磁懸浮列車的研制

磁懸浮列車的研制

2001年3月1日，上海磁浮列車商業(yè)輸送線挖掘出第一名框架。2001年8月14日,我國首輛磁懸浮客車在長春客車廠竣工下線。2002年12月31日,上海磁懸浮示范運營線舉行通車典禮,行車30km只用了8min,最高運行速度430km/h。一種新興的高速地面運載工具——磁懸浮列車離人們越來越近了。1磁懸浮鐵路發(fā)展歷程磁懸浮鐵路的產生源于人們對輪軌粘著式鐵路局限性的認識。傳統(tǒng)的輪軌粘著式鐵路是利用車輪與鋼軌之間的粘著力使列車前進的。其粘著系數隨列車速度的增加而減小,走行阻力卻隨列車速度的增加而增大。當車速增至粘著系數曲線和走行阻力曲線的交點時,就達到了極限。為了解決這一難題,20世紀60年代初,一些國家開始著手研究非粘著式超高速鐵路。磁懸浮鐵路就是非粘著式鐵路的一種。迄今為止,對磁懸浮鐵路進行過研究的國家主要有日本、德國、英國、加拿大、美國、前蘇聯和中國。當前,日本和德國處于領先地位,而美國和前蘇聯則分別在70年代、80年代放棄了研究計劃。1.1磁懸浮電機研制和試驗歷程德國(當時的聯邦德國)對磁懸浮列車的研究始于1968年。在研究的初期,常導和超導并重。到了1977年,先后研制出常導吸引式和超導相斥式試驗車輛,試驗時的最高時速達到400km。后來,經過分析比較,認為超導磁懸浮鐵路所需的技術水平太高,短期內難以取得較大進展,遂決定集中力量發(fā)展常導磁懸浮鐵路。1969年,聯邦德國交通部正式提出了“大通過能力高速鐵路的研究”發(fā)展計劃。1971年,制造出世界上第1臺磁懸浮列車模型TR01。1975年,開發(fā)研制和試驗第1臺長定子電磁直線電機。1976年,生產出第1臺裝有長定子直線電機的載人試驗車HMB2。用18個月造出了第1列長27m、有70個座位的2節(jié)磁懸浮示范車TR05,并在長900m、架高4.7m的鋼軌上進行了為期3個星期的正點持續(xù)運行,共輸送旅客50000多人次,車速達到了100km/h。1984年,埃姆斯蘭特磁懸浮列車試驗線投入使用,開始用TR06做行車試驗,8月17日達到302km/h的速度。1987年,埃姆斯蘭特磁懸浮列車試驗線第2期施工最終完成并投入使用,并開始組裝TR07號。11月11日,TR06號達到了406km/h的速度。1988年1月22日,TR06號創(chuàng)下了412.6km/h的載人磁懸浮列車運行速度的世界記錄。1989年,TR07號在埃姆斯蘭特試驗線上開始試驗。德國曾計劃修建柏林—漢堡長300km的常導磁懸浮鐵路。2000年2月5日,德國政府以“錯誤估計乘客人數”和“建設費太高”為由放棄。2002年1月21日,德國政府通過了巴伐利亞州與北威州磁懸浮項目可行性研究報告,認為在交通、經濟上都具有積極意義,考慮予以財政支持。巴伐利亞州擬修建從慕尼黑市區(qū)到飛機場全長36.8km的磁懸浮鐵路,預算價格為16億歐元,其中軌道建設費14億歐元。北威州擬修建從杜塞爾多夫—多特蒙德全長78.9km的地下磁懸浮鐵路,途經扎伊森堡、穆勒海姆、埃森和波鴻等6個車站,預算費用為32億歐元,軌道建設費26億歐元。以上2條線路計劃在2006年德國世界杯前完工,但估計建設時間需要8年。1.2磁懸浮鐵路工程日本于1962年開始研究常導磁懸浮鐵路。