中低速磁悬浮与轻轨、地铁的比较.doc

中低速磁悬浮在城市轨道交通中的运用 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。 磁悬浮列车与传统轮轨列车不同，它用电磁力将列车浮起，导向和驱动。在运行时不与轨道发生摩擦，中低速磁悬浮列车（时速小于200km）在运行时发出的噪声非常低。此外，磁悬浮列车还具有速度高，制动快，爬坡能力强，转弯半径小，振动小，舒适性好等优点。在修建城市轨道交通线路的造价攀升的情况下，中低速磁悬浮线的性能价格比好的优势得以显示出来。1 磁悬浮技术的种类 目前，载人试验获得成功的磁浮列车系统有3种，它们的磁悬原理和系统技术完全不同，不能兼容。（1）用常导磁吸式（EMS）进行悬浮导向，同步长定子直线电机驱动的高速磁浮列车系统。以德国的TR（Trans rapid）磁浮列车系统为代表。TR采用常规电导吸引的方式进行悬浮和导向，悬浮的气隙较小，一般为 10mm 左右；由地面一次控制的直线同步电机驱动。我国上海机场磁悬浮线就是引进的德国 TR系统（2）采用超导磁斥式（EDS)进行悬浮和导向，同步长定子直线电机驱动的高速磁浮列车系统。 高速超导磁悬浮列车以日本的ML系统为代表。车上的超导线圈在低温下进入超导状态，通电后产生很强的磁场，列车运动时，超导磁体使线路上的导体产生感应电流，该电流也将产生磁场，并与车上的超导磁体形成斥力，使车辆悬浮（悬浮高度较大，一般为100mm左右）。列车由地面一次控制的线性同步电机进行驱动，同步电机定子三相绕组铺设在地面线路两侧，无需通过弓网受电方式供电。（3）采用常导磁吸式（EMS）进行悬浮和导向，异步短定子直线电机驱动的中低速磁浮列车系统。 以日本的HSST为代表，采用常规电导吸引的方式进行悬浮和导向，悬浮的气隙较小，一般为10mm左右，采用车载一次控制的直线感应电机驱动。由于需要通过导电轨和受流器向车辆供电而限制了提速，列车最高速度比上述两种磁浮列车低。日本于1974 年开始HSST 的开发，以最高速度以100300km/h为目标速度，用于城市近郊运输以及市中心与机场之间的中转运输。2 中低速磁悬浮交通系统组成中低速磁悬浮交通系统主要由线路、车辆、轨道、道岔、供电、信号、站场、等子系统构成。城市轨道交通系统都是以车辆为核心进行设计、运营，中低速磁悬浮车辆与轮轨车辆在驱动方式、技术特征方面的根本差异，导致其他子系统技术上也有很大的变化，某些技术已经超出传统轨道交通的技术领域。中低速磁悬浮交通系统供电、信号、线路、站场的设计与现运营的轨道交通系统理念、技术路线相同，可采用已有的成熟可靠的技术，仅针对磁悬浮车辆的技术特点进行专项设计和改进即可。但车辆、轨道、道岔的设计策略由于磁悬浮技术的引入产生了根本性的变革，需要专业的研发、验证。国内外研究机构、厂商已经进行了大量的前期工作，其中日本HSST中低速磁悬浮系统已经商业运营近10年，运行情况良好，充分展示了其技术成熟，独具特点和优势；国内也修建了实验线路，已证明是安全可靠的。2.1 车辆技术 从功能角度上看轨道车辆都是人员从一个地点安全、舒适地运送到另一个地点，车辆与人的人机界面都是一样的，与之对应的车体、座椅、门、空调、灯、PIS系统在技术层面不存在差异，可采用轨道车辆成熟技术甚至产品。