□ 賈文廣 □ 王 凱 □ 孔祥鑫 □ 程愛平 □ 李慶領(lǐng)

青島科技大學機電工程學院 山東青島 266061

1 研究背景

隨著經(jīng)濟全球化的發(fā)展，人口流動呈現(xiàn)出遠程化、周期化的特點。人們對出行的效率要求越來越高，但目前的交通工具，如汽車、火車、飛機等在速度方面受天氣條件影響較大。在這樣的背景下，真空管道交通（ETT）系統(tǒng)這個概念應運而生，其高速、安全，幾乎不受天氣影響。

1904年，Robert Goddard提出了ETT系統(tǒng)的設(shè)想，之后，美國的ETT系統(tǒng)和瑞士的SwissMetro是較為成功的案例［1-2］。我國也對ETT列車進行了研究，并將其提升到國家戰(zhàn)略高度。我國目前已經(jīng)研究了ETT系統(tǒng)的安全問題［3］，并對ETT列車的氣動阻力進行分析，得出車速、系統(tǒng)阻塞比和真空度對列車阻力的影響規(guī)律［4-6］。世界上第一條ETT系統(tǒng)預計在未來幾十年內(nèi)在我國建成［7］。

雖然對ETT系統(tǒng)的研究工作已經(jīng)逐步展開，但大多數(shù)僅僅局限于在超聲速狀態(tài)下對ETT系統(tǒng)的氣動特性進行模擬研究。張耀平等［8-11］對ETT系統(tǒng)的氣動阻力特性進行了深入分析。文獻［12-15］利用數(shù)值計算的方法研究了ETT系統(tǒng)內(nèi)部溫度場、生熱機制與傳熱特性，并深入分析了在超聲速狀態(tài)下列車車頭的熵層。以上結(jié)論均為數(shù)值模擬結(jié)果，缺乏試驗驗證，因此筆者設(shè)計了ETT系統(tǒng)試驗臺，可以完成對ETT系統(tǒng)氣動特性的試驗研究。

2013年，真空管道磁浮列車試驗臺在西南交通大學建成，其軌道為磁浮軌道，管道壁材料采用鋼化玻璃，造價很高［16-17］?？梢?，需要搭建具有經(jīng)濟性且能夠?qū)崿F(xiàn)對ETT系統(tǒng)進行氣動特性研究的試驗臺，為此前數(shù)值模擬結(jié)果提供試驗驗證，并為后續(xù)經(jīng)濟性分析提供依據(jù)。

2 ETT系統(tǒng)試驗臺方案

設(shè)計并建造ETT系統(tǒng)試驗臺的目的是為了分析列車在真空管道中運行時的氣動生熱和氣動阻力特性，以便為后續(xù)列車的設(shè)計及建造提供理論數(shù)據(jù)?？梢姡瑢υ囼炁_有以下要求：能夠保證模型列車穩(wěn)定運行，能夠獲得高真空度，成本低且易操作。

在設(shè)計過程中有四種方案：①直線ETT系統(tǒng)試驗臺；② 真空室ETT系統(tǒng)試驗臺；③ 環(huán)形ETT系統(tǒng)試驗臺;④環(huán)形管道式ETT系統(tǒng)試驗臺。經(jīng)過反復論證，最終確定采用第三種方案，即環(huán)形ETT系統(tǒng)試驗臺。

試驗臺由主體結(jié)構(gòu)、密封單元、數(shù)據(jù)采集處理單元和傳動單元四個部分組成。操作平臺是由外側(cè)擋板、內(nèi)側(cè)擋板、上端蓋及下端蓋組成的密閉空間，具有一定的真空度，模型列車在操作平臺上運行。采用變頻器對電機轉(zhuǎn)速進行控制，并驅(qū)動傳動軸轉(zhuǎn)動。傳動軸的一端與電機轉(zhuǎn)軸固定，另一端與旋轉(zhuǎn)臂的一端固定，旋轉(zhuǎn)臂另一端牽引模型列車在軌道內(nèi)作圓周運動。分別將溫度、壓力傳感器安裝到列車模型的車頭、車尾和車身處，可以實時記錄模型列車在運行過程中與氣動特性相關(guān)的參數(shù)。這些參數(shù)通過藍牙模塊實時傳輸至上位機，并可保存在相應的數(shù)據(jù)庫中，以便試驗結(jié)束后調(diào)用并分析。在整個試驗過程中，利用外置于操作平臺的真空泵抽取操作平臺內(nèi)多余的空氣，以保證操作平臺達到試驗要求的真空度。ETT系統(tǒng)試驗臺結(jié)構(gòu)如圖1所示，實物如圖2所示。

