磁悬浮列车maglv的运营与发展

磁悬浮列车maglv的运营与发展

传统的列车轨道线的运行是基于机车轨道和轨道之间的粘附力，这使得列车以相对的方向前进。粘着系数随列车速度的增加而减小,而运行阻力则随车速的增加而增加。当车速增加到粘着系数曲线与阻力曲线的交点时,车速达到了极限值。自从1825年世界上第一条铁路诞生以来,一百多年来,世界各国的铁路专家们一直在为提高列车的行车速度而作了大量的努力。根据当时轮轨极限速度的理论,专家们认为:轮轨运输系统所能达到的极限速度为350km/h左右,要想超越这一速度行驶,必须采用与传统的轮轨方式不同的不依赖于轮轨的新式运输系统。因此,从60年代起,一些国家开始了磁悬浮运输系统的研究开发工作,而磁悬浮列车就是在这样的背景下诞生的。磁悬浮运输系统是一种介于轮轨铁路和航空之间的一种独特的高速地面运输系统。1悬浮和导向系统轮轨列车靠轮沿实现垂向和横向约束,因此必须施加垂向和横向约束才能使轮轨列车沿轨道方向行驶,而磁悬浮列车则靠电磁力来实现悬浮和导向。磁悬浮列车的悬浮和导向可以是分开的两个系统,如德国的TR型磁悬浮列车;也可以是一个既有悬浮功能又有导向功能的混合系统,如日本的ⅡSST磁悬浮列车。对悬浮和导向系统互相独立的磁悬浮列车,悬浮力和导向力是靠独立的电磁铁进行独立控制来完成的。高速磁悬浮列车由于运行速度高,因此轨道横向不平顺及过弯道时引起的横向动态附加力较大,为了约束列车沿轨道方向运行,需要的导向力较大,必须用单独的导向电磁铁才能实现。从工作原理上可将磁悬浮列车分为常导电磁铁吸引式(常导型)和超导电磁铁相斥式(超导型)两大类。1.1为列车过移提供稳定能量常导型是以德国的高速磁悬浮列车Transrapid为代表,图1至图4是一些典型的磁悬浮列车的外形图。常导型是利用直流电磁铁电磁吸力的原理,在列车车体两侧倒转向上的底部安装受控电磁铁。电磁铁通电后,与位于其上方的导轨之间产生电磁吸力,当吸力大于重力时,就会使列车浮起,一般为10mm左右。为了达到列车稳定悬浮的目的,必须调节电磁铁线圈中的电流以改变悬浮力,使列车处于动态平衡的悬浮状态。磁悬浮列车有若干个磁转向架,每个磁转向架上左右两侧各安装一个模块,每个模块由若干个导电磁铁组成。每组电磁铁沿导轨中心对称安装,其初始位移量大小相等,方向相反,此时所产生的侧向力为零。当列车受到干扰向某一侧偏移时,根据预定的控制规律分别改变两个电磁铁的磁势,使其在保持垂直方向力(即悬浮力)不变的情况下,产生与干扰力方向相反的恢复力,使电磁铁(即列车)向平衡位置运动,从而实现导轨在水平方向和垂直方向的非接触支撑和导向。磁悬浮列车用交流线性电动机驱动列车前进,根据驱动方式不同可分为短定子异步电机和长定子同步电机。前者的定子绕组安装在车上,转子铺设在线路上,后者正好相反。短定子磁悬浮列车的牵引和悬浮功率由地面电网通过接触受流设备供给。磁悬浮列车供电接触网一般采用刚性悬挂结构,在车上的受流器通过滑动接触从供电网上获取电能。常导型高速磁悬浮列车的速度可达400～500km/h。虽然车辆在运行时受到导轨的约束,但并不与之发生机械接触,因为电磁悬浮系统本质上是不稳定系统,因此对电磁悬浮控制的基本要求是实现稳定控制。每个电磁铁都由一个控制器、磁流激励器、传感器、能源供应以及监控器组成一个电磁悬浮控制子系统。传感器主要分为二种:一种是电感式传感器用于检测导轨与列车之间的间隙,控制系统根据检测到的信号进行调节,使气隙保持在10mm左右;另一种是加速度传感器,用于检测列车高速行驶时受到的干扰力和高频的导轨干扰,控制系统根据检测到的信号进行调节,减少上述两者的影响,以保持行驶的平稳性。电磁悬浮控制系统至少由两层组成:第一层是分级的电磁悬浮控制系统,由许多单个的电磁铁组成,即使第二层出故障时也能保证列车的导向。在每个MAGLEV的两侧都安装有很多电磁铁,如在TR06型中,每个电磁铁长约1m,在TR07型中,每个电磁铁长约2m。每个子系统都能自动保持列车的悬浮和导向。第二层的具有(1)在弯道时控制车辆的倾斜,(2)补偿由于静载荷引起的车辆和转向架的偏移,(3)控制列车的减速与停止,(4)监控,(5)故障指示和识别,(6)检查与校正的功能。1.2列车悬液的制备超导型磁悬浮列车以日本的MAGLEV为代表,超导型是在车上安装超导电磁铁,由沿线分布的地面导轨两侧的驱动绕组提供三相交流电,利用超导磁体产生的强磁场,当列车运行通过装在地面上的绕组时,列车超导磁铁的强电磁感应作用在地面绕组中感生出电流,在感生电流和超导磁铁之间产生了电磁力,该力使列车悬浮起,这种方式所产生的悬浮气隙较大,列车与导轨之间的悬浮间隙可达100mm左右。