但如何开发运输装载人的车体则采用了不同的思路，用磁悬浮技术代替了车轮，随之必须用直线电机替代旋转电机和轮对组成的驱动系统，接着形成了承载车辆、悬挂电磁铁和直线电机的悬浮架，与之配合的轨道也变成了F轨形状。从系统上看，正是磁悬浮技术的应用改变了整个系统的技术形态。2.2磁悬浮技术磁悬浮系统有常导电磁吸力悬浮（Electrical Magnetic Suspension,EMS)、超导电动斥力悬浮、永久磁铁悬浮3种基本的悬浮方式。这里讲述的车辆采用EMS技术。磁悬浮系统由控制器、传感器、电磁铁、F轨道构成。控制器采用二电平的H型斩波电路、电流环和位置双环PID控制策略。测量间隙的传感器采用电涡流原理，冗余设计，以适应轨缝和提高可靠性。电磁铁采用铝制导线绕制，选择具有导磁性好、强度足够高的钢材作为铁心和极板。F轨道用耐候钢轧制而成。国内乘凉磁悬浮系统的关键部件技术、控制技术已经得到充分验证，成熟可靠，技术水平完全满足工程化应用的需要。电磁吸力型悬浮、导向原理示意图2.3直线电机牵引技术中低速磁悬浮列车采用短定子直线电机驱动方式，电机定子安装在车辆左右两侧，转子（铝材感应板）沿列车前进方向铺设在F轨道上。受到悬浮架安装空间的限制，直线电机长度比较短，工程上每节车辆采用5串2并的方案实现电机三相平衡。逆变主电路与地铁牵引系统采用相同技术，由高压电器箱、电抗器和牵引逆变器构成。直线电机产生的垂直法向力对磁悬浮系统稳定有重要的影响。一方面法向力增加了磁悬浮重量，法向力的变化还会影响磁悬浮系统控制的稳定性；另一方面磁悬浮气隙的变化会影响到直线感应电机牵引力的发挥。为保证磁悬浮系统的稳定性和气隙的相对稳定，牵引控制采用恒滑差频率控制，使法向力控制调节随速度变化时比较平稳，实现牵引系统与磁悬浮系统的解耦，从而保证磁悬浮和直线电机牵引系统都能稳定运行，充分发挥各自的性能。2.4 悬浮架技术悬浮架是磁悬浮车辆的走行机构，相当于轮轨车辆转向架，是列车实现悬浮、导向、牵引、制动的执行机构。与轮轨车辆转向架相比，柔性悬浮架具有其特有的技术特征：1） 通过电磁吸力实现支撑和导向中低速磁悬浮车辆悬浮架上电磁铁与轨道之间的电磁吸力支撑相当于轮轨转向架的一系悬挂，为车辆提供支撑和导向力。2） 左右模块相互解耦 单悬浮架模块装配是直线电机、悬浮电磁铁、空气弹簧悬挂等多个重要部件的安装基础，由结构和功能相同的左右模块连接装配，采用螺栓、螺母、吊杆、抗侧滚梁、关节轴承等零部件装配而成，可以实现相互解耦。这样车辆在起浮时悬浮架的垂向运动不会相互干扰，通过抗侧滚梁和关节球轴承可以实现纵向相对平动，使模块装配产生菱形变形。当悬浮架模块通过曲线时，在电磁吸力的导向作用下，菱形变形后的左右模块沿曲线轨道径向排列，使模块与F轨道重合度达到最大，以保证车辆悬浮、导向和牵引能力损失最小，仅在预定的允许范围内波动。3） 采用迫导向径向机构和线性轴承 当车辆进入曲线时，在离心力的作用下，先进入曲线的端部模块相对F轨道最先发生横向偏离，此时电磁吸引力立即产生横向分力，将模块拉向F轨道。横向力通过滑台迫使该径向机构运动，带动中间滑台横向运动，迫使后进入曲线的中间模块沿曲线方向径向排列。