مقالات
در حال خواندن
آشنایی با قطارهای پرسرعت مگلو(Maglev trains) + فیلم
0

آشنایی با قطارهای پرسرعت مگلو(Maglev trains) + فیلم

توسط میثم نجفی ارشادی۲۶ آبان, ۱۳۹۵

مقاله ای در مورد آشنایی با قطار های پرسرعت مگلو (Maglev trains) به همراه ویدیو مستند معرفی تکنولوژی مگلو

اگر با آهنربا کار کرده باشید می دانید که قطب‌های مخالف هم‌دیگر جذب و قطب‌های مشابه هم‌دیگر را دفع می‌کنند. این اصلی است که طرد مغناطیسی را هدایت می‌کند. آهنربای الکتریکی مشابه دیگر آهنرباها هستند که در جذب اجسام فلزی نقش دارند، کشش مغناطیسی موقتی است. می‌توانید آهنربای‌الکتریکی کوچکی با اتصال انتهای یک سیم مسی با انتهای مثبت و منفی باتری معمولی درست کنید.

این باتری یک میدان مغناطیسی کوچک درست می کند. اگر انتهای سیم را از باتری قطع کند، میدان مغناطیسی از بین می‌رود. میدان مغناطیسی در این آزمایش سیم – باتری درست می‌شود که این ایده‌ی ساده پشتوانه‌ی قطارهای مگلو استو بود . مکانیزم کار قطار های مگلو (Maglev) نیز تحت تاثیر همین نیروهای مغناطیسی می باشد.

jr_maglev-lev

اثرات نیروهای مغناطیسی در قطارهای مگلو

 

نام مگلو از ترکیب دو واژه انگلیسی Magnetic (مغناطیسی) و levitation (شناوری) درست شده‌است. بطور نظری مگلوها می‌توانند به سرعت‌هایی قابل مقایسه با سرعت توربوپروپ و هواپیمای جت (۵۰۰ تا ۵۸۰ کیلومتر در ساعت) دست بیابند.

Maglev   یا حمل و نقل شناور مغناطیسی(Magnetic Levitation), نام تکنولوژی جدیدی می باشد که با توجه به مشخصه های برجسته اش انقلابی در صنعت حمل و نقل ایجاد خواهد کرد. “مگلو” نوعی از حمل و نقل می باشد که قطار را به طور شناور و کاملا جدا از زمین به وسیله نیروی الکترومغناطیسی به طرف جلو می راند. این روش جدید سریع تر، راحت تر و مطمئن تر از روش حمل و نقل کنونی، همراه با چرخ های مرسوم می باشد.
به دلیل وجود نیروی محرکه اصلی این سیستم در ریل آن، به جای خود قطار، این قطارها بسیارسبک و کنترل آنها در سراشیبی ها بسیار آسان می باشد. ریل های استفاده شده در این سیستم نیز از مواد سبک ساخته شده است. تکنولوژی مگلو ( Maglev ) این اجازه را به قطار می دهد که به راحتی به سرعت هواپیما ها ( ۵۰۰ تا ۵۸۰ کیلومتر در ساعت ) دست یابد.
در مگلو تماس با ریل وجود ندارد و قطارها به جای غلتیدن چرخ‌ها بر روی ریل با نیروی مغناطیسی در هوا شناور شده بود و به جلو رانده می‌شوند. در فناوری مگلو نیروی مغناطیسی قطار را از زمین بلند کرده و با استفاده از موتور خطی و نه دوار رانده و در یک مسیر مشخص هدایت می‌کند.
این قطارها نصف انرژی هواپیما را مصرف کرده و با همان سرعت نیز حرکت میکنند.

1406278643_maglev-lede-630-de

 

مکانیزم ریل های  مگلو
سیم‌پیچ‌های مغناطیسی در طول ریل «خط راهنما» نامیده می‌شوند. نیروی مغناطیسی بزرگی بر قسمت زیرین قطار وارد می‌شود. قطار بین ۳۹/۰ تا ۹۳/۳ اینچ (۱ تا ۱۰ سانتی‌متر) بالای این خط راهنما معلق می‌شود. وقتی قطار معلق می‌شود،‌ منبع تغذیه سیم‌پیچ‌های درون دیوار‌های خط راهنما را فراهم می‌آورد که یک سری از میدان‌های مغناطیسی درست می‌کند که قطار را به ‌طور دائم می‌کشد و هل می‌دهد.

