芻議懸浮力衰減行為
2016-04-29 13:35:30 安裝信息網(wǎng)
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論文摘要：前期的研究表明預(yù)載是一種行之有效的抑制高溫超導(dǎo)磁懸浮系統(tǒng)中由橫向運(yùn)動引起的懸浮力衰減的方法，目前但相關(guān)的研究僅停留在概念上方法的提出，而沒有對影響預(yù)載效果的一些因素進(jìn)行詳細(xì)地分析研究。利用高溫超導(dǎo)磁懸浮測試系統(tǒng)，本文通過改變塊材的冷卻條件（場冷和零場冷）、懸浮高度以及軌道磁場結(jié)構(gòu)、材料性能等實(shí)驗(yàn)研究了不同預(yù)載高度下YBCO塊材的懸浮力隨橫向運(yùn)動次數(shù)的變化關(guān)系，同時改變塊材的冷卻條件（場冷和零場冷）、懸浮高度以及軌道磁場結(jié)構(gòu)、材料性能等，研究得到這些因素對預(yù)載條件下懸浮力隨橫向運(yùn)動變化情況的影響的規(guī)律。結(jié)果表明，預(yù)載高度越低，由橫向運(yùn)動引起的懸浮力變化越快地趨于穩(wěn)定，但懸浮力的穩(wěn)定值也越小,并且這一現(xiàn)象不隨冷卻條件、懸浮高度、軌道磁場結(jié)構(gòu)和材料性能等因素的改變而變化。
論文關(guān)鍵詞：塊材,懸浮力,橫向運(yùn)動,預(yù)載,永磁軌道
西南交通大學(xué)大學(xué)生科研訓(xùn)練計(jì)劃（項(xiàng)目編號:100320）、西南交通大學(xué)博士研究生創(chuàng)新基金和國家自然科學(xué)基金(項(xiàng)目編號:51007076)資助的課題
引言
高溫超導(dǎo)磁懸浮車是通過車載高溫超導(dǎo)塊材（多采用YBCO塊材）與地面永磁軌道系統(tǒng)的電磁互作用提供車體穩(wěn)定懸浮所需的懸浮力和導(dǎo)向力，其理想的工作狀況是車體在運(yùn)動過程中一直懸浮于永磁軌道的正上方，但實(shí)際情況下由于軌距偏差、外界干擾等因素的存在，車體前行時將不可避免地伴隨有不同程度的橫向運(yùn)動。針對這一問題，Song等首先進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)?zāi)M研究，結(jié)果表明隨著橫向運(yùn)動次數(shù)的增加，懸浮力不斷衰減，并且橫向運(yùn)動發(fā)生的偏移越大，對應(yīng)的衰減越明顯。Valle等相關(guān)的理論計(jì)算結(jié)果也顯示，隨著橫向運(yùn)動次數(shù)的增加，懸浮力不斷衰減，并且懸浮的位置越低，衰減得越快。為抑制這種橫向運(yùn)動引起的懸浮力衰減，提高系統(tǒng)的懸浮穩(wěn)定性，我們在前期的研究中提出了預(yù)載法，并通過比較有、無預(yù)載兩種情況下橫向運(yùn)動引起的懸浮力變化情況，證實(shí)了這種方法的有效性。但相關(guān)的研究還只是停留在方法的提出，未對不同情況下的預(yù)載效果進(jìn)行深入的研究。
這里需要指出的一點(diǎn)是，所謂預(yù)載就是指首先給高溫超導(dǎo)塊材施加一個較強(qiáng)的外磁場，然后降低外磁場，回到正常工作時的外磁場中。在高溫超導(dǎo)磁懸浮車系統(tǒng)中，可通過讓高溫超導(dǎo)塊材先運(yùn)動到低于其懸浮高度處的某一位置（外場強(qiáng)），然后再上升到懸浮高度處來實(shí)現(xiàn)對高溫超導(dǎo)塊材的預(yù)載。就這種情形而言，對塊材施加的冷卻條件、塊材懸浮的位置、預(yù)載的位置、外磁場的結(jié)構(gòu)、塊材的性能等因素都會對預(yù)載的效果產(chǎn)生影響，本文從這些因素出發(fā)，對不同工作條件下預(yù)載抑制橫向運(yùn)動引起的懸浮力衰減效果進(jìn)行深入的研究，以為高溫超導(dǎo)磁懸浮車系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用提供一定的設(shè)計(jì)依據(jù)。
