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新能源與磁懸浮在未來交通中的應(yīng)用畢業(yè)設(shè)計(jì)-在線瀏覽

2025-07-31 01:07本頁面
  

【正文】 車擺脫對(duì)化石燃料的依賴,研發(fā)以太陽能氫能源為動(dòng)力的汽車已經(jīng)勢(shì)在必行了,它也必將得到市場(chǎng)的認(rèn)可。溫泉和火山爆發(fā)噴出的巖漿就是地?zé)岬谋憩F(xiàn);三是地球和其他天體相互作用的能量:如潮汐能等 ; 四是氫能源。制取氫氣的資源很多,如煤、石油、天然氣、水等,都可用來制取氫氣。所以氫氣不像煤、石油、天然氣等有較大的自然儲(chǔ)量,但作為長期來源的資源是非常豐富的。氫的制取方法有水分解制氫;生物制氫(1細(xì)菌制取氫氣如紅螺菌, 2用綠藻生產(chǎn)氫氣 3酶制取氫氣 )。從 1990 年開始,德 、日、美等一些發(fā)達(dá)國家成立了專門機(jī)構(gòu),制訂了生物制氫的發(fā)展計(jì)劃,通過對(duì)省去制氫技術(shù)的基礎(chǔ)性和應(yīng)用性研究,在 21 世紀(jì)中葉實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。因此全部用太陽能驅(qū)動(dòng)傳統(tǒng)的轎車,需要幾十平方米的接收面積,顯然難以達(dá)到。所以 未來汽車必以電能、氫燃料為主驅(qū)動(dòng)力,太 陽能為汽車輔助設(shè)備的能源,其中電能來自太陽能、風(fēng)能、水能、生物能、礦物能源、地?zé)崮?、潮汐能及原子核能。氫氣可謂是最清潔最理想的能源,新能源太陽能氫能系統(tǒng)是全世界各國的研究方向。氫能汽車是以氫為主要能量的汽車。 氫燃料汽車不污染環(huán)境,是一種友好的綠色交通工具。氫燃料電池汽車是利用氫燃料電池發(fā)出的動(dòng)力系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī),帶動(dòng)汽車行駛,所以它是一種電動(dòng)汽車。氫燃料汽車無污 武漢紡織大學(xué) 2020 屆 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 5 染、效率高、噪聲低,且隨著燃料電池制造技術(shù)的提高和成本低的降低,將會(huì)是未來的主要交通工具。 1999 年第一家公共液氫加氣站在慕尼黑開始運(yùn)營。最高時(shí)速達(dá) 300km/h 以上,破百時(shí)間被嚴(yán)格控制在了 6s 以內(nèi),并獲得 FIA確認(rèn)。綜合氫耗,液氫 。汽油模式續(xù)駛里程為 500km??偫m(xù)駛能力為700km。最高車速為 230km/h。福特 E450 型氫燃料巴士的動(dòng)力裝置于 2020 年在北美國際汽車展覽會(huì)上首次亮相。日本的馬自達(dá)公司早在 2020年便在東京車展上展出了名為 RX8 Hydrogen RE 的燃燒后 完全無污染的氫氣燃料汽車。 2020 年,由江蘇鎮(zhèn)江江奎科技有限公司、清華大學(xué)、奇瑞汽車三方自主研發(fā)的“示范性氫燃料轎車研制項(xiàng)目”通過國家級(jí)專家組評(píng)審,中國第一輛具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的以氫燃料為動(dòng)力的轎車研制成功,標(biāo)志著中國氫動(dòng)力技術(shù)已達(dá)國際同步領(lǐng)先水平。高效低 排放氫內(nèi)燃機(jī)是國家“ 863”計(jì)劃唯一立項(xiàng)的氫燃料重點(diǎn)項(xiàng)目,它的成功點(diǎn)火標(biāo)志著我國氫內(nèi)燃機(jī)研究技術(shù)獲得突破性進(jìn)展,為氫內(nèi)燃機(jī)的產(chǎn)業(yè)奠定基礎(chǔ)。