磁懸浮列車(chē)的研制

磁懸浮列車(chē)的研制

2001年3月1日，上海磁浮列車(chē)商業(yè)輸送線挖掘出第一名框架。2001年8月14日,我國(guó)首輛磁懸浮客車(chē)在長(zhǎng)春客車(chē)廠竣工下線。2002年12月31日,上海磁懸浮示范運(yùn)營(yíng)線舉行通車(chē)典禮,行車(chē)30km只用了8min,最高運(yùn)行速度430km/h。一種新興的高速地面運(yùn)載工具——磁懸浮列車(chē)離人們?cè)絹?lái)越近了。1磁懸浮鐵路發(fā)展歷程磁懸浮鐵路的產(chǎn)生源于人們對(duì)輪軌粘著式鐵路局限性的認(rèn)識(shí)。傳統(tǒng)的輪軌粘著式鐵路是利用車(chē)輪與鋼軌之間的粘著力使列車(chē)前進(jìn)的。其粘著系數(shù)隨列車(chē)速度的增加而減小,走行阻力卻隨列車(chē)速度的增加而增大。當(dāng)車(chē)速增至粘著系數(shù)曲線和走行阻力曲線的交點(diǎn)時(shí),就達(dá)到了極限。為了解決這一難題,20世紀(jì)60年代初,一些國(guó)家開(kāi)始著手研究非粘著式超高速鐵路。磁懸浮鐵路就是非粘著式鐵路的一種。迄今為止,對(duì)磁懸浮鐵路進(jìn)行過(guò)研究的國(guó)家主要有日本、德國(guó)、英國(guó)、加拿大、美國(guó)、前蘇聯(lián)和中國(guó)。當(dāng)前,日本和德國(guó)處于領(lǐng)先地位,而美國(guó)和前蘇聯(lián)則分別在70年代、80年代放棄了研究計(jì)劃。1.1磁懸浮電機(jī)研制和試驗(yàn)歷程德國(guó)(當(dāng)時(shí)的聯(lián)邦德國(guó))對(duì)磁懸浮列車(chē)的研究始于1968年。在研究的初期,常導(dǎo)和超導(dǎo)并重。到了1977年,先后研制出常導(dǎo)吸引式和超導(dǎo)相斥式試驗(yàn)車(chē)輛,試驗(yàn)時(shí)的最高時(shí)速達(dá)到400km。后來(lái),經(jīng)過(guò)分析比較,認(rèn)為超導(dǎo)磁懸浮鐵路所需的技術(shù)水平太高,短期內(nèi)難以取得較大進(jìn)展,遂決定集中力量發(fā)展常導(dǎo)磁懸浮鐵路。1969年,聯(lián)邦德國(guó)交通部正式提出了“大通過(guò)能力高速鐵路的研究”發(fā)展計(jì)劃。1971年,制造出世界上第1臺(tái)磁懸浮列車(chē)模型TR01。1975年,開(kāi)發(fā)研制和試驗(yàn)第1臺(tái)長(zhǎng)定子電磁直線電機(jī)。1976年,生產(chǎn)出第1臺(tái)裝有長(zhǎng)定子直線電機(jī)的載人試驗(yàn)車(chē)HMB2。用18個(gè)月造出了第1列長(zhǎng)27m、有70個(gè)座位的2節(jié)磁懸浮示范車(chē)TR05,并在長(zhǎng)900m、架高4.7m的鋼軌上進(jìn)行了為期3個(gè)星期的正點(diǎn)持續(xù)運(yùn)行,共輸送旅客50000多人次,車(chē)速達(dá)到了100km/h。1984年,埃姆斯蘭特磁懸浮列車(chē)試驗(yàn)線投入使用,開(kāi)始用TR06做行車(chē)試驗(yàn),8月17日達(dá)到302km/h的速度。1987年,埃姆斯蘭特磁懸浮列車(chē)試驗(yàn)線第2期施工最終完成并投入使用,并開(kāi)始組裝TR07號(hào)。11月11日,TR06號(hào)達(dá)到了406km/h的速度。1988年1月22日,TR06號(hào)創(chuàng)下了412.6km/h的載人磁懸浮列車(chē)運(yùn)行速度的世界記錄。1989年,TR07號(hào)在埃姆斯蘭特試驗(yàn)線上開(kāi)始試驗(yàn)。德國(guó)曾計(jì)劃修建柏林—漢堡長(zhǎng)300km的常導(dǎo)磁懸浮鐵路。2000年2月5日,德國(guó)政府以“錯(cuò)誤估計(jì)乘客人數(shù)”和“建設(shè)費(fèi)太高”為由放棄。2002年1月21日,德國(guó)政府通過(guò)了巴伐利亞州與北威州磁懸浮項(xiàng)目可行性研究報(bào)告,認(rèn)為在交通、經(jīng)濟(jì)上都具有積極意義,考慮予以財(cái)政支持。