高速磁浮交通技术进展与应用前景

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欢迎访问e展厅 展厅 6 铁路与轨道交通展厅 铁路养护工具, ... 摘要：高速磁浮交通技术是利用电磁理论，采用直线电机牵引和列车自动控制等高科技技术，具有高速、安全、环保等特点，在中长距离城际客运交通领域具有比较优势，有一定的前景。本文简要地阐述磁浮的理论基础、技术进展和应用前景，并针对沪杭磁浮项目提出了建设性意见：要开拓创新，进一步消化吸收上海示范线的磁浮关键技术；通过技术谈判和交流合作，力争掌握核心技术，同时坚定不移走机电设备国产化道路，降低工程造价，提高市场竞争力。在目前沪杭磁浮工程可行性阶段，一定要进行多方案比选（高速轮轨与高速磁浮系统），并开展相应的专题研究，广泛征求意见和建议，采取多元化投资策略，充分利用中央、省市地方资源，创新体制机制，举全社会力量，大力推进磁浮项目的进程。 前言 人类对速度的不断追求谱写了世界交通技术进展的历史画卷，科技进步推动社会发展，现代交通技术为人类“地面飞行”的理想插上了翅膀， 高速磁浮交通技术系统具有最高速度（约500公里/时），人类在陆上飞行成为现实。从19世纪上半叶的电磁理论到实际应用走过了180多年。2002年，世界第一条磁浮商业线—上海浦东磁浮示范线的成功营运，以及今年三月国家批准沪杭磁浮项目建议书，为我国探索高速客运系统提供了新的选择，有望在中国大地形成与高速轮轨系统并存的城际地面高速客运网，形成城市综合交通系统。通过引进、吸收、消化、输出，掌握具有自主产权的磁浮实用技术，有利于提高国家竞争力，促进我国交通技术的跨越式发展，提高居民出行质量和水平。 1 理论基础 在长期的生产实践中，人们发现了天然的磁性物质（如磁铁矿或磁铁等），由于特有的排斥或吸引特性，中国古代发明了“指南针”，并应用于航海。在漫长的岁月里，人们对电磁一直处于感性认识，直到1820年丹麦物理学家奥斯特发现了电流能够产生磁场，奠定了电磁科学基础。随后，法拉第发明了电磁感应定律，定量描述了感应电动势与磁通量（磁场强度）的变化关系。19世纪60年代，英国物理学家麦克斯韦（1831-1879）建立了完整的电磁理论并提出了电磁波的猜想。20年以后，赫兹通过实验验证了电磁波的存在，为现代通讯和控制技术的应用奠定了基础。 从基础理论科学走向实践应用，同样经历了艰辛的探索，而且与当时的社会经济条件和科学进步水平密切相关。1922年，德国科学家赫尔曼.肯佩尔（Hermann Kemper）发明了电磁浮铁路原理，并于1934年8月获得了世界上第一项磁浮技术专利。 磁浮技术从悬浮方式上可以分为电磁磁浮（EMS）和电动磁浮（EDS）两大类[1]。 电磁磁浮技术是一种常导下的吸引式磁浮系统，即对车载的、置于导轨下方的悬浮电磁铁通电励磁而产生电场，磁铁与轨道上的铁磁构件相互吸引，将列车向上吸起悬浮于轨道上，磁铁与铁磁轨道之间的悬浮间隙一般为8-12mm。列车通过控制悬浮磁铁的励磁电流来保证稳定的悬浮间隙，通过直线电机来牵引列车走行。电磁式磁浮列车以德国TRANSRAPID（简称TR）型和日本的HSST型为代表。 电动磁浮技术是一种超导下排斥式电动磁浮系统，即当列车运动时，车载磁体（一般为低温超导线圈或永久磁铁）的运动磁场，在安装与线路上的悬浮线圈中产生感应电流，两者相互作用，产生一个向上的磁力将列车悬浮于路面一定高度（一般为100-150mm）。通过直线电机来牵引列车走行。与电磁式相比，电动式悬浮系统在静止条件下不能悬浮，必须达到一定速度（约150km/h）后才能悬浮。由于间隙大，一般无须主动控制。电动式磁浮列车以日本MLX型超导列车为代表。 2 磁浮技术进展 1969年，在工业界和德国联邦铁路公司的大力推动下，开始了大运量高速铁路研究（HSBStudien），随后生产了第一代磁浮列车Transrapid-01，简称TR-01，车重5.86吨，4个座位，在试验线（660m）上进行了试验，最大车速90km/h。根据试验，对列车进行了不断改进，研制了TR-02（1971）、TR-03（1972）、TR-04（1973）、HMB2（1976）、TR-05（1979）、TR-06（1984）、TR-07（1989）、TR-08（1999）。1999年研制的TR-08型列车，净重92吨，长51米，最大速度500km/h，并在埃姆斯兰（Emsland，TVE）双环形试验线（31.5km）运行。1991年底，经过第七代列车运行试验和技术鉴定， 德国向世界宣布TR型高速磁浮交通技术已经成熟，可投入商业应用。