開發(fā)出的新能源必須提高利用率,否則供不應(yīng) 武漢紡織大學(xué) 2020 屆 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 6 求的態(tài)勢(shì)還在阻礙經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。電能方便運(yùn)輸,有效利用率高。據(jù)德國實(shí)驗(yàn),當(dāng)磁懸浮列車達(dá)到 400km/h 時(shí),其每座位公里能耗與時(shí)速 300km/h 高速輪機(jī)列車持平;而當(dāng)磁懸浮列車時(shí)速也降到300km/h 時(shí),它的每座位公里能耗可比輪機(jī)鐵路低 33%。磁懸浮將是 21 世紀(jì)新型現(xiàn)代化的高速交通工具。高速公路和航空業(yè)的發(fā)展,鐵路面臨著嚴(yán)重挑戰(zhàn),因?yàn)閭鹘y(tǒng)的輪軌粘著式鐵路是利用車輪和鋼軌的粘著力使列車前進(jìn)的,而其粘著系數(shù)又隨著速度的增加而減小,走行阻力卻隨著速度的增加而增大。如果要想再進(jìn)一步提高速度,同時(shí)又要做到更加安全、舒適,減輕振動(dòng)和噪音,減少能耗,降低運(yùn)輸成本,那么, 傳統(tǒng)鐵路將是難以辦到的。目前技術(shù)已經(jīng)成熟,可進(jìn)入 500km/h 的實(shí)用運(yùn)營的建造階段。 磁懸浮列車是由無接觸的電磁懸浮、導(dǎo)向和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成的新型交通工具,磁懸浮列車分為超導(dǎo)型和常導(dǎo)型兩大類。從外部表象而言,兩者 存在著速度上的區(qū)別:超導(dǎo)型磁懸浮列車最高時(shí)速可達(dá) 500 公里以上(高速輪軌列車的最高時(shí)速一般為 300— 350 公里),在 1000至 1500 公里的距離內(nèi)堪與航空競(jìng)爭;而常導(dǎo)型磁懸浮列車時(shí)速為 400~ 500 公里,它的中低速則比較適合于城市間的長距離快速運(yùn)輸。 在這行研究中,德國和日本起步最早,但倆國采用的制式完全不同,德國采用常導(dǎo)磁吸式,而日本則采 用超導(dǎo)磁斥式,在車輛和線路結(jié)構(gòu)上,在懸浮、導(dǎo)向和推進(jìn)方式上雖然不同,然而基本原理卻是一樣的。日本的專家信心十足地認(rèn)為他們的磁懸浮列車將是“最有發(fā)展前途的列車”為適應(yīng)競(jìng)爭的需要,日本還要修建 50km 長的試驗(yàn)線,一條從扎幌道千葉機(jī)場(chǎng),另一條是連接?xùn)|京至甲府的中央線。在 300~500km 速度范圍,能量消耗和噪音明顯降低,乘客的舒適 度比較高。此外,所有關(guān)鍵系統(tǒng)高度冗余保證了列車安全、可靠。在我國磁懸浮已在上海運(yùn)行 ,上海磁懸浮列車是世界上第一段商業(yè)運(yùn)行的磁懸浮列車,設(shè)計(jì)時(shí)速 430km/h,實(shí)際時(shí)速380km/h,但是由于技術(shù)方面等問題,我國磁懸浮耗資較大,所以一直沒有大力推廣。 武漢紡織大學(xué) 2020 屆 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 9 世界第一條商業(yè)性運(yùn)營線 我國舉世屬目的上海磁懸浮列車示范線是中國第一條集城市交通、觀光、旅游于一體的世界第一條商業(yè)性運(yùn)營線。 863 公里,總投資約 89億元人民幣。中間的車廂長 米, 14 分鐘內(nèi)能在上海市區(qū)和浦東機(jī)場(chǎng)之間打個(gè)來回。