中低速磁浮交通概述.ppt

第一讲中低速磁浮交通概述 主讲 杨新斌 课程重点突出中低速磁浮的工程化应用和实际问题教学采用师生互动的形式第一 二节课讲课 第三节课提出问题并解答第五 六讲对中低速磁浮的关键技术和进一步探索的技术进行重点讨论拿出一两个关键的机构进行实际设计和改进 加强实际的工作能力 安装CATIAV5R19 初步了解和使用 讲课模式 磁浮技术起源于德国 早在1922年德国工程师赫尔曼 肯佩尔就提出了电磁悬浮原理 并于1934年申请了磁悬浮列车的专利 1970年代以后 随着世界工业化国家经济实力的不断加强 为提高交通运输能力以适应其经济发展的需要 德国 日本 美国 加拿大 法国 英国等发达国家相继开始筹划进行磁悬浮运输系统的开发 磁浮技术的由来 利用磁力使物体处于无接触悬浮状态的设想是人类一个古老的梦 但实现起来并不容易 磁悬浮技术是集电磁学 电子技术 控制工程 信号处理 机械学 动力学为一体的典型的机电一体化技术 随着电子技术 控制工程 信号处理元器件 电磁理论及新型电磁材料的发展 磁悬浮技术得到了长足的发展 定义 磁浮列车是一种采用磁力达到无接触的悬浮 导向和驱动的地面车辆系统 特点 磁浮列车作为一种新型的地面交通工具已从实验阶段走向了商业运营 并且有速度快 爬坡能力强 能耗低 运行时噪音小 安全舒适 不燃油 污染少等优点 它从根本上克服了传统列车轮轨粘着限制 机械噪音和磨损等问题 成为了人们梦寐以求的理想陆上交通工具 磁浮列车的定义及特点 磁浮列车从悬浮机理上可分为 电磁悬浮 EMS electromagneticsuspension 以德国的Transrapid简称TR08型和日本的HSST100L型磁浮列车为代表电动悬浮 EDS electrodynamicsuspension 两种 以日本的MLX型超导磁浮列车为代表 磁浮列车分类 一般采用 T 型导轨 车辆环抱导轨运行 对车载的 置于导轨下方的悬浮电磁铁通电励磁而产生磁场 磁铁与轨道上的铁磁构件相互吸引 将列车向上吸起悬浮于轨道上 磁铁和铁磁轨道之间的悬浮间隙一般约为8 12mm 列车通过控制悬浮磁铁的励磁电流来保证稳定的悬浮间隙 通过直线电机来牵引列车运行 这种悬浮方式由于采用磁铁异性相吸的原理 磁场在直线电机的初级 次级线圈之间基本可以形成闭合回路 磁场向外扩散较少 电磁污染程度较低 磁场对人的影响可以忽略不计 电磁悬浮 AttractiveLevitation 当列车运动时 车载磁体 一般为低温超导线圈或永久磁铁 的运动磁场在安装于线路上的悬浮线圈中产生感应电流 两者相互作用 产生一个向上的磁力将列车悬浮于轨道面一定高度 悬浮间隙一般为100 150mm 列车运行也是由直线电机提供牵引力 与电磁悬浮相比 电动悬浮系统在静止时不能悬浮 必须在列车达到一定速度 约150km h 后才能起浮 电动式悬浮系统在应用速度下 悬浮间隙较大 不需要进行主动控制 电动悬浮由于采用磁铁同性相斥的原理 初 次级线圈所产生的磁场在直线电机内部不能闭合 故其电磁污染比电磁悬浮型要大许多 电动悬浮 RepulsiveLevitation 磁浮交通的产生源于人们对轮轨粘着式铁路局限性的认识 传统的轮轨粘着式铁路 是利用车轮与钢轨之间的粘着力使列车前行 它的粘着系数随列车速度的增加而减小 走行阻力而随列车速度的增加而增加 当车速增至粘着系数曲线和走行阻力曲线的交点时 就达到了极限 为了解决这一难题 在本世纪60年代初 一些国家开始着手研究非粘着式超高速铁路 磁浮交通就是非粘着式轨道交通的一种 磁浮交通与轮轨交通 德国 日本 美国 韩国 中国等国家都在积极地研究磁浮列车技术 并且已经取得了较大的进展 以EMS型磁浮列车为代表的德国和以EDS型磁浮列车为代表的日本 其磁浮铁路系统目前达到或接近应用水平 分别为德国的TR常导吸力型磁浮列车 日本的MLX超导斥力型磁浮列车和HSST常导吸力型磁浮列车 