这种迫使导向机构显著降低了滑台的横移量，并将悬浮架所承担的横向力均匀地分配到各滑台上，提高了悬浮架曲线通过能力。同时，线性轴承使车辆经过最小曲线时，悬浮架与车体之间的位移不会造成车体与悬浮架的脱离，保证平稳地经过最小曲线。2.5 制动技术中低速磁悬浮列车的制动系统借鉴了成熟的地铁车辆制动技术，采用微机控制，具有以电制动优先、空气制动补充且能平滑过渡等特性。由于磁悬浮列车没有车轮，所以采用气-液转换技术，将低气压转化为中高液压，以液压驱动制动夹钳抱紧F轨，有效解决因空间限制，制动夹钳结构尺寸小而不能满足制动力要求的问题。制动夹钳2.6测速系统由于没有车轮，脉冲转速传感器测速方式无法在中低速磁悬浮列车上应用，常用非接触式的测速方法，如交叉感应环线和枕轨计数测速法。交叉感应环线测速是通过在轨道上铺设交叉环线，在列车上安装车载感应线圈实现。对交叉环线输入一定频率的交流信号，当列车线圈处于交叉环线正上方时，会产生最大感应电压，而位于相邻环线的交叉部分时，产生最小感应电压。由此，当车辆运行时，感应线圈将产生按一定规律变化的感应电压，感应电压经处理形成脉冲信号，再经过适当的算法处理，可以得到列车当前的速度。轨枕计数测速，采用接近感应式传感器检测轨枕的方法进行测速。当列车运行经过轨枕时，相邻2个传感器都会产生脉冲信号，采集系统会自动记录2个脉冲信号上升沿的时间差，依据传感器之间的距离就可以计算出列车的速度。3 轨道磁悬浮系统中的轨道是承载磁悬浮列车的钢轨，其作用与轮轨交通中的钢轨相同，但形式上有很大的差别。轨道主要由感应板、F轨、紧固件、轨枕、扣件系统、混凝土承台组成。其整条线路为有缝线路。感应板采用铝型材感应板；F轨采用经济耐候钢，并进行防腐处理；轨枕可采用热轧H型钢轨枕或方钢轨枕，刚轨枕常采用经济耐候钢，并进行防腐处理；扣件是连接钢轨枕和承台的重要部件，结构较复杂，针对路基沉降、F轨形变实现三维调节，保证轨道的平顺度。在实际铺设过程中，受到最大轨缝、热胀冷缩值的限制，还需要增加多种轨道接头，来保证轨道平滑顺畅。 系统需要传感器检测极板与轨道的间隙进行自动控制，对F轨道检测面的要求较高，若接缝处错位超差或出现折角，会对磁悬浮系统带来冲击，严重时会在接缝处响应异常，影响车辆运行。F轨的磁极面与电磁铁构成磁回路，F轨2个磁极面的平行度、磁极面的平顺度都会影响磁悬浮系统性能及列车的运行性能。4 道岔磁悬浮道岔系统作为磁悬浮交通线路中的重要组成部分，是实现车辆在线路或车场内进行换线、避让等操作的基本装置，为磁悬浮车辆高效运营管理提供了必要条件。传统铁路道岔只移动尖轨和心轨，基本轨保持不动。因为中低速磁悬浮车辆是抱轨形式，支撑方式使得磁悬浮道岔必须采用整体移梁的方式实现线路转换。按照线路转换的需求，中低速磁悬浮道岔可以分为单开道岔、对开道岔、多开道岔、单渡线道岔组合和交叉渡线道岔组合。道岔的转换控制分为远程控制、现场控制和手动控制3种模式。在远程控制模式下，由运控系统向道岔控制系统发出转换指令，道岔系统自动完成解锁、转换、锁闭，并判断是否到位，当确认转换到位后，向运控系统输出位置表示信号，切断给定信号，完成转换过程。在实际运营线路中，中低速磁悬浮道岔系统设备技术条件规定道岔转辄时间不大于15s。5 供电系统中低速磁悬浮交通供电系统的结构及设备 配置与其他形式的城市轨道交通系统一致，但在受流方式、接地方式和漏电保护装置等方面存在差异。