磁悬浮轨道交通关键技术及全速度域应用研究

磁悬浮轨道交通关键技术及全速度域应用研究

发表时间：2019-09-21T22:56:40.907Z 来源：《基层建设》2019年第19期作者：张聪

[导读] 摘要：随着社会经济的不断发展，磁浮技术有着其他轨道交通系统无可比拟的优势。

中车唐山机车车辆有限公司河北唐山 064000

摘要：随着社会经济的不断发展，磁浮技术有着其他轨道交通系统无可比拟的优势。其不仅能够造价成本更低、更为环保、节约土地，还有着更为舒适、安全的乘车体验，尤其适用于中低客流运量的城市与旅游景区，以及线路布置困难、建筑物拥挤、居民区稠密的大中型城市，因而有着广阔的发展应用前景。但同时，作为一种新型的交通运输系统，其在技术、安全、以及实际运营方面依然存在着较多问题。真正要实现大规模的普及和运营，依然需要漫长的实践。

关键词：速磁浮技术；城市轨道交通；应用

引言

降低能耗、突破速度瓶颈是轨道交通领域的技术难点。采用车体悬浮技术，可以实现列车和轨道之间的无物理接触，有效避免摩擦产生的损耗。在此基础上，采用直线电机驱动技术，可以实现列车沿轨道的悬浮滑行，大幅提升列车的运行速度。相比于光悬浮、声悬浮、静电悬浮和粒子束悬浮，磁悬浮是目前悬浮轨道交通中应用最为广泛的技术。但是，由于涡流、磁滞等因素影响，需要进行电磁悬浮控制，才能获得稳定的磁悬浮状态，极大增加了磁悬浮技术的应用难度。

1磁悬浮列车技术的工作原理

磁悬浮的基本原理是利用“同性相斥、异性相吸”的电磁原理，让磁铁对抗地心引力，让车辆悬浮起来，然后通过直线电机推动列车前行。具体来说为:一种是利用磁铁同性相斥原理而设计的电磁运行系统的磁悬浮列车，它利用车上超导体电磁铁形成的磁场与轨道上线圈形成的磁场之间所产生的相斥力，使车体悬浮运行的铁路;另一种则是利用磁铁异性相吸原理而设计的电动力运行系统的磁悬浮列车，它是在车体底部及两侧倒转向上的顶部安装磁铁，在T形导轨的上方和伸臂部分下方分别设反作用板和感应钢板，控制电磁铁的电流，使电磁铁和导轨间保持10-15mm的间隙，并使导轨钢板的吸引力与车辆的重力平衡，从而使车体悬浮于车道的导轨面上运行。

2磁悬浮列车的特点

2.1速度快

磁悬浮列车是大面积悬浮支撑，单位面积受力较小。其中，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500-600km/h。传统地面交通工具速度一般在400km/h以下。因此，磁悬浮列车具有较大的速度优势。

2.2安全可靠性高

磁悬浮列车悬浮高度大约在10mm左右，一旦遇到悬浮系统失效，磁悬浮列车车体就会降落在轨道上，不易出轨，比普通列车安全。

2.3平稳舒适、噪音小。磁悬浮列车因为车身与轨道之间无接触，没有车轮与轨道的摩擦音，所以噪音小。同时，由于磁悬浮列车车体环抱轨道，不容易脱轨，且在磁场均匀分布的情况下，悬浮列车振动小，运行平稳。

2.4能耗较低

据日本研究与实际试验的结果，在时速同为500km/h下，磁悬浮列车每座位公里的能耗仅为飞机的1/3。据德国试验，当TR磁悬浮列车(EMS)时速达到400km/h时，其每座位公里能耗与时速300km/h的高速轮轨列车持平;而当磁悬浮列车时速也降到300km/h时，它的每座位公里能耗可比轮轨铁路低33%。