我国各个单位正在研制的磁浮列车属于常导电磁吸力悬浮型 中低速磁浮列车用电磁力将列车悬浮和进行导向 采用直线电机牵引运行 中低速磁浮列车悬浮 导向和驱动原理 磁浮交通的类型 按照列车运行速度可分为高速磁浮交通和中低速磁浮交通两种类型 1 噪声低 环保性能好 车体和轨道不接触 运行噪声低 距离10米处小于64dB 轻轨92dB 无磨耗 无粉尘污染 无电磁辐射污染 无废气排放 磁浮列车电磁辐射对环境的影响较小 电磁辐射强度均低于世界卫生组织推荐的国际非电离辐射防护委员会 ICNIRP 公布的国际标准 根据中科院电工所检测报告 直流磁场强度小于正常看电视时对人体的影响 交流磁场强度小于使用电剃须刀时对人体的影响 中低速磁浮交通主要优点 2 线路适应性强 正线转弯半径达75m 轻轨300m 爬坡能力达70 轻轨35 3 乘坐舒适 处于悬浮状态 与轨道无直接接触 振动小 运行平稳 乘坐舒适 4 运行安全可靠 列车 包 在轨道上运行 无脱轨危险 列车 线路 供电 运行控制系统采用地铁 轻轨相同或类似技术 安全可靠性高 采用电制动 机械制动 落车 辅助制动三重制动方式 有充分的安全保障 5 建设 维护成本低 线路适应性强 噪音低 降低征地 拆迁 噪音防护成本 拥有自主知识产权 实现国产化生产 可大幅度降低车辆造价 车体轻 无振动 均载受力 桥梁和基础造价低 车辆和轨道无接触 无机械传动系统 机械维修量小 6 运营效益好 运输效率高 每小时单方向运量3 2万人次 低噪音 转弯半径小 车站可设在人流密集区 车站建设可与物业开发结合 1 2 磁浮列车在各国的发展 迄今为止 对磁浮铁路进行过研究的国家主要有日本 德国 英国 加拿大 美国 韩国 前苏联和中国 当前以日本和德国处于领先的地位 而美国和前苏联则分别在七八十年代放弃了研究计划 下面把各主要国家对磁浮铁路的研究情况作一简要介绍 德国对磁浮铁路的研究始于1968年 当时的联邦德国 研究初期 常导和超导并重 到1977年 先后分别研制出常导电磁铁吸引式和超导电磁铁相斥式试验车辆 试验时的最高时速达到400公里 后来经过分析比较认为 超导磁浮铁路所需的技术水平太高 短期内难以取得较大进展 遂决定以后只集中力量发展常导磁浮铁路 1978年 决定在埃姆斯兰德修建全长31 5公里的试验线 并于1980年开工兴建 1982年开始进行不载人试验 列车的最高试验速度在1983年底达到每小时300公里 1984年又进一步增至400公里 目前 德国在常导磁浮铁路研究方面的技术已趋成熟 德国政府已决定在汉堡至柏林之间修建一条292公里长的磁浮铁路 该铁路将于1998年底开始动工 计划在2005年正式投入运营 德国 超导磁浮日本于1962年开始研究常导磁浮铁路 此后由于超导技术的迅速发展 从70年代初开始转而研究超导磁浮铁路 1972年首次成功地进行了2 2吨重的超导磁浮列车实验 其速度达到每小时50公里 1977年12月在宫崎磁浮试验线上 最高速度达到了每小时204公里 到1979年12月又进一步提高到517公里 1982年11月 磁浮列车的载人试验获得成功 1995年 载人磁浮列车试验时的最高时速达到411公里 为了进行东京至大阪间修建磁浮铁路的可行性研究 于1990年又着手建设山梨磁浮铁路试验线 首期18 4公里长的试验线已于1996年全部建设完成 日本 日本常导日本的HSST系统磁浮列车最初是由日航投资成立HSST公司研究开发 希望用于机场到市区的快速轨道交通 后又与其它股东联合开发 1974年4月 小型磁浮试验装置的浮起试验成功 1975年试制成电磁支承和导向的第一辆试验车HSST 01 1978年向公众展出了HSST 02号车 最高速度约为100km h 总共有9个座位 为了改善舒适性 在车厢和悬浮架之间采用了二系弹簧悬挂系统 从1983年到1989年 HSST 03到HSST 05型车相继投入试验 日本 1991年 日本在名古屋附近的大江 