1）三轨受流四轨回流的侧部受流方式中低速磁悬浮列车运行时与走行轨无接触，且走行轨被作为直线电机的一极，不能再承担牵引负荷回流的作用。系统必须为车辆提供供电与回流2个通道，若采用接触网-受电弓形式，则必须架设2条接触线路，车辆上配置2个受电弓，这样系统复杂，也会影响景观效果，所以磁悬浮交通线路均使用第三轨受流、第四轨回流的接触轨-集电靴方式，这样结合车辆抱轨形式节约空间，同时负极轨回流从源头上杜绝杂散电流的产生，对地下设施和金属构筑的腐蚀降到最低。2） 接地方式和漏电保护装置 由于中低速磁悬浮列车与大地无连接，电气设备产生的静电无处释放，电荷积累引起的高压对车上设备尤其是电磁兼容性要求较高的设备十分不利。目前的做法是将车体与负极轨连接，负极轨在牵引变电所设置嵌位装置限制电位，同时为了避免轨地间电位对乘客安全产生威胁，在车站设置接地轨。当牵引变电所外部发生非金属性接地短路故障时，由于接地过渡电阻很高，接地电流很小，位于牵引变电所内的直流馈线保护很难动作，因此必须在负极母线接地回路中接入漏电保护装置。6 与其他轨道交通的比较1）运行速度 地铁最高速度80（km/h），轻轨最高运行速度70（km/h），中低速磁悬浮最高速度100（km/h）2）载客量 地铁单向最大高峰小时客流量为3-6万人次；轻轨单向最大高峰小时客流量为1-3万人次，磁悬浮；已建成的长沙磁悬浮列车为3辆固定编组，最大载客约363人。3）转弯半径 地铁的转弯半径不小于300米，轻轨转弯半径一般在100米到200米之间，中低速磁悬浮最小转弯半径50米。 优点 1）项目建设成本：磁悬浮爬坡能力是地铁的两倍，最小转弯半径只有50米，线路建设更加灵活，造价略高于轻轨，而远低于地铁，已建成的长沙磁悬浮快线总造价仅为地铁的三分之一。 2）绿色环保：噪声低，是它的最大优势，在10米八十公里或一百公里噪音只有六十几分贝。是现有的轻轨、地面轨道交通所无法比拟的。列车在铁轨上方悬浮运行，铁轨与车辆不接触，无噪音，不排出有害的废气，有利于环境保护。 3）运行成本：磁悬浮列车运行时与轨道保持一定的间隙（一般为110cm），由于无需车轮，不存在轮轨摩擦而产生的轮对磨损，减少了维护工作量和经营成本。磁悬浮列车的使用寿命可达35年，而普通轮轨列车只有2025年。磁悬浮列车路轨的寿命是80年，普通路轨只有60年。 缺点及争议： 1）制动问题：要克服很大的惯性，只有通过轮子与轨道的制动力来克服。对于磁悬浮，当遭遇突然停电，采取的是机械臂锁死轨道强制停车，这正是磁悬浮相对于轮轨滑动摩擦制动方式而言会更加危险。 2）救援不便：磁悬浮列车又是高架的，发生事故时在5米高处救援很困难，没有轮子，拖出事故现场困难；若区间停电，其他车辆、吊机也很难靠近。 3）辐射问题：磁悬浮的安全距离和电磁辐射对人体的具体影响目前并无定论。中国铁道科学院出具的中低速磁悬浮环境影响报告书中显示：中低速磁悬浮系统对环境的影响轻微，距离轨道10米外的电磁影响，已经小于电视、冰箱等普通家用电器对房间的影响，几乎可以忽略不计。沿线民众对于这样的评估结果并不相信。4）载客量太少，运力低：磁悬浮列车对载重量的要求比传统轨道列车要严格得多，如果载客量超过一定限额，将使列车与轨道距离过近，根本无法开动。