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高速磁浮交通技術進展與應用前景
  • 點擊數(shù):554     發(fā)布時間:2009-10-15 16:37:23
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    前言

    人類對速度的不斷追求譜寫了世界交通技術進展的歷史畫卷,科技進步推動社會發(fā)展,現(xiàn)代交通技術為人類“地面飛行”的理想插上了翅膀, 高速磁浮交通技術系統(tǒng)具有最高速度(約500公里/時),人類在陸上飛行成為現(xiàn)實。從19世紀上半葉的電磁理論到實際應用走過了180多年。2002年,世界第一條磁浮商業(yè)線—上海浦東磁浮示范線的成功營運,以及今年三月國家批準滬杭磁浮項目建議書,為我國探索高速客運系統(tǒng)提供了新的選擇,有望在中國大地形成與高速輪軌系統(tǒng)并存的城際地面高速客運網(wǎng),形成城市綜合交通系統(tǒng)。通過引進、吸收、消化、輸出,掌握具有自主產(chǎn)權(quán)的磁浮實用技術,有利于提高國家競爭力,促進我國交通技術的跨越式發(fā)展,提高居民出行質(zhì)量和水平。

    1 理論基礎

    在長期的生產(chǎn)實踐中,人們發(fā)現(xiàn)了天然的磁性物質(zhì)(如磁鐵礦或磁鐵等),由于特有的排斥或吸引特性,中國古代發(fā)明了“指南針”,并應用于航海。在漫長的歲月里,人們對電磁一直處于感性認識,直到1820年丹麥物理學家奧斯特發(fā)現(xiàn)了電流能夠產(chǎn)生磁場,奠定了電磁科學基礎。隨后,法拉第發(fā)明了電磁感應定律,定量描述了感應電動勢與磁通量(磁場強度)的變化關系。19世紀60年代,英國物理學家麥克斯韋(1831-1879)建立了完整的電磁理論并提出了電磁波的猜想。20年以后,赫茲通過實驗驗證了電磁波的存在,為現(xiàn)代通訊和控制技術的應用奠定了基礎。

    從基礎理論科學走向?qū)嵺`應用,同樣經(jīng)歷了艱辛的探索,而且與當時的社會經(jīng)濟條件和科學進步水平密切相關。1922年,德國科學家赫爾曼.肯佩爾(Hermann Kemper)發(fā)明了電磁浮鐵路原理,并于1934年8月獲得了世界上第一項磁浮技術專利。

    磁浮技術從懸浮方式上可以分為電磁磁浮(EMS)和電動磁浮(EDS)兩大類[1]。

    電磁磁浮技術是一種常導下的吸引式磁浮系統(tǒng),即對車載的、置于導軌下方的懸浮電磁鐵通電勵磁而產(chǎn)生電場,磁鐵與軌道上的鐵磁構(gòu)件相互吸引,將列車向上吸起懸浮于軌道上,磁鐵與鐵磁軌道之間的懸浮間隙一般為8-12mm。列車通過控制懸浮磁鐵的勵磁電流來保證穩(wěn)定的懸浮間隙,通過直線電機來牽引列車走行。電磁式磁浮列車以德國TRANSRAPID(簡稱TR)型和日本的HSST型為代表。

    電動磁浮技術是一種超導下排斥式電動磁浮系統(tǒng),即當列車運動時,車載磁體(一般為低溫超導線圈或永久磁鐵)的運動磁場,在安裝與線路上的懸浮線圈中產(chǎn)生感應電流,兩者相互作用,產(chǎn)生一個向上的磁力將列車懸浮于路面一定高度(一般為100-150mm)。通過直線電機來牽引列車走行。與電磁式相比,電動式懸浮系統(tǒng)在靜止條件下不能懸浮,必須達到一定速度(約150km/h)后才能懸浮。由于間隙大,一般無須主動控制。電動式磁浮列車以日本MLX型超導列車為代表。