建成一条新的面向应用的试验线 试验线总长1530m 最小竖曲线半径1000m 最大超高为80 最大坡度7 从1991年到1995年 对HSST100S型磁浮列车进行了100多项面向应用要求的运行试验 最高运行速度达到130km h 1993年3月 以日本运输省 建设省和其它单位的专家学者组成的可行性研究委员会对试验结果进行了最后论证 考察了噪声 振动和磁场影响等 结论是 HSST磁浮铁路系统是舒适的低污染系统 能够应付紧急情况 长期的运行试验证明它是可靠的 并且由于其悬浮的优点使得它的维修量降低 作为城市交通系统 HSST磁浮铁路系统已进入实用阶段 英国对磁浮铁路的研究起步较晚 从1973年才开始 但是 英国则是最早将磁浮铁路投入商业运营的国家之一 1984年4月 伯明翰机场至英特纳雄纳尔车站之间一条600米长的磁浮铁路正式通车营业 旅客乘坐磁浮列车从伯明翰机场到英特纳雄纳尔火车站仅需90秒钟 令人遗憾的是 在1995年 这趟一度是世界上唯一从事商业运营的磁浮列车在运行了11年之后被宣布停止营业 其运送旅客的任务由机场班车所取代 英国 美国从60年代开始磁浮铁路的研究 1975停止工作 1989年起又重新开始评估磁浮列车的实用价值 由铁道总署 陆军工兵总部 能源部牵头 数家公司和大学参加 历时4年 定出4个磁浮车设计时速均为500km h的方案 其中3个方案为电动型 美国还对大城市间的16条线进行技术经济条件评估 认为只有纽约 波士顿线能在短期内回收投资并能实现赢利 目前美国正在积极推进应用的是永磁Magplane 它属于永磁悬浮型 Magplane的悬浮电磁铁和驱动电磁铁皆为永磁体 间隙可达5 15cm 在悬浮和导向上使用了20毫米厚的弧形铝板轨道 这种结构具有高速转弯的优点 这种设计方案需要加辅助轮 为了安全起见 Magplane的设计者计划在行驶的全程不收回辅助轮 而是将其固定在列车下面 整个列车技术相对简单 美国 永磁Magplane 苏联从1976年开始大规模研究磁浮列车 参加的单位有 诺沃契尔卡斯克电力机车研究所 全苏铁道科学研究院 莫斯科综合运输研究所 全苏车辆制造研究所 运输工程研究院 基辅线性电动机设计事务所 管道运输研究所及一些高等院校和企业 在莫斯科附近一条长600米的试验线上 其05号磁浮车达到60公里 小时的速度 还计划在阿拉木图修建一条长14公里 有7个小站的城市商业磁浮运输系统 速度也是60公里小 小时 苏联 日本中低速磁浮交通的发展 HSST HighSpeedSurfaceTransport 中低速磁浮的开发是从1974年初开始 当时在计划修建的成田新东京国际机场离市中心大约65公里 是世界上离市中心较远的机场之一 因此在日本航空对机场进行计划的时候就包括了附属设施的问题 为了缩短到机场的交通时间对一些设备进行了调查 当时原西德开发的磁浮列车 TR 04系统 令人瞩目 因为成田机场建成的时间已经迫近 所以进行长时间的技术开发是不允许的 就是说使用尖端技术的系统是不适当的 在考虑了日本的实际情况后 必须选择环保的交通工具 此外 作为机场的附属设施 也没有必要超高速的机车 能够达到当时的新干线的速度 210km h 的程度就足够了 概述 在进行中低速磁浮的开发的时候 首先以时速300km为目标速度 对在这个速度下能保持悬浮间隙 gap 的悬浮控制及LIM设计的实用性进行了基础实验以验证 为此安排了实用尺寸的LIM和磁铁 制作了能够高速行驶的实验机 中低速磁浮 01号磁浮车 这是开发的第一步 在这样的构想下 中低速磁浮的技术开发正式开始了 1975年12月 在横滨市新杉田建设的200m的直线轨道上初次悬浮行驶了中低速磁浮 01号磁浮车 重1吨 长4米 9个月后 再次在川崎市东扇岛建设了全长1300米的直线轨道 开始了提速试验 1979年2月开始在国家资助下增加了纵曲线和半径2000m及280m的曲线 并且将轨道线延长到了1600m 