基于常導(dǎo)電磁吸引型懸浮系統(tǒng)的中低速磁懸浮列車

基于常導(dǎo)電磁吸引型懸浮系統(tǒng)的中低速磁懸浮列車

1磁懸浮車組成、特點及應(yīng)用趨勢磁浮列車是一種使用無接觸電磁浮、導(dǎo)向和電機(jī)系統(tǒng)的列車。它速度快、爬坡能力強(qiáng)、能耗低、運行噪聲小、安全舒適、不燃油、污染少,并且主要采用高架方式,占用的耕地很少。由于列車在牽引運行時與軌道之間無機(jī)械接觸,從根本上克服了傳統(tǒng)列車輪軌粘著限制、機(jī)械噪聲和磨損以及輪軌傳動機(jī)構(gòu)維護(hù)成本高等問題。所以,它正在成為人們夢寐以求的理想的陸上交通工具。磁懸浮技術(shù)的研究源于德國,1922年德國工程師赫爾曼·肯佩爾提出了電磁懸浮原理,1934年他申請了磁懸浮列車的專利,1953年完成科學(xué)報告《電子懸浮導(dǎo)向的電力驅(qū)動鐵路機(jī)車車輛》。20世紀(jì)70年代以后,世界工業(yè)化國家經(jīng)濟(jì)實力不斷加強(qiáng),為提高交通運輸能力以適應(yīng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要,德國、日本、美國、加拿大、法國、英國等發(fā)達(dá)國家相繼開始對磁懸浮運輸系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā),并取得令人矚目的進(jìn)展。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。按照懸浮系統(tǒng)的設(shè)計方式不同,磁懸浮技術(shù)主要分為超導(dǎo)斥力懸浮型、常導(dǎo)電磁吸引懸浮型和常導(dǎo)電磁斥力懸浮型。超導(dǎo)斥力懸浮型列車的懸浮氣隙較大,一般為100mm左右,速度可達(dá)500km/h以上,采用直線同步電機(jī)驅(qū)動,以日本MAGLEV為代表,主要應(yīng)用于城市間的長距離快速運輸。常導(dǎo)電磁吸引懸浮型列車則有兩個應(yīng)用方向:一個是以德國蒂森公司TANSRAPID為代表的高速城間軌道交通運輸系統(tǒng),采用長定子型直線同步電機(jī)驅(qū)動,懸浮氣隙為10mm,速度為430km/h左右,實際應(yīng)用線路有上海浦東國際機(jī)場線;另一個是以日本伊騰忠公司代理的HSST為代表的中低速城市軌道交通運輸系統(tǒng),以短定子型直線感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動,懸浮氣隙為8mm,速度為100km/h左右,實際應(yīng)用線路有日本東部丘陵線(從藤丘至八草)。常導(dǎo)電磁斥力型懸浮系統(tǒng)以美國磁浮飛機(jī)制造公司開發(fā)的magplane為代表,氣隙為200mm,速度為100～500km/h,采用直線同步電機(jī)驅(qū)動,但沒有經(jīng)過試驗線的實際運行測試。2中國車輛中低濃度磁懸浮列車使用的進(jìn)展由于常導(dǎo)電磁斥力型懸浮系統(tǒng)目前還沒有達(dá)到實用程度,而包括中國在內(nèi)的大多數(shù)國家都在沿著常導(dǎo)電磁吸引型的技術(shù)路線開展研究,因此,下面主要基于常導(dǎo)電磁吸引型懸浮系統(tǒng)介紹中低速磁懸浮列車。2.1懸浮模塊的控制中低速磁懸浮列車主要應(yīng)用于城市內(nèi)部軌道交通系統(tǒng),列車速度為100～150km/h左右,其主要技術(shù)原理如下。2.1,1采用常導(dǎo)電磁吸引型懸浮系統(tǒng)(EMS)每個車廂設(shè)有數(shù)個實現(xiàn)了解耦控制的獨立的懸浮模塊,懸浮模塊的工作原理如圖1所示,通過它與F型軌道兩翼的電磁吸力作用實現(xiàn)列車懸浮。同時,F型軌道兩翼的U型設(shè)計,使懸浮模塊除垂直浮升外,也起到橫向?qū)虻淖饔?。在懸浮模塊上有專用的位置傳感器采集懸浮模塊和F型軌道之間的間隙,傳感器反饋值送入MDU(電磁懸浮模塊驅(qū)動控制器),經(jīng)計算后調(diào)整懸浮模塊電磁線圈的電流,保證懸浮間隙控制在8～10mm的恒定值。