▲圖1 ETT系統(tǒng)試驗臺結(jié)構(gòu)

▲圖2 ETT系統(tǒng)試驗臺實物

試驗臺利用真空泵保持操作平臺的真空度，由操作平臺外置的電機帶動模型列車在操作平臺中運動。轉(zhuǎn)軸及旋轉(zhuǎn)臂與模型列車相連，電機轉(zhuǎn)動時，調(diào)節(jié)電機上的變頻器，就可對模型列車的運行速度進行調(diào)節(jié)。環(huán)形ETT系統(tǒng)試驗臺的優(yōu)勢如下：①占地面積小，組裝簡單，節(jié)省占地空間和經(jīng)費投資；②參數(shù)易調(diào)節(jié)，改變列車模型大小，即可改變系統(tǒng)的阻塞比；改變真空泵工況，即可改變系統(tǒng)的真空度；改變電機的轉(zhuǎn)速，即可調(diào)節(jié)列車的車速；③數(shù)據(jù)采集方便，自動化程度高，可通過熱成像儀、壓力傳感器、溫度傳感器、組態(tài)軟件等直接采集、讀取試驗數(shù)據(jù)；④可進行非穩(wěn)態(tài)和穩(wěn)態(tài)試驗，列車模型可在環(huán)形操作平臺上長時間連續(xù)運行，直至接近穩(wěn)態(tài)。

試驗臺的缺點在于高速運行時，模型列車作圓周運動會產(chǎn)生較大的離心力。當然，模型列車與旋轉(zhuǎn)臂連接，在電機的帶動下作圓周運動，能有效避免離心力的影響，且離心力的影響可通過誤差分析來進行校正。

基于以上分析，采用環(huán)形ETT系統(tǒng)試驗臺的方案是可行的。

3 ETT系統(tǒng)試驗臺結(jié)構(gòu)

3.1 主體結(jié)構(gòu)

ETT系統(tǒng)試驗臺主體結(jié)構(gòu)的主要作用是支撐整個機械系統(tǒng)，保證系統(tǒng)各個零部件之間的相對位置不發(fā)生改變，同時承受各種力及力矩的作用。主體結(jié)構(gòu)主要包括三個部分：操作平臺、操作平臺加強筋及支撐架。

3.1.1 操作平臺

由于模型列車的運行軌道處于ETT系統(tǒng)試驗臺中，因此在設(shè)計時，操作平臺選用10 mm厚的45號鋼焊接而成。操作平臺的側(cè)面高度為500 mm，以保證模型列車運行，便于試驗人員進行試驗并維護系統(tǒng)。由于ETT系統(tǒng)試驗臺的真空度相對較大，為了安全起見，需要計算其作用在上下端蓋的作用力。ETT系統(tǒng)試驗臺屬于外壓容器，可將其受力情況進行簡化，在均布載荷q的作用下，對操作平臺上下端蓋上產(chǎn)生的最大撓度進行計算。最大撓度Wmax為：

式中：l為作用梁長度，mm；E為45號鋼彈性模量，取E=210 GPa；I為鋼截面慣性矩，mm4。

式中：b為梁寬度，取b=10 mm；h為梁厚度，取h=10 mm。

3.1.2 加強筋

由計算可知，當ETT系統(tǒng)試驗臺內(nèi)部外部壓差為0.05 MPa時，在操作平臺上產(chǎn)生的均布載荷q為0.5 N/mm。由式（1）、式（2）可得，此時在梁上所產(chǎn)生的最大撓度Wmax=60 mm，超出試驗臺所能承受的最大撓度值，因此需要對操作平臺上下端蓋加裝加強筋，防止因撓度變化影響模型列車在操作平臺上正常運行。加強筋分別安裝在操作平臺下端蓋外側(cè)與上端蓋內(nèi)側(cè)。