上下班高峰期经常看到后面的人推着前面的人上车的场面，若是在磁悬浮列车上，这样超载是行不通的。如果乘客等了很长时间，来了车还上不了，那磁悬浮列车就显得不那么实用了。磁悬浮列车因载重量的大小与悬浮电磁铁和定子铁 的宽度尺寸的大小相关，当设计确定后是不能改变的运量也被固定。每一组电机能够牵引的机车是固定的，如果客流量增加，磁悬浮列车既无法缩短发车时间，也不能增加车。这些决定了磁悬浮建成后的运输能力是很难提高的，除非重新设计修建。5）不兼容，道岔结构复杂：磁悬浮技术没有轮子，列车也轮轨列车不同、与现有地铁轮轨技术不能兼容成网。磁浮转乘站很难和轮轨转乘站兼容在一起，旅客换乘较难，降低整个交通网络的运行水平。磁悬浮道岔结构复杂，庞大，该道岔昂贵，锁定困难，可靠性差，转撤力比轮轨大86倍，轨道移动距离多22倍，区间上应每隔2030km，需设置渡线道岔一处，造价和难度很大。7 工程化应用以上内容主要简述了中低速磁悬浮交通系统中不同于传统城市轨道交通的技术，也是工程化应用中重点关注的部分。由于磁悬浮车辆与其他子系统紧密相关，工程化应用中必须坚持顶层设计，确定好车辆与其他系统的技术接口和关键技术指标：1）线路设计必须适应轨道施工拟合性；2）选择适合的桥梁及道岔的垂向、横向刚度；3)确定合理的轨道安装误差及不平顺度，选择合适的轨缝与接头；4）运行组织、渡线设计、系统救援方案充分考虑车辆特点；5）车辆段针对磁悬浮列车的检查、维护要求进行专门设计；6）F轨道结构尺寸对悬浮稳定有重要影响，需配备专门的检测装置。国内已经修建了上海、唐山、株洲3条实验线路，并形成了相应的技术团队和完整的产业链，这为中低速磁悬浮交通系统的商业化运营扫清了技术和产业障碍。作为大众关心的电磁辐射，在不同实验线路上，经过多家单位多次检测均低于国际、国家标准限值，对居民没有影响。国际上除了日本正在运营的线路外，韩国修建了仁川国际机场磁悬浮示范线，全场约6.1km，全线共设6个车站和一个车辆基地，现已经向媒体开放，进行了试运行。国内除了上海磁悬浮外，长沙也修建了中低速磁浮工程，连接高铁长沙南站和长沙黄花国际机场，线路全长18.54公里，初期设车站3座，预留车站2座，设计速度为每小时100公里。项目于2014年5月16日开工，2015年12月26日试运行，计划2016年上半年正式通车运营。长沙中低速磁浮工程是中国国内第一条自主设计、自主制造、自主施工、自主管理的中低速磁悬浮，是继上海以来又一个开通磁悬浮的城市，也是湖南省践行“一带一路”的重点项目。此外，北京、深圳都提出了修建中低速磁悬浮线路的规划，已经开展了大量前期工作，完成了工程可行性研究、环境评估，预计今后几年国内将有线路投入实际商业运营，向人们展示其独有的技术特征和舒适性。8 发展前景 对中低速磁悬浮交通系统技术及工程实践的现状分析表明，该系统中的供电、信号、线路、站场等子系统完全可以参考或借鉴传统城市轨道交通系统的成熟技术；而对于该系统中的车辆、道岔、轨道等磁悬浮专有技术，在大量技术人员多年研究努力下已经被攻克，通过试验线的运行考核表明该系统安全可靠，完全具备了工程化应用条件。当前，中低速磁悬浮交通系统发展已经进入加速阶段，通过示范线展示，将会有非常广阔的应用前景。