巴伐利亞州擬修建從慕尼黑市區(qū)到飛機(jī)場(chǎng)全長(zhǎng)36.8km的磁懸浮鐵路,預(yù)算價(jià)格為16億歐元,其中軌道建設(shè)費(fèi)14億歐元。北威州擬修建從杜塞爾多夫—多特蒙德全長(zhǎng)78.9km的地下磁懸浮鐵路,途經(jīng)扎伊森堡、穆勒海姆、埃森和波鴻等6個(gè)車(chē)站,預(yù)算費(fèi)用為32億歐元,軌道建設(shè)費(fèi)26億歐元。以上2條線路計(jì)劃在2006年德國(guó)世界杯前完工,但估計(jì)建設(shè)時(shí)間需要8年。1.2磁懸浮鐵路工程日本于1962年開(kāi)始研究常導(dǎo)磁懸浮鐵路。此后由于超導(dǎo)技術(shù)的迅速發(fā)展,從70年代初開(kāi)始轉(zhuǎn)而研究超導(dǎo)磁懸浮鐵路。1972年首次成功地進(jìn)行了超導(dǎo)磁懸浮列車(chē)試驗(yàn),其速度達(dá)到50km/h。1977年12月,在宮崎磁懸浮鐵路試驗(yàn)線上最高速度達(dá)到了204km/h。1979年12月達(dá)到了517km/h。1982年11月,磁懸浮列車(chē)載人試驗(yàn)獲得成功。1995年,載人磁懸浮列車(chē)試驗(yàn)最高速度達(dá)到411km/h。為了進(jìn)行東京—大阪間修建磁懸浮鐵路的可行性研究,于1990年又著手建設(shè)山梨磁懸浮鐵路試驗(yàn)線。首期18.4km長(zhǎng)的試驗(yàn)線已于1996年全部建成,從1997年始,已進(jìn)行過(guò)多次試驗(yàn)。1999年2月10日,在山梨線進(jìn)行的時(shí)速500km、荷載270人的5節(jié)磁懸浮列車(chē)運(yùn)行試驗(yàn)取得成功。至2002年2月20日,MLX01號(hào)車(chē)已在山梨線無(wú)故障行車(chē)20000km,并創(chuàng)造了數(shù)個(gè)行車(chē)記錄:載人行車(chē)速度為531km/h,無(wú)人行車(chē)速度為550km/h,交錯(cuò)車(chē)相對(duì)速度為1003km/h。日本曾計(jì)劃修建東京—大阪速度達(dá)500km/h的高速磁懸浮鐵路,預(yù)算費(fèi)用為8兆億日元。由于高額的建設(shè)費(fèi)用及經(jīng)濟(jì)效益問(wèn)題,該項(xiàng)目遲遲未能動(dòng)工。1.3英特納雄納爾車(chē)站列車(chē)情況與日本和德國(guó)相比,英國(guó)對(duì)磁懸浮鐵路的研究起步較晚,1973年才開(kāi)始。但是,英國(guó)則是最早將磁懸浮鐵路投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)的國(guó)家之一。1984年4月,伯明翰機(jī)場(chǎng)至英特納雄納爾車(chē)站之間1條600m長(zhǎng)的磁懸浮鐵路正式通車(chē)營(yíng)業(yè)。旅客乘坐磁懸浮列車(chē)從伯明翰機(jī)場(chǎng)到英特納雄納爾火車(chē)站僅需90s。令人遺憾的是,在1995年,這趟一度是世界上惟一從事商業(yè)運(yùn)營(yíng)的磁懸浮列車(chē)在運(yùn)行了11年之后被宣布停止?fàn)I業(yè),其運(yùn)送旅客的任務(wù)由機(jī)場(chǎng)班車(chē)所取代。1.4車(chē)橋磁懸浮客車(chē)轉(zhuǎn)向架我國(guó)從20世紀(jì)80年代開(kāi)始了常導(dǎo)磁懸浮列車(chē)的研究。1992年國(guó)家正式將磁懸浮列車(chē)關(guān)鍵技術(shù)研究列入“八五”攻關(guān)計(jì)劃,成立了磁懸浮列車(chē)“八五”攻關(guān)課題組。1994年10月,西南交通大學(xué)建成了我國(guó)首條磁懸浮鐵路試驗(yàn)線,并同時(shí)開(kāi)展磁懸浮列車(chē)的載人試驗(yàn)。1995年,國(guó)防科技大學(xué)在株洲電力機(jī)車(chē)研究所的支持下,花了90萬(wàn)元研制成1臺(tái)磁轉(zhuǎn)向架,首次實(shí)現(xiàn)了全尺寸單轉(zhuǎn)向架的載人運(yùn)行。