随着经济与科技的高速发展，人类对于交通工具的速度要求不断提升。从1817年英国人修建自利物浦到曼彻斯特的第一条铁路线开始，轨道交通在人类发展史中起着举足轻重的作用，人类对轨道交通的速度追求也从来没有停止，从低速的绿皮火车到高速列车，人类可以在几个小时内穿梭几个城市，如今，轨道交通又迎来了新的发展纪元，人类计划将列车放进真空管道内，利用磁悬浮技术让列车彻底告别轮子的束缚，将速度提至史无前例的高度。
真空管道高速飞行列车（简称飞行列车）是一种新型轨道交通技术，可实现磁浮列车在接近真空的低压管道内全天候以低机械磨擦、低空气阻力、低噪声模式超高速（超过1000km/h）运行。2013年，特斯拉汽车首席执行官艾伦bull;马斯克发布“Hyperloop Alpha”白皮书，提 出 一 种“Hyperloop”超级高铁方案，真空管道超高速交通开始引起人们的广泛关注。目前中国、美国、日本等国正加大力度推进真空管道交通的实用化进程。2017年，美国Hyperloop One在拉斯维加斯北部建成第一条Hyperloop测试真空管。美国超级高铁公司HTT已在美国、法国、阿联酋等国家签署了超级高铁建设协议，并在2018年与贵州铜仁签约，双方将共同建设一条长度不超过10km的商业真空管道超级高铁线路。中国航天科工集团公司在第三届中国（国际）商业航天高峰论坛上表示将开展“高速飞行列车”的研究论证。高速飞行列车项目的落地将按照最大运行速度1000、2000、4000km/h三步走战略逐步实现。2018年，航天科工三院与吉利集团签署项目合作框架协议，双方将共同致力于高速飞行列车的研发。
由于飞行列车在真空管道内运行，人类无法直接暴露在真空环境下，高速飞行列车进站到达停车区域后，列车车门通过登车桥与站台处的隔离门实现对接，廊桥复压至大气压后人员由此上下。登车桥驱动装置设计时需综合考虑接驳系统对决定旅行时间的旅途时间、场站通达时间、安检登车时间、频次、正常率、安全性等要素的影响。所以乘客从正常环境的站台处如何通过真空环境进入列车成为飞行列车投入使用必须要解决的问题。本设计就是基于这样的情景，针对能够完成接驳乘客上下列车的接驳廊桥进行的一项设计。为了不影响列车的正常运行，接驳廊桥在非工作状态时距离列车运行轨道的垂直距离并不为零，当列车到站停稳后，接驳廊桥需要与列车进行对接，执行这一行为的驱动装置就是本设计的主要任务。驱动装置除了承受载荷运动之外，还需要为密封提供一定的压力，装置在高频率运行状态下的稳定性研究，结构的具体设计，使廊桥的运动过程平稳，驱动速度不宜过快否则加速过大会减短使用寿命，也不宜过慢，否则会影响乘客上下车的速度。同时站台上隔绝正常环境与管道内真空环境的隔离门同样也需要驱动装置的驱动，这也是本设计的内容之一。
目前这一技术尚处在设计试验阶段，没有成熟可供借鉴的先例，所有的设计任务都要从零开始，这无疑是一个挑战，但同时，正因为这样，提前进行技术储备、进行产品设计有助于我们国家在这一领域能够快速地追上甚至领先其他国家，在专业领域取得优势的同时，也能为国家的发展大计做出贡献。
- 选题背景和意义：
- 课题关键问题及难点：
关键问题：
驱动装置在廊桥运动方向的垂直方向上要减小可能存在的误差，廊桥需经常开闭，运动时间约1min（仅指对接廊桥运动时间，不包括安全检测、开车门等动作），廊桥伸缩距离约100mm，人员需从廊桥内通过，相关漏气情况不会引起较大气动噪声，冲击力，不会引起人员的安全及舒适性问题，同时廊桥需能承受乘客引起的冲击力。电机在工作时会产生大量的热，当电机处于正常环境中工作时，电机可以通过空气介质进行有效散热，但是当电机的工作环境是真空环境时，由于真空环境缺少空气作为介质，电机持续工作热量无法及时有效地散失，造成电机温度持续升高，严重情况下会造成电机烧毁。站台隔离门需要准确到达关闭位置，是密封机构能够正常工作，站台隔离门隔离的是真空环境与正常环境，所以隔离门需要应对一个大气压左右的压力，可能会对站台隔离门的驱动装置造成压力。
