关于磁悬浮技术应用于轨道交通面临很多难题的讨论万芳

关于磁悬浮技术应用于轨道交通面临很多难题的讨论

一、高速磁悬浮运输技术开发的历史背景 自1825年英国首先建成世界上第一条轮轨式铁路以来，世界铁路总营业里程已达120多万km，牵引动力也从蒸汽机发展到内燃机和电力牵引。1964年日本率先建成了电气化高速铁路，使铁路的商业运营速度首次达到210km/h。 本世纪60年代开始，轮轨接触方式的铁路运输形式的极限速度是多少?成为铁路专家们关心的问题。随着列车运行速度的增加，运行阻力明显增大，而轮轨能够提供的牵引力(粘着力)又在下降，针对这一实际情况，有人估计轮轨铁路的极限速度在270km/h左右，也有人估计还会更高些。 为了实现更高的运输速度，不依赖轮轨和弓网接触的高速磁悬浮运输方式的构想应运而生。本世纪70年代，日本、德国、法国、美国、英国、加拿大、前苏联等工业发达国家从低速磁悬浮技术起步，相继开展了磁悬浮运输技术的开发研究。但是磁悬浮运输技术的真正发展，还是在80年代中期以后，这主要得益于电力电子技术的发展，使得大功率的同步直线电机驱动技术成为可能。 在研究高速磁悬浮运输技术的同时，许多国家高速轮轨技术的研究也取得了飞速发展，通过应用轮轨关系研究的新成果、新材料、电力电子技术、计算机技术、空气动力学术等，使轮轨高速列车的商业运营速度达到了300km/h。法国还创造了试验速度515.3kg/h的世界记录。另外，滚动试验台试验还表明，在轮轨无污染的干燥状态即使超过 400km/h的高速范围，轮轨粘着力基本上不受速度影响，粘者系数也相当高，可达约0.3以上〔1〕。这些试验，用事实说明了轮轨运输方式还有相当大的速度潜力可以开发利用。 基于轮轨高速铁路在商业上的开发成功以及其它方面的原因，到目前为止，除日本和德国仍在努力进行高速磁悬浮运输技术的应用开发外。其它国家基本上都放弃了磁悬浮的研究开发工作。另外，低速磁悬浮技术没有不可替代的技术优势，也是很多国家放弃低速磁悬浮研究开发的原因之一。因此，本文仅讨论高速磁悬浮问题。 高速磁悬浮运输是依靠在车辆和轨道间产生的电磁场的相互吸引(常导型)或排斥(超导型)作用力，使车辆悬浮和导向，并通过长定子同步直线电机推动车辆行走。日本和德国开发的是不同类型的高速磁悬浮技术，前者开发的是超导型(编辑)，后者开发的是常导型(他们)。从原理上讲，超导型悬浮气隙(约100mm )，较常导型(约l0mm )大，运行速度较常导型高，但造价也高于常导型，两者各有优缺点。 对于是否应发展高速磁悬浮运输，不妨在这里引用两位外国专家对磁悬浮的看法，一位日本专家说，如果在当时轮轨高速铁路达到了现在这样的程度，恐怕日本就不会有人去研究高速磁悬浮运输技术了。去年中国铁路代表团访问德国时，西门子公司的一位高层管理人员在介绍德国高速铁路发展情况时说，西门子公司20多年来既成功开发了冰高速列车和高速铁路运营管理系统，又同时开发了高速磁悬浮列车和调度控制系统，也因为这个原因，使我们的高速铁路进展比法国晚了l0年。 二、磁悬浮运输没有明显的技术优势 目前我国只对低速常导型磁悬浮技术进行过一些原理性研究，对高速磁悬浮技术的认识仅限于国外的资料，对高速磁悬浮的宣传也以德国提供的资料为主。对这些资料进行详细分析可以看到，与轮轨高速铁路相比，高速磁悬浮运输并无特别突出的技术优势，并非象有些资料所宣传的那样优秀，下面主要以德国常导型高速磁悬浮(以下简称磁悬浮)为例进行分析。 1.磁悬浮与轮轨高速铁路的最高试验速度基本相同 到目前为止，日本超导型磁悬浮列车MLX —01(三辆编组)的最高试验速度为552km/h(1999年4月)，德国常导型磁悬浮列车TR 07(二辆编组)的最高试验速度为 450km/h。而轮轨高速铁路最高试验速度为：法国515.3km/h、德国406.9km/h、日本 443km/h(六辆编组)。无论是常导还是超导磁悬浮与轮轨高速铁路在最高试验速度上均处于同一量级。拟建的柏林一汉堡磁悬浮线设计商业运营速度为450km/h。能否实现还要看线路建成后的试验情况，因为 Emsland 试验线仅是一条单线，目前还没有进行450km/h的列车交会试验。磁悬浮运输真正能够实现的商业运营速度要取决于技术可行性、环保要求、乘坐舒适度、经济性等综合因素。轮轨高速铁路以300km/h速度进行商业运营已近20年，考虑到将来的发展，近几年建设的轮轨高速铁路普遍预留350km/h的发展余地，法国东部欧洲线预留400km/h的发展余地。 2.以相同的单位座席占有面积计算，相同速度下轮轨高速列车的能耗低于磁悬浮有的文章认为常导型磁悬浮列车比轮轨高速列车能耗低。