国内外磁悬浮列车方案研究

国内外磁悬浮列车方案研究

1高速磁悬浮列车运营方案高速磁浮列车具有速度快、安全、噪音小等优点，世界许多国家正在研究高速磁浮列车。我国的高速磁悬浮列车技术也取得了重大进展,以引进德国技术为主的上海浦东机场至地铁2号线龙阳路站全长30公里的高速磁悬浮列车示范运营线,已进入全面调试阶段,达到了430公里/小时的高速度,很快将投入商业运营。从世界范围来看,德国经过三十多年的努力,Transrapid常导磁悬浮列车技术,经过长期试验线试验的考验,为实际运营奠定了良好基础;日本是另一个努力发展高速磁悬浮列车技术的国家,采用超导电动式方案,载人运行速度已达550公里/小时,悬浮间隙达10厘米,因而适应性更强;鉴于德国Transrapid悬浮间隙小、采用机械道岔等缺点,美国现有三个小组在积极进行新方案的研究,其中采用永久磁体的Magplane方案引起了各国学者的关注。以下分别从原理、车辆、轨道、道岔等方面对上述三种方案进行比较和分析。2浮型轨道中央公车管理磁悬浮列车受电磁力或电动力的作用,可以产生升力使车体与轨道脱离机械接触,即车体悬浮于轨道上。按升力形成的电学机理,各种磁悬浮方案又有很大的不同。德国的Transrapid(简称TR)属于电磁悬浮型(Electromagneticsuspension简称EMS),它利用悬浮架两侧的可控直流电磁铁与导轨间的吸力来提升车体,为了保证悬浮的稳定性,必须外加反馈控制来调节电磁铁的线圈电流,从而改变提升力的大小,使提升力与车体重力保持动态平衡。其悬浮原理如图1所示,在悬浮电磁铁中通入直流电流,悬浮电磁铁与轨道中的铁芯之间产生电磁吸引力将车体浮起。如果不加控制,悬浮电磁铁将牢牢吸附在轨道铁芯上,列车无法行走。为此在悬浮电磁铁附近装有气隙传感器,测量悬浮电磁铁与轨道铁芯之间的距离(即悬浮气隙)。根据测量的距离不断调整悬浮电磁铁中的电流,以保持悬浮气隙在十毫米左右,车上的导向电磁铁对轨道侧面产生侧向吸力以导向车辆。该类型悬浮的优点在于无论处于何种速度或停车,均能保持车体悬浮状态,不需要辅助轮。但其悬浮和导向需要主动控制。日本的MLU型系列磁悬浮列车属于电动悬浮型(Electrodynamicsuspension简称EDS),其悬浮原理如图2所示,该悬浮方式为侧壁零磁通悬浮式。磁浮车在静止或低速运行时不能起浮,靠类似飞机的橡皮轮支撑,此时,车载低温超导磁体的中心线0v-0v与轨道侧壁“8”字形短路线圈中心线0g-0g重合,“8”字形短路线圈中上下半部线圈交链的磁通相互抵消为零,因此在“8”字形短路线圈中无感生电流和悬浮力产生。当列车运行达到一定速度收起支撑轮时,车载低温超导磁体下沉,低温超导磁体中心线0v-0v偏离“8”字形短路线圈中心线0g-0g,因而“8”字形短路线圈中上半部线圈交链的磁通减少,下半部交链的磁通增大。由楞次定律可知,上半部线圈感应的磁场方向与车载低温超导磁体的磁场方向相同,下半部线圈感应的磁场方向与车载低温超导磁体的磁场方向相反。同极相斥产生的推力会形成一个向上的分力,异极相吸产生的吸引力也会形成一个向上的分力,一推一拉形成磁浮车的悬浮力。列车运行速度越快,感应的磁场越强,悬浮力越大,直到把列车浮起来。起浮速度约为100~150公里/小时。系统推进与TR系统相近,直线电机初级线圈分布在U型槽侧壁上,励磁磁极则为车载超导体磁体。车上发电也与TR系统类似。悬浮和导向不需要主动控制,在高速时可将车体悬浮10~15cm,最大为30cm。适用于高速行车,需要低温超导技术,技术难度较大。美国的Magplane方案其实有两种形式,一种为超导型,另一种为永磁型,均为电动推斥式,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(permanentmagneticsuspension简称PMS)。Magplane的悬浮磁铁和驱动磁铁皆为永磁体,间隙可达5~15cm。如图3所示,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。Magplane高速磁悬浮列车系统与其它磁悬浮列车系统相比,有许多的创新之处,最显著的特点就是永磁悬浮、电磁道岔、自稳定的控制系统等,以下分别介绍这几个创新点。