在东扇岛进行的实验 中低速磁浮 01号车 1978年5月制作了中低速磁浮 02号车 因为01号机车是无人车辆而无二次减震 suspension 而02号车因装备了二次减震 乘坐非常舒适 是可以载人表演的试验车 长约7m 重约2MT 在8人乘坐时以100km的时速行驶 并对悬浮控制方法进行了改善 1981年3月 对东扇岛的实验场予以封锁 当初予定的中低速磁浮的基础实验至此全部结束 中低速磁浮 02号车 扇岛试验线 中低速磁浮 02号车 1985年在筑波的科学技术博览会上 行驶了能够载客的新的大型中低速磁浮 03号车 01号和02号是与悬浮控制及推进相关构成关键技术的实验用车辆 而03号车则是中低速磁浮系统实用型的原型机 除了车体的大小与实际的车辆相以外 还采用了中低速磁浮独特的车体悬浮模块 module 方式 关于车体悬浮模块 module 方式在以后会有详细叙述 它在中低速磁浮系统中与通常的铁道车辆的转向机的作用是相当的 是中低速磁浮特有的车体支持机械装置 在03号车上初次实现了悬浮模块 module 方式的技术价值 中低速磁浮 03号车 中低速磁浮 03号车 1988年在崎玉县熊谷市的 崎玉博览会 上行驶了中低速磁浮 04号车 这是时速达到200km的中低速磁浮 200型的原型机 而且在后来的90年的横滨博览会上行驶了两辆同型车连结在一起的中低速磁浮 05号车 04号和05号车与03号车不同 VVVF内置电池搭载在车辆内 且轨道构造为高架轨道 这已是完全实用车辆的形态 特别是在横滨博览会上 运输省对其安全性进行了确认试验 随后磁悬浮铁道首次取得了营业许可 对于整个磁悬浮交通事业来说 具有重要意义 在各种博览会上无故障高速运行 合计有300万人以上的搭乘实绩 中低速磁浮向实用性方向迈了一大步 中低速磁浮 04号车实用型中低速磁浮 中低速磁浮 04号车 中低速磁浮 05号车 04机和05号机是以中低速磁浮 200型开发的系统 适用于都市内的中低速磁浮 100型是由中部中低速磁浮开发株式会社为中心进行的实用型试验车 91年5月在以名古屋市的名古屋铁道大江站为起点建设了长1 5km的试验线用2辆连结的试验车辆实施最高速度100km h的行驶试验 大约经过2年对各种性能的实证 对安全性 可靠性 耐久性 经济性等进行了评论 通过一系列的试验确定了该系统的实用性 中低速磁浮 100 中低速磁浮 100S 中低速磁浮 100L 日本大江试验线 日本第一条正式运营的磁悬浮铁路是名古屋市区通向爱知世博会会场的磁悬浮线 这条磁悬浮线于2005年3月6日正式开通 全长约9公里 中途设有9个站 该磁悬浮列车由3节车厢构成 全程无人驾驶 最高时速为100公里 小时 行驶全程需要17分钟 整条磁悬浮线投资约500亿日元 相当于31亿美元 在2005年爱知世博会期间累计运送1000万乘客 是迄今为止中低速磁浮技术的标杆 日本第一条磁悬浮城轨线Linimo 爱知世博会磁浮列车 爱知世博会磁浮线Linimo视频 日本HSST技术开发的历史回顾 韩国中低速磁悬浮交通发展 韩国发展磁悬浮列车主要用于解决大城市的交通问题 近些年来 汽车数量的急剧增加 使韩国大城市的市区交通拥挤不堪 磁悬浮系统以其较小的建造成本 较低的运行和维护代价以及对环境的友好性等优良品质 使其日益成为未来城市交通运输的发展模式 最近几年 韩国磁悬浮列车技术发展迅速 韩国磁悬浮的发展过程经历了研究单位独立开发 中期合作和商业化尝试等3个阶段 概述 在第一阶段 1985年 1993年 3个独立的团体即韩国机械材料协KIMM 现代 Hyundai 和大宇 Daewoo 分别开发不同形式的磁悬浮技术 现代组织的Daejon 93博览会成果显著 在第一阶段 开发了各种磁悬浮技术 并推出了2辆展览车辆 独立开发阶段 1985 1993年 第二阶段是韩国机械材料协会和现代开始合作的时期 4年规划的目标 1994年 1998年 