基于常导电磁吸引型悬浮系统的中低速磁悬浮列车

基于常导电磁吸引型悬浮系统的中低速磁悬浮列车

1磁悬浮车组成、特点及应用趋势磁浮列车是一种使用无接触电磁浮、导向和电机系统的列车。它速度快、爬坡能力强、能耗低、运行噪声小、安全舒适、不燃油、污染少,并且主要采用高架方式,占用的耕地很少。由于列车在牵引运行时与轨道之间无机械接触,从根本上克服了传统列车轮轨粘着限制、机械噪声和磨损以及轮轨传动机构维护成本高等问题。所以,它正在成为人们梦寐以求的理想的陆上交通工具。磁悬浮技术的研究源于德国,1922年德国工程师赫尔曼·肯佩尔提出了电磁悬浮原理,1934年他申请了磁悬浮列车的专利,1953年完成科学报告《电子悬浮导向的电力驱动铁路机车车辆》。20世纪70年代以后,世界工业化国家经济实力不断加强,为提高交通运输能力以适应经济发展的需要,德国、日本、美国、加拿大、法国、英国等发达国家相继开始对磁悬浮运输系统进行开发,并取得令人瞩目的进展。磁悬浮列车主要由悬浮系统、推进系统和导向系统三大部分组成。按照悬浮系统的设计方式不同,磁悬浮技术主要分为超导斥力悬浮型、常导电磁吸引悬浮型和常导电磁斥力悬浮型。超导斥力悬浮型列车的悬浮气隙较大,一般为100mm左右,速度可达500km/h以上,采用直线同步电机驱动,以日本MAGLEV为代表,主要应用于城市间的长距离快速运输。常导电磁吸引悬浮型列车则有两个应用方向:一个是以德国蒂森公司TANSRAPID为代表的高速城间轨道交通运输系统,采用长定子型直线同步电机驱动,悬浮气隙为10mm,速度为430km/h左右,实际应用线路有上海浦东国际机场线;另一个是以日本伊腾忠公司代理的HSST为代表的中低速城市轨道交通运输系统,以短定子型直线感应电机驱动,悬浮气隙为8mm,速度为100km/h左右,实际应用线路有日本东部丘陵线(从藤丘至八草)。常导电磁斥力型悬浮系统以美国磁浮飞机制造公司开发的magplane为代表,气隙为200mm,速度为100～500km/h,采用直线同步电机驱动,但没有经过试验线的实际运行测试。2中国车辆中低浓度磁悬浮列车使用的进展由于常导电磁斥力型悬浮系统目前还没有达到实用程度,而包括中国在内的大多数国家都在沿着常导电磁吸引型的技术路线开展研究,因此,下面主要基于常导电磁吸引型悬浮系统介绍中低速磁悬浮列车。2.1悬浮模块的控制中低速磁悬浮列车主要应用于城市内部轨道交通系统,列车速度为100～150km/h左右,其主要技术原理如下。2.1,1采用常导电磁吸引型悬浮系统(EMS)每个车厢设有数个实现了解耦控制的独立的悬浮模块,悬浮模块的工作原理如图1所示,通过它与F型轨道两翼的电磁吸力作用实现列车悬浮。同时,F型轨道两翼的U型设计,使悬浮模块除垂直浮升外,也起到横向导向的作用。在悬浮模块上有专用的位置传感器采集悬浮模块和F型轨道之间的间隙,传感器反馈值送入MDU(电磁悬浮模块驱动控制器),经计算后调整悬浮模块电磁线圈的电流,保证悬浮间隙控制在8～10mm的恒定值。悬浮系统的工作状态与列车运行速度无关。2.1.2短子系统型直线感应电机系统系统驱动运用和直线电机轮轨交通类似的短定子型直线感应电机系统,如图1所示,定子和悬浮模块一起安装在车辆的转向架上,轨道敷设铝覆式感应板作为电机的转子。2.1.3车辆段自动接发与传统的列车系统一样,磁浮列车系统可以根据制定的乘客发送量,采用先进的移动闭塞信号系统,实现列车无人驾驶、最短行车间隔、车辆段自动接发车。2.1.4自动调整悬挂模块的转向，并执行径向旋转功能悬浮模块通过空气弹簧系统与车辆连接,能够根据列车与轨道之间的夹角自动调整悬浮模块的转角,使列车自然通过曲线(见图2)。2.2低速磁悬浮液的优点2.2.1系统噪声对比(1)系统省去车轮支撑和传动机构,避免了车轮和轨道的直接接触,降低了振动和摩擦噪声等污染,非常环保。这种优势随着系统运营时间的推移,轮轨系统磨耗加剧,更为明显。地铁车辆与磁悬浮车辆噪声对照见表1。