2實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)測試
2.1實(shí)驗(yàn)器材
本文的實(shí)驗(yàn)測試是在高溫超導(dǎo)磁懸浮測試系統(tǒng)SCML-02上進(jìn)行的，SCML-02是一套高精度多功能的高溫超導(dǎo)塊材磁懸浮性能專用測試設(shè)備。這套設(shè)備可以同時測試高溫超導(dǎo)塊材在外磁場中受到的懸浮力和導(dǎo)向力。在本文的實(shí)驗(yàn)中主要關(guān)心的是橫向運(yùn)動中懸浮力的變化情況，因此利用這套設(shè)備我們可以用于研究橫向運(yùn)動對塊材懸浮力的影響。
圖.1給出了實(shí)驗(yàn)中所用的兩種永磁軌道，其中Rail_A寬為130mm高為30mm，是由Halbach結(jié)構(gòu)演變而來的軌道，這種軌道可以將大部分磁力線聚集到其上部空間，磁場利用率高。Rail_B寬為128mm高為36mm，同樣可認(rèn)為是由Halbach結(jié)構(gòu)演變而來，只是為保證軌道磁場沿縱向的均勻性，中間用聚磁鐵板置換了永磁體，這種結(jié)構(gòu)的軌道同樣可以將磁場聚集到軌道正上方，因此也有較高的磁場利用率，不同的是Rail_A軌道上方磁場以水平分量為主，Rail_B軌道上方磁場以豎直分量為主。
圖.2所示為實(shí)驗(yàn)中用到的兩種塊材。其中左圖為長方體YBCO塊材，是德國ATZ公司于2007年左右制備的，含有三個籽晶，其幾何尺寸為68mm×33mm×13mm，在實(shí)驗(yàn)中，塊材的長度方向與軌道的長度方向一致；右圖為單籽晶圓柱體YBCO塊材，是北京有色金屬研究院在2000年左右制備的，其直徑為30mm，高為18mm。
2.2測試過程
首先向盛有超導(dǎo)塊材的容器中注入液氮，冷卻大約十分鐘，使塊材完全進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)，然后以0.5mm/s的速度將塊材下降到給定的預(yù)載位置，預(yù)載大約五分鐘，再上升到預(yù)定的測試高度，使塊材在一定的位移范圍內(nèi)（6mm至-6mm）沿橫向做往返運(yùn)動14次，記錄塊材運(yùn)動到軌道正上方時受到的懸浮力。
首先選用軌道Rail_A和長方體塊材，在軌道正上方30mm高度處場冷，設(shè)定工作位置為軌道正上方15mm，測試無預(yù)載、預(yù)載高度為8mm、10mm、12mm、14mm五種情況下橫向往返運(yùn)動過程中塊材受到的懸浮力。依次分別改變冷卻方式（采用零場冷）、工作位置（設(shè)定為20mm）、永磁軌道（采用軌道Rail_B）、超導(dǎo)塊材（采用圓柱體），保持其它條件不變，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)。
3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
圖.3是長方體三籽晶YBCO塊材在Rail_A磁場中，場冷高度為30mm，測試高度為15mm時，預(yù)載高度分別為8mm、10mm、12mm和14mm以及無預(yù)載等五種情況下，塊材橫向運(yùn)動至軌道Rail_A正上方時受到的懸浮力隨橫向運(yùn)動次數(shù)的變化關(guān)系。
由圖.3可見，工作高度為15mm時，對于無預(yù)載情況，懸浮力最大值出現(xiàn)在起始時刻，即塊材由處于軌道正上方的場冷位置豎直運(yùn)動到測試位置，經(jīng)過約五分鐘的弛豫后開始測試時系統(tǒng)采集到的懸浮力。隨著塊材開始做橫向運(yùn)動，達(dá)到最大橫向位移處（6mm），然后返回至軌道正上方，繼續(xù)橫向運(yùn)動至最小橫向位移處（-6mm），接著再反向繼續(xù)橫向運(yùn)動這一運(yùn)動過程的重復(fù)進(jìn)行，發(fā)現(xiàn)塊材運(yùn)動到軌道正上方時的懸浮力不斷衰減，雖然隨著橫向運(yùn)動次數(shù)的增加，懸浮力衰減的幅度逐漸降低，但在總的測試范圍內(nèi)，衰減還在繼續(xù)，懸浮力還