    2 磁浮技術進展

    1969年,在工業(yè)界和德國聯(lián)邦鐵路公司的大力推動下,開始了大運量高速鐵路研究(HSBStudien),隨后生產(chǎn)了第一代磁浮列車Transrapid-01,簡稱TR-01,車重5.86噸,4個座位,在試驗線(660m)上進行了試驗,最大車速90km/h。根據(jù)試驗,對列車進行了不斷改進,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型列車,凈重92噸,長51米,最大速度500km/h,并在埃姆斯蘭(Emsland,TVE)雙環(huán)形試驗線(31.5km)運行。1991年底,經(jīng)過第七代列車運行試驗和技術鑒定, 德國向世界宣布TR型高速磁浮交通技術已經(jīng)成熟,可投入商業(yè)應用。1997年7月計劃采用TR-07型列車投入柏林-漢堡線(292km)應用,由于客流量偏小等虧損原因而擱淺,2000年2月取消了該項目計劃。

    1962年,日本開始磁浮交通技術的研發(fā)工作。1972年研制了低溫超導電動列車ML100型,時速60km/h。隨后,研制了ML500型(1979年,517 km/h),MLU001型(1980),MLX01、MLX02型(1997),最高速度分別達到546和457km/h。2003年12月,ML型列車在山梨試驗線(18.4km),創(chuàng)造了581km/h的世界記錄!

    同時,日本還開發(fā)中低速磁浮技術(速度約100 km/h)。1974年研制了第一代樣車HSST-01型,隨后又研制了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年開始在名古屋市郊建造一條8.9公里的低速磁浮線路,2005年投入使用。

    世界上其他國家在20世紀60年代開始研究高科技的磁浮交通技術,如前蘇聯(lián)、美國、加拿大、法國、韓國、瑞士等。前蘇聯(lián)80年代研制了18噸的樣車;美國看好德國磁浮技術,還研制磁浮飛機,但是他們都處于實驗階段。

    中國早在20世紀70年代開始進行磁浮交通技術的應用研究。如中國國防大學、西南交通大學、鐵道科學研究院和中科院電工所,并開始了樣機的試制,分別在長沙和成都青城山、北京八達嶺建立了中低速磁浮的試驗線。1999年科技部組織了“我國第一條高速磁浮列車試驗運行線的可行性研究,進一步消化、吸收德國TR型常導磁浮交通技術1999年引進時速450km/h的德國磁浮技術,提出了建設上海示范運營線的建議。2000年6月,中德聯(lián)合開展可行性研究,該項目全長30公里,2個車站、2個牽引變電站、1個控制中心和1個維修基地,總投資約89億元。同年8月立項開始浦東磁浮示范線工程的建設,2002年12月31日正式開始商業(yè)運行,成為世界上第一條商業(yè)營運線。經(jīng)過3年多的運行,2006年4月26日通過了國家驗收,已掌握了軌道梁等大部分磁浮技術,申請了了16項專利。

    據(jù)報道,成都飛機公司還研制了高速磁浮列車,時速高達500公里、擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的中國第一輛高速磁浮列車,預計將于今年7月在上海試驗線上進行首次試運行。2005年9月29日,備受各界關注的國家“863計劃”高新技術項目——CM1“海豚”高速磁浮車輛組件在成飛公司正式開鉚生產(chǎn)。此次研制的車輛設計時速為500公里,預計載客90人,主要由車體結(jié)構(gòu)、懸浮導向制動控制、電網(wǎng)、診斷控制、定位測速、磁鐵、氣路、空調(diào)、車輛照明、逃生系統(tǒng)等集合而成。由于其與軌道無接觸高速運行,又被業(yè)內(nèi)人士稱之為“零高度飛行器”。

    3 磁浮技術特點

    3.1 驅(qū)動原理特殊

    利用電磁鐵同性相斥、異性相吸的原理,讓列車懸浮在軌道上,并用直性電機產(chǎn)生的電磁力實現(xiàn)推進牽引。而輪軌系統(tǒng),利用導軌支撐鋼輪,電力驅(qū)動靠輪軌之間的粘滯摩擦力推進。

    3.2 高速

    由于磁浮列車沒有機械阻力,只有在高速時產(chǎn)生空氣阻力,最高速度達到500km/h(上海磁浮商業(yè)運行速度430km/h),具有“陸上飛行器”之美稱;而高速輪軌一般在330km/h,因為速度極限以后,速度與粘滯力成反比。