此后由于超導技術的迅速發(fā)展,從70年代初開始轉而研究超導磁懸浮鐵路。1972年首次成功地進行了超導磁懸浮列車試驗,其速度達到50km/h。1977年12月,在宮崎磁懸浮鐵路試驗線上最高速度達到了204km/h。1979年12月達到了517km/h。1982年11月,磁懸浮列車載人試驗獲得成功。1995年,載人磁懸浮列車試驗最高速度達到411km/h。為了進行東京—大阪間修建磁懸浮鐵路的可行性研究,于1990年又著手建設山梨磁懸浮鐵路試驗線。首期18.4km長的試驗線已于1996年全部建成,從1997年始,已進行過多次試驗。1999年2月10日,在山梨線進行的時速500km、荷載270人的5節(jié)磁懸浮列車運行試驗取得成功。至2002年2月20日,MLX01號車已在山梨線無故障行車20000km,并創(chuàng)造了數個行車記錄:載人行車速度為531km/h,無人行車速度為550km/h,交錯車相對速度為1003km/h。日本曾計劃修建東京—大阪速度達500km/h的高速磁懸浮鐵路,預算費用為8兆億日元。由于高額的建設費用及經濟效益問題,該項目遲遲未能動工。1.3英特納雄納爾車站列車情況與日本和德國相比,英國對磁懸浮鐵路的研究起步較晚,1973年才開始。但是,英國則是最早將磁懸浮鐵路投入商業(yè)運營的國家之一。1984年4月,伯明翰機場至英特納雄納爾車站之間1條600m長的磁懸浮鐵路正式通車營業(yè)。旅客乘坐磁懸浮列車從伯明翰機場到英特納雄納爾火車站僅需90s。令人遺憾的是,在1995年,這趟一度是世界上惟一從事商業(yè)運營的磁懸浮列車在運行了11年之后被宣布停止營業(yè),其運送旅客的任務由機場班車所取代。1.4車橋磁懸浮客車轉向架我國從20世紀80年代開始了常導磁懸浮列車的研究。1992年國家正式將磁懸浮列車關鍵技術研究列入“八五”攻關計劃,成立了磁懸浮列車“八五”攻關課題組。1994年10月,西南交通大學建成了我國首條磁懸浮鐵路試驗線,并同時開展磁懸浮列車的載人試驗。1995年,國防科技大學在株洲電力機車研究所的支持下,花了90萬元研制成1臺磁轉向架,首次實現了全尺寸單轉向架的載人運行。4個磁轉向架可承載1輛14m長的磁懸浮車。2001年2月10日,國家“863”計劃課題《高溫超導磁懸浮試驗車》又在西南交通大學通過了驗收。該車是2000年12月底在西南交通大學研制成功的,采用的是國產高溫超導體塊材,液氨工作溫度為77K,車輛懸浮重量為530kg,懸浮凈高度為23mm。加速度為1m/s2,直線電機驅動。首次試驗研究了YBCO高溫超導體塊用在磁導軌上的磁懸浮性能,為高溫超導磁懸浮試驗車的研制成功奠定了堅實的科學基礎。塊材達到并超過了國際商業(yè)產品應用水平。我國首輛磁懸浮客車是由西南交通大學、長春客車廠和株洲電力機車研究所共同研制的,該車將用于成都青城山旅游區(qū)磁懸浮列車示范線的商業(yè)運營。該車為常導式磁懸浮車。長客廠共要生產2輛磁懸浮列車,這只是其中的1輛。該車的車體長11.2m,寬2.6m,內設28個座位,載重2t,運營速度為60km/h～100km/h。該車利用電磁吸力使車輛浮起,與軌道間距始終保持為8mm～10mm。采用直線電機驅動,其速度取決于直線電機的牽引力。