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磁浮列車技術與磁浮交通展望

返回列表來源:RT軌道交通發布時間:2020-11-18

磁浮列車技術與磁浮交通展望


 1 概括

       磁浮列車是一種利用磁場的“吸或斥力”實現非接觸支撐、導向,并利用直線電機推進的軌道列車。上世紀六十年代初,日本、德國為探索未來地面大運量高速交通方式,同時對輪軌、磁浮兩種技術路線開展研究。

       輪軌技術路線:1964年日本開通世界第1條輪軌高鐵,19年后法國開通了世界第2條輪軌高鐵(1983)、27年后德國成為第3個開通輪軌高鐵的國家(1991),至2007年世界輪軌高鐵總里程約1.2萬公里。2008年中國首條輪軌高鐵的開通標志著輪軌高鐵進入了暴發式增長期,至2020年7月底中國輪軌高鐵里程達3.6萬公里,占世界高鐵里程的近70%。

       磁浮技術路線:2004年中國基于德國技術開通世界第1條高速磁浮,日本擬于2027年開通世界第2條高速磁??;2005年日本開通世界第1條中低速磁浮,2016年韓國開通世界第2條中低速磁浮,2016、2017年中國相繼開通了2條中低速磁浮。

       相比輪軌,磁浮交通顯現發展慢、應用少的艱難歷程。一方面原因是磁浮交通發展時間相比輪軌少了約150年,另一方面也與各國國情有關(日、歐地域有限且已有完善鐵路網;美國以航空和汽車立國)。但輪軌方式客觀上速度域有限(400km/h以下)、對環境振動噪聲影響大(如地鐵和市域鐵路),而這些限制都可通過磁浮交通來突破,因此磁浮交通代表了未來技術方向,其研究及應用探索一直受到德國、日本和美國等科技發達國家的重視。

       我國疆域遼闊、城鄉發展不平衡,發展以磁浮為表征的新時代軌道交通是繼輪軌之后軌道交通為滿足“人民日益增長的美好生活需要”的努力方向,尤其是針對市域軌道交通短板,磁浮有望引發一輪暴發式發展。


 2 三種懸浮方式的基本原理和特點

       磁浮列車分為電磁懸?。‥MS)、電動懸?。‥DS)和高溫超導懸?。℉TS)三種不同的原理。

       目前實現商業運營的磁浮列車均為電磁懸浮式,分別是上海高速磁浮、以及中日韓中低速磁浮。西南交大、成都新筑股份采用電磁懸浮方式運用于市域磁?。〞r速160—200km/h),均研制有工程樣車,西南交大還將高溫超導懸浮方式用于軌道交通,在這兩個方面四川技術均達到世界領先水平。

     (一)電磁懸?。‥MS:electromagneticsuspension)

       電磁懸浮利用通電導體產生磁場,磁場吸力將車輛吸起,通過主動控制保持8—12mm的懸浮間隙。

       電磁懸浮方式的列車會引起梁的振動,而梁的振動又影響懸浮間隙,兩者間的相互影響如果不能收斂,就不能穩定懸浮。實現可靠懸浮的主要措施目前還是靠大剛度和大重量的軌道梁,西南交大提出的創新技術能有效地抑制這種振動,進一步提高了系統的可靠性,有利于降低建設成本,具有良好的發展前景。

     (二)電動懸?。‥DS:electrodynamicsuspension)

       電動懸浮具有車載強磁場和很高運動速度(>400km/h)等典型特征。原理是“車上的強磁場”相對軌道的運動速度足夠大時,軌道上會感應出磁場,利用兩個磁場間的斥力實現列車懸浮。

       日本用低溫超導磁體獲得車載強磁場,美國磁飛機方案和馬斯克的真空管道磁浮小車用永磁體獲得車載強磁場(比超導磁體的磁場要弱得多),達到起浮速度前列車仍需要依靠車輪運行。

