CN111699300A - 真空管运输系统的管段和管 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于制造管段(1)和用于真空管运输系统的管的方法以及用于制造所述管段(1)的方法。

Description

真空管运输系统的管段和管

本发明涉及一种制造用于真空管运输系统的管的方法以及一种用于制造所述管段的方法。超级回路(hyperloop)是一种客运和/或货运的建议模式，首先用于描述由Tesla和SpaceX的联合团队发布的一种开源的真空列车(vactrain)设计。由罗伯特·戈达德(Robert Goddard)的真空列车吸引，超级回路包括密封的管或管系统，机舱可以移动通过该管或管系统，而不受空气阻力或摩擦力的影响，从而以高速和加速度运送人或物体。埃隆·马斯克(Elon Musk)的概念版本于2012年首次公开提及，其包括减压管，其中的加压胶囊骑在由线性感应电动机和空气压缩机驱动的空气轴承上。这些管会在立柱上在地面上方延伸，或者在隧道中在地面以下，以避免平面交叉的危险。该概念将允许比当前的铁路或空中旅行时间快得多的旅行。理想的超级回路系统将比现有的大众运输方式更加节能、安静和自主。

从历史上看，高铁的发展一直受到管理摩擦和空气阻力的困难的阻碍，当车辆接近高速时，这两者就变得十分重要。通过在真空(无气)或部分真空的管中采用磁悬浮列车，真空传动概念从理论上消除了这些障碍，以实现极高的速度。磁悬浮原理在US1020942中公开。然而，磁悬浮的高成本和在长距离上保持真空的困难阻止了这种类型的系统的建造。超级回路类似于真空系统，但在大约1毫巴(100Pa)的压力下运行，因此可以描述为真空管运输(ETT)系统，如US5950543中的一般方面所披露。

真空管运输系统(ETT)通过将所有障碍物从行进路径上移开并不允许其返回来解决了传统运输中的许多问题。一旦疏散了路径并且没有障碍，就可以畅行无阻。行进的物体(在这种情况下为胶囊)在管中，因此它停留在预定的路径上，并且路径上没有障碍物。如果后续的胶囊经历相同的加速和减速度，则许多胶囊可以完全安全地立即在管中以相同的方向行进。按计划进行加速和减速以防止胶囊成为后续胶囊的障碍。由于极少或完全不依赖运动部件，因此胶囊的可靠性非常高。减速过程中会回收加速所需的大部分能量。

ETT系统的重要部件之一是管。这些管需要大直径，以允许包含货物或乘客的机舱通过。该管的主要要求是必须将其排空。管中的压力约为100Pa，因此它必须能够承受来自周围大气的压力。大气压约为101kPa，因此约为管中压力的1000倍。由于地面上的管通常将被支撑(例如，由柱子支撑)，因此该管还必须能够跨越两个支撑之间的间隙而不会弯曲或屈曲。根据超级回路Alpha项目的完整建议，管壁厚度必须在20到23mm之间，以为考虑的载荷情况提供足够的强度，例如压力差、支柱之间的弯曲和屈曲、由于胶囊重量和加速度引起的载荷以及乘客管的地震考虑。对于乘客加车辆的管，较大管的管壁厚度将在23至25mm之间。这些计算基于内径为3.30毫米的管。然而，计算还表明，通过增加通过管道行进的机舱尺寸，可以大大提高ETT系统的经济性。这些增加的机舱尺寸要求内径在3.50至5.00米之间。如果这些管的直径是由钢制成的，则这需要30mm量级的厚度。没有任何一家热轧厂能够提供这种厚度的材料，因此这些管必须由钢板制造。随着ETT系统的广泛使用和钢材作为管材的优选材料，这将需要大约3000吨/公里×20000公里＝60兆吨。目前，EU28中的钢板总产量约为10兆吨/年。除此产能问题外，很显然，用钢板制造管需要大量繁琐的搬运、现场成形和钢板焊接，以及管变得很重。直径为5m的30mm厚钢管的重量为3700kg/m，这意味着10m的管段的重量为37吨。Mi-26直升机的有效载荷约为22吨。考虑到高架桥或其他限制，通过公路运输是不切实际的。