采用鋁合金板焊接車體,重量輕,僅16t。該車將在都江堰—青城山進行各項性能試驗,試驗周期持續(xù)1年,完成各項性能試驗后將投入商業(yè)運營。2列車造價比地鐵低磁懸浮列車實際上是依靠電磁吸力或電磁斥力將列車懸浮于空中并進行導向,實現列車與地面軌道間的無機械接觸,再利用線性電機驅動列車運行。雖然磁懸浮列車仍然屬于陸上有軌交通運輸系統(tǒng),并保留了軌道、道岔和車輛轉向架及懸掛系統(tǒng)等許多傳統(tǒng)機車車輛的特點,但由于列車在牽引運行時與軌道之間無機械接觸,因此從根本上克服了傳統(tǒng)列車輪軌粘著限制、機械噪聲和磨損等問題,是一種新型的載運工具,其速度介于輪軌高速列車(400km/h)與飛機(700km/h)之間,而造價比地鐵低。如上海地鐵造價為每公里人民幣8億元,而上海磁懸浮試驗線的造價約每公里人民幣3億元。磁懸浮列車按懸浮方式可分為常導磁吸型和超導排斥型兩大類。常導磁吸型以德國高速常導磁懸浮列車TransRapid為代表。它是利用普通直流電磁鐵電磁吸力的原理,由車上常導電流產生電磁引力,吸引軌道下的導磁體,使列車浮起。常導磁吸型技術較簡單,產生的電磁吸力相對較小,懸浮的氣隙較小,一般為8mm～10mm。常導型高速磁懸浮列車的速度可達400km/h～500km/h,適合于城市間的長距離快速運輸。超導排斥型磁懸浮列車以日本MagLev為代表。它是利用超導磁體產生的強磁場在列車運行時與布置在地面上的線圈相互作用,產生電動斥力將列車懸起,懸浮氣隙較大,一般為100mm左右,技術相當復雜,并需屏蔽發(fā)散的電磁場,速度可達500km/h以上。根據行駛速度的不同,又可分為高速型和中低速型。超導磁懸浮列車的最主要特征就是其超導元件在相當低的溫度下所具有的完全導電性和完全抗磁性。超導體由超導材料制成的超導線圈構成,它不僅電阻為0,而且可以傳導普通導線根本無法比擬的強大電流。磁懸浮列車的研究和制造涉及自動控制、電力電子技術、直線推進技術、機械設計制造、故障檢測與診斷、通訊與信號控制等眾多學科,技術十分復雜。3磁懸浮系統(tǒng)的優(yōu)勢及不足磁懸浮列車與輪軌列車相比具有以下優(yōu)勢:(1)速度快。常導磁懸浮列車運行速度可達400km/h～500km/h;超導磁懸浮列車運行速度可達500km/h～600km/h。輪軌列車速度一般在400km/h以下。在運距1000km～1500km的范圍內,磁懸浮列車可與飛機競爭。(2)運行成本和能耗低。由于沒有輪子、無摩擦等因素,它比目前最先進的高速列車省電30%。據德國資料介紹,在300km/h速度下,磁懸浮列車比ICE3能耗少28%;在500km/h速度下,每座位每公里的能耗僅為飛機的三分之一至二分之一,比汽車也少耗能30%。(3)維修少。磁懸浮列車屬于無磨損運行,需要維修的主要是電氣設備。隨著電子工業(yè)的發(fā)展,電子元件的可靠性將不斷提高。因此,磁懸浮列車的維修工作量較少。(4)有利于環(huán)保。磁懸浮列車采用電力驅動,無需燃油,無有害氣體排放。它在運行時不與軌道發(fā)生摩擦,所以發(fā)出的噪聲很低。(5)安全性高。磁懸浮列車在軌道上運行,按飛機的防火標準實行配置。其結構特點決定了其不會出軌,具有較高的安全性。