真空管道磁浮列車救援動力學仿真分析
未來真空管道磁浮列車設(shè)計速度將在100～300m/s，對于如此高速運行的列車系統(tǒng)，其救援方案必須完善，否則將會留下安全隱患造成重大的人員傷亡和嚴重的經(jīng)濟損失。而在諸救援中列車制動失效和管道失壓將是未來真空磁浮列車安全運行首要研究的因素。本文以牛頓第二定律為依據(jù)，通過對分析模型得到的基本關(guān)系方程的推導、求解，從而推導出列車在攔阻索減速制動過程中，其攔阻位移、攔阻力和列車初速度三者之間的基本關(guān)系式，同時也推導出管道失壓過程中，列車安全運行所需相鄰閘門之間距離、管道阻塞比和真空度三者之間的關(guān)系式.在MATLAB環(huán)境下對以上關(guān)系式進行仿真分析，我們得到制動失效時攔阻力、列車初速度和攔阻位移三者之間的優(yōu)化值；同時也得到管道失壓時相鄰真空閘門之間距離、管道真空度和管道阻塞比三者之間的優(yōu)化值。以上仿真優(yōu)化值將為真空管道列車系統(tǒng)設(shè)計提供理論依據(jù)。
隨著社會的進步、生活節(jié)奏的加快，人們對于出行和物流配送時間要求逐步提高。步入21世紀以來世界高速交通發(fā)展迅速，但是航運、鐵路、水運和公路運輸終會遇到自己的發(fā)展瓶頸，而在此之前真空管道運輸(EvacuatedTubeTransportation)作為一種構(gòu)想曾被提出，這主要由于真空管道列車有如下優(yōu)勢:高速、阻力小、噪音小、安全和能耗低等。
近年來對于真空管道列車國內(nèi)有些研究，而國外比較少，但本文主要偏于對于真空管道列車空氣動力學研究:周主要集中闡述真空管道列車速度在200m/s運行于真空管道壓強1000Pa環(huán)境下的列車空氣動力學問題；張主要闡述真空管道列車速度從50～300m/s運行于真空管道壓強從10～10000Pa環(huán)境下的列車空氣動力學問題；文獻主要闡述不同流線型列車的頭車尾車外形對于真空管道磁浮列車空氣阻力的影響；以上文均未涉及真空管道的救援研究。文獻從真空管道列車碰撞、管道失壓及管道系統(tǒng)失效闡述了真空管道運輸安全，但并未提出具體的解決措施；雖然文獻提出了真空管道列車渦流制動和制動磨耗板來應(yīng)急，但僅僅給出抽象的方案。而對于運行中的真空管道列車最大的危害在于速度過大時制動系統(tǒng)失效和管道失壓，從而造成重大的人員傷亡和管道損壞，甚至車毀人亡。本文借助于現(xiàn)今在航空母艦艦載機的攔截技術(shù)應(yīng)用于真空管道列車制動失效時的攔截，通過對攔截時列車的動力學方程的MATLAB分析得到真空管道列車攔截過程中攔阻索攔截力、磁浮列車初速度和攔截位移三者之間的優(yōu)化值，并在MATLAB環(huán)境下繪出了不同攔阻力下的速度攔阻位移關(guān)系曲線和一定初速度下不同攔阻力下攔阻位移關(guān)系曲線，從而得到一定攔阻力下列車初速度越大攔截位移增大但增大趨勢逐漸減小，一定初速度下攔阻力越大攔阻位移不斷減小，但減小率趨勢逐步減�。浑m然文章從維持管道壓強角度給出了真空閥門的建議值，但本文從管道失壓時救援角度分析得出了比較優(yōu)化的真空管道相鄰閘門距離，這對于維持平時管道壓強和列車救援都有一定的指導意義。
1、模型分析
1.1、真空管道磁浮列車攔阻和救援系統(tǒng)示意圖
如圖1所示攔阻系統(tǒng)三維示意圖，考慮到管道內(nèi)部面積和建設(shè)成本，攔阻發(fā)射裝置對稱安裝在管道出口外側(cè)(二者縱向距離為15m)，此裝置主要是在磁浮列車剎車失效時在管道外對列車進行有效攔截。
圖1 真空管道磁浮列車攔阻三維示意圖
圖2 真空管道磁浮列車攔阻平面受力分析示意圖
圖3為真空管道磁浮列車運行救援示意圖，管道在進氣口外安裝有壓力傳感器目的是檢測管內(nèi)壓力達到大氣壓時關(guān)閉進氣口，管道兩端為自動閘門示意圖。
圖3 真空管道列車空氣氣囊救援示意圖
結(jié)論
(1)在一定的攔阻力下攔阻位移隨著磁浮列車的初速度的增加其值不斷增大，而在一定的初速度下隨著攔阻力的增加攔阻位移不斷減小，但從分析曲線結(jié)果來看，隨著攔阻力增大而攔阻位移減小率在下降，為此綜合攔阻索材料性質(zhì)、磁浮軌道建設(shè)和經(jīng)濟效益來看，初步選擇攔阻索拉力在6×105N左右，磁浮列車運營速度設(shè)置在200m/s；
(2)從管道失壓救援角度并不能為了減小磁浮列車運行阻力而一味的降低管道真空度，也不能為了救援而去增加管道真空度這樣會增大磁浮列車運行阻力，為此必須從維持管道壓強、阻塞比、降低磁浮列車運行阻力和管道救援四者之間為真空管道相鄰閘門之間距離尋找一個優(yōu)化區(qū)間，為將來真空管道磁浮列車的經(jīng)濟運營提供依據(jù)，為此初步選擇管道阻塞比選擇在0.25，管道壓強選擇10000Pa的環(huán)境。