表1不同车辆系统噪声对比(2)系统没有轮轨机构的保养和修理,运营维护优于传统的旋转电机和直线电机轮轨系统,人工和设备成本降低,另外,由于车辆转弯半径小,车辆段占地面积大幅缩减,对于城市的社会和经济效益明显。(3)系统爬坡性能强,转弯半径小,适应路况和环境条件能力强,减小了线路规划的难度。(4)系统车辆轻便,采用高架的线路形式时,其支柱截面远小于普通城市轨道交通系统,土建施工成本降低,据伊藤忠公司介绍,以日本建筑造价为基准,该系统高架桥造价相对于普通轮轨系统造价减少40%。2.2.2车辆的性能与效率相对较低,但比现有系统的改造成本较低尽管拥有上述优势,现阶段中低速磁悬浮技术也存在一些不足。(1)由于磁悬浮系统是以电磁力完成悬浮、导向和驱动功能的,因此提供电磁力的线圈以及电源系统的可靠性极为重要,同时,其相对于其他系统的耗电量增加(每辆车悬浮模块额定功率约20kW)。(2)常导磁悬浮技术的悬浮高度较低,一般为8～10mm,因此对线路的平整度、路基下沉量及机械式道岔结构方面提出的要求较高。(3)磁悬浮车辆长度较短,一般为15m左右,载客量不高,每节车辆定员约为100人左右,不能承担高运量和大运量的运营任务。(4)当前磁悬浮车辆还未国产化,在推动该项技术初期,车辆购置成本较高。如日本HSST车辆价格约为1700万元(由日本国内价格折算为人民币)。3中低频磁悬浮系统的应用随着各国轨道交通事业的发展,城市交通对轨道交通技术发展提出了更新的要求。中低速磁悬浮系统作为满足大坡度、小半径线路,生命周期综合成本较低,建设速度较快,超安静、高环保的轨道交通系统,正日益成为城市轨道交通系统的理想选择之一。世界上从事此项技术研究的主要国家的发展概况如下。3.1hsst系统的发展日本常导中低速电磁悬浮系统HSST的研究开始于1962年,并于1975年制造出概念车HSST-01,经过30多年的研究改进,HSST系统经历了HSST-02、HSST-03、HSST-04、HSST-05及HSST-100S五次型号的更替,发展到现在的HSST-100L,并于2005年建成服务于世博会的东部丘陵线(从藤丘至八草),提供了下一代城市轨道交通运输系统的成功范例(见图3)。3.2磁浮列车技术的研究计划美国的公路及空中航线四通八达,交通十分便利,多年来不重视铁路技术的发展,进入20世纪90年代以后,美国对磁浮列车技术却显示了强烈兴趣。美国国会开始支持磁浮列车技术的发展,联邦政府也已组织了NMI(NationalMaglevInitiative)计划,以确定政府该项技术的发展方向。美国数十家公司与实验室(例如林肯实验室、MITDraper实验室、通用电气公司、阿贡实验室等)参与了此项研究计划。目前,美国磁浮飞机制造公司开发出磁浮飞机的高速和中低速磁悬浮系统,并声称在造价、列车特性等方面都优于日本的HSST系统,但仍未经过试验测试或实际应用(见图4)。3.3交通撬不内在韩国最近几年磁浮列车技术发展迅速。韩国发展磁浮列车的背景主要是为解决大城市交通问题。近年来由于汽车数量的急剧增加,已使韩国大城市的市区交通拥挤不堪。而韩国1993年承办的国际博览会,为促进磁浮列车技术的发展提供了机会。为准备该次展览会,韩国Hyundi负责开发和建造磁浮车系统,采用了类似HSST的技术,车重23t,轨长520m,最高时速50km,载乘40人。另外,2005年韩国铁路车辆企业Rotem和韩国机械研究院共同开发的磁悬浮列车,在1.3km长的铁轨上成功地进行了试运行,该车最高时速达110km/h,载客量可达135人。3.4年—中国中国中低速磁悬浮铁路技术的研究起步较晚,也是采用与日本HSST类似的技术进行研制。1994年西南交通大学成功地进行了4个座位、自重4t、悬浮高度为8mm、时速为30km的磁悬浮列车试验。2005年,又研制出长11.5m、宽2.6m、高3.3m、载客量60人(28个座位)、时速可达100km/h的新车型,并计划在已修建完成的四川青城山419.9m长的试验段上试运行。