懸浮系統(tǒng)的工作狀態(tài)與列車運行速度無關(guān)。2.1.2短子系統(tǒng)型直線感應(yīng)電機(jī)系統(tǒng)系統(tǒng)驅(qū)動運用和直線電機(jī)輪軌交通類似的短定子型直線感應(yīng)電機(jī)系統(tǒng),如圖1所示,定子和懸浮模塊一起安裝在車輛的轉(zhuǎn)向架上,軌道敷設(shè)鋁覆式感應(yīng)板作為電機(jī)的轉(zhuǎn)子。2.1.3車輛段自動接發(fā)與傳統(tǒng)的列車系統(tǒng)一樣,磁浮列車系統(tǒng)可以根據(jù)制定的乘客發(fā)送量,采用先進(jìn)的移動閉塞信號系統(tǒng),實現(xiàn)列車無人駕駛、最短行車間隔、車輛段自動接發(fā)車。2.1.4自動調(diào)整懸掛模塊的轉(zhuǎn)向，并執(zhí)行徑向旋轉(zhuǎn)功能懸浮模塊通過空氣彈簧系統(tǒng)與車輛連接,能夠根據(jù)列車與軌道之間的夾角自動調(diào)整懸浮模塊的轉(zhuǎn)角,使列車自然通過曲線(見圖2)。2.2低速磁懸浮液的優(yōu)點2.2.1系統(tǒng)噪聲對比(1)系統(tǒng)省去車輪支撐和傳動機(jī)構(gòu),避免了車輪和軌道的直接接觸,降低了振動和摩擦噪聲等污染,非常環(huán)保。這種優(yōu)勢隨著系統(tǒng)運營時間的推移,輪軌系統(tǒng)磨耗加劇,更為明顯。地鐵車輛與磁懸浮車輛噪聲對照見表1。表1不同車輛系統(tǒng)噪聲對比(2)系統(tǒng)沒有輪軌機(jī)構(gòu)的保養(yǎng)和修理,運營維護(hù)優(yōu)于傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)和直線電機(jī)輪軌系統(tǒng),人工和設(shè)備成本降低,另外,由于車輛轉(zhuǎn)彎半徑小,車輛段占地面積大幅縮減,對于城市的社會和經(jīng)濟(jì)效益明顯。(3)系統(tǒng)爬坡性能強(qiáng),轉(zhuǎn)彎半徑小,適應(yīng)路況和環(huán)境條件能力強(qiáng),減小了線路規(guī)劃的難度。(4)系統(tǒng)車輛輕便,采用高架的線路形式時,其支柱截面遠(yuǎn)小于普通城市軌道交通系統(tǒng),土建施工成本降低,據(jù)伊藤忠公司介紹,以日本建筑造價為基準(zhǔn),該系統(tǒng)高架橋造價相對于普通輪軌系統(tǒng)造價減少40%。2.2.2車輛的性能與效率相對較低,但比現(xiàn)有系統(tǒng)的改造成本較低盡管擁有上述優(yōu)勢,現(xiàn)階段中低速磁懸浮技術(shù)也存在一些不足。(1)由于磁懸浮系統(tǒng)是以電磁力完成懸浮、導(dǎo)向和驅(qū)動功能的,因此提供電磁力的線圈以及電源系統(tǒng)的可靠性極為重要,同時,其相對于其他系統(tǒng)的耗電量增加(每輛車懸浮模塊額定功率約20kW)。(2)常導(dǎo)磁懸浮技術(shù)的懸浮高度較低,一般為8～10mm,因此對線路的平整度、路基下沉量及機(jī)械式道岔結(jié)構(gòu)方面提出的要求較高。(3)磁懸浮車輛長度較短,一般為15m左右,載客量不高,每節(jié)車輛定員約為100人左右,不能承擔(dān)高運量和大運量的運營任務(wù)。(4)當(dāng)前磁懸浮車輛還未國產(chǎn)化,在推動該項技術(shù)初期,車輛購置成本較高。如日本HSST車輛價格約為1700萬元(由日本國內(nèi)價格折算為人民幣)。3中低頻磁懸浮系統(tǒng)的應(yīng)用隨著各國軌道交通事業(yè)的發(fā)展,城市交通對軌道交通技術(shù)發(fā)展提出了更新的要求。中低速磁懸浮系統(tǒng)作為滿足大坡度、小半徑線路,生命周期綜合成本較低,建設(shè)速度較快,超安靜、高環(huán)保的軌道交通系統(tǒng),正日益成為城市軌道交通系統(tǒng)的理想選擇之一。世界上從事此項技術(shù)研究的主要國家的發(fā)展概況如下。