低真空高速磁懸浮管道結(jié)構(gòu)形式探析

文／中國航天科工集團(tuán)有限公司磁懸浮與電磁推進(jìn)技術(shù)總體部 劉昊蘇 賈允祥

克拉瑪依市先進(jìn)科技聯(lián)合研究院 曹俊梅

新疆交通建設(shè)集團(tuán)股份有限公司 斯毅

關(guān)鍵字:低真空；高速磁懸??；管道結(jié)構(gòu)；有限元；磁阻特性

0 引言

隨著高速鐵路的蓬勃發(fā)展，全球?qū)Τ咚俳煌ㄏ到y(tǒng)的關(guān)注度逐步提高。目前，傳統(tǒng)的輪軌式軌道交通在速度上面臨著空氣阻力、輪軌黏著、蛇形失穩(wěn)、運(yùn)行噪聲以及弓網(wǎng)受流極限[1]等“瓶頸”問題。為突破速度限制，將磁懸浮技術(shù)與低真空技術(shù)相結(jié)合的超高速低真空磁懸浮交通系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。自2013年美國SpaceX公司創(chuàng)始人埃隆·馬斯克正式提出“超級(jí)高鐵”的概念[2]后，世界范圍內(nèi)掀起“超級(jí)高鐵”的熱潮，同時(shí)作為承載“超級(jí)高鐵”的核心基礎(chǔ)設(shè)施——低真空管道的技術(shù)研究也越來越多地得到學(xué)者及國家的關(guān)注[3]~[5]。2017年后，國內(nèi)中國航天科工集團(tuán)（簡(jiǎn)稱：航天科工）、西南交通大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)和高校也開展了低真空管道相關(guān)理論的研究。2018年10月，中國工程院主導(dǎo)的中國超高速磁浮技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略研究項(xiàng)目在深圳啟動(dòng)，2019年“合理統(tǒng)籌安排低真空管（隧）道高速列車等技術(shù)儲(chǔ)備研發(fā)”寫入《交通強(qiáng)國建設(shè)綱要》，標(biāo)志著“真空管道+高速磁浮”中國制式“超級(jí)高鐵”的發(fā)展步入快車道。低真空管道對(duì)整個(gè)超高速低真空磁懸浮交通系統(tǒng)的安全性、氣密性及可靠性極為重要。

本文針對(duì)低真空管道的結(jié)構(gòu)形式，在調(diào)研國內(nèi)外相關(guān)試驗(yàn)線工程的基礎(chǔ)上，通過改進(jìn)已有截面形式，提出了一種低真空管道鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)，并利用有限元對(duì)這一方案開展了不同荷載工況下的撓度研究。

1 低真空管道的技術(shù)難點(diǎn)分析

1）大體積管道結(jié)構(gòu)真空密封技術(shù)尚需完善。

管道內(nèi)部需長(zhǎng)時(shí)間維持低真空環(huán)境，對(duì)結(jié)構(gòu)具有較高的氣密性及強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。管道之間的連接裝置在具有變形補(bǔ)償功能的同時(shí)，也需要具有與管道同樣的氣密性要求。我國的低真空技術(shù)雖然已相對(duì)成熟，但對(duì)大體積、長(zhǎng)里程的管道真空環(huán)境的維持技術(shù)尚無工程經(jīng)驗(yàn)參考，對(duì)其中的關(guān)鍵問題尚未有解決經(jīng)驗(yàn)。

2）高精度低真空管道設(shè)計(jì)、制造及安裝技術(shù)。

高速磁懸浮列車在低真空管道內(nèi)高速運(yùn)行時(shí)對(duì)平順度具有極高的要求，梁體在多種荷載工況作用下的撓度限制較為嚴(yán)格。梁體承壓結(jié)構(gòu)需滿足真空容器對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、變形量的要求。此外，磁懸浮電機(jī)安裝精度直接影響磁軌的不平順度，因此設(shè)備安裝精度極為重要。