Magplane方案采用永磁方案,永磁体的使用比起超导悬浮列车更经济,不存在一套精密的制冷系统,简化了磁悬浮列车系统,同时不会出现日本超导高速磁悬浮列车MLU在试验时曾出现的超导体失超而引发的事故,使得磁悬浮系统可靠性大大提高,同时也使得原理更简单,建造更方便。对磁悬浮系统来说有一个震荡的过程,从安全角度,系统不需要防止与地面碰撞。而对旅客来说,存在振动则会感觉不舒服,为阻尼这些振荡,磁铁不是粘在列车上,而是有一个可以运动的装置。磁铁在列车底部运动,可吸收掉能量以阻尼振荡,这个可以运动的范围大约2cm,频率大约是1周。磁铁在车体下面只是径向运动,因为磁铁下面有一个稳定机构,不能上下运动,列车动起来后,所有的磁块都在不断地运动。速度更高时,有象飞机一样的稳定翼,振动幅度1cm左右,用空气动力学原理来控制列车系统的晃动。列车在拐弯时允许倾斜10°,这样列车在通过半径为2公里的曲线时,仍可保证360公里/小时的速度,而且乘客感觉和坐飞机一样舒适,该方案目前还在设计与改进过程中。和传统的列车自动控制系统不同,Magplane的控制系统除检测列车的位置外,还要检测列车的姿态。根据这些信号由控制系统处理后发出控制信号控制磁块。3日本magprane图4高速磁悬浮车辆,由于是超高速运行,所以减小空气阻力是特别重要的,为此各种方案的高速磁悬浮列车都在追求理想的车头形状、中间部形状,缩小车体截面,以及使车体、机器设备彻底轻量化。故几种车辆存在较多相同的地方,例如都采用空气动力学设计,都为全封闭式等。德国的Transrapid列车,为了跟踪轨道,电磁铁沿着车辆的长度形成链型排列相互搭接。TR08车厢为铝材轻型弹性结构,流线型外形设计。端车长27.5米、宽3.7米、高4.66米(含天线);中间车长24.5米、宽4.16米。车内净宽3.43米、净高2.28米。每节车包含4个悬浮架。悬浮架由4个悬浮框及相应的横梁和纵梁组成。每个悬浮架有两个臂从外面抱住导轨,这种结构可保证列车不会脱轨。车体采用阻燃材料,无可燃物。即使意外着火,其舱门、车厢门及电气线路耐火至少30分钟。日本的MLU型列车根据模型的风洞试验,车头形状采用“双尖交角形”或“航空楔形”两种形状,车体结构为铝合金制薄板半硬壳结构。融合了飞机与铁道车辆技术,获得了大幅度轻量化,车身重量比德国常导列车轻,车宽2.9米,高3.28米。车体、转向架是按铁道结构规程要求,采用耐燃、不燃材料,并设有能够早期发现和处理火灾的温度传感器和烟雾检测装置,并在转向架部位设置自动灭火装置,以提高安全性。车上装有制动装置,组合地面的电阻制动、线圈短路制动及车上制动作为加强制动,这种车上制动装置,具有能在550千米/小时的速度下停车的能力。Magplane的车体像一个中等的喷气式飞机大小,并排有5个座位。为防止列车振动引起乘客的不舒服,而采用了相应的阻尼振动的方式,磁铁在车辆的下面可以运动,以吸收掉能量,速度更高时,采用像飞机一样的稳定翼,列车在拐弯时允许倾斜10°,这样列车在通过半径为2公里的曲线时,仍可保证360公里/小时的速度,而且乘客感觉和坐飞机一样舒适。它采用独立无源车辆,车辆运动时,车上的永久磁体在圆弧型铝板导轨内产生感应电流,从而实现悬浮。车体上除了紧急备用电池以外,没有其它电源。所有推进的功率和车上用电都是由轨道上的线圈提供的。车上仅带有感应绕组以获得车厢用电以及列车的控制。该方案目前还在设计与改进过程中。4日本混凝土结构中的部分组成高速磁悬浮列车的轨道线路不仅是载重体,而且还是用于驱动的直线电机主要部分的载体,同时又兼有悬浮与导向等四大功能。尽管轨道所起的作用是基本相同的,由于各国方案不同的结构特点,轨道形状相差很大。德国方案为T型轨道,单线或复线的磁悬浮高速铁路由每段25米或50米长的钢结构或混凝土支承梁构成。支承梁可设在地面或高架上,也可设在桥上或隧道中。轨道主要由两个相关的部分组成:主支承梁和两侧的悬臂梁,悬臂梁将局部的悬浮、推进和导向力传给主支承梁,长定子铁芯及线圈、导向元件等都固定在悬臂梁上。车辆包在线路外面的防脱轨系统对线路上部边缘以下的建筑接近界限有一定的要求,因此线路支承梁必须有一定的高度,支承梁在支座间应处于不受预应力的状态。由于悬浮间隙很小,要求轨道有很好的刚性从而保证在温度变化和受到冲击力时不变形。