4個(gè)磁轉(zhuǎn)向架可承載1輛14m長(zhǎng)的磁懸浮車(chē)。2001年2月10日,國(guó)家“863”計(jì)劃課題《高溫超導(dǎo)磁懸浮試驗(yàn)車(chē)》又在西南交通大學(xué)通過(guò)了驗(yàn)收。該車(chē)是2000年12月底在西南交通大學(xué)研制成功的,采用的是國(guó)產(chǎn)高溫超導(dǎo)體塊材,液氨工作溫度為77K,車(chē)輛懸浮重量為530kg,懸浮凈高度為23mm。加速度為1m/s2,直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)。首次試驗(yàn)研究了YBCO高溫超導(dǎo)體塊用在磁導(dǎo)軌上的磁懸浮性能,為高溫超導(dǎo)磁懸浮試驗(yàn)車(chē)的研制成功奠定了堅(jiān)實(shí)的科學(xué)基礎(chǔ)。塊材達(dá)到并超過(guò)了國(guó)際商業(yè)產(chǎn)品應(yīng)用水平。我國(guó)首輛磁懸浮客車(chē)是由西南交通大學(xué)、長(zhǎng)春客車(chē)廠和株洲電力機(jī)車(chē)研究所共同研制的,該車(chē)將用于成都青城山旅游區(qū)磁懸浮列車(chē)示范線的商業(yè)運(yùn)營(yíng)。該車(chē)為常導(dǎo)式磁懸浮車(chē)。長(zhǎng)客廠共要生產(chǎn)2輛磁懸浮列車(chē),這只是其中的1輛。該車(chē)的車(chē)體長(zhǎng)11.2m,寬2.6m,內(nèi)設(shè)28個(gè)座位,載重2t,運(yùn)營(yíng)速度為60km/h～100km/h。該車(chē)?yán)秒姶盼κ管?chē)輛浮起,與軌道間距始終保持為8mm～10mm。采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng),其速度取決于直線電機(jī)的牽引力。采用鋁合金板焊接車(chē)體,重量輕,僅16t。該車(chē)將在都江堰—青城山進(jìn)行各項(xiàng)性能試驗(yàn),試驗(yàn)周期持續(xù)1年,完成各項(xiàng)性能試驗(yàn)后將投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)。2列車(chē)造價(jià)比地鐵低磁懸浮列車(chē)實(shí)際上是依靠電磁吸力或電磁斥力將列車(chē)懸浮于空中并進(jìn)行導(dǎo)向,實(shí)現(xiàn)列車(chē)與地面軌道間的無(wú)機(jī)械接觸,再利用線性電機(jī)驅(qū)動(dòng)列車(chē)運(yùn)行。雖然磁懸浮列車(chē)仍然屬于陸上有軌交通運(yùn)輸系統(tǒng),并保留了軌道、道岔和車(chē)輛轉(zhuǎn)向架及懸掛系統(tǒng)等許多傳統(tǒng)機(jī)車(chē)車(chē)輛的特點(diǎn),但由于列車(chē)在牽引運(yùn)行時(shí)與軌道之間無(wú)機(jī)械接觸,因此從根本上克服了傳統(tǒng)列車(chē)輪軌粘著限制、機(jī)械噪聲和磨損等問(wèn)題,是一種新型的載運(yùn)工具,其速度介于輪軌高速列車(chē)(400km/h)與飛機(jī)(700km/h)之間,而造價(jià)比地鐵低。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。磁懸浮列車(chē)按懸浮方式可分為常導(dǎo)磁吸型和超導(dǎo)排斥型兩大類(lèi)。常導(dǎo)磁吸型以德國(guó)高速常導(dǎo)磁懸浮列車(chē)TransRapid為代表。它是利用普通直流電磁鐵電磁吸力的原理,由車(chē)上常導(dǎo)電流產(chǎn)生電磁引力,吸引軌道下的導(dǎo)磁體,使列車(chē)浮起。常導(dǎo)磁吸型技術(shù)較簡(jiǎn)單,產(chǎn)生的電磁吸力相對(duì)較小,懸浮的氣隙較小,一般為8mm～10mm。常導(dǎo)型高速磁懸浮列車(chē)的速度可達(dá)400km/h～500km/h,適合于城市間的長(zhǎng)距離快速運(yùn)輸。超導(dǎo)排斥型磁懸浮列車(chē)以日本MagLev為代表。