乘 客不會(huì)有不適感。磁懸浮列車的車窗是減速玻璃,乘客可以更好的觀賞窗外的風(fēng)景。并且在擋風(fēng)玻璃邊緣都有漸淡的點(diǎn)狀黑色裝飾邊,同樣也起到一定效果。 磁懸浮列車是一種采用無接觸的電磁懸浮、導(dǎo)向和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的高速列車系統(tǒng)。 磁懸浮列車從北京運(yùn)行到上海,不超過 4 個(gè)小時(shí),從杭州至上海只需23 分鐘。磁懸浮列車采用電力驅(qū)動(dòng),其發(fā)展不受能源結(jié)構(gòu),特別是燃油供應(yīng)的限制,不排放有害氣體。因?yàn)?,磁懸浮列車的路軌壽命可達(dá) 80 年,而普通路軌只有 60 年。此外,磁懸浮列車的年運(yùn)行維修費(fèi)僅為總投資的 1. 2%,而輪軌列車高達(dá) 4. 4%。磁懸浮列車和輪軌列車乘客票價(jià)的成本比約為 1:。而磁懸浮列車則是一種依靠電磁場(chǎng)特有的“同性相斥、異性相吸”的特性將車輛 武漢紡織大學(xué) 2020 屆 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 10 托起,使整個(gè)列車懸浮在線路上,利用電磁力進(jìn)行導(dǎo)向,并利用直線電機(jī)將電能直接轉(zhuǎn)換成推進(jìn)力,來推動(dòng)列車前進(jìn)的交通工具。 如上海地鐵造價(jià)為每公里人民幣 8 億元 , 而上海磁懸浮試驗(yàn)線的造價(jià)約每公里人民幣 3 億元。常導(dǎo)磁吸型以德國高速常導(dǎo)磁懸浮列車為代表。常導(dǎo)磁吸型技術(shù)較簡單 , 產(chǎn)生的電磁吸力相對(duì)較小 , 懸浮的氣隙較小 , 一般為 8 mm~ 10mm。超導(dǎo)排斥型磁懸浮列車以日本為代表。根據(jù)行駛速度的不同 , 又可 分為高速型和中低速型。超導(dǎo)體由超導(dǎo)材料制成的超導(dǎo)線圈構(gòu)成 , 它不僅電阻為 0, 而且可以傳導(dǎo)普通導(dǎo)線根本無法比擬的強(qiáng)大電流。 懸浮與推進(jìn)原理 磁懸浮 列車?yán)?“ 同性磁極相斥,異性磁極相吸 ” 的原理,讓 磁鐵 具有抗拒地心引力 的能力,使車體完全脫離軌道,懸浮在距離軌道約 10mm 處,騰空行駛。在位于軌道倆側(cè)的線圈里流動(dòng)的交流電,能將線圈變?yōu)殡姶朋w。列車前進(jìn)是因?yàn)榱熊囶^部的電磁體( N 級(jí))被安裝在靠前一點(diǎn)的軌道上的電磁體( S 級(jí))所吸引,并且同時(shí)又被安裝在軌道上稍后一點(diǎn)的電磁體 武漢紡織大學(xué) 2020 屆 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 11 ( N 級(jí))所排斥。其結(jié)果就是原來那個(gè) S 級(jí)線圈,現(xiàn)在變?yōu)?N 級(jí)線圈了,反之亦然。根據(jù)車速,通過電能轉(zhuǎn)換器調(diào)整在線圈里 流動(dòng)的交流電的頻率和電壓。此時(shí)加速與減速作用時(shí)間相等。 磁懸浮列車主要由懸浮系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)和導(dǎo)向系統(tǒng)三大部分組成。另一種是以日本為代表的排斥懸浮系統(tǒng)━━━ EDS 系統(tǒng),它使用超導(dǎo)的磁懸浮原理,使車輪與鋼軌之間產(chǎn)生排斥力,使列車懸空運(yùn)行。 磁懸浮列車上裝有 電磁體 ,鐵路底部則安裝線圈。鐵軌兩側(cè)也裝有線圈,交流電使線圈變?yōu)殡姶朋w。