本发明的目的是提供一种用于ETT系统的管，其比常规制造的管更轻。

本发明的另一个目的是提供一种可以在现场制造的用于ETT系统的管。

本发明的另一个目的是提供一种用于ETT系统的管，该管可以容易地在道路上运输。

这些目的中的一个或多个是通过在使用中接近真空的真空管运输系统管来实现的，其包括用于构造真空管运输系统的多个管段(1)，其中，所述管段具有外侧(1')和内侧(1”)，其特征在于，每个管段均由多个预制钢管壁部件(2)组成，其中，所述部分包括大致四边形的部分(3)，其具有沿管段外部的方向向外的表面(3')和沿管段内部的方向向内的表面(3”)，所述部分具有两个切向边缘(4、5)和两个轴向边缘(6、7)，其中至少轴向边缘(6、7)沿一个或两个边缘(6、7)设置有凸缘(8)。在一个实施例中，仅轴向边缘(6，7)沿着一个或两个边缘设置有凸缘(8)，而切向边缘(4，5)不设置凸缘。在从属权利要求中提供了优选的实施例。真空管运输系统的管在使用中接近真空。在本发明的上下文中，其中管外部的压力是大约101kPa(1bar)的大气压，接近真空意味着管内部的压力小于10kPa(≈0.1bar)，优选小于1kPa(≈0.01bar或10mbar)，甚至更优选小于500Pa(≈5mbar)或甚至200Pa(≈2mbar)，或甚至约100Pa(≈1mbar)。

本发明还体现在根据权利要求10和从属权利要求11至14的方法中。

根据本发明的管段允许使用可非现场构造并相对容易地运输到建筑现场的部件来就地制造用于ETT的管，这是因为预制钢管壁部件相对较小并且可以在卡车等上运输。因为起始材料是热轧钢卷，所以也可以在现场制造它们。管段的构造方式通过使用加强凸缘、加强肋和加强环来模仿较厚的钢的使用。

根据本发明的管段适合于构造真空管运输系统。但是，管段的特定性能，并且特别是在由这些管段产生的从管外部施加在管上的压力明显高于管中压力的条件下的性能，使其也适合于在类似压力条件下运行的管的应用。这些应用的示例是用于交通的地下或水下隧道，例如自行车隧道、汽车隧道、火车隧道、维修隧道或竖井、水力发电站中的管道、发生或可能发生负压的储气系统等。

根据第一方面，用于构造真空管运输系统的管段，其中该管段具有外侧和内侧，其特征在于，该管段由多个预制钢管壁部件组成，其中，所述部件包括大致四边形的部分，其具有在管段的外部方向上向外的表面和在管段的内部方向上向内的表面，所述部分具有两个切向边缘和两个轴向边缘，其中至少所述轴向边缘沿一个或两个边缘设有凸缘。