用传感器检测导轨与列车之间的间隙,使其保持在100mm左右,用交流线性电动机驱动列车前进,超导型的速度可达500km/h以上。2高速列车前进速度磁悬浮列车取消了数千年来传统车辆籍以运动的轮子,利用电磁力将列车悬浮于导轨上方一定的高度,并用无接触的线性电动机驱动列车前进。与传统铁路运输方式相比,磁悬浮列车具有速度快,低噪音,低振动,无磨损等特点。如德国最先进的高速列车ICE的时速约为280km/h,法国最先进的高速列车TGV约为300km/h,而目前磁悬浮列车的时速大于400km/h。与民航相比,磁悬浮列车具有安全可靠,方便舒适,节省石油,不污染环境,正点率高,不受气候变化影响。3国内外磁悬浮车运营概况目前,在世界上对磁悬浮列车进行过研究的国家主要是德国、日本、英国、加拿大、美国、前苏联和中国。美国和前苏联分别在上世纪70年代和80年代放弃了研究计划,但美国最近又开始了研究计划。英国从1973年才开始研究磁悬浮列车,却是最早将磁悬浮列车投入商业运营的国家之一。1984年4月,从伯明翰机场到火车站之间600m长的磁悬浮运输系统正式运营,旅客乘坐磁悬浮列车从机场到火车站仅需90s。但1995年,在运行了11年之后,被停止运营,对磁悬浮列车研究最为成熟的是德国和日本。3.1常导型与超高型磁悬浮列车德国从1968年开始研究磁悬浮列车,刚开始时,常导型和超导型并重,于1977年分别研制出常导型和超导型试验列车。但后来经过分析比较,决定集中力量只发展常导型磁悬浮列车。表1所示为1971年至1999年建造的磁悬浮列车。目前德国在常导磁悬浮列车研究上的技术已经成熟。3.2浮列车载荷试验结果日本从1962年开始研究常导型磁悬浮列车,后来由于超导技术的发展,日本从70年代开始转向研究超导型磁悬浮列车。1972年12月在宫崎磁悬浮铁路试验线上,时速达到了204km/h。1979年12月又进一步提高到517km/h。1982年11月,磁悬浮列车的载人试验获得成功。1995年载入磁悬浮列车试验时的时速高达411km/h。1997年12月在山梨县的试验线上创造出时速为550km/h的世界最高记录。最高时速与试验线的长度有关,德国的试验线两端是环形的,直线部分只有约7km,日本的试验线是直线且很长,故能达到较高的时速。3.3磁悬浮列车试验中国在上世纪80年代初开始对低速常导型磁悬浮列车进行研究。1994年10月,西南交通大学建成了首条磁悬浮铁路试验线,并同时开展了磁悬浮列车的载人试验,成功地进行了4个座位,自重4t,悬浮高度为8mm,时速为30km/h的磁悬浮列车试验,于1996年1月通过铁道部组织的专家鉴定。然后,在铁科院环形试验线轨距2m,长36m,设计时速为100km的室内磁悬浮试验线路上成功地对长为6.5m,宽为3m,自重4t,内设15个座位,设计时速为100km/h的低速常导6t单转向架磁悬浮试验车进行了试验,于1998年11月通过了铁道部科技成果鉴定,填补了中国在磁悬浮列车技术领域的空白,从而使我国对磁悬浮列车的研究跨入了先进国家的行列。4磁悬浮列车在不同工况下运行的稳定性、振动和液压强度的问题磁悬浮系统本质上是个不稳定系统,因此,如何实现稳定控制是对磁悬浮控制的基本要求。(1)由于磁悬浮列车是靠电磁力来实现列车悬浮、导向、牵引和制动功能的,虽然车辆在运行时受到导轨的约束,但列车与导轨之间并无机械接触。因此,如何保证断电后的磁悬浮以及断电后列车的制动是一个很重要的问题。(2)磁悬浮列车在单跨和双跨梁上运行时不同的耦合振动问题应引起注意。根据德国在不同类型的磁悬浮列车上的试验说明当车速不同时,为了取得较好的振动频率响应,减少梁的振幅,当时速为400km/h时,单跨和双跨梁都可以,而当时速小于400km/h时,双跨梁的频率响应特性较好,当时速大于400km/h时,单跨梁的频率响应特性较好。(3)常导磁悬浮列车的悬浮高度较低,约10mm左右。因此在行驶时尤其是高速行驶时对轨道的平整性,路基的质量及弯道的半径,坡度的大小等均有较高的要求。(4)对超导型磁悬浮列车,其涡流效应使悬浮能耗较大,冷却系统重。此外,强磁场对人体和环境都会产生不良影响。5高速磁悬浮运输系统的建设将在村站上运行过去的30多年,磁悬浮列车的发展之快令人瞻目,不仅在德国和日本磁悬浮列车已进入到实用性阶段。最近美国的佛罗里达州也已决定在2003年11月1日前正式开始建造磁悬浮运输系统,该系统将连接佛罗里达州的5个最大的城市。德国政府正计划在慕尼黑机场到火车站之间建造一条长35km的高速磁悬浮运输系统,最新研制的TR08型磁悬浮列车将在该线上行驶。从慕尼黑机场到火车站仅需10min,比普通的火车快4倍。上海已在2000年11月正式与德