磁悬浮列车的技术经济分析

磁悬浮列车的技术经济分析

新世纪车辆的发展主要基于高效、快速、安全、舒适、环保和节能。国外磁悬浮列车的发展为我国磁悬浮列车的研究提供了很好的借鉴经验。有关专家指出,目前我们要做的是“进行技术引进与消化,攻关与创新工作”,且“抓紧高速磁悬浮列车的研究发展,从技术上实行‘迎头赶上’的战略”。本文就是以德国的TR07型磁悬浮车和日本的MLX01型磁悬浮车系统为背景来进行EMS式与EDS式磁悬浮列车比较分析的。1磁吸引式transpraping国际上EMS式磁悬浮列车(或称常导电磁吸引式)以德国的Transrapid为代表车型;EDS式磁悬浮列车(或称超导推斥式)以日本的MLU型车为代表。1.1TR07的发展过程德国磁浮列车研制的奠基人及带头人是HermannKemperer。60年代起,KM、MBB、TH等三家公司先后合作研制成EMS模型车,它的Transrapid(简写为TR)车的发展过程如表1。1977年,德国确定了以EMS为主型车,以“Transrapid”作为高速磁浮铁道的商标。1980年,德国开工了埃姆斯兰德(Emsland)试验线,1987年竣工,它是目前世界上最长、最先进的磁吸式磁浮车试验线,全长31.5km,双环线路,可进行500km/h的高速试验,1991年12月通过了由政府主持的《技术成熟性评价报告书》。1.2mlu型车的运行日本于1962年开始磁悬浮铁路的研究,1970年针对本国的国情确定研制的重点为超导电动(EDS)式悬浮列车,其代表车型MLU型车的发展过程如表2。1977年日本宫崎超导磁浮试验线竣工,全长7km。1990年日本决定在东京—大阪线路中的一段上建山梨试验线。1997年4月3日新建成的18.4km长的试验线开始投入试验运行。日本将建设东京—大阪的全长515km,正常车速500km/h的高速磁悬浮交通干线。2比较分析了sds和sds磁浮车辆的主要技术和主要性能2.1悬浮力与导向力TR07是常导电磁吸引式磁悬浮列车(EMS式),如图1。它是采用安装在车辆转向架上的常导电磁铁和地面导向轨上的磁浮与导向铁轨进行磁悬浮和导向控制,用直线电机驱动。MLX01是超导推斥式磁悬浮列车(EDS式),如图2。它是采用安装在车上的低温超导线圈和地面上沿线铺设的短路线圈进行磁悬浮与导向,直线电机驱动。(1)TR07车的悬浮与导向系统如图3所示,在悬浮方面,TR07是利用车上常导电磁铁与导轨上的磁铁产生吸引力使车辆浮起。由于车辆和轨面之间的间隙与吸力的大小成反比,为了保证悬浮的可靠性,需要气隙传感器进行反馈控制列车与导轨之间的气隙。这种悬浮决定了气隙应设计在8mm左右,这为施工工艺和控制技术提出了更高的要求。在导向方面,TR07是利用专门用于导向的电磁铁。导向电磁铁与导向轨之间的吸引力可使两者之间保持一定的间隙,在坡道和弯转时,控制导向电磁铁电流,进而控制导向力来完成曲线运行。(2)MLX01车的悬浮与导向系统。其悬浮力与导向力是通过车上的超导磁铁与线路侧的8字形线圈的相对运动产生,如图4。当二者相对运动时,在8字形线圈中感应出电流和磁场,这一感应磁场使上半个线圈对车体产生吸引力,下半个线圈(电流方向相反)产生推斥力,进而合成悬浮力(超导线圈的横向中心线低于8字型线圈的横向中心线)。由于超导磁铁与U型槽的对称性,导向力也就随之产生。悬浮力和导向力随车速的增大而增大。当磁悬浮列车静止时,没有悬浮力和导向力。在低速时,磁悬浮车依靠橡胶轮支承和导向。当列车加速到大约150km/h～180km/h时,列车进入与线路完全无接触的悬浮状态。额定工况下的悬浮高度为100mm左右。(3)TR07车与MLX01车的推进系统。MLX01和TR07都是由长定子直线同步电动机来驱动。它们的激磁绕组在车上,地面上的长定子二相电枢绕组采用万千瓦级电力电子变频电源供电,运行时实时切换到列车所在的区段上,电流的频率和强度按列车的速度进行调节。2.2tr06车是反映高速列车使用和复配的一个重要(1)TR07车的悬浮高度(8mm)比MLX01车的悬浮高度(约100mm)小10倍左右,对路面平整度的公差要求高,控制悬浮气隙较难,抗地震性能较差,且必须保证线路及轨道结构具有足够的刚度,避免承载结构因车辆引起的弹性挠度过大而干挠气隙量的控制。(2)TR07车以均布载荷的形式作用在线路结构上,MLX01车以相对集中的形式作用在线路结构上,因此,TR07车的活载在车辆结构中产生的内应力和活载相应的冲击系数小于MLX01车。(3)MLX01车需要复杂的车载低温冷却系统且要防止失超现象发生,而TR07车在开展国际合作和自我开发时与我国现有技术接轨等问题较易实现。如TR07是能够利用铜线的普通常导电磁铁使车体悬浮。