       電動懸浮低速段磁阻力非常大,運用速度不應低于400km/h,否則極不經濟。車載強磁場以及利用磁力進行導向的技術有一定難度。該方式的列車有望于2027年投入運用(505km/h)。

     (三)高溫超導懸?。℉TS:hightemperaturesuperconductingsuspension)

       將高溫超導懸浮原理用于軌道交通是西南交大原創技術,中國、巴西、德國都研制了相似的試驗小車。西南交大還將列車與真空管道相結合建立了環形實驗線。

該方式的原理是在“軌道磁場”中冷卻“高溫超導體”產生獨有的物理特性把材料固定在冷卻位置(“場冷高度”)。如果偏離該位置就有磁場變化,并感應出阻礙這種變化的超導強電流,使列車實現懸浮和導向。所以高溫超導懸浮既不是吸力式懸浮也不是斥力式懸浮,而是“又吸又斥式懸浮”,懸浮高度約10—15mm。關鍵技術是提升懸浮承載能力(軌道磁場越強越好,冷卻溫度越低越好)、合理確定“場冷高度”以兼顧懸浮和導向。


 3 磁浮與輪軌的特點對比

     (一)傳統輪軌的優勢與挑戰

       輪軌交通經歷200多年發展,在高速、重載和城市軌道交通中發揮著不可替代的重要作用,具有成熟、經濟、適用、可靠、綠色的顯著優勢。我國輪軌技術已居世界先進水平,高鐵速度達到350km/h,高鐵里程已達到3.6萬km;重載貨運形成了25t軸重和30t軸重技術體系;中國內地城市軌道交通日均客運量超6千萬人次,總里程約8300km。

       但輪軌交通也面臨以下挑戰:一是實現400km/h左右的速度對環境振動噪聲影響突出,運維成本高;二是都市圈、城市群內減少換乘、有機聯通還不是很理想(市域輪軌相對薄弱)。

     (二)磁浮交通的優勢與不足

       磁浮交通是非接觸運行,列車重量均勻施加于線路,產生的振動沖擊小,這些特點都意味著系統的運用維護成本很低。例如電磁懸浮式交通的運用維護成本約為輪軌交通的1/3。列車的加速能力、爬坡能力、彎道能力、速度能力都強于輪軌。

但磁浮交通的不足也是顯而易見的,一是線路基本結構缺乏通用性(例如上海高速磁浮與長沙中低速磁浮的線路結構不同,新筑引進的內嵌式磁浮列車與西南交大的市域磁浮列車速度等級相同但線路結構不同);二是還未實現規?;\用,沒有形成主流技術趨勢。

     (三)磁浮與輪軌具有互補性

       磁浮、輪軌是綜合交通中的不同方式,發展磁浮可以與輪軌互補,為社會提供更好的綜合交通。

       高速磁浮將軌道交通的速度由400km/h拓展到600km/h(不考慮采用真空管道的情況下);市域磁?。?60—200km/h)可為都市圈、城市群內軌道交通提供單一制式的解決方案,輪軌方式則需要城際(160—200km/h)、市域(140—160km/h)、地鐵/輕軌/單軌(60—120km/h)、有軌電車(60km/h)等多種制式組合完成;市域磁浮還為眾多中小城鎮軌道交通提供了解決方案,而面向中小城鎮運用的線路長度、站間距、速度、坡道和彎道的差異很大,輪軌選型困難;磁浮對環境振動噪聲影響小,可為精密測量、文物保護等敏感地區提供軌道解決方案。