جریان الکتریکی پشتیبان سیم‌پیچ‌های داخل دیواره است که به ‌طور ثابت قطب سیم ‌پیچ‌های مغناطیسی را تغییر می‌دهد. این تغییر قطب باعث می‌شود که میدان مغناطیسی پشت قطار آن را به سمت پشت کشیده می‌شود، که میدان مغناطیسی پشت قطار به آن اضافه می‌شود.

bt-ph-066-4

 

قطارهای مگلو بر پیچه‌ی هوا و اصطکاک قابل صرف ‌نظر کردن شناور است. این فقدان اصطکاک و آیرودینامیک قطار اجازه می‌دهد که این قطارها به شکل غیرقابل باوری حمل و نقل را سریع انجام می‌دهد. این سرعت بیش‌از ۳۱۰ کیلومتر در ساعت یا دوبرابر سریع ترین قطارهای آمتراک (Amtrak) است. در مقایسه با هواپیماهای مسافری بوئینگ ۷۷۷ که برای مسافت‌های زیاد مورد استفاده قرار می‌گیرد می‌تواند به سرعت‌ ۵۶۲ مایل در ساعت (۹۰۵کیلومتر در ساعت) دست یابد. طراحان قطار می گویند خطی را تا بیش از ۱۰۰۰ مایل (۱۶۰۹ کیلومتر) خواهند کشید. با ۳۱۰ کیلومتر در ساعت می‌توانید از پاریس تا رم را فقط در ۲ ساعت طی کنید.

آلمان و ژاپن هردو از این فناوری سود می‌برند و پیش‌طرحی را از این قطارها آزمایش می‌کنند.. در آلمان مهندسین روی دستگاه تعلیق الکترومغناطیسی (EMS) را به‌نام ترانس رپید (Transrapid) کار می‌کنند. در این دستگاه، در انتهای قطار سیم‌پیچ دور خط راهنمای استیل پیچیده شده است. آهنربای الکتریکی در زیر قطار کار گذاشته شده که مستقیماً با خط راهنما در ارتباط است. در این حالت قطار ۳/۱ اینچ (۱ سانتی متر) با سطح ریل فاصله دارد و قطار حتی وقتی حرکت نمی‌کند معلق است. دیگر راهنماهای مغناطیسی در بدنه‌ی قطار تعبیه شده‌اند و آن را در طول سفر حفظ می‌کند. آلمان نشان داد که قطار ترانس رپید مگلو می‌تواند به سرعت‌های بالای ۳۰۰  دست یابد.

تکنولوژی مگلو
در حالت کلی دو نوع مگلو وجود دارد، یکی سیستم تعلیق الکترومغناطیسی ( EMS ) و یکی سیستم تعلیق الکترو دینامیکی (EDS )
در سیستم تعلیق الکترو مغناطیس، قطار با داشتن الکترومغناطیس بسیار قوی بر روی ریل فشار آورده که همین عمل باعث معلق ماندن آن می شود. این مغناطیس ها در جهت ریل تنظیم شده و بوسیله کنترل باز خورد (feedback control)، میزان تعلیق خود را محاسبه و حفظ می نماید.
سیستم تعلیق الکترودینامیک به شیوه دیگری عمل می کند بدین صورت که هم ریل و هم قطار دارای مغناطیس می باشند که قطار به وسیله نیروی دافعه قطب های هم نام ارتفاع و فاصله خود را از ریل نگه می دارد.
قسمت مغناطیس قطار از الکترومغناطیس های به هم پیوسته ( مثل مگلو JR ) یا از مغناطیس های پایدار تشکیل شده است. قسمت مغناطیس ریل ها نیز از تحریک منطقه توسط سیم پیچ های مغناطیسی به وجود می آید.
درسرعت های پایین سیم پیچ های کنونی توانایی تحمل وزن قطار را دارا نمی باشند و باید برای ثبات آنها در هنگام ایست کامل و در سرعت های پایین چرخ ها و یا وسایل شبیه آن در زیر قطار وجود داشته باشند تا قطار به سرعت های بالا دست یافته و از زمین جدا شود. برای این منظور سیم پیچ های بکار رفته در ریل ها، باعث حرکت رو به جلو قطار شده و همچنین با نیروی مغناطیسی فوق العاده خود باعث تعلیق قطار می شوند. همچنین این سیم پیچ ها یک موتور طولی نیز محسوب می شوند و حالت پیچشی آنها باعث بوحود آمدن یک جریان مداوم الکترو مغناطیس در کل ریل می شود.

