磁悬浮列车的研制

磁悬浮列车的研制

2001年3月1日，上海磁浮列车商业输送线挖掘出第一名框架。2001年8月14日,我国首辆磁悬浮客车在长春客车厂竣工下线。2002年12月31日,上海磁悬浮示范运营线举行通车典礼,行车30km只用了8min,最高运行速度430km/h。一种新兴的高速地面运载工具——磁悬浮列车离人们越来越近了。1磁悬浮铁路发展历程磁悬浮铁路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进的。其粘着系数随列车速度的增加而减小,走行阻力却随列车速度的增加而增大。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,20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。磁悬浮铁路就是非粘着式铁路的一种。迄今为止,对磁悬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、前苏联和中国。当前,日本和德国处于领先地位,而美国和前苏联则分别在70年代、80年代放弃了研究计划。1.1磁悬浮电机研制和试验历程德国(当时的联邦德国)对磁悬浮列车的研究始于1968年。在研究的初期,常导和超导并重。到了1977年,先后研制出常导吸引式和超导相斥式试验车辆,试验时的最高时速达到400km。后来,经过分析比较,认为超导磁悬浮铁路所需的技术水平太高,短期内难以取得较大进展,遂决定集中力量发展常导磁悬浮铁路。1969年,联邦德国交通部正式提出了“大通过能力高速铁路的研究”发展计划。1971年,制造出世界上第1台磁悬浮列车模型TR01。1975年,开发研制和试验第1台长定子电磁直线电机。1976年,生产出第1台装有长定子直线电机的载人试验车HMB2。用18个月造出了第1列长27m、有70个座位的2节磁悬浮示范车TR05,并在长900m、架高4.7m的钢轨上进行了为期3个星期的正点持续运行,共输送旅客50000多人次,车速达到了100km/h。1984年,埃姆斯兰特磁悬浮列车试验线投入使用,开始用TR06做行车试验,8月17日达到302km/h的速度。1987年,埃姆斯兰特磁悬浮列车试验线第2期施工最终完成并投入使用,并开始组装TR07号。11月11日,TR06号达到了406km/h的速度。1988年1月22日,TR06号创下了412.6km/h的载人磁悬浮列车运行速度的世界记录。1989年,TR07号在埃姆斯兰特试验线上开始试验。德国曾计划修建柏林—汉堡长300km的常导磁悬浮铁路。2000年2月5日,德国政府以“错误估计乘客人数”和“建设费太高”为由放弃。2002年1月21日,德国政府通过了巴伐利亚州与北威州磁悬浮项目可行性研究报告,认为在交通、经济上都具有积极意义,考虑予以财政支持。巴伐利亚州拟修建从慕尼黑市区到飞机场全长36.8km的磁悬浮铁路,预算价格为16亿欧元,其中轨道建设费14亿欧元。北威州拟修建从杜塞尔多夫—多特蒙德全长78.9km的地下磁悬浮铁路,途经扎伊森堡、穆勒海姆、埃森和波鸿等6个车站,预算费用为32亿欧元,轨道建设费26亿欧元。以上2条线路计划在2006年德国世界杯前完工,但估计建设时间需要8年。1.2磁悬浮铁路工程日本于1962年开始研究常导磁悬浮铁路。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悬浮铁路。1972年首次成功地进行了超导磁悬浮列车试验,其速度达到50km/h。1977年12月,在宫崎磁悬浮铁路试验线上最高速度达到了204km/h。1979年12月达到了517km/h。1982年11月,磁悬浮列车载人试验获得成功。1995年,载人磁悬浮列车试验最高速度达到411km/h。为了进行东京—大阪间修建磁悬浮铁路的可行性研究,于1990年又着手建设山梨磁悬浮铁路试验线。首期18.4km长的试验线已于1996年全部建成,从1997年始,已进行过多次试验。1999年2月10日,在山梨线进行的时速500km、荷载270人的5节磁悬浮列车运行试验取得成功。至2002年2月20日,MLX01号车已在山梨线无故障行车20000km,并创造了数个行车记录:载人行车速度为531km/h,无人行车速度为550km/h,交错车相对速度为1003km/h。