(6)轉彎半徑小,爬坡能力強。由于磁懸浮高速列車具有較高的爬坡能力(10%,而一般鐵路為3%)和較小的曲線半徑(速度300km/h時,磁懸浮鐵路為R2350m,傳統(tǒng)鐵路為R3350m),因而其線路對地形的適應性非常靈活。(7)具有乘坐舒適、啟動快、制動快等優(yōu)點。磁懸浮列車主要存在以下不足之處:(1)高風險,高投資。磁懸浮鐵路所需的投入較大,利潤回收期較長,投資的風險系數也較高,因而也在一定程度上影響了投資者的信心,制約了磁懸浮鐵路的發(fā)展。磁懸浮鐵路造價相當高,德國和日本分別認為磁懸浮鐵路比輪軌鐵路高1.7倍和2倍。柏林—漢堡線,1997年預算為89億馬克,第2年就追加了10%,達到98億馬克。1999年重新核算后,起碼還要追加30億馬克。日本的東京—大阪線,預算為8兆億日元。磁懸浮列車在應用中無實例可供借鑒,運營風險大。1998年8月,全長270km的悉尼—堪培拉線競標中,德國的磁懸浮方案比法國的TGV輪軌列車還要低。澳大利亞出于風險考慮,最終選擇了TGV。(2)兼容性差。無法與既有鐵路網連通,只適應于點對點的直通客流。(3)可靠性需檢驗。由于磁懸浮系統(tǒng)是以電磁力完成懸浮、導向和驅動功能的,斷電后磁懸浮的安全保障措施尤其是列車停電后的制動問題仍然是要解決的問題。其高速穩(wěn)定性和可靠性還需很長時間的運行考驗。(4)常導磁懸浮技術的懸浮高度較低,因此對線路的平整度、路基下沉量及道岔結構方面的要求較超導技術高。(5)超導磁懸浮技術由于渦流效應懸浮能耗較常導技術更大,故冷卻系統(tǒng)較重。(6)磁懸浮列車還有運量小、不便擴容、難以進入市中心等缺點。4經濟效益分析任何一項新的發(fā)明創(chuàng)造,要想使其真正發(fā)揮作用,走入人們的生活之中,必須要經歷理論、技術、實用以及是否經濟4個階段的檢驗。當前,在一些國家如日本、德國等,修建磁懸浮鐵路從技術上已基本不存在問題,并且也開始進入到實用性階段。但就目前來看,磁懸浮鐵路要實現成為一種大眾化交通工具的目標,尚有一段距離要走。從經濟效益角度來分析,磁懸浮鐵路當前只在旅游等特殊行業(yè)具有商業(yè)價值,還不具備大規(guī)模興建的經濟可行性。然而,也應該看到,隨著超導材料和超低溫技術的發(fā)展,修建磁懸浮鐵路的成本有可能大大降低。屆時,磁懸浮鐵路作為一種快速、舒適的“綠色交通工具”,或許就真的會實現了。目前,世界上致力于研究磁懸浮技術并修建試驗線的國家只有德國、日本和中國,但是至今還沒有一條投入商業(yè)運營的磁懸浮鐵路。德國原計劃修建的柏林—漢堡線曾于2000年2月5日宣布下馬,不得不令人們對磁懸浮鐵路的實用性表示懷疑。日本的東京—大阪線、美國的洛杉磯—拉斯維加斯線以及巴黎—布魯塞爾—科隆/阿姆斯特丹線也由于種種原因遲遲未能動工。這其中的原因主要是經濟效益和高額的投資,以及與既有鐵路網的兼容問題。而我國的京滬高速鐵路線是否采用磁懸浮技術,經過國內專家近4年的論證,至今未有定論。5發(fā)展輪軌技術和磁懸浮鐵路是投資鐵路發(fā)展的先導力量(1)磁懸浮列車的發(fā)展應逐步推進,先建設一定數量的較短的試驗線,待積累一定的運營經驗后,再建設較長的主干線。應避免急功近利,一擁而上。(2)我國的輪軌技術