凸缘边缘优选地沿着两个轴向边缘的长度的至少一部分，并且更优选地沿着一个或两个轴向边缘的整个长度。凸缘越多，加强潜力越大。

大致四边形的部分包括正方形、矩形(图4A)、梯形(图4B)、平行四边形、菱形或平凹的部分。

管段和所得的管部分具有环形横截面，优选地大致圆形横截面。平板式预制钢管壁部件会给人以圆形的印象，因为建造ETT运输所需的宽管需要大量的面板。

本发明还体现在一种制造用于真空管运输系统的管段的方法中，该方法包括以下步骤：

·通过热轧制造具有适当厚度和性能的热轧钢带，以制造预制钢管壁部件；

·可选地酸洗热轧钢带；

·可选地例如通过热浸镀锌为热轧钢带提供金属涂层；

·切割坯料，用于由热轧钢带制造预制钢管壁部件；

·通过在轴向边缘上提供凸缘而将坯料制成预制钢管壁部件，以及

1.在轴向上提供可选的一个或多个扭结，和/或

2.在切向方向上提供可选的曲率，和/或

3.例如通过滚压成型沿轴向提供可选的一个或多个加强肋，

·将预制钢管壁部件的轴向边缘附装到相邻预制钢管壁部件的邻接轴向边缘上，以形成完整的环形管段(1)，

·可选地提供具有有机涂层的带、预制钢管壁部件或管段。

该方法中步骤的顺序不固定。可以在过程中的任何方便时间对带、预制钢管壁部件或管段进行有机涂层的涂覆。

在特定的实施例中，用于预制钢管壁部件的坯料具有弯曲的轴向边缘，并且将所述坯料压制成在轴向边缘上具有凸缘的弯曲形状(向内、向外或混合)以制造预制钢管壁部件，其在将预制钢管壁部件的轴向边缘附接到相邻的预制钢管壁部件的邻接轴向边缘之后，形成渐缩管段，该渐缩管段适于产生凹形的管部分，优选地为悬链曲面管部分。优选地，预制钢管壁部件允许仅使用一组全长的预制钢管壁部件形成凹形的管部分，优选地为悬链曲面管部分，例如如在图6中示意性地描绘并且在下文中进行描述。凹形管被认为在增加管的抗弯强度方面具有优势，使得管可以被构造得更轻。

通过将根据本发明的管段连接在一起而制成的用于ETT的管可以在地下、在地面上或由支柱等支撑而在地面上方，或者在地面上方并且在其整个长度上被完全地支撑。如果管由支柱支撑，则管必须在支柱之间自支撑而不会屈曲。如果在其整个长度上都支撑该管，则该管不需要是自支撑的，因为它到处都有支撑。这样就只需要承受真空和操作应力即可。屈曲的风险将大大降低，并且因此该管可以制造得更轻。

通过以下非限制性附图进一步解释本发明。

在图1中，示出了用于构造真空管运输系统的管段1，其中管具有外侧1'和内侧1”，其特征在于，该管由多个预制钢管壁部件2组成，其中所述部件包括大致四边形的部分3，该部分具有在管的外部方向上向外的表面3'和在管的内部方向上面向内的表面3”，所述四边形的部分具有两个切向边缘4、5和两个轴向边缘6、7，其中至少所述轴向边缘6、7沿一个或两个边缘6、7设有凸缘8。凸缘的主要目的是使管段变硬。预制钢管壁部件2的长度不限于特定尺寸。所述部件通常由热轧带制成，并沿带的长度方向取出。例如，如果两端都支撑着30m长的管段，则加强凸缘必须确保管段保持笔直。凸缘还可以用作用于附装外围设备的点，例如电缆或用于轨道的支撑结构。

凸缘8中的一个或多个可以设置有额外凸缘。该额外凸缘可以被完全弯曲，从而有效地使凸缘的厚度加倍，或者该额外凸缘可以被弯曲小于完全弯曲，例如相对于凸缘8弯曲约90°的角度(见图10B)。

用于制造预制钢管壁部件的材料是热轧钢带。这通常以卷材的形式提供，其卷材重量通常为20-40吨，如今可以提供的最大厚度为25毫米。这些热轧卷的最大宽度超过2米。预制钢管壁部件使用的钢类型可以是提供所需性能的任何热轧带钢。使用一种称为考顿钢的钢可能是有益的，因为这种钢(也称为耐候钢)不需要涂层。在其表面形成的氧化物可保护钢免受进一步腐蚀。可以提供更多的防止弯曲的刚性，则可以使用的带越薄。如果带足够薄，则可以使用热浸镀锌钢。由于在镀锌过程中带材弯曲，带材越厚，热镀锌就越困难。也可以使用称为

的产品，该产品由两块钢皮组成，中间夹有聚合物芯。该聚合物芯可以是实心聚合物芯，也可以是蜂窝型芯，其比同等厚度的钢轻得多，并具有良好的刚度。

如图1所示的管段也可以使用根据本发明的预制钢管壁部件通过沿轴向边缘的长度或沿切向边缘的长度交错地附接预制钢管壁部件来制造，就好比将建造砖墙。对于具有恒定横截面的管段，最好使用带有矩形部分(3)的预制钢管壁部件。