1997年7月计划采用TR-07型列车投入柏林-汉堡线（292km）应用，由于客流量偏小等亏损原因而搁浅，2000年2月取消了该项目计划。 1962年，日本开始磁浮交通技术的研发工作。1972年研制了低温超导电动列车ML100型，时速60km/h。随后，研制了ML500型（1979年，517 km/h），MLU001型（1980），MLX01、MLX02型（1997），最高速度分别达到546和457km/h。2003年12月，ML型列车在山梨试验线（18.4km），创造了581km/h的世界记录！ 同时，日本还开发中低速磁浮技术（速度约100 km/h）。1974年研制了第一代样车HSST-01型，随后又研制了HSST-02型（1978）、HSST-03型（1983）、HSST-04型（1987）HSST-05型（1989）、HSST 100S型（1990）、HSST 100L型（1995）。2001年开始在名古屋市郊建造一条8.9公里的低速磁浮线路，2005年投入使用。 世界上其他国家在20世纪60年代开始研究高科技的磁浮交通技术，如前苏联、美国、加拿大、法国、韩国、瑞士等。前苏联80年代研制了18吨的样车；美国看好德国磁浮技术，还研制磁浮飞机，但是他们都处于实验阶段。 中国早在20世纪70年代开始进行磁浮交通技术的应用研究。如中国国防大学、西南交通大学、铁道科学研究院和中科院电工所，并开始了样机的试制，分别在长沙和成都青城山、北京八达岭建立了中低速磁浮的试验线。1999年科技部组织了“我国第一条高速磁浮列车试验运行线的可行性研究，进一步消化、吸收德国TR型常导磁浮交通技术1999年引进时速450km/h的德国磁浮技术，提出了建设上海示范运营线的建议。2000年6月，中德联合开展可行性研究，该项目全长30公里，2个车站、2个牵引变电站、1个控制中心和1个维修基地，总投资约89亿元。同年8月立项开始浦东磁浮示范线工程的建设，2002年12月31日正式开始商业运行，成为世界上第一条商业营运线。经过3年多的运行，2006年4月26日通过了国家验收，已掌握了轨道梁等大部分磁浮技术，申请了了16项专利。 据报道，成都飞机公司还研制了高速磁浮列车，时速高达500公里、拥有完全自主知识产权的中国第一辆高速磁浮列车，预计将于今年7月在上海试验线上进行首次试运行。2005年9月29日，备受各界关注的国家“863计划”高新技术项目--CM1“海豚”高速磁浮车辆组件在成飞公司正式开铆生产。此次研制的车辆设计时速为500公里，预计载客90人，主要由车体结构、悬浮导向制动控制、电网、诊断控制、定位测速、磁铁、气路、空调、车辆照明、逃生系统等集合而成。由于其与轨道无接触高速运行，又被业内人士称之为“零高度飞行器”。 3 磁浮技术特点 3.1 驱动原理特殊 利用电磁铁同性相斥、异性相吸的原理，让列车悬浮在轨道上，并用直性电机产生的电磁力实现推进牵引。而轮轨系统，利用导轨支撑钢轮，电力驱动靠轮轨之间的粘滞摩擦力推进。 3.2 高速 由于磁浮列车没有机械阻力，只有在高速时产生空气阻力，最高速度达到500km/h（上海磁浮商业运行速度430km/h），具有“陆上飞行器”之美称；而高速轮轨一般在330km/h，因为速度极限以后，速度与粘滞力成反比。 3.3 安全、可靠、舒适 由于采用当代先进的信号技术和列车自动控制系统，并吸取了轮轨系统的先进理念，上海磁浮运行3年来，累计行程超过250万公里，运送乘客650万人次，并经历了风霜雨雪等恶劣气候的考验，今年4月通过了国家验收。由于启动和制动加速度、座位设计合理，振动小、运行时间短，乘客舒适度高。 3.4 占地少 磁浮线一般采用高架和全隔离形式，磁浮限界宽度小于轮轨系统，因此占地远远少于高速公路，也比高速轮轨系统占地少，符合构建节约型社会的要求。 3.5 转弯半径小，爬坡能力强 由于磁浮列车与轨道无接触、无磨损的支撑和导向，无接触的牵引和制动特性，线路转弯半径小，而爬坡能力大。如速度在300km/h的同等条件下，轮轨系统最小转弯半径4000-5000m，而磁浮系统1590m；爬坡能力轮轨系统最大4%，而磁浮10%。 3.6 环境友好 由于采用电力（二次能源）驱动，不会产生废气和废水等污染；能耗低，由于磁浮系统特有的驱动和支撑原理，据研究报道，在同等速度下，TR磁浮列车单位能耗低于德国ICE高速轮轨列车。噪声小，在300km/h条件下， 轮轨91 分贝，而磁浮83 分贝。由于车/轨道之间间隙小（约10mm），磁力线处于闭合状态，磁场泄漏量小。地球磁辐射强度为50 微特，彩电500，而磁浮为100。 