁悬浮和导向系统, 使用同步长定子线性感应电动机作动力装置, 额定气隙10mm;, 运行速度在300-500km/h。1993年6月10日, 在普通的运行条件下,TR07在TVE创下了速度达450km/h的新世界记录。 1997年4 月, 在汉诺威博览会上展出了transrapid的最新产品—设计速度为550km/h、有6节客车的.TR08, 它就是将在柏林一汉堡的路线上运行的磁悬浮列车原型。它比.TR07更轻, 更符合空气动力学, 噪声更小, 更经济。 2。在气温不同的长大干线上，如果车辆过长会遇到什么问题？如何解决？利用电机学中学过的方法加以分析
磁悬浮列车工作原理 磁悬浮列车的原理是运用磁铁“同性相斥，异性相吸”的性质，使磁铁具有抗拒地心引力的能力，即“磁性悬浮”。这种原理运用在铁路运输系统上，使列车完全脱离轨道而悬浮行驶，成为“无轮”列车，时速可达几百公里以上。这就是所谓的“磁悬浮列车”。 列车上装有超导磁体，由于悬浮而在线圈上高速前进。这些线圈固定在铁路的底部，由于电磁感应，在线圈里产生电流，地面上线圈产生的磁场极性与列车上的电磁体极性总是保持相同，这样在线圈和电磁体之间就会一直存在排斥力，从而使列车悬浮起来。 前进的原理：在位于轨道两侧的线圈里流动的交流电，能将线圈变为电磁体。由于它与列车上的超导电磁体的相互作用，就使列车开动起来。列车前进是因为列车头部的电磁体（N极）被安装在靠前一点的轨道上的电磁体（S极）所吸引，并且同时又被安装在轨道上稍后一点的电磁体（N极）所排斥。在线圈里流动的电流流向会不断反转过来。其结果就是原来那个S极线圈，现在变为N极线圈了，反之亦然。这样，列车由于电磁极性的转换而得以持续向前奔驰。 当今，世界上的磁悬浮列车主要有两种"悬浮"形式，一种是推斥式；另一种为吸力式。推斥式是利用两个磁铁同极性相对而产生的排斥力，使列车悬浮起来。这种磁悬浮列车车厢的两侧，安装有磁场强大的超导电磁铁。车辆运行时，这种电磁铁的磁场切割轨道两侧安装的铝环，致使其中产生感应电流，同时产生一个同极性反磁场，并使车辆推离轨面在空中悬浮起来。但是，静止时，由于没有切割电势与
电流，车辆不能产生悬浮，只能像飞机一样用轮子支撑车体。当车辆在直线电机的驱动下前进，速度达到80公里／小时以上时，车辆就悬浮起来了。吸力式是利用两个磁铁异性相吸的原理，将电磁铁置于轨道下方并固定在车体转向架上，两者之间产生一个强大的磁场，并相互吸引时，列车就能悬浮起来。这种吸力式磁悬浮列车无论是静止还是运动状态，都能保持稳定悬浮状态。这次，我国自行开发的中低速磁悬浮列车就属于这个类型。 "若即若离"，是磁悬浮列车的基本工作状态。磁悬浮列车利用电磁力抵消地球引力，从而使列车悬浮在轨道上。在运行过程中，车体与轨道处于一种"若即若离"的状态，磁悬浮间隙约1厘米，因而有"零高度飞行器"的美誉。它与普通轮轨列车相比，具有低噪音、低能耗、无污染、安全舒适和高速高效的特点，被认为是一种具有广阔前景的新型交通工具。特别是这种中低速磁悬浮列车，由于具有转弯半径小、爬坡能力强等优点，特别适合365JT城市轨道交通。
一、前言 衣食住行，人之必需。自古以来人类最大苦恼之一是人与货物的运输：横渡河流、穿越高山、遥远距离的行程等，想尽办法以节省时间和气力，让旅程更舒服。从步行手提、肩挑到用力拖拉，直至现代复杂的交通系统。 牛顿发现万有引力定律之前，人类就感知到地球引力的存在，人们发现，拖着重物比肩扛着省力。6千多年前人类建造了第一组轮子：木质实心的两个轮子、一根固定的穿过轮子中心的轴及架在其上的平台，车造出来，更省力了。繁体汉字“車”形象地表征了车的架构。车的出现极大地方便了人类的出行。 1825年世界上第一条铁路诞生，20世纪初飞机出现，人类可以陆海空立体交通出行。随着科技的进步，各种交通工具的速度、便捷、舒适度都大为提高。 1. 总旅行时间 人们出行总希望用最短的时间到达目的地，即旅行时间最短。