3.1.3 支撐架

鋼制支撐架位于操作平臺下部，具有支撐系統(tǒng)與緩振的作用［18］。

3.2 傳動單元

ETT系統(tǒng)試驗臺傳動單元主要由三相異步電機、傳動軸及旋轉(zhuǎn)臂三部分組成。在ETT系統(tǒng)試驗臺上，旋轉(zhuǎn)臂一端固定在傳動軸上，另一端牽引模型列車。當電機工作時，通過聯(lián)軸器、傳動軸驅(qū)動水平設(shè)置的旋轉(zhuǎn)臂作圓周運動，從而帶動模型列車運行。在試驗過程中，采用變頻器調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)改變模型列車運行速度的目的。

3.2.1 旋轉(zhuǎn)臂

旋轉(zhuǎn)臂的材料也是45號鋼［11］。在帶動模型列車作圓周運動的過程中，由于離心力的存在，會發(fā)生彎曲變形，因此需要對所設(shè)計的旋轉(zhuǎn)臂直徑進行校核。旋轉(zhuǎn)臂所受的離心力F為：

式中：L為桿長度，取L=0.86 m；m為列車模型質(zhì)量，取m=0.76 kg；v 為列車速度，取 v=200 m/s。

通過計算得到F=35 494 N。旋轉(zhuǎn)臂所受到的最大彎矩Mmax為：

通過計算，當v=200 m/s時，旋轉(zhuǎn)臂所受到的最大彎曲矩Mmax=30 525 N·m。

旋轉(zhuǎn)臂上所受到的最大應力αmax為：

式中：A為旋轉(zhuǎn)臂橫截面積m2；W為旋轉(zhuǎn)臂抗彎截面系數(shù)，m3。

式中：D為旋轉(zhuǎn)臂橫截面直徑，取D=12 mm。

通過計算可得旋轉(zhuǎn)臂所受的最大應力αmax=180.33 MPa。這一最大應力小于許用應力［α］（235 MPa），因此旋轉(zhuǎn)臂選用45號鋼，直徑D=12 mm，長度 L=0.86 m，可滿足模型列車運行的要求。

3.2.2 傳動軸

在ETT系統(tǒng)試驗臺中，傳動軸主要承受來自旋轉(zhuǎn)臂和電機的扭力作用，因此設(shè)計傳動軸主要考慮滿足轉(zhuǎn)動時的強度要求。

傳動軸扭轉(zhuǎn)切應力τT為：

式中：T為軸所受扭矩，N·mm；WT為軸抗扭截面系數(shù)，mm3；n為軸轉(zhuǎn)速，r/min，可根據(jù)電機轉(zhuǎn)速確定 n=2 900 r/min；P為軸傳遞功率，不考慮聯(lián)軸器的摩擦時電機功率相等，P=5.5 kW；d為傳動軸直徑。

通過設(shè)計，該傳動軸的最小直徑d=24mm，通過式（7）進行計算，得到傳動軸的最大扭轉(zhuǎn)切應力 τT=6.55 MPa。這一扭轉(zhuǎn)切應力小于45號鋼的許用扭轉(zhuǎn)切應力［τT］（25 MPa），因此滿足軸的強度要求。

此時，傳動軸的單位長度最大扭轉(zhuǎn)角φ為：

式中：G為軸材料剪切彈性模量，MPa，對于45號鋼，取 G=81 GPa；IP為軸截面極慣性矩，mm4，IP=πd4/32；LT為階梯軸受扭矩作用的長度，mm；Ti、li、IPi依次為階梯軸第i段上所受的扭矩、扭矩作用長度和極慣性矩；z為階梯軸所受扭矩作用的段數(shù)。