不过,TR07车系统需要多闭环控制悬浮气隙,此控制系统是多因素的、随机的,难度大;MLX01则不需要,它具有自稳定特性。(4)TR07车与T形梁的结合采用抱式,MLX01车与U形线中的结合采用槽式,这2种结合形式都非常安全,不会产生脱轨翻车等现象。其中,槽式有利于降低车辆的高度从而有利于隧道建设的投资节省。另外,MLX01车线路道岔是分段移动的U形槽(道岔的可弯曲段总长为80m,分为6段,由液力装置驱动)。TR07车的线路道岔是钢结构可弯曲连续梁结构。(5)MLX01车比TR07车的性能差。MLX01在低速运行时悬浮力很小(大致在100km/h～150km/h以上才有足够的悬浮力),需要辅助轮支撑。TR07车在静止或低速时都能悬浮,所以不需要辅助支撑。(6)为了降低超导磁悬浮列车强磁场辐射问题,MLX01车的超导体被放在车厢两头底部的连接转向架上,远离旅客。在连接车厢的门通道处采用了磁屏蔽。TR07车的磁场则不必采取特殊屏蔽措施。MLX01车和TR07车车厢内的磁场强度分别约0.2mT和0.1mT,都不会对旅客造成危害。(7)MLX01车采用“双尖交角形”和“航空楔形”车头形状。它产生的噪声比TR07车略低,当车速为300km/h,距离线路25m,高度1.2m处,TR07车的噪声为86dB,MLX01车的噪声为80dB。实际上,高速列车的噪声主要来自空气摩擦,它与速度关系十分密切,约为速度的6次方。所以,这2种车在这方面的差异将会逐渐减小。3在分析了sds和sds磁悬列车的主要经济效率的基础上3.1日本山梨线eds式(1)在线路和车辆方面,磁悬浮列车的线路与列车本身是一体的。德国的柏林-汉堡(EMS式)磁悬浮交通线,全长284km,线路预计总造价为89亿马克,线路部分56亿马克,占总造价的63%。磁悬浮车辆是72500马克/辆,磁悬浮交通线每公里造价预计3200万马克(包括运行部分),约0.155亿美元。日本山梨线(EDS式)全长18.4km(该段隧道总长占全程的80%)包括7辆磁悬浮车总共投入2128亿日元,车辆平均每辆造价约20亿日元(超导电磁铁,制冷设备占车辆造价的一半左右。如果批量生产,磁悬浮车造价可望降到6亿日元/辆)。考虑到山梨线的变电站原来是为42.8km试验线路建的,加上车辆基地和试验场,使得以上折算到18.4km线路的综合平均造价偏高。估计改进的磁悬浮线路综合造价为每公里88亿日元～96亿日元,即0.74亿美元～0.81亿美元。所以EDS式磁悬浮交通线的建设投资比EMS式磁悬浮交通线建设投资要大。(2)在土地使用量方面,德国的TR07磁悬浮列车系统线路比日本的MLX01磁悬浮系统线路少占地约10%～15%。因为TR07系统线路采用T型高架结构。MLX01系统线路采用U型截面路基,双线磁悬浮列车的线间距离是5.8m。但U型截面路基降低了列车地板高度,车辆高度下降重心降低,减少了车辆断面,从而有利于减少隧道断面和工程量,缩短了施工期。3.2车辆悬浮系统tr06(1)MLX01车通过超导线圈同时实现悬浮、驱动和导向3种功能,且车载超导线圈无铁心,只需很小的供电系统,所以耗电量小。因此,它的耗电量主要用于地面的定子绕组和液态氦的获得过程。TR07车悬浮、驱动、导向系统都消耗电能,且悬浮时间长(静止和低速时都悬浮)。(2)在减轻自重降低能耗方面。MLX01磁悬浮列车的起浮和落地系统以及超导装置和冷却系统要占车辆重量的相当比例。但超导线圈无铁心,而TR07车的每辆车下有8×2条相当大的电磁铁,总重量相比超导磁悬浮车每座为330kg,而常导磁悬浮列车每座为500kg。(3)MLX01车运营速度(500km/h)比TR07(430km/h)快,在同一时间内,列车及其司乘人员往返次数增加,即生产率随着运营速度的加速而提高,从而可降低运营成本。3.3维修和保养MLX01的养护工作主要集中在橡胶轮的拆换(静止或低速时用橡胶轮支撑车体),而TR07则没有这方面的损耗,养护工作较少。4ed车的较高级化以eds车为例(1)EDS磁悬浮车系统的造价高,超导悬浮技术难度大。EMS相对造价低,虽然控制系统复杂、精确,但技术成熟,大部分零部件具有通用性,可由市场提供,有利于引进国的国产化。(2)EDS车相对于EMS车,从悬浮气隙大,对路面平整度要求低,抗地震性能好,速度更快(还有进一步提速的可能性),低速不能悬浮等特点来看,它更适合于大运量长距离的客运。(3)EDS是集当代磁悬浮、直线驱动、超导技术、电力电子、计算机控制与信息技术等众多的高新技术综合发展的结晶,它的发展将与一系列相关高技术产业的发展相辅相乘,发展潜力大。(4)EMS车与EDS的噪声与能耗相近,EDS车磁屏蔽后的磁辐射与EMS车相差不大,二者都不会产生脱轨和翻车现象,