3.1hsst系統(tǒng)的發(fā)展日本常導(dǎo)中低速電磁懸浮系統(tǒng)HSST的研究開始于1962年,并于1975年制造出概念車HSST-01,經(jīng)過30多年的研究改進(jìn),HSST系統(tǒng)經(jīng)歷了HSST-02、HSST-03、HSST-04、HSST-05及HSST-100S五次型號的更替,發(fā)展到現(xiàn)在的HSST-100L,并于2005年建成服務(wù)于世博會的東部丘陵線(從藤丘至八草),提供了下一代城市軌道交通運輸系統(tǒng)的成功范例(見圖3)。3.2磁浮列車技術(shù)的研究計劃美國的公路及空中航線四通八達(dá),交通十分便利,多年來不重視鐵路技術(shù)的發(fā)展,進(jìn)入20世紀(jì)90年代以后,美國對磁浮列車技術(shù)卻顯示了強(qiáng)烈興趣。美國國會開始支持磁浮列車技術(shù)的發(fā)展,聯(lián)邦政府也已組織了NMI(NationalMaglevInitiative)計劃,以確定政府該項技術(shù)的發(fā)展方向。美國數(shù)十家公司與實驗室(例如林肯實驗室、MITDraper實驗室、通用電氣公司、阿貢實驗室等)參與了此項研究計劃。目前,美國磁浮飛機(jī)制造公司開發(fā)出磁浮飛機(jī)的高速和中低速磁懸浮系統(tǒng),并聲稱在造價、列車特性等方面都優(yōu)于日本的HSST系統(tǒng),但仍未經(jīng)過試驗測試或?qū)嶋H應(yīng)用(見圖4)。3.3交通撬不內(nèi)在韓國最近幾年磁浮列車技術(shù)發(fā)展迅速。韓國發(fā)展磁浮列車的背景主要是為解決大城市交通問題。近年來由于汽車數(shù)量的急劇增加,已使韓國大城市的市區(qū)交通擁擠不堪。而韓國1993年承辦的國際博覽會,為促進(jìn)磁浮列車技術(shù)的發(fā)展提供了機(jī)會。為準(zhǔn)備該次展覽會,韓國Hyundi負(fù)責(zé)開發(fā)和建造磁浮車系統(tǒng),采用了類似HSST的技術(shù),車重23t,軌長520m,最高時速50km,載乘40人。另外,2005年韓國鐵路車輛企業(yè)Rotem和韓國機(jī)械研究院共同開發(fā)的磁懸浮列車,在1.3km長的鐵軌上成功地進(jìn)行了試運行,該車最高時速達(dá)110km/h,載客量可達(dá)135人。3.4年—中國中國中低速磁懸浮鐵路技術(shù)的研究起步較晚,也是采用與日本HSST類似的技術(shù)進(jìn)行研制。1994年西南交通大學(xué)成功地進(jìn)行了4個座位、自重4t、懸浮高度為8mm、時速為30km的磁懸浮列車試驗。2005年,又研制出長11.5m、寬2.6m、高3.3m、載客量60人(28個座位)、時速可達(dá)100km/h的新車型,并計劃在已修建完成的四川青城山419.9m長的試驗段上試運行。1998年12月,由鐵道科學(xué)研究院主持、長春客車廠等單位共同研制的長6.5m、寬3m、自重4t、內(nèi)設(shè)15個座位的6t單轉(zhuǎn)向架磁懸浮試驗車,在鐵道科學(xué)研究院軌距為2m、長36m的室內(nèi)磁懸浮實驗線路上成功地進(jìn)行了試驗,并通過了鐵道部科技成果鑒定。由北京控股磁懸浮技術(shù)發(fā)展有限公司和國防科技大學(xué)磁懸浮技術(shù)工程研究中心共同組織開發(fā)的改進(jìn)型常導(dǎo)中低速磁懸浮列車及其試車線順利完成,并于2005年6月通過了國家的初步驗收,見圖5。改進(jìn)的國產(chǎn)中低速磁懸浮技術(shù)采用了與日本HSST相同的鋁合金焊接車體、直線感應(yīng)電機(jī)、電磁吸引型懸浮方式、液壓式道岔機(jī)械轉(zhuǎn)換裝置,其主要技術(shù)和經(jīng)濟(jì)特性對比見表2～4。從表2～表4中可以看出,我國中低速磁懸浮技術(shù)參數(shù)基本和日本相當(dāng)。比如載客數(shù)量、列車設(shè)計時速、列車承載重量以及最小轉(zhuǎn)彎半徑等,尤其是經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的優(yōu)勢相當(dāng)明顯,不僅節(jié)省車輛采購費用,而且由于擁有自主知識產(chǎn)權(quán),對于實際線路的后期運營維護(hù)較為有利。