通過計算得到傳動軸單位長度最大扭轉(zhuǎn)角極值φmax=0.267（°）/m。這一極值小于許用單位長度最大扭轉(zhuǎn)角［φ］（0.5 （°）/m），滿足剛度要求。

3.3 數(shù)據(jù)采集處理單元

在ETT系統(tǒng)試驗臺中，數(shù)據(jù)采集處理單元對模型列車在運行過程中的相關(guān)參數(shù)進行采集，包括模型列車在軌道中轉(zhuǎn)動時車頭及車尾的壓力、溫度等。考慮到模型列車在操作平臺中作圓周運動，數(shù)據(jù)采集處理單元主要為無線傳輸方式，分為數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)接收。

數(shù)據(jù)采集部分主要包括單片機、傳感器、藍牙從機模塊和鋰電池供電模塊。整個數(shù)據(jù)采集處理單元由鋰電池供電，利用單片機和傳感器進行通信，從而實時獲取傳感器采集的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集頻率為1 kHz。當數(shù)據(jù)在單片機內(nèi)濾波后，每間隔250 ms向上機位發(fā)送一次，并在發(fā)送時通過串口將數(shù)據(jù)送至藍牙從機模塊。當藍牙從機模塊接收到數(shù)據(jù)后，會將數(shù)據(jù)再次轉(zhuǎn)發(fā)到與之配對的藍牙主機模塊。

數(shù)據(jù)接收部分主要包括藍牙主機模塊和通用串行總線轉(zhuǎn)串口模塊。當藍牙主機模塊從藍牙從機模塊接收到數(shù)據(jù)后，會將數(shù)據(jù)通過通用串行總線轉(zhuǎn)串口模塊發(fā)送至上位機，并以長度為1 000點的波形進行顯示，同時將由傳感器實時采集到的壓力、溫度等參數(shù)存儲至本地文本，以便在試驗結(jié)束后進行數(shù)據(jù)調(diào)用。

3.4 密封單元

筆者所設(shè)計的ETT系統(tǒng)試驗臺是真空系統(tǒng)，根據(jù)系統(tǒng)要求，采用2XZ-2式旋片真空泵抽取操作平臺內(nèi)多余的空氣。為了保證試驗過程中操作平臺的真空度，試驗臺的密封單元就顯得非常重要。在試驗臺設(shè)計時，操作平臺上端蓋與操作平臺之間沒有運動部件，采用O型密封圈加卡扣的形式，密封滿足要求。

電機置于操作平臺外部，電機轉(zhuǎn)動時驅(qū)動傳動軸轉(zhuǎn)動，然后傳動軸帶動置于操作平臺內(nèi)的旋轉(zhuǎn)臂及模型列車作圓周運動，因此傳動軸與操作平臺下端蓋之間的密封屬于動密封。由于電機及傳動軸轉(zhuǎn)速不太高，且運行溫度為常溫，因此在套筒和軸之間采用組合密封。組合密封結(jié)構(gòu)的主要特點是分別在軸兩端采用基于深溝球軸承、唇形骨架密封圈的組合密封裝置，并且在軸和套筒之間充滿固體油脂，同時起潤滑作用。

4 試驗與分析

4.1 試驗條件

筆者設(shè)計的ETT系統(tǒng)試驗臺系統(tǒng)阻塞比為0.24，操作平臺內(nèi)空氣的溫度為13℃，用于研究模型列車運行速度及操作平臺內(nèi)部真空度對列車氣動生熱與氣動阻力的影響。

在試驗過程中，為了消除因漏氣而產(chǎn)生的誤差，對試驗臺中操作平臺處于不同真空度時的漏氣率進行測量，得到當操作平臺內(nèi)壓力為0.9 atm（1 atm=101 325 Pa）時的漏氣速率為 15.4 Pa/s，而在 0.7 atm、0.8 atm壓力環(huán)境下的漏氣速率為23.2 Pa/s。測試時，實際記錄的壓力值為：