日本曾计划修建东京—大阪速度达500km/h的高速磁悬浮铁路,预算费用为8兆亿日元。由于高额的建设费用及经济效益问题,该项目迟迟未能动工。1.3英特纳雄纳尔车站列车情况与日本和德国相比,英国对磁悬浮铁路的研究起步较晚,1973年才开始。但是,英国则是最早将磁悬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1条600m长的磁悬浮铁路正式通车营业。旅客乘坐磁悬浮列车从伯明翰机场到英特纳雄纳尔火车站仅需90s。令人遗憾的是,在1995年,这趟一度是世界上惟一从事商业运营的磁悬浮列车在运行了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。1.4车桥磁悬浮客车转向架我国从20世纪80年代开始了常导磁悬浮列车的研究。1992年国家正式将磁悬浮列车关键技术研究列入“八五”攻关计划,成立了磁悬浮列车“八五”攻关课题组。1994年10月,西南交通大学建成了我国首条磁悬浮铁路试验线,并同时开展磁悬浮列车的载人试验。1995年,国防科技大学在株洲电力机车研究所的支持下,花了90万元研制成1台磁转向架,首次实现了全尺寸单转向架的载人运行。4个磁转向架可承载1辆14m长的磁悬浮车。2001年2月10日,国家“863”计划课题《高温超导磁悬浮试验车》又在西南交通大学通过了验收。该车是2000年12月底在西南交通大学研制成功的,采用的是国产高温超导体块材,液氨工作温度为77K,车辆悬浮重量为530kg,悬浮净高度为23mm。加速度为1m/s2,直线电机驱动。首次试验研究了YBCO高温超导体块用在磁导轨上的磁悬浮性能,为高温超导磁悬浮试验车的研制成功奠定了坚实的科学基础。块材达到并超过了国际商业产品应用水平。我国首辆磁悬浮客车是由西南交通大学、长春客车厂和株洲电力机车研究所共同研制的,该车将用于成都青城山旅游区磁悬浮列车示范线的商业运营。该车为常导式磁悬浮车。长客厂共要生产2辆磁悬浮列车,这只是其中的1辆。该车的车体长11.2m,宽2.6m,内设28个座位,载重2t,运营速度为60km/h～100km/h。该车利用电磁吸力使车辆浮起,与轨道间距始终保持为8mm～10mm。采用直线电机驱动,其速度取决于直线电机的牵引力。采用铝合金板焊接车体,重量轻,仅16t。该车将在都江堰—青城山进行各项性能试验,试验周期持续1年,完成各项性能试验后将投入商业运营。2列车造价比地铁低磁悬浮列车实际上是依靠电磁吸力或电磁斥力将列车悬浮于空中并进行导向,实现列车与地面轨道间的无机械接触,再利用线性电机驱动列车运行。虽然磁悬浮列车仍然属于陆上有轨交通运输系统,并保留了轨道、道岔和车辆转向架及悬挂系统等许多传统机车车辆的特点,但由于列车在牵引运行时与轨道之间无机械接触,因此从根本上克服了传统列车轮轨粘着限制、机械噪声和磨损等问题,是一种新型的载运工具,其速度介于轮轨高速列车(400km/h)与飞机(700km/h)之间,而造价比地铁低。如上海地铁造价为每公里人民币8亿元,而上海磁悬浮试验线的造价约每公里人民币3亿元。磁悬浮列车按悬浮方式可分为常导磁吸型和超导排斥型两大类。常导磁吸型以德国高速常导磁悬浮列车TransRapid为代表。它是利用普通直流电磁铁电磁吸力的原理,由车上常导电流产生电磁引力,吸引轨道下的导磁体,使列车浮起。常导磁吸型技术较简单,产生的电磁吸力相对较小,悬浮的气隙较小,一般为8mm～10mm。常导型高速磁悬浮列车的速度可达400km/h～500km/h,适合于城市间的长距离快速运输。超导排斥型磁悬浮列车以日本MagLev为代表。它是利用超导磁体产生的强磁场在列车运行时与布置在地面上的线圈相互作用,产生电动斥力将列车悬起,悬浮气隙较大,一般为100mm左右,技术相当复杂,并需屏蔽发散的电磁场,速度可达500km/h以上。根据行驶速度的不同,又可分为高速型和中低速型。超导磁悬浮列车的最主要特征就是其超导元件在相当低的温度下所具有的完全导电性和完全抗磁性。超导体由超导材料制成的超导线圈构成,它不仅电阻为0,而且可以传导普通导线根本无法比拟的强大电流。