     (四)磁浮列車的電磁輻射與能耗等問題

       電磁輻射普遍存在于日常生活中,如地鐵、高鐵、手機、通訊基站、家用電器等,電磁輻射不改變生物組織結構,但確實會產生影響,因此對電磁暴露水平制定有相關的規定。

       因為懸浮要靠磁力,所以公眾對磁浮列車的電磁輻射尤其擔憂。電磁懸浮的磁場(磁力線)是閉合的,其電磁暴露水平很安全,高速磁浮列車的電磁暴露水平與高速輪軌列車相當(但速度要高得多),中低速磁?。?00km/h)的乘客暴露水平相當低,中科院電工所專題研究得到的結論為:“中低速磁浮是一種電磁環境友好的城市軌道交通系統”。市域磁?。?60—200km/h)與中低速磁浮技術路線相同,電磁暴露水平相近。

       高速磁浮節能減排優于輪軌;中低速磁?。?00km/h)牽引能耗比采用旋轉電機的輕軌列車高,由于適合高架建設,環控與照明能耗略低于輕軌,坡道及彎道展線更短,維護成本低。深圳軌道交通8號線前期能耗研究結論:“中低速磁浮交通方案與地鐵B型車方案相比,全年綜合能耗基本相當”;市域磁?。?60—200km/h)按中低速磁浮的推算優于輪軌。

       電磁懸浮技術成熟但發展慢、規模小的原因在概況中已有介紹,除此之外,高速磁浮在國內的推廣還受技術自主化和建設成本的制約,中低速磁浮在國內的發展則受到系統本身綜合競爭力偏弱的影響。西南交大的磁浮研究針對發展瓶頸取得了突破性進展,將中低速磁浮提升為市域磁浮,打開了發展空間。


 4 磁浮交通與國家戰略

       黨的十八大以來,我國圍繞經濟社會發展發布了一系列發展戰略,軌道交通始終是相關發展戰略中的重要內容,謀劃新時代軌道交通滿足人民日益增長的美好生活需要受到黨中央高度重視。中國工程院、科學院相繼開展了5項磁浮交通相關戰略研究(涉及中低速、高速磁浮交通及產業發展、超高速磁浮、管道磁浮、大灣區磁?。?,科技部同時設立了2項重點研發計劃開展時速600km/h、200km/h磁浮關鍵技術研究,這說明繼輪軌之后磁浮是新時代軌道交通創新發展的技術方向。

     (一)城鎮化、都市圈與城市群軌道交通

      《國家新型城鎮化規劃(2014-2020年)》《培育發展現代化都市圈的指導意見》和4個主要城市群(京津冀、粵港澳、大灣區、長三角區域、成渝地區雙城經濟圈)《規劃綱要》的發布,為城鎮化、都市圈與城市群軌道交通發展提供了指導。

       2013年新型城鎮化戰略實施以來,中國內地城市軌道交通總里程預計在2020年底達到8298km,比2013年增長2倍(含2條新增磁浮線),相比規模,形成以1小時通勤圈為基本范圍的城鎮化空間形態、提升城市群軌道交通水平還差得很遠,其中160—200km/h的軌道交通是關鍵。在這個速度域輪軌目前有“綠巨人”“和諧號”動車組,動車組方式主要是點到點,沿線帶動效果有限,運營、裝備、工程等對區域經濟貢獻度較小。

       依靠輪軌的同時,推動市域磁?。?60—200km/h)應用,實現城市群內單一制式一軌聯通,使市域磁浮成為打造“軌道上的城市群”的利器。

     (二)交通強國與軌道裝備

       為加快制造業三個轉變,提升核心競爭力,國家相繼發布了《中國制造2025》《增強制造業核心競爭力三年行動計劃(2018-2020年)》《交通強國建設綱要》。對新時代軌道交通出行、科技創新和裝備制造作出了戰略謀劃。

       目前城市群快速軌道只有輪軌動車組方式,如“智能京張”(350km/h)、市域動車(160km/h“綠巨人”)、250km/h標動,從中看到盡管中國高鐵已成為金名片,地鐵規模世界第一,但在地鐵和高鐵之間(即120—200km/h的速度范圍)輪軌方式與城市群的有機融合還不能令人滿意,輪軌創新主要倚重“智能”。為此三年行動計劃中特別提出了2項磁浮目標(“研制新一代時速600公里高速磁懸浮列車”和“加快研制時速160公里中速磁懸浮列車”),四川省不僅已研制出160km/h市域磁浮,更進一步研制了200km/h市域磁浮,具備以磁浮交通實現創新發展的基礎。