难点：
- 廊桥对接结构需在列车停靠后准确对上列车车门，其中列车停靠误差在厘米级别
- 真空环境对滚珠丝杠工作状态的影响；
- 廊桥整体结构及重量较大，滚珠丝杠结构能否满足要求
- 廊桥对接有一定精度要求，滚珠丝杠的精度能否实现
- 列车停靠较频繁的情况下，滚珠丝杠的散热问题
- 文献综述（或调研报告）：
早在二十世纪初，罗伯特·戈达德（Robert Goddard）就率先提出在波士顿至纽约之间修建一条真空管道铁路线，1934年德国人赫尔曼·肯佩尔（Herman Kemper）在其磁悬浮列车技术专利中阐述了采用管道抽真空法来实现目标速度为1000km/h的想法[1]。20世纪60年代，美国麻省理工学院的研究人员提出建设真空管道磁悬浮线路的设想，1974年，工程师鲁道夫·尼特（Rodolphe Nieth ）提出瑞士超高速地铁建设工程并进行初步可行性研究。1999年，美国工程师达里尔·奥斯特（Daryl Oster）获得真空管道运输系统发明专利。到了二十一世纪，美国特斯拉公司与太空探索技术公司创始人埃隆·马斯克（Elon Musk）提出“超级高铁（Hyperloop）”的初始计划方案，并参与加州高铁项目的竞争，全球再次掀起了一次真空管道交通热潮，各国也都积极参与此项目研究，但都处于初步工程探索阶段[2]-[6]。2017年8月底，中国航天科工集团公司声称将研制新一代交通工具——高速飞行列车（T-flight）,其设计时速最高将达4000千米。[7]作为一项主要面对乘客的新兴技术，真空管道飞行列车在与人友好方面重要性便不言而喻。列车到站后车身依然处于真空环境中，所以乘客需要接驳廊桥从站台进入列车内，本课题就是旨在解决如何实现接驳廊桥由站台侧向列车移动而后对接列车，即飞行列车登车廊桥驱动装置的设计。
登车廊桥需要在真空管道内，从站台方向向列车移动，实现登车廊桥与列车的对接并锁紧密封，待廊桥内充气复压完毕后站台侧的隔离门打开，乘客通过登车廊桥进入车厢或进入站台。在这个过程中，登车廊桥的前进以及隔离门的开关都需要驱动装置来完成一系列动作，为了能够达到上述要求预备选择使用滚珠丝杠结构，滚珠丝杠由于定位精度和传动效率高、寿命长、发热少、摩擦因数小等优点成为完成课题的第一考虑方案[8]。
滚珠丝杠副又被称为滚珠丝杆副、滚珠螺杆副。它是由丝杠和螺母两个配套组成的如图1所示，也是目前传动机械中精度最高也是最常用的螺旋传动装置[9]。随着技术的进步，滚珠丝杠副的精度得到了大幅度的提升，其应用范围也在不断地扩大，比如在半导体、液晶显示装置、机器人等机电领域的应用已经相当广泛，另外在航天、核能等特殊环境中使用滚珠丝杠也已经相当普遍[10]。滚珠丝杠副由滚珠丝杠、滚动导轨、轴承、工作台、丝杠螺母等零部件连接而成，滚珠丝杠属于细长杆件，使得进给系统的径向刚度小于轴向刚度，系统径向更容易产生较大振动[11-12] ，丝杠通过摩擦力驱动滚珠自装和公转，同时沿轴向作直线运动,滚珠两端齿轮和内齿圈啮合，使滚珠与螺母之间为滚动摩擦，而丝杠与滚珠之间没有确定的相对运动关系，同时存在滑动和滚动现象，在加速和减速等非稳态运行阶段摩擦力矩急剧上升，直接影响其传动效率和寿命[13-14]。因此在后续的设计中，滚珠丝杠的径向振动需要被着重注意，因为滚珠丝杠在驱动登车廊桥时可能收到来自登车廊桥本身的重量，同时由于有乘客通过登车廊桥，变力作用在滚珠丝杠径向可能会产生的径向振动位移等问题都需要考虑。同时，因滚珠丝杠在诸多领域的应用已经具备一定的成熟性，相关技术也比较完备，为本次设计提供了许多有利的参考。
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