磁悬浮列车的研究和制造涉及自动控制、电力电子技术、直线推进技术、机械设计制造、故障检测与诊断、通讯与信号控制等众多学科,技术十分复杂。3磁悬浮系统的优势及不足磁悬浮列车与轮轨列车相比具有以下优势:(1)速度快。常导磁悬浮列车运行速度可达400km/h～500km/h;超导磁悬浮列车运行速度可达500km/h～600km/h。轮轨列车速度一般在400km/h以下。在运距1000km～1500km的范围内,磁悬浮列车可与飞机竞争。(2)运行成本和能耗低。由于没有轮子、无摩擦等因素,它比目前最先进的高速列车省电30%。据德国资料介绍,在300km/h速度下,磁悬浮列车比ICE3能耗少28%;在500km/h速度下,每座位每公里的能耗仅为飞机的三分之一至二分之一,比汽车也少耗能30%。(3)维修少。磁悬浮列车属于无磨损运行,需要维修的主要是电气设备。随着电子工业的发展,电子元件的可靠性将不断提高。因此,磁悬浮列车的维修工作量较少。(4)有利于环保。磁悬浮列车采用电力驱动,无需燃油,无有害气体排放。它在运行时不与轨道发生摩擦,所以发出的噪声很低。(5)安全性高。磁悬浮列车在轨道上运行,按飞机的防火标准实行配置。其结构特点决定了其不会出轨,具有较高的安全性。(6)转弯半径小,爬坡能力强。由于磁悬浮高速列车具有较高的爬坡能力(10%,而一般铁路为3%)和较小的曲线半径(速度300km/h时,磁悬浮铁路为R2350m,传统铁路为R3350m),因而其线路对地形的适应性非常灵活。(7)具有乘坐舒适、启动快、制动快等优点。磁悬浮列车主要存在以下不足之处:(1)高风险,高投资。磁悬浮铁路所需的投入较大,利润回收期较长,投资的风险系数也较高,因而也在一定程度上影响了投资者的信心,制约了磁悬浮铁路的发展。磁悬浮铁路造价相当高,德国和日本分别认为磁悬浮铁路比轮轨铁路高1.7倍和2倍。柏林—汉堡线,1997年预算为89亿马克,第2年就追加了10%,达到98亿马克。1999年重新核算后,起码还要追加30亿马克。日本的东京—大阪线,预算为8兆亿日元。磁悬浮列车在应用中无实例可供借鉴,运营风险大。1998年8月,全长270km的悉尼—堪培拉线竞标中,德国的磁悬浮方案比法国的TGV轮轨列车还要低。澳大利亚出于风险考虑,最终选择了TGV。(2)兼容性差。无法与既有铁路网连通,只适应于点对点的直通客流。(3)可靠性需检验。由于磁悬浮系统是以电磁力完成悬浮、导向和驱动功能的,断电后磁悬浮的安全保障措施尤其是列车停电后的制动问题仍然是要解决的问题。其高速稳定性和可靠性还需很长时间的运行考验。(4)常导磁悬浮技术的悬浮高度较低,因此对线路的平整度、路基下沉量及道岔结构方面的要求较超导技术高。(5)超导磁悬浮技术由于涡流效应悬浮能耗较常导技术更大,故冷却系统较重。(6)磁悬浮列车还有运量小、不便扩容、难以进入市中心等缺点。4经济效益分析任何一项新的发明创造,要想使其真正发挥作用,走入人们的生活之中,必须要经历理论、技术、实用以及是否经济4个阶段的检验。当前,在一些国家如日本、德国等,修建磁悬浮铁路从技术上已基本不存在问题,并且也开始进入到实用性阶段。但就目前来看,磁悬浮铁路要实现成为一种大众化交通工具的目标,尚有一段距离要走。从经济效益角度来分析,磁悬浮铁路当前只在旅游等特殊行业具有商业价值,还不具备大规模兴建的经济可行性。然而,也应该看到,随着超导材料和超低温技术的发展,修建磁悬浮铁路的成本有可能大大降低。届时,磁悬浮铁路作为一种快速、舒适的“绿色交通工具”,或许就真的会实现了。目前,世界上致力于研究磁悬浮技术并修建试验线的国家只有德国、日本和中国,但是至今还没有一条投入商业运营的磁悬浮铁路。德国原计划修建的柏林—汉堡线曾于2000年2月5日宣布下马,不得不令人们对磁悬浮铁路的实用性表示怀疑。日本的东京—大阪线、美国的洛杉矶—拉斯维加斯线以及巴黎—布鲁塞尔—科隆/阿姆斯特丹线也由于种种原因迟迟未能动工。这其中的原因主要是经济效益和高额的投资,以及与既有铁路网的兼容问题。而我国的京沪高速铁路线是否采用磁悬浮技术,经过国内专家近4年的论证,至今未有定论。5发展轮轨技术和磁悬浮铁路是投资铁路发展的先导力量(1)磁悬浮列车的发展应逐步推进,先建设一定数量的较短的试验线,待积累一定的运营经验后,再建设较长的主干线。应避免急功近利,一拥而上。(2)我国的轮轨技术