日本混凝土结构的线路断面呈U字形,在侧壁内侧安装用于悬浮和导向的8字形线圈及用于牵引的直线电机线圈,由于线路呈U形,列车运行时,辐射噪声较低,由于应用超导,轨道不需要铁芯,仅为空气芯铝线圈。美国Magplane方案的轨道横截面为近似的弧形,半径为2.1米,轨道4.5米宽。轨道被分为3部分,如图3所示,左右两侧为用于悬浮的铝板,大约2cm厚,160cm宽,悬浮力是通过列车上磁铁的运动,在铝板里感应电流而产生。中间为推进绕组,作为直线电机的定子绕组,车载磁体为永磁铁。由于悬浮气隙较大,轨道的精度要求较低。轨道采用整体高架结构,在必要的地方采用大跨度,用钢筋或水泥加固。在轨道设计中考虑了在任意位置的突然停车和重新起动。由于悬浮气隙较大,铝板导轨重量轻,故轨道的加工精度要求较低,可以大幅度降低导轨的造价。5现代道岔系统随着磁浮铁道交通系统的发展,需要车辆运行的道岔。磁浮列车的道岔要比轮轨铁路结构复杂,还有待于进一步的改进。其中,日本和德国磁浮高速线路道岔的构造实质为同一模式,均为机械移动式,鉴于机械道岔的缺点,美国Magplane方案正在积极研究新的道岔形式,拟采用电磁道岔。德国磁悬浮铁路系统的道岔基本构造为在正线分岔处设一段可弯曲的钢梁,定位于正线。要开通侧线时,以液压传动或机电驱动将钢梁逐孔推移,使之横向弯曲成为一座曲线道岔梁桥,与侧线衔接并锁定,此时列车可通向侧线,但正线成为断开,不能再走行通过车辆。采用的是钢结构可弯曲连续梁结构,采用机电驱动或液压驱动的方式,道岔由75~150m长、连续的钢结构梁构成,各支点上设置数台横向同步液压千斤顶,通过自控系统遥控操纵将梁顶弯成设计的曲线以实现侧向过渡。在德国柏林—汉堡线的设计中已设计了高速道岔、低速道岔、双岔、三岔、车库道岔以及停车台等,其中有些已在实验线试验运行。日本的山梨实验线正在分别研究3种方式道岔的性能:电动移车台方式、液压移车台方式、侧壁移动方式。其中,电动移车台方式和液压移车台方式的道岔,正线部分也能超高速悬浮走行,其原理是移动U型桁架。该方式可靠性高,但需要一套复杂的控制系统,以便能在短时间内将庞大的装置和数个桁架移走。驱动方式有电动和液压两种方式。电动方式已应用于独轨铁路。液压方式则在宫崎实验线上得到了验证。对于侧壁移动方式,移动的是侧壁而不是桁架,和移车台方式相比较为简单经济。但由于存在侧壁强度的问题,正线和侧线均无法高速悬浮走行,因而只能用于终点站。美国的永磁磁悬浮列车拟采用电磁道岔,免去笨重复杂的机械道岔,不仅使得换线变得简单可靠,而且还可以降低线路和车站的建设费用。如图4所示,它的工作原理是:导轨的两边被逐渐分开,直到两侧之间的距离大到两个平行导轨宽,一个是正线,一条是侧线。在导轨完全分为两条之前,列车必须运行一个道岔的区间,这时总有一边的导轨壁是不完整的,道岔上的磁性材料必须能够提供稳定的悬浮并且确保列车在任何可能的转弯半径情况下靠着一边壁行走,直行的列车通过道岔时可以不减速。这种电磁道岔能保证磁悬浮车可以频繁地在中间车站进入或离开正线。6列车运行速度和是否可以保证保护列车磁悬浮列车超高速运行,确保列车的运行稳定性是特别重要的,由于采用了防火设计、高可靠度设计等措施,整体而言,磁悬浮列车是比较安全可靠的。磁浮列车的安全性来自两个方面:一是磁浮列车与轨道的一体化结构,即常导磁浮列车从外侧抱住导轨,超导磁浮列车在U型导向槽内运行,因而排除了列车脱轨的可能;二是磁浮列车的动力在轨道上,而每一段轨道只能有一列磁浮车运行,从而排除了列车追尾或撞车的可能。德国的Transrapid列车从外侧将导轨抱住,车厢较宽,但外侧悬空。在紧急情况下,列车必须运行到救援点才能停车并疏散旅客,因此每隔一定的距离要建一个救援点,救援点每隔十到几十公里一个,视线路具体情况而定。TR磁浮列车的运行速度是预先计划好的,且规定了每两个救援点之间的最高和最低运行速度,列车不允许在该速度范围之外运行。当出现紧急情况时,列车靠车载电源和自身的惯性可安全滑行到下一个救援点。万一列车停在救援点之间,旅客需使用紧急扶梯或逃生软管疏散。日本的超导磁悬浮列车在U型导向槽内运行,不会发生类似于高速铁路因轨道和轮子的不规则性引起轮子振动加剧的蛇行运动,以致造成列车脱轨事故。由于列车非悬空,超导磁悬浮列车在任何位置都可以紧急停车并疏散旅客,但其超导磁场是发散的,需要防护系统。美国的Magplane尚在设计中,关于安全救护措施的考虑