3磁浮技术在城市轨道交通中的应用

磁悬浮技术在城市轨道交通中的应用由来已久。继德国工程师赫尔曼•肯佩尔于1922年提出电磁悬浮原理之后，经济实力不断提升的美国、日本、德国、韩国等工业化国家就相继开始了磁悬浮运输系统的研发。其中日本于2005年开设了示范线，实现世界上第一条磁浮列车的通车与运营。中国作为世界上第三个拥有磁浮技术的国家，第一条磁悬浮交通线路位于上海，使用的是自德国购进的磁悬浮列车。2015年我国首条国产的磁悬浮线路于长沙试跑成功，2016年我国首条拥有完全自主知识产权的磁浮线路长沙线开通并进行试运营。值得一提的是，长沙磁浮线路是世界上最长的磁浮运营线。然而不难发现，磁悬浮列车虽然具有诸多的优势，但其实际的发展与运营进程却极其缓慢，世界上真正运行并投入商业运营的磁悬浮线路寥寥无几，想要实现与普通轮轨式铁路同样的发展更是遥遥无期。究其原因，主要有技术与经济两方面的考量。首先技术方面，磁悬浮交通系统的运行需要电磁力来完成，一旦电缆断电，列车的安全性就受到了威胁。电缆在受电过程中将产生20KV的高压，因此线路沿线周边的施工安全要尤为注意，以避免意外事故发生。在建站轨道的过程中，由于磁悬浮列车悬浮的高度极小，因此对路线的要求很高。同时，由电磁力产生的强磁场对于环境与人体的影响也尚未得到证实。此外，目前由于磁悬浮列车尚未普及，且运用范围较小，因此乘坐的人也较少，以上海正在运营的磁悬浮线路为例，其每年亏损达到几十亿.

4电磁悬浮列车关键技术

采用电磁悬浮原理的列车已在域和高速域实现了商业应用，例如上海的TRO8高速磁悬浮列车，日本、韩国和中国的磁悬浮列车。在中速域的应用研究也备受关注，如西南交通大学的新一代磁悬浮列车，国防科技大学的中速磁悬浮列车，以及美国的M3磁悬浮列车。其中国防科技大学中速磁浮列车和美国M3列车，在电磁悬浮中加入了永磁体，被视为混合电磁悬浮。原理上电磁悬浮也适用于超高速列车，但还未见有相关报导。电磁悬浮（EMS）利用通电导体产生磁场，磁场吸力吸附轨道铁磁体将车辆吸起，并通过主动控制保持额定的小间隙，该间隙约为8-10mm。电磁悬浮方式的关键技术有2个方面：一是如何抑制车线耦合振动，二是如何实现悬浮冗余。在车线耦合振动方面，应用实践表明车辆悬浮对自身结构、高架线路、以及控制系统非常敏感，尤其是在静悬或低速运行于轻型道岔梁时，车岔耦合振动问题非常突出，极易导致悬浮失效。例如日本的HSST-01、HSST-02、HSST-04车、韩国的UTM-01车均遇到过此类问题。上海高速磁浮线路采用TR09车型后，尽管结构变化很小，仍需要重新优化悬浮控制系统适应已经具有很大刚度的轨道。在悬浮冗余方面，上海TR高速磁悬浮列车通过电磁铁搭接的结构方式实现了机械冗余，个别悬浮点失效时，车辆仍能保持悬浮。磁悬浮则尚未很好地解决这一问题。抑制车轨耦合振动的主要措施，目前还是控制轨道梁挠跨比，高速磁悬浮线路还要求尽量提高梁的一阶垂弯频率。在高速磁悬浮线路设计中，通过频率比vc非常重要，定义“vc＝（车速／跨距）／梁的一阶垂弯频率”，它与梁的变形关系见。上海高速磁悬浮轨道梁要求vc＜0.9，相当于梁的一阶垂弯频率必须大于101×（车速／跨距），这一要求显著增加了线路建设成本。优化悬浮控制也有可能改善耦合振动，但在特定线路结构和车辆约束条件下，仅靠优化悬浮控制来有效抑制耦合振动的效果并不乐观。如同传统铁道车辆转向架结构与悬挂显著影响车辆的动力