未達(dá)到穩(wěn)態(tài)。 對于預(yù)載高度為14mm的情況，雖然起始時的懸浮力低于無預(yù)載下的懸浮力，但隨著橫向運(yùn)動的開始和運(yùn)動次數(shù)的不斷增加，這種情況下的懸浮力快速接近并最終超過無預(yù)載下的懸浮力，但在這種預(yù)載高度下懸浮力隨橫向運(yùn)動次數(shù)的增加仍然呈現(xiàn)逐漸衰減的態(tài)勢，并未抑制懸浮力衰減。降低預(yù)載位置到12mm，隨著橫向運(yùn)動次數(shù)的增加，懸浮力在出現(xiàn)些許的衰減后，逐步進(jìn)入了穩(wěn)態(tài)，即不再隨著橫向運(yùn)動的發(fā)生而變化，并且與無預(yù)載和14mm預(yù)載高度兩種情況相比，懸浮力雖然有所下降，但下降的幅度并不大。進(jìn)一步降低預(yù)載位置到10mm和8mm，對于這兩種情況，隨著橫向運(yùn)動的進(jìn)行，懸浮力衰減的現(xiàn)象完全消失，取而代之的是先出現(xiàn)明顯的增加，并且增加的幅度隨預(yù)載位置的降低而增大，隨后很快進(jìn)入了穩(wěn)態(tài)。雖然這兩種預(yù)載情況下，懸浮力隨橫向運(yùn)動衰減的現(xiàn)象被完全抑制了，但相比于無預(yù)載和預(yù)載高度較高的情況，懸浮力明顯偏低，系統(tǒng)對應(yīng)的懸浮能力也就偏弱。
在實(shí)際應(yīng)用中，理想的狀態(tài)是各種無法避免的因素導(dǎo)致的車體橫向運(yùn)動不會引起懸浮力的變化，進(jìn)而不會對高溫超導(dǎo)磁懸浮車系統(tǒng)的懸浮能力和懸浮氣隙帶來影響，使得車體在發(fā)生橫向運(yùn)動后仍能穩(wěn)定運(yùn)行�；谶@樣的考慮，最佳的預(yù)載高度應(yīng)是經(jīng)過在該位置預(yù)載后，懸浮力隨橫向運(yùn)動次數(shù)的增加表現(xiàn)出的是一條直線。然而，在實(shí)驗(yàn)中這種最佳狀態(tài)是
難以精確估測的。針對圖.3設(shè)定的工作條件，根據(jù)上面的分析，最佳的預(yù)載高度應(yīng)出現(xiàn)在區(qū)間10mm～12mm內(nèi)。
改變測試高度為20mm，其它條件與圖.3相同，進(jìn)一步研究了測試高度對預(yù)載效果的影響，結(jié)果如圖.4所示。由此圖可見，雖然14mm預(yù)載高度的初始懸浮力低于無預(yù)載情況的，但經(jīng)過橫向運(yùn)動后，這種情況下的懸浮力是逐漸高于無預(yù)載情況的。與15mm測試高度情況不同的是，在預(yù)載高度為12mm時，懸浮力已表現(xiàn)出與10mm和8mm預(yù)載高度相同的變化趨勢，即隨著橫向運(yùn)動次數(shù)的增加，懸浮力先是快速增大，隨后很快進(jìn)入了穩(wěn)態(tài)。顯然，在20mm測試高度下，最佳預(yù)載高度所在的區(qū)間變?yōu)榱?2mm～14mm。由此可見，在實(shí)際應(yīng)用中，同一場冷高度下，隨著懸浮高度的增加，最佳的預(yù)載位置是逐漸增高的，但增高的幅度應(yīng)低于懸浮高度的增加量。
變換塊材的冷卻方式為零場冷，測試高度仍選擇為15mm，不同預(yù)載情況的懸浮力隨橫向運(yùn)動次數(shù)的變化關(guān)系如圖.5所示。由該圖可見，在預(yù)載高度為14mm和12mm時，隨著橫向運(yùn)動的進(jìn)行，懸浮力仍表現(xiàn)出與無預(yù)載相同的變化趨勢，預(yù)載并未達(dá)到抑制懸浮力衰減的目的。當(dāng)預(yù)載高度降到10mm時，懸浮力隨橫向運(yùn)動才呈現(xiàn)先增加然后達(dá)到穩(wěn)定的態(tài)勢。繼續(xù)降低預(yù)載位置到8mm，懸浮力隨橫向運(yùn)動表現(xiàn)出的變化態(tài)勢與10mm預(yù)載高度的情況相同，只是初始懸浮力的增長幅度變大了，穩(wěn)定值變小了。很明顯，當(dāng)前工況下，最佳的預(yù)載位置在軌道上方10mm至12mm之間。因此，相比于同一測試高度下的場冷情況，零場冷條件下的最佳預(yù)載位置有所下降。