列車頭的電磁體( N 極)被軌道上靠前一點(diǎn)的電磁體( S 極)所吸引,同時(shí)被軌道上稍后一點(diǎn)的電磁 體( N 極)所排斥,結(jié)果是一 “ 推 ”一 “ 拉 ” 。 系統(tǒng)懸浮原理 電磁懸浮系統(tǒng)( EMS)是一種常導(dǎo)吸力懸浮系統(tǒng),它是結(jié)合在機(jī)車上的電磁鐵和導(dǎo)軌上的鐵磁軌道相互吸引產(chǎn)生懸浮。在車輛下部的導(dǎo)向電磁鐵與軌道磁鐵的反作用下,使車輪與軌道保持一定的側(cè)向距離,實(shí)現(xiàn)軌道在水平方向和垂直方向的無接觸支撐和無接觸導(dǎo)向。此外由于懸浮和導(dǎo)向?qū)嶋H上與列車運(yùn)行速度無關(guān),所以即使在列車停車狀態(tài)下列車仍然可以進(jìn)入懸浮狀態(tài)。車廂與走行機(jī)構(gòu)的懸浮架之間通過二系懸掛以及牽引拉桿相互連接。懸浮架是車輛的走行機(jī)構(gòu),其作用是裝載電磁鐵,且將懸浮力、導(dǎo)向力、牽引力和制動(dòng)力通過二系懸掛系統(tǒng)傳遞給車廂。超導(dǎo)體的完全導(dǎo)電性。超導(dǎo)態(tài)的另一個(gè)基本性質(zhì)是抗磁性,即在磁場(chǎng)中一個(gè)超導(dǎo)體只要處于超導(dǎo)態(tài),則它內(nèi)部產(chǎn)生的磁化強(qiáng)度與外磁場(chǎng)完全抵消,從而內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度為零。因而超導(dǎo)體能夠支撐體積小功率強(qiáng)大的電磁鐵,利用超導(dǎo)的抗磁性可以實(shí)現(xiàn)磁懸浮。超導(dǎo)磁懸浮就是利用了這一懸浮原理。當(dāng)列車運(yùn)行速度低于 120km/h 之后,所產(chǎn)生的懸浮力較小,不足以支撐車輛懸浮。車輛以 500km/h的速度運(yùn)行時(shí),其懸浮高度約為 10cm。必須的推力與選福利類似,在 機(jī)車底板上的同一塊電磁鐵可以同時(shí)為導(dǎo)向系統(tǒng)和懸浮系統(tǒng)提供動(dòng)力,也可以采用獨(dú)立的導(dǎo)向系統(tǒng)電磁鐵。該新型磁懸浮列車綜合利用德國 EMS 制的磁吸力原理、日本EDS 制的磁斥力原理以及美國 magplane 和 Urban Maglev 方案中的懸浮原理。該實(shí)施例的 懸浮鋁板 2 分別敷設(shè)在路軌豎直軌道面面上懸浮陣列。該 懸浮系統(tǒng)和導(dǎo)向系統(tǒng)合二為一,懸浮系統(tǒng)既用于列 車懸浮又用于列車導(dǎo)向 (如下圖 3 所示) ,圖 3 中 車載懸浮磁體 1 采用銣鐵硼 等強(qiáng)力永久磁體,也可采用電磁體、超導(dǎo)磁體等。 武漢紡織大學(xué) 2020 屆 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 14 新型磁懸浮列車 綜合利用德國 EMS制的磁吸力原理、日本 EDS制的磁斥力原理以及美國 magplane和 Urban Maglev方案中的懸浮原理 , 將車載 懸浮磁體 非接觸性地插入懸浮鋁板之間,利用 磁體與 鋁板 作相對(duì)運(yùn)動(dòng)在 鋁板 內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流及感應(yīng)磁場(chǎng)的原理來實(shí)現(xiàn)列車的懸浮和導(dǎo)向 , 其性能比其他磁懸浮系統(tǒng)更為優(yōu)越, 是一種很有發(fā)展?jié)摿Φ男乱淮艖腋×熊?。?豎直的懸浮陣列中, F1和 F3分別代表磁懸浮列車的車載懸浮磁體 1和懸浮鋁板 2相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的磁斥力, F1和 F3沿豎直方向的合力起著列車懸浮的作用, F1和 F3沿水平方向的合力起著列車導(dǎo)向的作用 。