3）管道材料盡可能降低對(duì)車輛電磁力的影響。

在高速磁懸浮運(yùn)行過程中，磁場(chǎng)易受到導(dǎo)磁材料的影響從而降低能源的利用率，所以在低真空磁懸浮結(jié)構(gòu)材料的選取及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上需要特別關(guān)注材料本身對(duì)管道內(nèi)磁場(chǎng)的影響。

4）真空下瞬時(shí)大面積高熱量密度散熱技術(shù)難度高。

管道內(nèi)處于低真空環(huán)境時(shí)，磁懸浮列車高速、高頻次通過后，電機(jī)表面產(chǎn)生巨大的瞬時(shí)熱能，但因內(nèi)部對(duì)流效應(yīng)弱、管內(nèi)熱傳遞效率低，管內(nèi)熱能的快速耗散存在技術(shù)難題。

2 低真空管道試驗(yàn)線典型工程

近幾年來，美國、荷蘭及中國等國家已根據(jù)各自“超級(jí)高鐵”的技術(shù)要求，建成和在建多個(gè)低真空管道試驗(yàn)線用以驗(yàn)證低真空管道交通的可行性。

2.1 美國Hyperloop低真空試驗(yàn)線

美國Virgin Hyperloop One低真空試驗(yàn)線（圖1）位于美國內(nèi)華達(dá)州拉斯維加斯附近沙漠中，長(zhǎng)度500m，全線采用圓形筒狀鋼結(jié)構(gòu)作為結(jié)構(gòu)承載的主要結(jié)構(gòu)。2017年7月13日完成首次全真空測(cè)試，并于2020年11月8日完成首次載人測(cè)試。

圖1 Virgin Hyperloop One試驗(yàn)線

2.2 荷蘭Hardt Global Mobility低真空測(cè)試管道

位于荷蘭的Hardt測(cè)試線（圖2）總長(zhǎng)150m，由每節(jié)30m的圓形鋼管道組成，外管直徑達(dá)到3.2m。2019年開始，該公司將建造一條長(zhǎng)約3km的測(cè)試線路，用于測(cè)試速度超過700km/h的超高速列車，并將成為未來歐洲超級(jí)高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)試基地。

圖2 Hardt Global Mobility試驗(yàn)線

2.3 國內(nèi)研究情況

目前，國內(nèi)尚未有建成的低真空管道試驗(yàn)線工程。西南交通大學(xué)正在建設(shè)一條140m全鋼結(jié)構(gòu)的真空管道高溫超導(dǎo)磁懸浮直道試驗(yàn)線[5]。

航天科工于2017年8月正式宣布開展時(shí)速1000km/h的“高速飛行列車（T-Flight）”項(xiàng)目研究計(jì)劃[6]。目前航天科工正與國內(nèi)多家研究機(jī)構(gòu)和高校聯(lián)合開展低真空管道關(guān)鍵技術(shù)的工程驗(yàn)證性工作，并依托新材料、新技術(shù)革新開展公里級(jí)試驗(yàn)線工程的建設(shè)。

圖3 航天科工試驗(yàn)線效果圖

3 低真空管道改進(jìn)與驗(yàn)證

3.1 現(xiàn)有低真空管道截面的問題

國內(nèi)外現(xiàn)有的低真空管道試驗(yàn)線多以鋼結(jié)構(gòu)作為主要承載結(jié)構(gòu)，截面多以圓形截面為主。該類低真空管道結(jié)構(gòu)尚存以下幾點(diǎn)問題：

1）普通碳鋼結(jié)構(gòu)為導(dǎo)磁、導(dǎo)電材料，在磁懸浮電機(jī)工作時(shí)，易對(duì)管道內(nèi)部磁場(chǎng)產(chǎn)生影響，從而大大增加磁懸浮車輛的磁阻力，造成推進(jìn)能耗的增加。