图1示出了具有恒定横截面和直径的环形管段。所述管段可以使用具有矩形部分3或正方形部分3、菱形或平行四边形形状的部分3或交替定向的渐缩部分3(例如，如图4E所示)的预制钢管壁部件制成。

可以借助以下手段通过将多个预制钢管壁部件的轴向边缘(6)附着到相邻预制钢管壁部件的邻接轴向边缘(7)上而制造所述管段：

·在邻接的预制钢管壁部件的凸缘(8)上工作的紧固装置(9)，其中所述紧固装置优选地包括可释放的紧固装置，例如螺母和螺栓，或者借助

·将邻接的预制钢管壁部件的两个邻接轴向边缘(6,7)焊接在一起和/或将邻接的预制钢管壁部件的凸缘(8)焊接在一起。

图9示出了邻接的预制钢管壁部件都设置有凸缘8的情况，其中箭头表示潜在的焊接点。焊接也可以在两个位置上进行。注意，焊接优选地沿着边缘或凸缘的长度进行，从而提供密封的管段。

预制钢管壁部件的大致四边形的部分可以是弯曲的，以便使最终的管基本上是圆柱形或凹形的。为了增加刚度，可以在弯曲部分中设置扭结。

由于该管在使用中接近真空，因此两个相邻且邻接的预制钢管壁部件之间的连接必须是气密的。这种气密连接可以通过将部件沿其轴向边缘6、7焊接在一起而实现。该焊接可以在内侧或外侧(或两者)上进行。在内侧进行焊接的优势在于，可以在工厂内在受控条件下对预制钢管壁部件进行精加工和涂覆，而现场焊接也可以在相对受控的条件下进行，因为其可以在管内部进行。可以通过使用密封件或密封剂来防止水分从外部进入预制钢管壁部件所邻接的间隙。焊接会增加刚度。

刚性且气密的另一种连接方法是在两个相邻且邻接的预制钢管壁部件的凸缘之间引入密封剂(例如橡胶)，并将这些凸缘螺栓连接在一起。螺栓连接的优点是，在紧急情况或维修时，连接更容易拆除。图2以横截面示出了预制钢管壁部件的形状的多个实施例。在图2A和2B中，示出了可以被焊接或螺栓连接的两种构造。如图所示的构造2C不能用螺栓固定，因为凸缘8在预制钢管壁部件邻接的位置处彼此远离指向。图A示出了预制钢管壁部件，其所有凸缘都指向管段的外部，图B示出了所有凸缘指向管段的内部，图C示出了凸缘指向管段的内部和外部，并且图D示出了不同形状的横截面，在该示例中，在预制钢管壁部件的弯曲的四边形部分中通过额外的向内的弯折或加强肋而得以加强(示意性弯折参见图3A和3B)。这些加强肋也可以向外，或一些向外且一些向内，并且甚至可以组合(图3C)。这些弯折或加强肋甚至可以用作用于热膨胀的一种伸缩缝。图D的预制钢管壁部件也可以通过在轴向上焊接多块板以形成尽可能大的预制元件来制造，同时仍允许运输的便利并在现场使组装工作最小化。在这种情况下，内部较厚的部分可能是焊接过程的结果。凸缘将支持现场组装。

当通过接合由多个管段产生的环形管部分来制造管时，可以通过焊接管部分邻接的邻接管部分来连接环形管部分。优选地，在管部分的边缘周围设置环形凸缘，以促进最终ETT的邻接、连接和真空密封。这些凸缘可以通过引入定制的环来制造，或者该凸缘可以由在四边形部分的边缘4、5处产生的凸缘组成(见图1和4A)。