 

maglev20

 

هم اکنون نگاهی داشته باشیم به مزایا و معایب تکنولوژی مگلو EMS ( سیستم تعلیق الکترو مغناطیسی ):

از مزایای این سیستم می توان مغناطیس بسیار نا چیز در درون و بیرون قطار، تکنولوژی بالا که می توان بوسیله آن به سرعت ۵۰۰ کیلومتر در ساعت دست یافت و عدم نیاز به چرخ یا نیروهای محرکه دیگر را نام برد.
از معایب آن نیز می توان به فاصله موجود میان قطار و ریل که خواهان بررسی بی درنگ توسط کامپیوتر برای ممانعت از برخورد آنها با یکدیگر می باشد اشاره کرد.

سیستم مغناطیسی ابر رساناها 
مغناطیس های بسیار قوی بر روی ابر رساناهایی نصب شده اند که فاصله زیاد ریل از قطار که منجر به دسترسی این قطار به سرعت ۵۸۱ کیلومتر شده است را باعث شده اند، و همچنین ظرفیت بار بسیار زیاد آن از مزایا این سیستم می باشد. یکی از همین قطارها در دسامبر سال ۲۰۰۵ به صورت تبلیغی از ابر ساناها با درجه حرارت بالا در مغناطیس های خود استفاده کرد که  به وسیله مایع خنک کننده گران نیتروژن خنک می شدند.
از معایب این سیستم نیز می توان به عدم توانایی در برقراری ارتباط های تلفنی، عدم توانایی در برقراری ارتباط مسئولین قطار به واگن مسافران بوسیله سیستم صوتی داخل کابین ها و عدم توانایی در استفاده از وسایل الکترونیکی مثل ذخیره کننده های مغناطیس به علت وجود جریان مغناطیسی بالا در قطار اشاره کرد. همچنین این مشکلات و هزینه بالای این سیستم باعث باقی ماندن این تکنولوژی در مرحله تست شده است.

سیستم مغناطیسی پایدار EDS: 
از مزایای این سیستم می توان به سیستم تعلیق بدون اشکال، عدم نیاز به نیرو برای فعال کردن مغناطیس ها، قرار گیری منطقه مغناطیسی در زیر قطار و توانایی ایجاد مغناطیس بالا در سرعت های بسیار پایین ( ۵ کیلومتر در ساعت ) برای تعلیق قطار نام برد. همچنین در صورت بروز مشکل، قطار قبل از ایست کامل به صورت کاملا آهسته و با ریتم یکنواخت سرعت خود را کم کرده تا کاملا متوقف شود و از معایب آن نیز می توان به نیاز آن به چرخ برای به حرکت در آوردن آن در هنگام ایست کامل و تکنولوژی کاملا جدید و در نتیجه تستی بودن آن اشاره کرد.
هیچ کدام از سیستم های فوق هدایتگر و مغناطیس پایدار قادر به تعلیق قطار در وضعیت سکون نیستند، ولی با این حال سیستم مغناطیسی پایدار قطار را در سرعت های پایین، نزدیک به ریل نگه می دارد، ولی در هر دو آنها به چرخ در هنگام سکون و سرعت های پایین نیاز هست. در حالی که EMS سیستم تعلیق الکترومغناطیس مجهز به هیچگونه چرخی نمی باشد.

maglev2

نمای داخلی قطارهای مگلو

نیروی محرکه: 
سیستم تعلیق الکترومغناطیس قادر به ارائه تعلیق و نیروی پیش راننده بوسیله موتور طولی ( سیم پیچ ) می باشد، و این در حالیست که سیستم تعلیق الکترودینامیکی تستی قادر به معلق ساختن قطار بوسیله مغناطیس های نصب شده بر روی خود می باشد.

پایداری:
قدرت تحمل وزن مغناطیس هایی که تنها از الکترومغناطیس و پرمنگنات در آنها استفاده شده است به اندازه کافی نمی باشد، این تئوری را Earn Shaw بیان می کند. EMS بر پایه پایداری فعال الکترونیکی طراحی شده است. این چنین سیستم هایی بصورت پایدار میزان فشار وارد بر مغناطیس را اندازه گرفته و نیروی الکترومغناطیسی را تنظیم می کنند. همچنین با توجه به اینکه تمامی سیستم های تعلیق الکترودینامیک سیستم های متحرک هستند تئوری Earn Shaw در مورد آنها صادق نمی باشد.