隨后采用單籽晶的圓柱形塊材，進(jìn)一步研究塊材性能對預(yù)載效果的影響，測試結(jié)果如圖.6所示。由該圖可見，雖然在14mm處預(yù)載后，橫向運(yùn)動仍會引起懸浮力的衰減，但相比于無預(yù)載，預(yù)載后的懸浮力大并且衰減較弱。12mm預(yù)載的結(jié)果顯示，懸浮力在起始出現(xiàn)增長后，隨著橫向運(yùn)動的繼續(xù)進(jìn)行，又出現(xiàn)了一定程度的衰減，不過在預(yù)定的橫向運(yùn)動完成時，12mm預(yù)載表現(xiàn)出的懸浮力高于14mm預(yù)載和無預(yù)載下的懸浮力。繼續(xù)降低預(yù)載高度至10mm和8mm，懸浮力表現(xiàn)出先增大后漸趨于穩(wěn)定的態(tài)勢。與上述三種情況不同的是，當(dāng)前條件下，難以找到一個恰當(dāng)?shù)念A(yù)載位置，使得塊材在此位置預(yù)載后，懸浮力不隨橫向運(yùn)動的進(jìn)行而發(fā)生變化。造成這一現(xiàn)象的主要原因可能是，圓柱形塊材的性能不如方形塊材，磁通釘扎能力較弱，在橫向運(yùn)動中塊材內(nèi)部的磁通變化比較劇烈，而懸浮力的變化是內(nèi)部磁通運(yùn)動的宏觀顯現(xiàn)，因此在這種情況下很難找到理想的預(yù)載位置區(qū)間。當(dāng)然，如果實(shí)際應(yīng)用中使用到這種類型的塊材，從降低橫向運(yùn)動對懸浮力的影響而言，可以考慮的預(yù)載位置應(yīng)在10mm到12mm之間。
為研究外磁場結(jié)構(gòu)對預(yù)載效果的影響，進(jìn)一步變換軌道為Rail_B，其它條件與圖.3相同，測試了不同預(yù)載情況下懸浮力隨橫向運(yùn)動的變化關(guān)系，結(jié)果如圖.7所示。該圖表明：在14mm預(yù)載高度下，雖然經(jīng)過橫向運(yùn)動后懸浮力仍會衰減，但衰減的幅度要小于無預(yù)載的情況；當(dāng)預(yù)載高度降為12mm時，懸浮力經(jīng)過初始些許的增加后開始出現(xiàn)一定程度的衰減，但衰減的幅度很小，在測試完成時基本達(dá)到了穩(wěn)態(tài)；進(jìn)一步降低預(yù)載位置到10mm和8mm，懸浮力隨橫向運(yùn)動的變化趨勢與前述相同預(yù)載高度的情況一致，不再贅述。在這種工作條件下，由于12mm預(yù)載高度下的懸浮力隨橫向運(yùn)動表現(xiàn)出先增大后衰減的變化趨勢，因此這種工況下也難以找到理想的預(yù)載位置區(qū)間。當(dāng)然，基于實(shí)用的考慮，可以在10mm～12mm范圍內(nèi)選擇預(yù)載位置。
4結(jié)論
本文以Halbach永磁軌道和三籽晶方形YBCO塊材為重點(diǎn)研究對象，同時兼顧單疇圓柱形塊材，通過改變塊材的場冷條件、測試高度以及外磁場結(jié)構(gòu)，研究了不同預(yù)載條件下橫向運(yùn)動引起的懸浮力變化情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：不論測試條件如何，預(yù)載位置較高時，雖然預(yù)載后系統(tǒng)的懸浮性能有所增強(qiáng)，但未能抑制橫向運(yùn)動引起的懸浮力衰減，但預(yù)載位置過低時，雖然預(yù)載徹底消除了橫向運(yùn)動引起的懸浮力衰減，但穩(wěn)態(tài)的懸浮力較低，對系統(tǒng)的懸浮能力影響較大。因此，在實(shí)際應(yīng)用中需要確定一個最佳的預(yù)載位置范圍，使得在能夠抑制懸浮力衰減的同時也具有較大的穩(wěn)態(tài)懸浮力。
參考文獻(xiàn)
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論文關(guān)鍵詞：塊材,懸浮力,橫向運(yùn)動,預(yù)載,永磁軌道
西南交通大學(xué)大學(xué)生科研訓(xùn)練計(jì)劃（項(xiàng)目編號:100320）、西南交通大學(xué)博士研究生創(chuàng)新基金和國家自然科學(xué)基金(項(xiàng)目編號:51007076)資助的課題
引言