是在1998年制造出2辆编组的商业化城市运输磁悬浮系统车辆样机 目标是代替地铁和轻轨 在2000年能实现商业化服务 这和第一阶段有显著的不同 该阶段商业化目标已经很清晰 他们合作设计的UTM运输系统 UrbanTransitMaglev 商业化样机UTM 01于1997年11月完成 随后在KIMM内部建造的长1 3km 直线部分400m 最小曲线半径60m 坡度为6 1个道岔 的韩国大田试验线上进行了全面的试验 最高速度可以达到65km h或70km h 中期合作阶段 1994 1998年 韩国磁悬浮技术发展很快 力争早日推出商业化的磁悬浮运营线路 该阶段主要对UTM 01进行改进并开展UTM 02的开发工作 ROTEM已经着手商业部 工业部和能源部的联合项目城市运输磁悬浮RUTM RotemUrbanTransitMaglev 的开发 研发从2003年10月起到2006年9月止 目标是作为城市运输应用的商业化样机 内容包括高性能的车辆 信号 ATP ATO 系统 以及试验和评估等 2005年5月11日 韩国铁路车辆企业ROTEM和韩国机械材料学会在大田研究院大院内的长1 3km线路上成功进行了联合开发的磁悬浮列车试运行 商业化尝试阶段 1999年 ROTEM公司计划依靠科技部的支援 在大田世博会公园和国立中央科学馆之间建设磁悬浮列车线路 并于2007年4月通车 因此 预计韩国将继德国 日本之后成为第3个拥有自主知识产权的磁悬浮列车商业化的国家 韩国人口密集 城市交通拥挤 由于环境和地铁系统造价昂贵问题 磁悬浮列车的商业化就只是一个时间问题 2005年 磁悬浮列车商业化纳入韩国国家星火项目 完全采用韩国国产化技术 计划2007年正式商业运营 届时磁悬浮列车将会在韩国有广泛的应用 我国中低速磁浮技术发展 我国中低速磁浮交通领域的科研也有近25年的历史 现已形成了三条试验线 上海临港中低速磁浮试验线1 7公里 电气集团 唐山中低速磁浮试验线1 5公里 北京控股磁悬浮 株洲中低速磁浮试验线1 5公里 南车集团 我国中低速磁浮预计建设商业线 上海城轨磁浮11号线 虹桥青浦20号线 上海崇明岛 虹桥机场浦东机场快线北京门头沟 苹果园的磁浮S1线张家界市磁浮线示范性 我国中低速磁浮技术发展业绩 上海临港试验线 计划中的临港低速磁浮示范性环线 唐山试验线 株洲试验线 中低速磁浮交通技术研发的历史事件 1989年 国防科大在我国第一次研制出小型磁浮试验车CMS 01 2 1992年 磁浮列车关键技术研究 列入国家 八五 攻关计划 铁科院牵头 有国防科大 西南交大 株洲电力机车研究所参与 3 1994年 西南交大建成43米钢结构实验线 研制了双转向架4吨磁浮车 4 1995年 国防科大研制成功6吨磁浮转向架 5 1998年 铁科院研制的6吨单转向架磁浮车实现稳定悬浮 我国中低速磁浮技术发展历程 6 1999年 常导短定子磁浮列车工程关键技术研究 作为 八五 攻关项目的延续列入 九五 攻关计划继续予以支持 该项目由西南交通大学承担 启动了青城山磁浮列车工程试验示范线项目 建成线路420米 并投入试验 7 1999年11月 国防科大研制的常导中低速磁悬浮列车CMS 03 在2001年11月通过了有5位院士等13位专家参加的中试评审 实现了在204米轨道上以20km h试运行速度 8 2005年2月 上海磁浮中心向上海市政府提出 关于开展低速交通技术研究的请示 并根据市领导指示 成立专项研究组 正式开始中低速磁浮交通技术研究 9 2005年8月17日 上海电气集团与上海磁浮交通工程技术研究中心签订项目合作协议 确定将试验线设在电气集团临港重装备基地内 10 2005年12月28日 投资2 5亿的上海低速磁浮试验线在位于临港新城的电气集团重装备产业区内正式开工建设 11 2005年 北京控股磁悬浮技术发展有限公司与国防科大联合体向科技部提出了在唐山客车厂建设中低速磁浮试验基地的申请 次年获得批准 随后