مقایسه مگلو با قطارهای مرسوم
به علت عدم وجود تماس بین ریل و قطار در قطارهای مغناطیسی، اصطکاک بسیار کمی آن هم تنها اصطکاک بدنه قطار و هوا وجود دارد. مصرف قدرت قطارهای ماگلو برای هر مسافر بر کیلومتر در سرعت ۲۰۰ کیلومتر بر ساعت ، ۲۴% کمتر از قطارهای معمولی در سرعت ۲۰۰ کیلومتر بر ساعت می باشد.
به خاطر عدم حرکت ماگلو بر روی ریل، این قطارها محدودیت سرعت قطارهای معمولی را به خاطر تلرانس ریل و پیچ ها ندارند. سرعت این قطار ها هم اکنون در بعضی موارد به ۶۵۰ کیلومتر بر ساعت نیز رسیده است و پیش بینی می گردد سرعت آنها تا ۱۰۰۰ کیلومتر نیز افزایش یابد.
وزن الکترومغناطیس در طراحی EMS ها و EDS یک فاکتوربسیار مهم تلقی می شود، یک میدان مغناطیسی بسیار قوی نیز برای بلند کردن این قطار سنگین وزن مورد نیاز می باشد. در یک مقاله چاپ شده در سال ۲۰۰۴ که متعلق به “انجمن آکوستیک آمریکا” می باشد، چنین ذکر شده است که صدای تولید شده توسط این قطارها بسیار بیشتر از صدای تولیدی قطارهای معمولی با وجود تماس فولاد با فولاد می باشد.
تفاوت صدای این قطارها با قطارهای معمولی ۵ دسیبل می باش که عدد کمی نیست. قطارهای فوق سریع الکترومغناطیس خواستار بودجه هنگفتی برای به تولید رسیدن هستند، ولی می توان این هزینه را با هزینه ساخت قطار های معمولی و یا فرودگاه مقایسه کرد. ولی واقعیت دیگری نیز در مساله اقتصادی این قطارها وجود دارد، هزینه کمتر نگهداری و تعمیر این قطارها نسبت به قطارهای معمولی می باشد که همین یکی از نکات مثبت آنها به حساب می آید.
قطار سریع السیر شانگهای با هزینه ۱.۲ میلیون دلار ساخته شده و هزینه هر مسافر ۶ دلار برآورد شده است. این قطار روزانه توانایی جابجایی ۲۰.۰۰۰مسافر را داراست.

32038_329

فناوری مگلو در حال حاضر
اولین حمل و نقل مگلو بیش از یک قرن پیش پایه‌گذاری شد ولی اولین استفاده‌‌ی تجاری از آن در شانگهای (چین) به سال ۲۰۰۲ مورد بهره‌برداری قرار گرفت. این طرح را کشور آلمان به عهده داشت. حط مشابهی یک سال بعد (۲۰۰۳) مورد بهره‌‌برداری قرار می‌گیرد. خط شانگهای در حال حاضر تا ایستگاه لوونگ‌یانگ در مرکز شهر و فرودگاه پودونگ کشیده شده است. این سفر با سرعتی حدود ۴۳۰ کیلومتر در ساعت، ۱۰ دقیقه‌ طول می کشد، در حالی که این فاصله‌ی ۳۰ کیلومتری با ماشین یک ساعت طول می‌کشد.

کشورهای متعددی در حال بهره‌برداری از این نوع قطارها هستند، ولی چین همچنان تنها کشوری است که این طرح را به‌صورت تجاری مورد استفاده قرار می دهد.

 

برای آشنایی بیشتر با  تکنولوژی مگلو حتما تریلر اختصاصی زیر رو مشاهده نمایید

جهت دانلود قسمت کامل این ویدیو بر روی لینک زیر کلیک نمایید

 

منابع:

Infrastructure Design, Signalling and Security in Railway ,Dr. Xavier Perpinya

پایگاه مگلو ایران (Iran maglev technology)

سایت انجمن آکوستیک و ارتعاشات آمریکا(AAS)

ویکی پدیا

 

 

 

واکنش شما چیست؟
I like it
100%
interested
0%
Hate it
0%
What
0%
درباره نویسنده
میثم نجفی ارشادی
دانشجوی مهندسی مکانیک

پاسخ بدهید