高溫超導(dǎo)磁懸浮車是通過車載高溫超導(dǎo)塊材（多采用YBCO塊材）與地面永磁軌道系統(tǒng)的電磁互作用提供車體穩(wěn)定懸浮所需的懸浮力和導(dǎo)向力，其理想的工作狀況是車體在運(yùn)動過程中一直懸浮于永磁軌道的正上方，但實(shí)際情況下由于軌距偏差、外界干擾等因素的存在，車體前行時將不可避免地伴隨有不同程度的橫向運(yùn)動。針對這一問題，Song等首先進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)?zāi)M研究，結(jié)果表明隨著橫向運(yùn)動次數(shù)的增加，懸浮力不斷衰減，并且橫向運(yùn)動發(fā)生的偏移越大，對應(yīng)的衰減越明顯。Valle等相關(guān)的理論計(jì)算結(jié)果也顯示，隨著橫向運(yùn)動次數(shù)的增加，懸浮力不斷衰減，并且懸浮的位置越低，衰減得越快。為抑制這種橫向運(yùn)動引起的懸浮力衰減，提高系統(tǒng)的懸浮穩(wěn)定性，我們在前期的研究中提出了預(yù)載法，并通過比較有、無預(yù)載兩種情況下橫向運(yùn)動引起的懸浮力變化情況，證實(shí)了這種方法的有效性。但相關(guān)的研究還只是停留在方法的提出，未對不同情況下的預(yù)載效果進(jìn)行深入的研究。
這里需要指出的一點(diǎn)是，所謂預(yù)載就是指首先給高溫超導(dǎo)塊材施加一個較強(qiáng)的外磁場，然后降低外磁場，回到正常工作時的外磁場中。在高溫超導(dǎo)磁懸浮車系統(tǒng)中，可通過讓高溫超導(dǎo)塊材先運(yùn)動到低于其懸浮高度處的某一位置（外場強(qiáng)），然后再上升到懸浮高度處來實(shí)現(xiàn)對高溫超導(dǎo)塊材的預(yù)載。就這種情形而言，對塊材施加的冷卻條件、塊材懸浮的位置、預(yù)載的位置、外磁場的結(jié)構(gòu)、塊材的性能等因素都會對預(yù)載的效果產(chǎn)生影響，本文從這些因素出發(fā)，對不同工作條件下預(yù)載抑制橫向運(yùn)動引起的懸浮力衰減效果進(jìn)行深入的研究，以為高溫超導(dǎo)磁懸浮車系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用提供一定的設(shè)計(jì)依據(jù)。
2實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)測試
2.1實(shí)驗(yàn)器材
本文的實(shí)驗(yàn)測試是在高溫超導(dǎo)磁懸浮測試系統(tǒng)SCML-02上進(jìn)行的，SCML-02是一套高精度多功能的高溫超導(dǎo)塊材磁懸浮性能專用測試設(shè)備。這套設(shè)備可以同時測試高溫超導(dǎo)塊材在外磁場中受到的懸浮力和導(dǎo)向力。在本文的實(shí)驗(yàn)中主要關(guān)心的是橫向運(yùn)動中懸浮力的變化情況，因此利用這套設(shè)備我們可以用于研究橫向運(yùn)動對塊材懸浮力的影響。
圖.1給出了實(shí)驗(yàn)中所用的兩種永磁軌道，其中Rail_A寬為130mm高為30mm，是由Halbach結(jié)構(gòu)演變而來的軌道，這種軌道可以將大部分磁力線聚集到其上部空間，磁場利用率高。Rail_B寬為128mm高為36mm，同樣可認(rèn)為是由Halbach結(jié)構(gòu)演變而來，只是為保證軌道磁場沿縱向的均勻性，中間用聚磁鐵板置換了永磁體，這種結(jié)構(gòu)的軌道同樣可以將磁場聚集到軌道正上方，因此也有較高的磁場利用率，不同的是Rail_A軌道上方磁場以水平分量為主，Rail_B軌道上方磁場以豎直分量為主。
圖.2所示為實(shí)驗(yàn)中用到的兩種塊材。其中左圖為長方體YBCO塊材，是德國ATZ公司于2007年左右制備的，含有三個籽晶，其幾何尺寸為68mm×33mm×13mm，在實(shí)驗(yàn)中，塊材的長度方向與軌道的長度方向一致；右圖為單籽晶圓柱體YBCO塊材，是北京有色金屬研究院在2000年左右制備的，其直徑為30mm，高為18mm。