 5 四川省磁浮交通發展特征與建議

     (一)四川省磁浮交通發展的特征

       1.有先進的市域磁浮技術

       四川省雖然沒有磁浮應用線,但在中低速磁浮交通領域研發力量強,形成了獨有技術,自主技術的2款160—200km/h磁浮列車、引進技術的內嵌式160km/h磁浮列車,均達到世界領先技術水平,形成了研發技術隊伍。

       自主研制的2款市域磁浮列車已在上海浦東臨港中低速磁浮試驗基地(線路長度1700m,滿足110km/h以下試驗)開展系統試驗,試驗里程超20000km,瞬時最高速度達到121km/h。引進內嵌式磁浮系統試驗線(一期線路長度3500m,滿足160km/h以下試驗)已完成一期工程建設。

       2.有完整的軌道交通產業

     《四川省軌道交通產業規劃(2016-2025年)》明確提出了發展思路和目標。

       在全國軌道交通產業已經形成,傳統輪軌裝備產能過剩,城市群軌道需求快速增長,省內輪軌交通裝備業相對薄弱,新制式軌道交通備受關注等因素的復雜形勢下,我省已提前實現且超越了《增強制造業核心競爭力三年行動計劃》中提出的“加快中速磁懸浮研制”的任務目標,在新制式軌道交通中占據了極為有利的位置,以市域磁?。?60—200km/h)工程應用和推廣為抓手補短板上規模,加快我省軌道交通裝備制造業三個轉變,實現2025年軌道交通產業產值2200億的規劃目標。

      3.有提升城市群內軌道交通通勤化水平的需求

       城市群通勤的速度是比地鐵快比高鐵慢,在120—200km/h的范圍,目前可通過輪軌城際(160—200km/h)、輪軌市域(120—160km/h),地鐵輕軌(80—120km/h)、單軌空軌(60—80km/h)、有軌電車(50—60km/h)等多種制式綜合運用來滿足。線路長度、站間距、坡道、彎道、環境振動噪聲等對選線的約束因素很多,因此城市群內輪軌通勤還未形成發展范式,相對地鐵和高鐵還非常薄弱,“提升城市群內軌道交通通勤化水平”列為交通強國建設目標,既指數量規模更指質量水平。

       四川省在依托傳統輪軌的同時,推動市域磁?。?60—200km/h)成為城市群軌道交通新范式適逢其時。市域磁浮既能在長大站間距快速運行,又能高架深入城區,且有很強的加減速能力、坡道能力和彎道能力,可實現城市群內單一制式一軌聯通。

     (二)四川省磁浮交通發展的建議

       依托西南交大、中鐵二院、中鐵二局、新筑股份、中車新都、中鐵磁浮等單位,以市域磁浮為重點發展新制式軌道交通技術優勢明顯,且已取得階段性成果。將技術優勢轉化為發展優勢,促進軌道交通產業的發展,關鍵是工程示范項目的落地,而工程示范項目的落地又依托于完備的科學試驗。為此提出“四個一”的建議,即圍繞“一條試驗線”,形成“一個試驗基地”、建設“一個技術創新中心”,盡快推動“一個工程示范項目”。

       四川發展集團已主抓了一條內嵌式磁?。ㄜ壈囀剑┑脑囼灳€建設,建議再主抓一條(車包軌式)市域磁浮試驗線,依托試驗線建設磁浮技術創新中心,并融合到國家研究中心建設中,發揮市域磁浮交通方式引領示范和區域發展帶動作用。


授課專家:羅世輝

來源:四川省人民政府



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