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高速磁浮交通技术进展与应用前景
作者:章云泉
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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)
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