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圖. 1 兩種永磁軌道的截面尺寸圖 |
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圖. 2 實(shí)驗(yàn)中兩種超導(dǎo)塊材的實(shí)物圖 |
2.2測試過程
首先向盛有超導(dǎo)塊材的容器中注入液氮，冷卻大約十分鐘，使塊材完全進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)，然后以0.5mm/s的速度將塊材下降到給定的預(yù)載位置，預(yù)載大約五分鐘，再上升到預(yù)定的測試高度，使塊材在一定的位移范圍內(nèi)（6mm至-6mm）沿橫向做往返運(yùn)動14次，記錄塊材運(yùn)動到軌道正上方時受到的懸浮力。
首先選用軌道Rail_A和長方體塊材，在軌道正上方30mm高度處場冷，設(shè)定工作位置為軌道正上方15mm，測試無預(yù)載、預(yù)載高度為8mm、10mm、12mm、14mm五種情況下橫向往返運(yùn)動過程中塊材受到的懸浮力。依次分別改變冷卻方式（采用零場冷）、工作位置（設(shè)定為20mm）、永磁軌道（采用軌道Rail_B）、超導(dǎo)塊材（采用圓柱體），保持其它條件不變，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)。
3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
圖.3是長方體三籽晶YBCO塊材在Rail_A磁場中，場冷高度為30mm，測試高度為15mm時，預(yù)載高度分別為8mm、10mm、12mm和14mm以及無預(yù)載等五種情況下，塊材橫向運(yùn)動至軌道Rail_A正上方時受到的懸浮力隨橫向運(yùn)動次數(shù)的變化關(guān)系。
由圖.3可見，工作高度為15mm時，對于無預(yù)載情況，懸浮力最大值出現(xiàn)在起始時刻，即塊材由處于軌道正上方的場冷位置豎直運(yùn)動到測試位置，經(jīng)過約五分鐘的弛豫后開始測試時系統(tǒng)采集到的懸浮力。隨著塊材開始做橫向運(yùn)動，達(dá)到最大橫向位移處（6mm），然后返回至軌道正上方，繼續(xù)橫向運(yùn)動至最小橫向位移處（-6mm），接著再反向繼續(xù)橫向運(yùn)動這一運(yùn)動過程的重復(fù)進(jìn)行，發(fā)現(xiàn)塊材運(yùn)動到軌道正上方時的懸浮力不斷衰減，雖然隨著橫向運(yùn)動次數(shù)的增加，懸浮力衰減的幅度逐漸降低，但在總的測試范圍內(nèi)，衰減還在繼續(xù)，懸浮力還
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圖. 3. 不同預(yù)載條件下方形塊材在軌道Rail_A上方橫向運(yùn)動至軌道正上方時受到的懸浮力隨橫向運(yùn)動次數(shù)的變化關(guān)系。塊材的場冷高度為30 mm，測試高度為15 mm |
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圖. 4. 不同預(yù)載條件下方形塊材在軌道Rail_A上方橫向運(yùn)動至軌道正上方時受到的懸浮力隨橫向運(yùn)動次數(shù)的變化關(guān)系。塊材的場冷高度為30 mm，測試高度為20 mm |
未達(dá)到穩(wěn)態(tài)。 對于預(yù)載高度為14mm的情況，雖然起始時的懸浮力低于無預(yù)載下的懸浮力，但隨著橫向運(yùn)動的開始和運(yùn)動次數(shù)的不斷增加，這種情況下的懸浮力快速接近并最終超過無預(yù)載下的懸浮力，但在這種預(yù)載高度下懸浮力隨橫向運(yùn)動次數(shù)的增加仍然呈現(xiàn)逐漸衰減的態(tài)勢，并未抑制懸浮力衰減。降低預(yù)載位置到12mm，隨著橫向運(yùn)動次數(shù)的增加，懸浮力在出現(xiàn)些許的衰減后，逐步進(jìn)入了穩(wěn)態(tài)，即不再隨著橫向運(yùn)動的發(fā)生而變化，并且與無預(yù)載和14mm預(yù)載高度兩種情況相比，懸浮力雖然有所下降，但下降的幅度并不大。