1998年12月,由铁道科学研究院主持、长春客车厂等单位共同研制的长6.5m、宽3m、自重4t、内设15个座位的6t单转向架磁悬浮试验车,在铁道科学研究院轨距为2m、长36m的室内磁悬浮实验线路上成功地进行了试验,并通过了铁道部科技成果鉴定。由北京控股磁悬浮技术发展有限公司和国防科技大学磁悬浮技术工程研究中心共同组织开发的改进型常导中低速磁悬浮列车及其试车线顺利完成,并于2005年6月通过了国家的初步验收,见图5。改进的国产中低速磁悬浮技术采用了与日本HSST相同的铝合金焊接车体、直线感应电机、电磁吸引型悬浮方式、液压式道岔机械转换装置,其主要技术和经济特性对比见表2～4。从表2～表4中可以看出,我国中低速磁悬浮技术参数基本和日本相当。比如载客数量、列车设计时速、列车承载重量以及最小转弯半径等,尤其是经济指标的优势相当明显,不仅节省车辆采购费用,而且由于拥有自主知识产权,对于实际线路的后期运营维护较为有利。但是由于没有较长的试验线路,这些指标是否能够完全达到还需要实际的运行检验。尤其是列车在设计时速下悬浮系统的稳定性,过曲线、爬坡以及紧急制动时的表现。另外,系统长时间运行时,悬浮模块和直线电机以及控制系统的可靠性也是一个重要的考虑因素。4应用前景4.1国内外运行进展目前,我国磁悬浮技术的应用还不是很广泛,仅有一条已经投入运营的磁悬浮列车线路,即上海浦东国际机场线。该线采用了德国蒂森公司的捷运系统(TRANSRAPID),设计时速和运行时速分别为505km和430km,总投资89亿元,属于高速城间运输线。另外,在四川青城山修建了419.9m长的试验线(西南交大试车线)。在长沙国防科技大学校内也建有一条204m的实验线,采用原定为北京八达岭观光线服务的试验车,并已经进行了多年的低速试验。近年来,国内多个城市开始对中低速磁悬浮技术表现出浓厚的兴趣,纷纷打算在城市新建的内部轨道交通线路中予以尝试。上海市政府在2005年6月,初步同意将上海轨道交通11号线南段(60km)或上海轨道交通2号线延伸段建设成为低速(城轨)磁浮示范应用线。昆明市在其世博会会场规划了一条全长2km的低速磁悬浮列车游览线,拟采用北京控股磁悬浮技术发展有限公司和国防科技大学磁悬浮技术工程研究中心共同组织开发的常导中低速磁悬浮列车。其他一些城市也正在加快步伐,推动磁悬浮技术在国内的发展和应用。4.2中低频磁悬浮系统目前,我国拟建城市轨道交通的城市众多,据初步统计,全国24个城市在建和拟建轨道交通线路达到5676km,线路选用的系统从旋转电机车辆到直线电机车辆等各有不同。随着社会经济、技术的进步以及人们对于居住环境的日益关注,对城市轨道交通运输系统的要求也越来越高,磁悬浮技术正是适应这种要求而诞生的新一代环保型轨道交通运输系统。中低速磁悬浮系统是轻量化的城市轨道交通运输系统,最高速度约为100～150km/h,具有安全舒适、环保、快速、便捷、易于修建、维护方便等多方面的特点,既适用于中低运量中心城市客流不太大的快速延伸线,诸如与机场、城市郊区、产业区、大型娱乐场所等联系的专用快速线路上,也适用于建筑物拥挤、线路布置困难的大中城市的交通缓解辅助线路。系统适用范围及主要参数见表5。4.3对于城市内部运输线路的改进建议近几年来,世界各国磁悬浮技术的发展突飞猛进,其研究重点也从单纯与飞机竞争而重视高速轨道运输的方向,转移到高速城间交通运输与中低速城市内部交通运输并重的方向。我国磁悬浮技术也在快速发展,在推广应用该项技术的同时,除前面2.2节中提到的中低速磁悬浮技术本身的一些不足需要考虑外,还有下面三点需要进一步研究。(1)目前磁悬浮车辆的长度较短,载客量少,如果要将其应用于城市内部和市郊快速线,发挥噪声低、环保、适应路况能力强的优点,在运量上略显不足。因此,对城市内部运输线路应着重研究提高行车密度,保证系统的可靠性;对于郊区快线,应着重研究适当加长车辆长度来提高车辆载客量,以及随之而来的系统控制更加复杂的问题。(2)磁悬浮系统线路结构虽然减轻,但是对于桥梁