2）未來低真空管網(wǎng)在地面以上多采用高架形式，大尺寸（直徑大于5.0m）下全鋼材管道可實(shí)現(xiàn)的跨徑較低（小于24.0m），線路系統(tǒng)受橋墩增多的影響，經(jīng)濟(jì)性較低，土地占用較大。

3.2 低真空管道截面的改進(jìn)

針對(duì)上述問題，本文在已有圓形低真空管道梁結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，配合不導(dǎo)磁的混凝土材料對(duì)低真空管道進(jìn)行了優(yōu)化，提出了圖4中的低真空管道結(jié)構(gòu)形式。

圖4 新型低真空管道結(jié)構(gòu)斷面示意圖

該種管道形式具有以下優(yōu)勢(shì)：

1）低真空管道結(jié)構(gòu)以圓形管道為雛形，底部增加混凝土結(jié)構(gòu)聯(lián)合外壁鋼結(jié)構(gòu)形成一體式受力結(jié)構(gòu)，一方面可以降低整體管道的磁阻力，另一方面，利用混凝土結(jié)構(gòu)剛度大、阻尼大的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)較大跨徑和較好的吸能特性。

2）參考文獻(xiàn)[7]、文獻(xiàn)[8]中的低真空隧道結(jié)構(gòu)密封方式，外部鋼結(jié)構(gòu)依然是較為可靠的氣密性結(jié)構(gòu)。

3.2 低真空管道結(jié)構(gòu)形式的驗(yàn)證

為驗(yàn)證圖4中低真空管道結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性，利用大型實(shí)體有限元分析軟件Midas FEA 3.7 對(duì)采用圖4截面的30 m簡(jiǎn)支梁進(jìn)行仿真分析。有限元模型中混凝土結(jié)構(gòu)采用C50混凝土，鋼殼結(jié)構(gòu)采用Q345鋼材，厚度20 mm。模型支撐采用四點(diǎn)簡(jiǎn)支支撐形式，支撐點(diǎn)距離梁端0.5m（圖5）。低真空管道的荷載主要考慮恒荷載、活載、大氣壓荷載及溫度荷載等4種荷載，其中溫度荷載考慮管道整體升降溫30℃和日曬造成的鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)的溫差工況。以豎向荷載作為主要研究對(duì)象，多種荷載單獨(dú)作用下的有限元仿真結(jié)果匯于表1中。

圖5 低真空管道結(jié)構(gòu)實(shí)體有限元模型

表1 低真空管道多種荷載單獨(dú)下的仿真結(jié)果

從有限元仿真結(jié)果中可以得出：

1）低真空管道在鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)的共同作用下，管道截面具有較大的剛度，恒載、活載的豎向撓度均較小。

2）低真空環(huán)境下，管梁內(nèi)外壓差約101kPa，這一荷載數(shù)值相比管道結(jié)構(gòu)的承載力較小，所以在大氣壓荷載單獨(dú)作用下，管道跨中的豎向撓度較小。

3）該管道方案為鋼-混組合結(jié)構(gòu)，受兩種材料的熱膨脹系數(shù)不同，在日曬條件下，兩者存在較大溫差時(shí)，管道發(fā)生了明顯上拱，且為各項(xiàng)荷載中的最不利荷載，需在后續(xù)設(shè)計(jì)中予以高度重視和改進(jìn)。

4 結(jié)語

低真空管道系統(tǒng)具有復(fù)雜的流-固-磁-熱多物理系統(tǒng)耦合特性，真正實(shí)現(xiàn)“工程化”方面還面臨著技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、安全等諸多方面的問題和挑戰(zhàn)。本文基于力學(xué)性能、磁阻特性等方面的考慮，初步提出了一種適合低真空高速磁浮交通系統(tǒng)的組合式管梁斷面，基本滿足管道結(jié)構(gòu)真空環(huán)境下的力學(xué)性能及磁阻特性，為低真空管道的結(jié)構(gòu)形式提出了新的思路，但管道熱效應(yīng)、氣密性方面仍需進(jìn)一步驗(yàn)證、改進(jìn)與優(yōu)化。