進(jìn)一步降低預(yù)載位置到10mm和8mm，對于這兩種情況，隨著橫向運(yùn)動的進(jìn)行，懸浮力衰減的現(xiàn)象完全消失，取而代之的是先出現(xiàn)明顯的增加，并且增加的幅度隨預(yù)載位置的降低而增大，隨后很快進(jìn)入了穩(wěn)態(tài)。雖然這兩種預(yù)載情況下，懸浮力隨橫向運(yùn)動衰減的現(xiàn)象被完全抑制了，但相比于無預(yù)載和預(yù)載高度較高的情況，懸浮力明顯偏低，系統(tǒng)對應(yīng)的懸浮能力也就偏弱。
在實(shí)際應(yīng)用中，理想的狀態(tài)是各種無法避免的因素導(dǎo)致的車體橫向運(yùn)動不會引起懸浮力的變化，進(jìn)而不會對高溫超導(dǎo)磁懸浮車系統(tǒng)的懸浮能力和懸浮氣隙帶來影響，使得車體在發(fā)生橫向運(yùn)動后仍能穩(wěn)定運(yùn)行�；谶@樣的考慮，最佳的預(yù)載高度應(yīng)是經(jīng)過在該位置預(yù)載后，懸浮力隨橫向運(yùn)動次數(shù)的增加表現(xiàn)出的是一條直線。然而，在實(shí)驗(yàn)中這種最佳狀態(tài)是
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圖. 5. 不同預(yù)載條件下方形塊材在軌道Rail_A上方橫向運(yùn)動至軌道正上方時受到的懸浮力隨橫向運(yùn)動次數(shù)的變化關(guān)系。塊材為零場冷，測試高度為15 mm |
難以精確估測的。針對圖.3設(shè)定的工作條件，根據(jù)上面的分析，最佳的預(yù)載高度應(yīng)出現(xiàn)在區(qū)間10mm～12mm內(nèi)。
改變測試高度為20mm，其它條件與圖.3相同，進(jìn)一步研究了測試高度對預(yù)載效果的影響，結(jié)果如圖.4所示。由此圖可見，雖然14mm預(yù)載高度的初始懸浮力低于無預(yù)載情況的，但經(jīng)過橫向運(yùn)動后，這種情況下的懸浮力是逐漸高于無預(yù)載情況的。與15mm測試高度情況不同的是，在預(yù)載高度為12mm時，懸浮力已表現(xiàn)出與10mm和8mm預(yù)載高度相同的變化趨勢，即隨著橫向運(yùn)動次數(shù)的增加，懸浮力先是快速增大，隨后很快進(jìn)入了穩(wěn)態(tài)。顯然，在20mm測試高度下，最佳預(yù)載高度所在的區(qū)間變?yōu)榱?2mm～14mm。由此可見，在實(shí)際應(yīng)用中，同一場冷高度下，隨著懸浮高度的增加，最佳的預(yù)載位置是逐漸增高的，但增高的幅度應(yīng)低于懸浮高度的增加量。
變換塊材的冷卻方式為零場冷，測試高度仍選擇為15mm，不同預(yù)載情況的懸浮力隨橫向運(yùn)動次數(shù)的變化關(guān)系如圖.5所示。由該圖可見，在預(yù)載高度為14mm和12mm時，隨著橫向運(yùn)動的進(jìn)行，懸浮力仍表現(xiàn)出與無預(yù)載相同的變化趨勢，預(yù)載并未達(dá)到抑制懸浮力衰減的目的。當(dāng)預(yù)載高度降到10mm時，懸浮力隨橫向運(yùn)動才呈現(xiàn)先增加然后達(dá)到穩(wěn)定的態(tài)勢。繼續(xù)降低預(yù)載位置到8mm，懸浮力隨橫向運(yùn)動表現(xiàn)出的變化態(tài)勢與10mm預(yù)載高度的情況相同，只是初始懸浮力的增長幅度變大了，穩(wěn)定值變小了。很明顯，當(dāng)前工況下，最佳的預(yù)載位置在軌道上方10mm至12mm之間。因此，相比于同一測試高度下的場冷情況，零場冷條件下的最佳預(yù)載位置有所下降。