它是利用超導(dǎo)磁體產(chǎn)生的強(qiáng)磁場(chǎng)在列車(chē)運(yùn)行時(shí)與布置在地面上的線圈相互作用,產(chǎn)生電動(dòng)斥力將列車(chē)懸起,懸浮氣隙較大,一般為100mm左右,技術(shù)相當(dāng)復(fù)雜,并需屏蔽發(fā)散的電磁場(chǎng),速度可達(dá)500km/h以上。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)磁懸浮列車(chē)的最主要特征就是其超導(dǎo)元件在相當(dāng)?shù)偷臏囟认滤哂械耐耆珜?dǎo)電性和完全抗磁性。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(wú)法比擬的強(qiáng)大電流。磁懸浮列車(chē)的研究和制造涉及自動(dòng)控制、電力電子技術(shù)、直線推進(jìn)技術(shù)、機(jī)械設(shè)計(jì)制造、故障檢測(cè)與診斷、通訊與信號(hào)控制等眾多學(xué)科,技術(shù)十分復(fù)雜。3磁懸浮系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)及不足磁懸浮列車(chē)與輪軌列車(chē)相比具有以下優(yōu)勢(shì):(1)速度快。常導(dǎo)磁懸浮列車(chē)運(yùn)行速度可達(dá)400km/h～500km/h;超導(dǎo)磁懸浮列車(chē)運(yùn)行速度可達(dá)500km/h～600km/h。輪軌列車(chē)速度一般在400km/h以下。在運(yùn)距1000km～1500km的范圍內(nèi),磁懸浮列車(chē)可與飛機(jī)競(jìng)爭(zhēng)。(2)運(yùn)行成本和能耗低。由于沒(méi)有輪子、無(wú)摩擦等因素,它比目前最先進(jìn)的高速列車(chē)省電30%。據(jù)德國(guó)資料介紹,在300km/h速度下,磁懸浮列車(chē)比ICE3能耗少28%;在500km/h速度下,每座位每公里的能耗僅為飛機(jī)的三分之一至二分之一,比汽車(chē)也少耗能30%。(3)維修少。磁懸浮列車(chē)屬于無(wú)磨損運(yùn)行,需要維修的主要是電氣設(shè)備。隨著電子工業(yè)的發(fā)展,電子元件的可靠性將不斷提高。因此,磁懸浮列車(chē)的維修工作量較少。(4)有利于環(huán)保。磁懸浮列車(chē)采用電力驅(qū)動(dòng),無(wú)需燃油,無(wú)有害氣體排放。它在運(yùn)行時(shí)不與軌道發(fā)生摩擦,所以發(fā)出的噪聲很低。(5)安全性高。磁懸浮列車(chē)在軌道上運(yùn)行,按飛機(jī)的防火標(biāo)準(zhǔn)實(shí)行配置。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了其不會(huì)出軌,具有較高的安全性。(6)轉(zhuǎn)彎半徑小,爬坡能力強(qiáng)。由于磁懸浮高速列車(chē)具有較高的爬坡能力(10%,而一般鐵路為3%)和較小的曲線半徑(速度300km/h時(shí),磁懸浮鐵路為R2350m,傳統(tǒng)鐵路為R3350m),因而其線路對(duì)地形的適應(yīng)性非常靈活。(7)具有乘坐舒適、啟動(dòng)快、制動(dòng)快等優(yōu)點(diǎn)。磁懸浮列車(chē)主要存在以下不足之處:(1)高風(fēng)險(xiǎn),高投資。磁懸浮鐵路所需的投入較大,利潤(rùn)回收期較長(zhǎng),投資的風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)也較高,因而也在一定程度上影響了投資者的信心,制約了磁懸浮鐵路的發(fā)展。磁懸浮鐵路造價(jià)相當(dāng)高,德國(guó)和日本分別認(rèn)為磁懸浮鐵路比輪軌鐵路高1.7倍和2倍。柏林—漢堡線,1997年預(yù)算為89億馬克,第2年就追加了10%,達(dá)到98億馬克。1999年重新核算后,起碼還要追加30億馬克。日本的東京—大阪線,預(yù)算為8兆億日元。