按照德国国际磁浮公司( Transrapid 国际)提供的资料，速度为 300km/h时，磁悬浮列车TR 07比动力分散型(头车也可以坐人)轮轨高速列车 ICE--3每人km能耗约低25％，该资料给出的数据比较见下表。由于目前TR 07还没有达到5辆编组，估计该数据仅为计算值。 每人km的能耗值与列车座席的多少关系很大，而每列车设置多少座席主要取决于乘坐舒适度(单位座席占有面积)。从德国提供的资料可以计算出，此时每座席占有面积(包括通道、卫生设施等辅助面积)：TR 07为1.06m ，而冰—3为1.42m 。就是说按与TR 07相同的座席面积设计，冰—3可比TR 07多36％的座席。这样计算下来，300km/h时，冰—3的能耗低于TR 07约10％。 认为磁悬浮列车能耗低，是以牺牲舒适度(降低单位座席占有面积)为前提的，例如轮轨高速列车冰—3带有一节餐车仅有24个座席。以相同的单位座席占有面积计算，相同速度下轮轨高速列车的能耗略低于磁悬浮。 磁悬浮列车虽然没有机械阻力，但还有直线电机阻力、导轨涡流阻力，并且悬浮也需要能量(约 lkw/t)。根据德国提供的TR型磁悬浮列车阻力计算公式，5辆编组 300km/h时，直线电机阻力占16.8％，导轨涡流阻力占14.7％，空气阻力占68.5％。从理论上讲，无论是轮轨高速列车还是磁悬浮列车，在高速下的主要阻力均为列车头尾的空气压差阻力和列车表面的空气摩擦阻力，该阻力与速度的平方成正比，因此，两者在能耗上不会有太大的差异。 在TR 07与冰—3能耗比较分析中还要注意一点。磁悬浮车辆的几何设计尺寸(长、宽、高)没有限界要求，可以考虑减小空气阻力自由决定，而轮轨高速列车需要满足 UIC 的车辆限界规定。另外，同为轮轨高速列车能耗也有差异，例如，日本700系高速列车比100系高速列车总能耗减少了约20％，而100系比0系高速列车的能耗还减少了大约20％。这与采取的降低阻力提高效率的技术措施有关。 3.在相同的噪音水平下，磁悬浮列车与轮轨高速列车的速度相比，前者最大不能超过后者50km/h 评价噪音水平有两种方法，一个是用最大噪音，另一个是用等效噪音，等效噪音与列车长度有关。德国研究报告〔2〕给出了轮轨高速列车TGV-A(法国)与冰—l(德国)和常导型磁悬浮列车TR 07的噪音比较，其值如下表： 该资料提供的数据表明，冰—1的噪音比TR 07约高2—3分贝，并随速度的增加，两者噪音的差异越来越小。冰—l在250km/h时的噪音与TR 07在 300kgn/h的噪音相当。若保持两者的噪音处于同一水平，磁悬浮列车TR 07的速度最大不能超过轮轨高速列车冰—1约50km/h。 研究资料表明，结构噪音大约与速度的3次方成正比，而空气动力噪音大约与速度的6—8次方成正比，当速度在260—300km/h以上时，轮轨高速列车的噪声音将以空气动力噪音为主。磁悬浮列车虽然没有结构噪音，但空气动力噪音与轮轨高速列车没有大的差异。另外，即使都是轮轨高速列车，其噪声音水平也有差异，这与高速铁路系统的减振降噪措施有关。 在这里需要说明一点，供给磁悬浮轨道线性电机长定子的变频变压(VVVF)电流，会使长定子绕组产生电磁噪音，只要这个长定子分段绕组(200—2000m长)通电就会产生噪音，该噪音虽然不很大，但持续时间长，这与轮轨高速列车仅在列车通过时才有噪音是不同的。1998年中国铁路代表团参观德国Emsland 磁悬浮试验线时，已经明显地感觉到了这一点。 4.高速轮轨线路与磁悬浮线路可选用相同的曲线半径 列车在曲线上的允许通过速度主要取决于由舒适度决定的未平衡离心加速度的限值，欧美国家一般规定不超过0.1g(约1m/s )。若要提高曲线的通过速度，就要设置大的外轨超高来平衡离心加速度，超高越大，允许的通过速度越高。 轮轨高速铁路最大超高一般不大于200mm(约相当于80)，而德国常导磁悬浮允许的最大曲线超高为120，这样以同样速度通过曲线时，磁悬浮可以把曲线半径做得更小。 目前轮轨铁路已经成功开发了摆式列车，它可以用将车体倾摆的方式来弥补曲线超高的不足，一般最大摆角可达80。若在高速线上使用摆式列车，则可以得到最大等效曲线超高瞻远瞩16°，这样，在同样速度条件下，可以使用比磁悬浮更小的曲线半径。因此，使用小半径曲线也是轮轨高速铁路可以做到的，只是要根据必要性来选择罢了。查阅：已获批28个城市的轨道交通线路规划详解图（更新中）查阅：2012年全国各省市城市轨道交通项目概览（更新中）查阅：城市轨道交通中标企业

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