但是由于沒有較長的試驗線路,這些指標(biāo)是否能夠完全達(dá)到還需要實際的運行檢驗。尤其是列車在設(shè)計時速下懸浮系統(tǒng)的穩(wěn)定性,過曲線、爬坡以及緊急制動時的表現(xiàn)。另外,系統(tǒng)長時間運行時,懸浮模塊和直線電機(jī)以及控制系統(tǒng)的可靠性也是一個重要的考慮因素。4應(yīng)用前景4.1國內(nèi)外運行進(jìn)展目前,我國磁懸浮技術(shù)的應(yīng)用還不是很廣泛,僅有一條已經(jīng)投入運營的磁懸浮列車線路,即上海浦東國際機(jī)場線。該線采用了德國蒂森公司的捷運系統(tǒng)(TRANSRAPID),設(shè)計時速和運行時速分別為505km和430km,總投資89億元,屬于高速城間運輸線。另外,在四川青城山修建了419.9m長的試驗線(西南交大試車線)。在長沙國防科技大學(xué)校內(nèi)也建有一條204m的實驗線,采用原定為北京八達(dá)嶺觀光線服務(wù)的試驗車,并已經(jīng)進(jìn)行了多年的低速試驗。近年來,國內(nèi)多個城市開始對中低速磁懸浮技術(shù)表現(xiàn)出濃厚的興趣,紛紛打算在城市新建的內(nèi)部軌道交通線路中予以嘗試。上海市政府在2005年6月,初步同意將上海軌道交通11號線南段(60km)或上海軌道交通2號線延伸段建設(shè)成為低速(城軌)磁浮示范應(yīng)用線。昆明市在其世博會會場規(guī)劃了一條全長2km的低速磁懸浮列車游覽線,擬采用北京控股磁懸浮技術(shù)發(fā)展有限公司和國防科技大學(xué)磁懸浮技術(shù)工程研究中心共同組織開發(fā)的常導(dǎo)中低速磁懸浮列車。其他一些城市也正在加快步伐,推動磁懸浮技術(shù)在國內(nèi)的發(fā)展和應(yīng)用。4.2中低頻磁懸浮系統(tǒng)目前,我國擬建城市軌道交通的城市眾多,據(jù)初步統(tǒng)計,全國24個城市在建和擬建軌道交通線路達(dá)到5676km,線路選用的系統(tǒng)從旋轉(zhuǎn)電機(jī)車輛到直線電機(jī)車輛等各有不同。隨著社會經(jīng)濟(jì)、技術(shù)的進(jìn)步以及人們對于居住環(huán)境的日益關(guān)注,對城市軌道交通運輸系統(tǒng)的要求也越來越高,磁懸浮技術(shù)正是適應(yīng)這種要求而誕生的新一代環(huán)保型軌道交通運輸系統(tǒng)。中低速磁懸浮系統(tǒng)是輕量化的城市軌道交通運輸系統(tǒng),最高速度約為100～150km/h,具有安全舒適、環(huán)保、快速、便捷、易于修建、維護(hù)方便等多方面的特點,既適用于中低運量中心城市客流不太大的快速延伸線,諸如與機(jī)場、城市郊區(qū)、產(chǎn)業(yè)區(qū)、大型娛樂場所等聯(lián)系的專用快速線路上,也適用于建筑物擁擠、線路布置困難的大中城市的交通緩解輔助線路。系統(tǒng)適用范圍及主要參數(shù)見表5。4.3對于城市內(nèi)部運輸線路的改進(jìn)建議近幾年來,世界各國磁懸浮技術(shù)的發(fā)展突飛猛進(jìn),其研究重點也從單純與飛機(jī)競爭而重視高速軌道運輸?shù)姆较?轉(zhuǎn)移到高速城間交通運輸與中低速城市內(nèi)部交通運輸并重的方向。我國磁懸浮技術(shù)也在快速發(fā)展,在推廣應(yīng)用該項技術(shù)的同時,除前面2.2節(jié)中提到的中低速磁懸浮技術(shù)本身的一些不足需要考慮外,還有下面三點需要進(jìn)一步研究。(1)目前磁懸浮車輛的長度較短,載客量少,如果要將其應(yīng)用于城市內(nèi)部和市郊快速線,發(fā)揮噪聲低、環(huán)保、適應(yīng)路況能力強(qiáng)的優(yōu)點,在運量上略顯不足。因此,對城市內(nèi)部運輸線路應(yīng)著重研究提高行車密度,保證系統(tǒng)的可靠性;對于郊區(qū)快線,應(yīng)著重研究適當(dāng)加長車輛長度來提高車輛載客量,以及隨之而來的系統(tǒng)控制更加復(fù)雜的問題。(2)磁懸浮系統(tǒng)線路結(jié)構(gòu)雖然減輕,但是對于橋梁