图4示出了本发明所体现的多种形状的快照。图4A至4F示出了预制钢管壁部件中的四边形部分的6种不同可能性。矩形(A)，等腰梯形(B)，凹形部分(C)，如图2A和B的横截面所示的带有扭结(虚线)的矩形(D)，由两个梯形等腰和一个部分平行四边形(F)的组合而建立的平行四边形(E)，在这种情况下具有扭结(虚线)。这些扭结基本上在四边形部分的轴向上延伸，但不必平行于四边形部分的边缘6，7。利用部件A，可以制造出具有恒定直径的环形管段，该直径取决于凸缘8相对于四边形部分的角度。可以用预制钢管壁部件B制成渐缩管段，或者当如图4E所示地使用时，支持直径恒定的环形管段。图4F的预制钢管壁部件的使用还导致具有恒定直径的环形管段。

在图5中，示出了管部分，该管部分包括(在该示例中)根据本发明制造的十个环形管段。注意，在十个分段中的每个分段中，预制钢管壁部件之间的连接都未绘制。环形管部分又可以具有如先前针对轴向段所描述的凸缘。这些管段可以具有相同且恒定的直径，从而导致在其长度上具有相同直径的管部分，或者它们可以以使得所得的管部分也渐缩的方式而渐缩，即在其长度上具有变化的直径。一个特定的例子是凹形管部分，其开口端的直径较大，而中间的直径较小。图5示出了管部分，该管部分是凹形管的一半。如图5所示的两个管部分(一个镜像)将在图5的左侧连接以形成凹形管。多个这些凹形管将构成用于ETT系统的管，每个凹形管的长度例如为30m。在这种情况下，每公里ETT系统将需要大约33个这样的凹形管。

图6示出了这种凹形管部分的沿轴向的横截面。管部分可以由9个带有30mm的凸缘的30m长的压制预制钢管壁部件制成。宽度在切向边缘4、5处的1805mm和中间的1177mm之间变化。特定的凹形管部分是悬链曲面或双曲面。

悬链曲面是拓扑结构中的一种表面，是通过围绕轴线旋转悬链曲线而产生的。它是最小的表面，这意味着当被封闭的空间包围时，它所占的面积最小。

图7示出了通过在中心接头的中间连接两个管段来构造凹形管部分的不同方式。通过将四边形部分挤压成特定尺寸的三角形，从而使预制钢管壁部件具有扭结，以允许产生管段的双曲线或悬链曲面形状。

图8示出了在管段的内部的切向加强环。该环被绘制成较小，但可以显着地变厚或变大，以提供更多的加强和刚性。如果该环设置在四边形部分的边缘4、5处，那么它可以用作可通过焊接或螺栓连接到下一个管部分的邻接四边形部分的凸缘的凸缘。

图9示出了在邻接的预制钢管壁部件都设置有凸缘8的情况，其中箭头表示潜在的焊接点。

图10A示出了直立凸缘8的示意性形式。图10B示出了直立凸缘8的示意性形式，该直立凸缘8具有在约90°下的额外凸缘。

图11示出了由多个管段1构成的用于ETT系统的管，该管段又由多个预制钢管壁部件2制成。在其最简单的形式中，管段具有恒定的横截面和直径，因此用于ETT系统的管也具有恒定的横截面和直径。在更复杂的情况下，例如如果管段产生连接在一起以形成用于ETT系统的管的单个凹形管部分，则管段具有非恒定的横截面和直径，因此用于ETT系统的管也具有非恒定的横截面和直径。

图12示出了用于ETT系统的管的一部分，其包括4个凹形管部分，在这种情况下，在连接管部分的位置处由支柱支撑。

Claims (14)

1.真空管运输系统的管，其在使用中是接近真空的，包括多个管段(1)，其中所述管段具有外侧(1')和内侧(1”)，其特征在于，每个管段由多个预制钢管壁部件(2)组成，其中，所述部件包括大致四边形的部分(3)，该部分具有在管段的外部方向上面向外的表面(3')和在所述管段的内部方向上向内的表面(3”)，所述部分具有两个切向边缘(4、5)和两个轴向边缘(6、7)，其中至少所述轴向边缘(6、7)沿一个或两个边缘(6、7)设有凸缘(8)。