式中：p1為在計算機數(shù)據(jù)采集界面中顯示的壓力值，Pa；v為對應壓力環(huán)境下的漏氣速率，Pa/s；t為在真空泵停止工作后到數(shù)據(jù)記錄時的時間間隔，s。

4.2 試驗結(jié)果分析

在操作平臺內(nèi)氣體壓力分別為 0.7atm、0.8atm、0.9atm、1atm的情況下，列車以不同速度運行，列車車頭車尾的壓力變化如圖2所示。從圖2中可以看出，操作平臺中壓力保持不變，隨著列車運行速度的提高，列車車頭的壓力逐漸增大，列車車尾的壓力逐漸減小。這是因為列車以固定速度在一定真空度的有限真空管道內(nèi)運行時，真空管道內(nèi)的空氣在高速運行列車的擠壓下逐漸被壓縮，在列車車頭位置會產(chǎn)生一個高壓區(qū)。這些被高度壓縮的空氣一部分沿列車運動方向隨列車運行而向前推進，并壓縮周圍低壓空氣向四周環(huán)境擴散；另一部分則進入列車與真空管道之間形成的環(huán)隙，并以較高的速度向車尾方向移動，從而在車尾產(chǎn)生渦街效應，形成低壓區(qū)。列車車速進一步提高時，以上現(xiàn)象更加明顯，即在列車車頭的氣動阻力越來越大，而系統(tǒng)內(nèi)部的最小壓力值則越來越小，同時車頭車尾間的壓差阻力也越來越大。當阻塞比與真空度為定值時，壓差阻力與列車速度成二次方關(guān)系。

▲圖2 列車車頭車尾壓力變化曲線

當系統(tǒng)壓力為0.7atm時，在不同列車速度的情況下進行三維建模，應用數(shù)值軟件進行數(shù)值模擬，將試驗所得的車頭車尾壓差與數(shù)值模擬的壓差進行對比，如圖3所示。由圖3可知，試驗數(shù)據(jù)曲線趨勢與模擬數(shù)據(jù)曲線趨勢相吻合，兩者最大誤差不超過10%，可以認為ETT系統(tǒng)試驗臺的設(shè)計是成功的。

模型列車在阻塞比為0.24的管道內(nèi)運行時，不同真空度下車頭車尾壓差變化如圖4所示。由圖4可以看出，在真空度為定值時，列車車速逐步提高，車頭車尾壓差逐漸增大，這是由于車頭處氣動阻力產(chǎn)生的壓力增大，而車尾處卡門渦街使車尾壓力減小造成的。

在系統(tǒng)阻塞比為0.24時，不同運行速度下列車車頭車尾的壓差變化如圖5所示。從圖5中可以看出，在同一運行速度下，隨著真空度的提高，車頭車尾的壓差逐漸減小。

5 結(jié)論

通過多種方案篩選，最終確定環(huán)形ETT系統(tǒng)試驗臺能夠滿足試驗要求。ETT系統(tǒng)試驗臺分為主體結(jié)構(gòu)、密封單元、數(shù)據(jù)采集處理單元和傳動單元，原理明確，操作步驟簡單安全，將ETT系統(tǒng)的研究由模擬階段引入試驗階段。

由試驗所得數(shù)據(jù)可知，當系統(tǒng)壓力為定值時，列車車速越高，車頭氣動阻力越大，車頭車尾壓差越大，車尾壓力越小。當車速為定值時，系統(tǒng)壓力越低，列車車頭氣動阻力越小，車頭車尾壓差也越小。

通過分析試驗數(shù)據(jù)可知，在模型列車運行時，列車車速總是大于氣流速度，列車向前運行不斷推動車頭部分阻礙列車前進的氣流前進，從而產(chǎn)生氣動阻力，驗證了此前模擬研究數(shù)據(jù)變化規(guī)律的正確性。

▲圖3 列車車頭車尾壓差對比

▲圖4 不同真空度下列車車頭車尾壓差曲線

▲圖5 不同運行速度下列車車頭車尾壓差曲線

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