3.7 造价高 高速磁浮系统由线路、道岔基础系统、列车控制系统和供电与驱动系统组成，通过运行控制中心实现系统运转，与40多年历史的高速轮轨系统相比，技术系统更加复杂，虽然我国掌握了轨道梁等16项专利技术，但是核心技术仍然在德国手中。据上海磁浮线资料，全长30公里，造价89亿元，约3亿元/公里；沪杭磁浮项目由于规模效应，全长175公里，造价约350亿元，约2 亿元/公里；由于商业应用刚开始，运营费用估计不低于轮轨系统。而磁浮系统造价大体是轮轨系统的2倍。 3.8 运量大 磁浮列车的运能与列车定员、列车编组、发车间隔和和运行时间密切相关。德国磁浮TR08型列车5节编组，总座位446个（上海磁浮车总座位464个），发车间隔理论2.5min，实际推荐5min；而ICE3型高铁8节编组，总座位415个。磁浮列车可以考虑10节编组，运量可以比5节编组增加1倍。按5 min 发车间隔，每天运行7：00-22：00计，以10节编组成1列车，磁浮运能为12000人次/h，每天可运送18万人次左右。 4 应用前景 目前世界上有三条磁浮线投入运营：上海浦东磁浮示范线（30公里，高速，2002年通车）、日本名古屋丘陵线（8.9公里，中低速，2005年通车）和英国伯明翰线（600米，中低速，1984-1996年）。 规划建设线路有：中国沪杭磁浮线（175公里，350亿，2010年建成）；德国慕尼黑机场线（36.8公里，16亿欧元，2008年建成），鲁尔线（杜塞尔多夫-多特蒙德，78.9公里，32亿欧元）；美国东北线（巴尔的摩-华盛顿特区，60公里，33亿美元），匹兹堡机场线（78公里，27亿美元）； 荷兰机场环线（170公里）和北部线（180公里）。 5 结论与建议 5.1 磁浮交通技术是人类科学史一项重大发明，其运行原理完全有别于传统的轮轨系统。 目前世界上掌握磁浮核心技术的国家是德国和日本，我国上海磁浮是世界上第一条商业应用的示范线，具有后发技术优势和划时代的意义。 磁浮交通技术有电磁式（EMS）和电动式（EDS）悬浮两种类型，又可以分常导高速磁浮（如德国TR08型， 约500km/h）和低温（4K）超导或永磁低速磁浮（如日本HSST型，约100km/h）。 5.2 磁浮交通技术具有速度快、运能大、占地少、安全、节能、环保、噪声小、爬破能力强等特点，但是投资大、商业应用不够成熟等缺点。 5.3 应用前景广阔，但是有一定风险。 磁浮交通技术的主要功能是城际快速客运，能否得到广泛应用，取决于技术、经济和环境效益的综合比较。常导高速磁浮技术具有更广泛的应用前景，如上海示范线。尤其约500km/h的高速度特别适合中长距离（200-1000公里）的城际客运市场，部分替代飞机，以节省燃油。目前，磁浮项目投资大、技术复杂、运营成本高（如英国线因故障率和维修成本高，运行12年后于1996年停用）等将成为制约磁浮商业应用的瓶颈。 5.4 中国磁浮项目必须坚持技术创新，确保安全可靠。 中国已经有50多年的磁浮研发历史 ，又通过引进消化，建成了上海磁浮示范线（30公里），成为世界上拥有16项专利的磁浮技术的大国之一。沪杭磁浮项目已经立项，将极大地促进磁浮技术在中国生根、开花和结果，走上引进-消化-吸收-创新-应用-技术输出的良性轨道。同时，丰富城际高速客运专线的交通模式，提高运输水平，惠及大众出行，创建同城效应，提高区域综合竞争力。 因此，要开拓创新，进一步消化吸收上海示范线的磁浮关键技术；通过谈判和技术合作，力争掌握核心技术，同时坚定不移走机电设备国产化道路，降低工程造价，提高市场竞争力。在沪杭磁浮工程可行性阶段，一定要进行多方案比选（高速轮轨与高速磁浮系统），并开展相应的专题研究，广泛征求铁道部、上海市、浙江省及杭州市、嘉兴市的意见和建议，采取多元化投资策略，充分利用中央、省市地方资源，创新体制机制，举全社会力量，大力推进磁浮项目的进程。 参考文献 [1] 吴祥明主编，磁浮列车，上海科学技术出版社，2003 [2] 刘华清等译，德国磁悬浮列车，电子科技大学出版社，1995 [3] 孙章等，高速铁路与磁浮技术的发展历程及展望，《科学》，2006（3） [4] Weckerlein, G.J Transrapid: high-tech for “flying on the ground”,The 3rd annual China urban rail summit 2005, P173-179 [5] 章云泉，德国轨道交通考察报告，2001，12(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (9/11/2007)