磁悬浮交通技术在我国的发展

科技信息

1.国内研究水平概述

目前，中国对磁悬浮铁路技术的研究已经有了一定的积累。经过中国铁道科学研究院、西南交大、国防科大、中科院电工所等单位对常导低速磁悬浮列车的悬浮、导向、推进等关键技术的基础性研究，已对低速常导磁悬浮技术有了一定认识，初步掌握了常导低速磁悬浮稳定悬浮的控制技术。国防科技大学于1989年12月，研制成功我国第一台小型磁悬浮原理样车并于1995年首次在国内成功实现了全尺寸单转向架的载人运行[1]。继1994年西南交大成功地进行了4个座位、自重4吨、悬浮高度为8毫米、时速为30公里的磁悬浮列车试验之后，由铁科院主持、长春客车厂、中科院电工所、国防科技大学参加，共同研制的长为6.5米、宽为3米、自重4吨、内设15个座位的6吨单转向架磁悬浮试验车在铁科院环行试验线的轨距为2米、长36米、设计时速为100公里的室内磁悬浮实验线路上成功地进行了试验，并于1998年12月通过了铁道部科技成果鉴定。6吨单转向架磁悬浮试验车的研制成功，为低速常导磁悬浮列车的研究提供了技术基础，填补了我国在磁悬浮列车技术领域的空白[2]。

1999年，北京控股磁悬浮技术发展有限公司与国防科技大学合作，开始研究建造我国第一条中低速磁悬浮列车试验线。国防科技大学与铁道第三勘测设计院、北京铁路工程总公司、宝鸡桥梁厂和房山桥梁厂等单位联合，建成了我国第一条磁悬浮列车试验线；与株洲电力机车研究所、常州长江客车集团、上海飞机制造厂、上海飞机研究所、中科院电工所等单位联合设计建造了我国第一辆中低速磁悬浮列车。在历时3年的技术攻关和紧张施工中，国内10多家科研单位和企业密切合作，奋力攻关，先后在悬浮控制、直线推进、运行控制、信号检测、车辆结构、轨道设计等关键技术及工程化实现等方面取得了一系列重大突破，使我国磁悬浮列车研究与开发跻身世界先进行列，成为继德国、日本之后少数能研制和开发磁悬浮列车的国家。

2.磁悬浮线路

磁浮线路承担着引导列车前进方向，同时承受列车荷载并将之传至地基的作用。线路上部结构一般为包括精密焊接的钢结构或钢筋混凝土结构的支承梁，下部结构为钢筋混凝土支墩和基础(相当于传统轮轨铁路的桥梁下部结构)。支承梁本身在力学性质上与传统土木工程简支梁桥或连续梁桥相同，由于其上需安装磁浮系统的定子线圈和铁芯，因此制造和施工精度要求较高。从轨道交通的意义上说，支承梁的作用相当于传统铁路的钢轨。

由于磁浮列车一般设计成与线路抱合，磁浮铁路的线路必须具有一定的高度，并采用梁式结构，可以高架起来，也可以根据地形直接将梁固定在基础上(此时无支墩，称为低置线路)。在桥梁和隧道地段，是在完成桥隧基本结构的基础上，用低置线路的方式将支承梁固定在初级支承结构上。

磁悬浮铁路系统在一定程度上仍保留着传统轮轨体系的一些特征，比如车辆的转向架和悬挂系统，线路的轨道、道岔和弯道，列车的牵引和控制等等，由此可见车辆—轨道关系仍然是磁悬浮铁路系统的重要组成部分。

由于磁悬浮车的工作原理不同，其对应的线路标准和轨道结构型式也随之不同，如德国EMS系统、日本EDS系统以及HSST系统的线路设计标准上都有很大区别。一般而言，高速磁浮交通系统对线路的要求要高于低速磁浮交通系统。在上海磁悬浮运营示范线采用的是德国高速常导型磁悬浮技术，其主要特点如下[3]：

2.1结构物截面的刚度要求

常导型磁悬浮体系的磁浮气隙为8～10mm，车辆和线路构成了一个耦合振动体系。又因为出于美观和经济上的考虑，人们致力于按照现代轻型结构方法，选择特别节省成本的线路结构，所以为保证行驶安全和乘坐舒适性，必须对结构物的刚度进行严格要求，例如要求控制高架线路简支梁的设计挠度比为1/4000[4]，即当跨度为25m时，允许挠度约为6mm。