總之,車速越快懸浮越高。但當(dāng) 列車不處于軌道正中央時(shí),則 左右 合力不為零 。 當(dāng)列車向右偏移時(shí) 情況正好相反 ,列車受到 沿水平方向的總合力向左,這樣列車被迫左移。 : 實(shí)施方案的 推進(jìn)系統(tǒng)主要有驅(qū)動(dòng)繞組 和推進(jìn)磁體,該推進(jìn)系統(tǒng)分兩種(即長定子和短定子):第一種推進(jìn)系統(tǒng)由軌道路面中間的驅(qū)動(dòng)繞組和列 武漢紡織大學(xué) 2020 屆 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 16 車底部中間的車載推進(jìn)磁體構(gòu)成,作為直線電機(jī)的定子(即驅(qū)動(dòng)繞組)沿著軌道連續(xù)分布,而作為車載推進(jìn)磁體的轉(zhuǎn)子固定在列車上,推力由軌道上驅(qū)動(dòng)繞組 的交流 電流產(chǎn)生;該推進(jìn)系統(tǒng)系統(tǒng)采用分段供電,大約 2~ 3km 為一個(gè)供電區(qū),每個(gè)供電區(qū)通過 沿線分布 的供電柜供電,使驅(qū)動(dòng)繞組 與列車下面的 車載推進(jìn)磁體或者 動(dòng)力集成繞組產(chǎn)生電感應(yīng)而驅(qū)動(dòng),實(shí)現(xiàn)非接觸性牽引和制動(dòng) , 由于列車推進(jìn)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)繞組 (定子電樞 )安裝在路軌上,功率電源放置在地面,用接力的方 式驅(qū)動(dòng)車輛運(yùn)行,運(yùn)行更加可靠。第二種 推進(jìn)系統(tǒng)由軌道路面中間的推進(jìn)磁體和列車底部中間的車載驅(qū)動(dòng)繞組構(gòu)成,推進(jìn)磁體的定子沿著軌道連續(xù)分布,而作為直線電機(jī)的轉(zhuǎn)子(即驅(qū)動(dòng)繞組)固定在列車上,推力是由列車驅(qū)動(dòng)繞組的交流電流產(chǎn)生的,驅(qū)動(dòng)繞組 與軌道上面的 推進(jìn)磁體或者 動(dòng)力集成繞組產(chǎn)生電感應(yīng)而驅(qū)動(dòng)列車 , 由于推進(jìn)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)繞組安裝在列車上,需要受流軌供電,所以列車運(yùn)行時(shí)需要饋電線和集電弓。圖中 箭頭代表磁軸方向, N 代表北極,S 代表 南極 , 磁軸方向?yàn)?10 由 S 極指向 N 極, 雙 箭頭 11 代表磁體的寬度 。 圖 55 車載懸浮磁體示意圖 武漢紡織大學(xué) 2020 屆 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 17 該新型的磁懸浮列車的優(yōu)勢(shì) 一是技術(shù)要求低 : 由于車載懸浮 磁體 1 是 豎直地 非接觸性地插入路軌懸浮鋁板 2 之間之間形成懸浮陣列 , 車載懸浮 磁體 1 在列車加速時(shí)就會(huì) 在懸浮鋁板 2間 上浮 , 在列車減速時(shí) 就會(huì)下降,因此列車的 懸浮力是由車載懸浮 磁體 1 與懸浮鋁板 2 作相對(duì)運(yùn)動(dòng)的速度以及 車載懸浮 磁體 1 在懸浮鋁板 2 之間的插入量 來決定的。只要列車上用來固定 車載懸浮 磁體 1 的豎直 底架有一定長度,列車就能夠在一個(gè)比較大的浮降范圍內(nèi)而能夠使底架不會(huì)接觸
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