隨后采用單籽晶的圓柱形塊材，進(jìn)一步研究塊材性能對預(yù)載效果的影響，測試結(jié)果如圖.6所示。由該圖可見，雖然在14mm處預(yù)載后，橫向運(yùn)動仍會引起懸浮力的衰減，但相比于無預(yù)載，預(yù)載后的懸浮力大并且衰減較弱。12mm預(yù)載的結(jié)果顯示，懸浮力在起始出現(xiàn)增長后，隨著橫向運(yùn)動的繼續(xù)進(jìn)行，又出現(xiàn)了一定程度的衰減，不過在預(yù)定的橫向運(yùn)動完成時，12mm預(yù)載表現(xiàn)出的懸浮力高于14mm預(yù)載和無預(yù)載下的懸浮力。繼續(xù)降低預(yù)載高度至10mm和8mm，懸浮力表現(xiàn)出先增大后漸趨于穩(wěn)定的態(tài)勢。與上述三種情況不同的是，當(dāng)前條件下，難以找到一個恰當(dāng)?shù)念A(yù)載位置，使得塊材在此位置預(yù)載后，懸浮力不隨橫向運(yùn)動的進(jìn)行而發(fā)生變化。造成這一現(xiàn)象的主要原因可能是，圓柱形塊材的性能不如方形塊材，磁通釘扎能力較弱，在橫向運(yùn)動中塊材內(nèi)部的磁通變化比較劇烈，而懸浮力的變化是內(nèi)部磁通運(yùn)動的宏觀顯現(xiàn)，因此在這種情況下很難找到理想的預(yù)載位置區(qū)間。當(dāng)然，如果實(shí)際應(yīng)用中使用到這種類型的塊材，從降低橫向運(yùn)動對懸浮力的影響而言，可以考慮的預(yù)載位置應(yīng)在10mm到12mm之間。
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圖. 6. 不同預(yù)載條件下單疇圓柱形塊材在軌道Rail_A上方橫向運(yùn)動至軌道正上方時受到的懸浮力隨橫向運(yùn)動次數(shù)的變化關(guān)系。塊材的場冷高度為30 mm，測試高度為15 mm |
為研究外磁場結(jié)構(gòu)對預(yù)載效果的影響，進(jìn)一步變換軌道為Rail_B，其它條件與圖.3相同，測試了不同預(yù)載情況下懸浮力隨橫向運(yùn)動的變化關(guān)系，結(jié)果如圖.7所示。該圖表明：在14mm預(yù)載高度下，雖然經(jīng)過橫向運(yùn)動后懸浮力仍會衰減，但衰減的幅度要小于無預(yù)載的情況；當(dāng)預(yù)載高度降為12mm時，懸浮力經(jīng)過初始些許的增加后開始出現(xiàn)一定程度的衰減，但衰減的幅度很小，在測試完成時基本達(dá)到了穩(wěn)態(tài)；進(jìn)一步降低預(yù)載位置到10mm和8mm，懸浮力隨橫向運(yùn)動的變化趨勢與前述相同預(yù)載高度的情況一致，不再贅述。在這種工作條件下，由于12mm預(yù)載高度下的懸浮力隨橫向運(yùn)動表現(xiàn)出先增大后衰減的變化趨勢，因此這種工況下也難以找到理想的預(yù)載位置區(qū)間。當(dāng)然，基于實(shí)用的考慮，可以在10mm～12mm范圍內(nèi)選擇預(yù)載位置。
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圖. 7. 不同預(yù)載條件下方形塊材在軌道Rail_B上方橫向運(yùn)動至軌道正上方時受到的懸浮力隨橫向運(yùn)動次數(shù)的變化關(guān)系。塊材的場冷高度為30 mm，測試高度為15 mm |
4結(jié)論
本文以Halbach永磁軌道和三籽晶方形YBCO塊材為重點(diǎn)研究對象，同時兼顧單疇圓柱形塊材，通過改變塊材的場冷條件、測試高度以及外磁場結(jié)構(gòu)，研究了不同預(yù)載條件下橫向運(yùn)動引起的懸浮力變化情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：不論測試條件如何，預(yù)載位置較高時，雖然預(yù)載后系統(tǒng)的懸浮性能有所增強(qiáng)，但未能抑制橫向運(yùn)動引起的懸浮力衰減，但預(yù)載位置過低時，雖然預(yù)載徹底消除了橫向運(yùn)動引起的懸浮力衰減，但穩(wěn)態(tài)的懸浮力較低，對系統(tǒng)的懸浮能力影響較大。因此，在實(shí)際應(yīng)用中需要確定一個最佳的預(yù)載位置范圍，使得在能夠抑制懸浮力衰減的同時也具有較大的穩(wěn)態(tài)懸浮力。
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