磁懸浮列車(chē)在應(yīng)用中無(wú)實(shí)例可供借鑒,運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)大。1998年8月,全長(zhǎng)270km的悉尼—堪培拉線競(jìng)標(biāo)中,德國(guó)的磁懸浮方案比法國(guó)的TGV輪軌列車(chē)還要低。澳大利亞出于風(fēng)險(xiǎn)考慮,最終選擇了TGV。(2)兼容性差。無(wú)法與既有鐵路網(wǎng)連通,只適應(yīng)于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的直通客流。(3)可靠性需檢驗(yàn)。由于磁懸浮系統(tǒng)是以電磁力完成懸浮、導(dǎo)向和驅(qū)動(dòng)功能的,斷電后磁懸浮的安全保障措施尤其是列車(chē)停電后的制動(dòng)問(wèn)題仍然是要解決的問(wèn)題。其高速穩(wěn)定性和可靠性還需很長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行考驗(yàn)。(4)常導(dǎo)磁懸浮技術(shù)的懸浮高度較低,因此對(duì)線路的平整度、路基下沉量及道岔結(jié)構(gòu)方面的要求較超導(dǎo)技術(shù)高。(5)超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)由于渦流效應(yīng)懸浮能耗較常導(dǎo)技術(shù)更大,故冷卻系統(tǒng)較重。(6)磁懸浮列車(chē)還有運(yùn)量小、不便擴(kuò)容、難以進(jìn)入市中心等缺點(diǎn)。4經(jīng)濟(jì)效益分析任何一項(xiàng)新的發(fā)明創(chuàng)造,要想使其真正發(fā)揮作用,走入人們的生活之中,必須要經(jīng)歷理論、技術(shù)、實(shí)用以及是否經(jīng)濟(jì)4個(gè)階段的檢驗(yàn)。當(dāng)前,在一些國(guó)家如日本、德國(guó)等,修建磁懸浮鐵路從技術(shù)上已基本不存在問(wèn)題,并且也開(kāi)始進(jìn)入到實(shí)用性階段。但就目前來(lái)看,磁懸浮鐵路要實(shí)現(xiàn)成為一種大眾化交通工具的目標(biāo),尚有一段距離要走。從經(jīng)濟(jì)效益角度來(lái)分析,磁懸浮鐵路當(dāng)前只在旅游等特殊行業(yè)具有商業(yè)價(jià)值,還不具備大規(guī)模興建的經(jīng)濟(jì)可行性。然而,也應(yīng)該看到,隨著超導(dǎo)材料和超低溫技術(shù)的發(fā)展,修建磁懸浮鐵路的成本有可能大大降低。屆時(shí),磁懸浮鐵路作為一種快速、舒適的“綠色交通工具”,或許就真的會(huì)實(shí)現(xiàn)了。目前,世界上致力于研究磁懸浮技術(shù)并修建試驗(yàn)線的國(guó)家只有德國(guó)、日本和中國(guó),但是至今還沒(méi)有一條投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)的磁懸浮鐵路。德國(guó)原計(jì)劃修建的柏林—漢堡線曾于2000年2月5日宣布下馬,不得不令人們對(duì)磁懸浮鐵路的實(shí)用性表示懷疑。日本的東京—大阪線、美國(guó)的洛杉磯—拉斯維加斯線以及巴黎—布魯塞爾—科隆/阿姆斯特丹線也由于種種原因遲遲未能動(dòng)工。這其中的原因主要是經(jīng)濟(jì)效益和高額的投資,以及與既有鐵路網(wǎng)的兼容問(wèn)題。而我國(guó)的京滬高速鐵路線是否采用磁懸浮技術(shù),經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)專家近4年的論證,至今未有定論。5發(fā)展輪軌技術(shù)和磁懸浮鐵路是投資鐵路發(fā)展的先導(dǎo)力量(1)磁懸浮列車(chē)的發(fā)展應(yīng)逐步推進(jìn),先建設(shè)一定數(shù)量的較短的試驗(yàn)線,待積累一定的運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)后,再建設(shè)較長(zhǎng)的主干線。應(yīng)避免急功近利,一擁而上。(2)我國(guó)的輪軌技術(shù)