所谓旅行时间等于主旅行时间与附加时间之和，通俗讲就是从（家）门到（目的地住处）门的时间。其中主旅行时间是旅客在旅途中所乘座的主要交通工具花费的时间，附加时间为旅途中花费在其他辅助交通工具上的时间，粗略统计结果附加时间：小汽车为零，高速铁路为1小时，飞机为2.5小时。图1给出不同速度下，旅行时间与旅行距离的关系。 从图旅行距离中可见，在2600 km 距离内乘坐时速500 km 的列车的旅行时间和乘时速700 km 民航飞机（国内民用飞机常规速度）相当。如果再考虑到方便性、安全性、舒适性及节能、环保性，列车被选择的可能性会更高。 迄今轮轨列车最高运营速度为350 km/h ，这样从 磁悬浮列车 金能强 速度连贯性考虑350 km/h 和500 km/h 间有个断档，用什么交通工具填充？ 2. 轮轨列车的局限 轮轨列车是一种靠黏着力牵引的车辆，在速度上有局限性。首先，轮轨之间的黏着力制约了列车的高速运行，图2表示轮轨列车基本运行原理。钢轮架在铁轨上，支撑着车辆，凸起轮沿卡在铁轨间起导向作用，原动机（电动机、内燃机、蒸汽机）驱动轮轴转动、与其一体的轮子随之转动，列车依轮子在轨道上滚动而前行，靠的是轮子表面与铁轨表面的黏着力。黏着力不但随轮轨表面状况（如材料、表面光滑度、附着的雨、雪等）而变化，而且如图3所示，会随着速度增加而减小，与此同时列车的空气阻力却随着速度显著增加，当列车速度达到一定值时，牵引力与阻力相等，列车不可能再加速了。如冬天汽车在冰面上难以高速行驶一样，无论你如何加大油门，车轮老是打滑，车速快不起来。这一速度就是列车的最高运行速度，轮轨高速列车难以突破400 km/h 的运营速度。 其次，当今高速轮轨列车几乎全靠电力牵引，以 图1 不同速度下旅行时间与旅行距离的关系 Edited by Foxit Reader Copyright(C) by Foxit Software Company,2005-2008For Evaluation Only.
磁悬浮列车运行原理 磁悬浮列车是现代高科技发展的产物。其原理是利用电磁力抵消地球引力，通过直线电机进行牵引，使列车悬浮在轨道上运行（悬浮间隙约1厘米）。其研究和制造涉及自动控制、电力电子技术、直线推进技术、机械设计制造、故障监测与诊断等众多学科，技术十分复杂，是一个国家科技实力和工业水平的重要标志。它与普通轮轨列车相比，具有低噪音、无污染、安全舒适和高速高效的特点，有着“零高度飞行器”的美誉，是一种具有广阔前景的新型交通工具，特别适合城市轨道交通。磁悬浮列车按悬浮方式不同一般分为推斥型和吸力型两种，按运行速度又有高速和中低速之分，这次国防科大研制开发的磁悬浮列车属于中低速常导吸力型磁悬浮列车。 磁悬浮列车的种类 磁悬浮列车分为常导型和超导型两大类。常导型也称常导磁吸型，以德国高速常导磁浮列车transrapid为代表，它是利用普通直流电磁铁电磁吸力的原理将列车悬起，悬浮的气隙较小，一般为10毫米左右。常导型高速磁悬浮列车的速度可达每小时400～500公里，适合于城市间的长距离快速运输。而超导型磁悬浮列车也称超导磁斥型，以日本MAGLEV为代表。它是利用超导磁体产生的强磁场，列车运行时与布置在地面上的线圈相互作用，产生电动斥力将列车悬起，悬浮气隙较大，一般为100毫米左右，速度可达每小时500公里以上。这两种磁悬浮列车各有优缺点和不同的经济技术指标，德国青睐前者，集中精力研制常导高速磁悬浮技术;而日本则看好后者，全力投入高速超导磁悬浮技术之中。 德国和日本是世界上最早开展磁悬浮列车研究的国家，德国开发的磁悬浮列车Transrapid于1989年在埃姆斯兰试验线上达到每小时436公里的速度。日本开发的磁悬浮列车MAGLEV (Magnetically Levitated Trains)于1997年12月在山梨县的试验线上创造出每小时550公里的世界最高纪录。德国和日本两国在经过长期反复的论证之后，均认为有可能于下个世纪中叶以前使磁悬浮列车在本国投入运营。