2.根据权利要求1所述的包括管段的管，其中，

预制钢管壁部件的所有凸缘都朝向管段的内侧(1”)延伸，或者

预制钢管壁部件的所有凸缘都朝向管段的外侧(1')延伸，或者

预制钢管壁部件的一些凸缘朝向管段的内侧(1”)延伸，并且其他凸缘朝向管段的外侧(1')延伸。

3.根据权利要求1至2中任一项所述的包括管段的管，其中，所述预制钢管壁部件(2)的轴向边缘(6、7)的长度比最大轴向边缘的宽度大大约3倍，优选大于5倍，更优选大于10倍。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的包括管段的管，其中，预制钢管壁部件(2)的轴向边缘(7)通过以下方式而附接至相邻的预制钢管壁部件(2)的邻接的轴向边缘(8)：

在邻接的预制钢管壁部件的凸缘(8)上工作的紧固装置(9)，其中所述紧固装置优选地包括可释放的紧固装置，例如螺母和螺栓，或

将邻接的预制钢管壁部件的两个邻接的轴向边缘(6、7)焊接在一起和/或将邻接的预制钢管壁部件的凸缘(8)焊接在一起。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的包括管段的管，其中，所述预制钢管壁部件(2)的大致四边形的部分(3)优选为大致矩形的，或者其中所述预制钢管壁部件(2)的大致四边形的部分(3)是等腰梯形的。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的包括管段的管，其中，所述预制钢管壁部件(5)的大致四边形的部分(3)是弯曲的，以使得所述管能够为大致圆柱形或凹形的。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的包括管段的管，其中，所述预制钢管壁部件(3)的四边形部分(3)基本上是平坦的，优选地，其中所述预制钢管壁部件(5)的大致四边形部分(6)还包括至少一个大致沿轴向的扭结。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的包括管段的管，其中，所述预制钢管壁部件(3)的四边形部分(3)还包括至少一个额外的加强肋，其大致在轴向或切向方向上延伸。

9.根据权利要求1至9中任一项所述的包括管段的管，其中，所述管设置有额外的加强装置，例如一个或多个优选大致切向的加强环或加强部件。

10.制造管段的方法，所述管段用于根据前述权利要求中任一项所述的真空管运输系统的管，所述方法包括以下步骤：

通过热轧制造具有适当厚度和性能的热轧钢带，以用于制造预制钢管壁部件；

可选地酸洗热轧钢带；

可选地例如通过热浸镀锌而为热轧钢带提供金属涂层；

从热轧钢带切割用于制造预制钢管壁部件的坯料；

通过在轴向边缘上提供凸缘而将坯料形成为预制钢管壁部件，并且

i.在轴向上提供可选的一个或多个扭结，和/或

ii.在切向方向上提供可选的曲率和/或

iii.例如通过滚压成型而在轴向上提供可选的加强肋，

将预制钢管壁部件的轴向边缘附接到相邻的预制钢管壁部件的邻接的轴向边缘，以形成完整的环形管段(1)，

可选地为钢带、预制钢管壁部件或管段提供有机涂层。

11.一种通过连接多个根据权利要求10制造的管段(1)而制造真空管运输系统的管的方法，所述管在使用中接近真空。

12.一种通过连接多个根据权利要求10制造的管段(1)而制造真空管运输系统的管的方法，所述管在使用中接近真空，并且具有非恒定直径，其中所述管段(1)的至少一部分具有非恒定的直径，优选地，其中具有非恒定直径的管部分是通过焊接或通过将一个管段螺栓连接到下一个管段而形成的凹形管部分，优选地是悬链曲面管部分。

13.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述坯料具有弯曲的轴向边缘，并且其中所述坯料被压制成在所述轴向边缘上具有凸缘的弯曲形状，以制造预制钢管壁部件(2)，在将预制钢管壁部件的轴向边缘(6、7)附接到相邻的预制钢管壁部件的邻接的轴向边缘之后，所述预制钢管壁部件形成渐缩的管段(1)，该渐缩管段适合于制造凹形管部分，优选地为悬链曲面管部分。

14.根据权利要求1至9中任一项所述的管在ETT系统中的用途。

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