2.2大量采用高架结构

车辆包在线路外面的防脱轨体系对支承梁的高度提出了要求，加上对环境环保的要求，磁悬浮线路一般采用高架结构。

2.3道岔结构

与常规轮轨系统相比较，磁悬浮系统的道岔系统对电气控制和动力学特性提出了更高的要求，一般采用钢梁+液压传动的形式，德国与日本在这方面已有一定研究，但需要进一步的实践检验。

2.4电气设备的安装

德国TR型磁悬浮列车的驱动采用长定子直线感应电机，这种电机需要沿线路铺设大量导电线圈，在结构物的截面上也要预留相应位置。

3.磁悬浮车辆线路耦合动力学

当磁浮列车磁悬浮车辆高速运行时，轨道梁将产生明显的变形与振动，为了保证车辆可靠运行和轨道结构的稳定性，磁悬浮工程对轨道的振动和变形控制提出了极高的要求。由于车辆和轨道的振动耦合，在某些特定速度区段，存在车辆和轨道结构共振的危险性。因此磁悬浮轨道梁在车辆荷载作用下的振动特性研究对磁悬浮系统的安全运行具有重要的实用意义，也是国内外学者所关注的一个问题。从上个世纪六七十年代开始，德国的Reinhold Meisinger[4]，美国的Cai和Chen[5]等人都对磁悬浮列车—轨道梁的动力耦合问题做出了探讨,其中很多理论还得到了实际工程的应用和检验。近年来，由于磁悬浮轨道技术在我国的应用和发展前景，方明霞[6]、谢云德[7]等人对磁浮耦合振动力学各个方面的问题做出了有益的探讨。

就目前的研究成果看来，在磁悬浮系统的耦合动力分析模型的建立上主要存在两种方法：一种是从电磁力和最优主动控制关系入手，致力于建立起完善的磁悬浮车辆—轨道梁力学分析模型，这方面的研究以国外的Reinhold Meisinger[4],E.Gottzein[8]等人为代表。但由于技术保密的原因，一些具体技术细节(特别是涉及到车辆主动控制这一块)难以获知；我国的方明霞[6]、谢云德[7]等人也对列车悬浮力的理论计算和主动控制对列车—轨道动力耦合作用所产生的影响进行了一定深度的探讨，但由于缺乏对实际工程的针对性和相关实验的支持，上述这些研究距离与实用尚存在一定距离。

4.磁浮研究中尚未解决的大跨度轨道问题

随着磁悬浮交通系统在我国的发展，磁悬浮线路不可避免地要遇到跨越河谷与城市主要道路的问题，这是德国Emsland试验线未遇到的，因而德国在这方面并无太多可用技术，日本等国家也缺乏这方面的技术与经验。从上海线建设中引进的德国技术及自主开发技术来看，现有轨道梁的跨度能跨越较小的障碍(跨度不超过25m)，但不能满足跨越河谷与城市主要道路的需要。

参考文献

［1］王天录,吴锦青.我国磁悬浮铁路的发展概况［J］.电气化铁道，2002,(2),38-41.

［2］贾素红.高速磁悬浮铁路轨道梁的合理结构型式研究［D］.2003.

［3］刘华清等编译.德国磁悬浮列车Transrapid［M］.成都:电子科技大学出版社,1995,13-17.

［4］Reinhold Meisinger.Control systems for flexible maglev vehicles riding over flexible guideways［C］.Proceedings of IUTAM Symposium，1975August18-22.

［5］Y.Cai,S.S.Chen,D.M.Rote,H.T.Coffey.Vehicle/guideway dy-namic interaction in maglev systems.Transactions of the ASME［J］.Journal of Dynamic Systems,Measurement and Control，1996,vol.118(3),526-530.

［6］方明霞,屠涓,冯奇等.弹性车行道上磁悬浮列车系统的动力学研究［J］.噪声与振动控制，2001,vol.6,23-26.

［7］谢云德,常文森.电磁型磁浮列车单铁力的计算及运动稳定性和可控性研究［J］.铁道学报，1995,17(1),41-48.

［8］E.Gottzein,K.H.Brock.Control aspects of a tracked magnetic levi-tation high speed test vehicle［J］.Automatica，1977,13,205-223.

磁悬浮交通技术在我国的发展

巴特勒（上海）有限公司季国庆

［摘要］本文阐述了磁悬浮交通技术在我国的研究水平，分析了上海磁悬浮运营示范线路的特点，归纳总结了磁悬浮系统的耦合动力的分析模型，并提出了磁浮研究中尚未解决的大跨度轨道问题。

［关键词］磁悬浮耦合动力线路

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