    3.3 安全、可靠、舒適

    由于采用當代先進的信號技術和列車自動控制系統(tǒng),并吸取了輪軌系統(tǒng)的先進理念,上海磁浮運行3年來,累計行程超過250萬公里,運送乘客650萬人次,并經(jīng)歷了風霜雨雪等惡劣氣候的考驗,今年4月通過了國家驗收。由于啟動和制動加速度、座位設計合理,振動小、運行時間短,乘客舒適度高。

    3.4 占地少

    磁浮線一般采用高架和全隔離形式,磁浮限界寬度小于輪軌系統(tǒng),因此占地遠遠少于高速公路,也比高速輪軌系統(tǒng)占地少,符合構(gòu)建節(jié)約型社會的要求。

    3.5 轉(zhuǎn)彎半徑小,爬坡能力強

    由于磁浮列車與軌道無接觸、無磨損的支撐和導向,無接觸的牽引和制動特性,線路轉(zhuǎn)彎半徑小,而爬坡能力大。如速度在300km/h的同等條件下,輪軌系統(tǒng)最小轉(zhuǎn)彎半徑4000-5000m,而磁浮系統(tǒng)1590m;爬坡能力輪軌系統(tǒng)最大4%,而磁浮10%。

    3.6 環(huán)境友好

    由于采用電力(二次能源)驅(qū)動,不會產(chǎn)生廢氣和廢水等污染;能耗低,由于磁浮系統(tǒng)特有的驅(qū)動和支撐原理,據(jù)研究報道,在同等速度下,TR磁浮列車單位能耗低于德國ICE高速輪軌列車。噪聲小,在300km/h條件下, 輪軌91 分貝,而磁浮83 分貝。由于車/軌道之間間隙小(約10mm),磁力線處于閉合狀態(tài),磁場泄漏量小。地球磁輻射強度為50 微特,彩電500,而磁浮為100。

    3.7 造價高

    高速磁浮系統(tǒng)由線路、道岔基礎系統(tǒng)、列車控制系統(tǒng)和供電與驅(qū)動系統(tǒng)組成,通過運行控制中心實現(xiàn)系統(tǒng)運轉(zhuǎn),與40多年歷史的高速輪軌系統(tǒng)相比,技術系統(tǒng)更加復雜,雖然我國掌握了軌道梁等16項專利技術,但是核心技術仍然在德國手中。據(jù)上海磁浮線資料,全長30公里,造價89億元,約3億元/公里;滬杭磁浮項目由于規(guī)模效應,全長175公里,造價約350億元,約2 億元/公里;由于商業(yè)應用剛開始,運營費用估計不低于輪軌系統(tǒng)。而磁浮系統(tǒng)造價大體是輪軌系統(tǒng)的2倍。

    3.8 運量大

    磁浮列車的運能與列車定員、列車編組、發(fā)車間隔和和運行時間密切相關。德國磁浮TR08型列車5節(jié)編組,總座位446個(上海磁浮車總座位464個),發(fā)車間隔理論2.5min,實際推薦5min;而ICE3型高鐵8節(jié)編組,總座位415個。磁浮列車可以考慮10節(jié)編組,運量可以比5節(jié)編組增加1倍。按5 min 發(fā)車間隔,每天運行7:00-22:00計,以10節(jié)編組成1列車,磁浮運能為12000人次/h,每天可運送18萬人次左右。

    4 應用前景

    目前世界上有三條磁浮線投入運營:上海浦東磁浮示范線(30公里,高速,2002年通車)、日本名古屋丘陵線(8.9公里,中低速,2005年通車)和英國伯明翰線(600米,中低速,1984-1996年)。

    規(guī)劃建設線路有:中國滬杭磁浮線(175公里,350億,2010年建成);德國慕尼黑機場線(36.8公里,16億歐元,2008年建成),魯爾線(杜塞爾多夫-多特蒙德,78.9公里,32億歐元);美國東北線(巴爾的摩-華盛頓特區(qū),60公里,33億美元),匹茲堡機場線(78公里,27億美元); 荷蘭機場環(huán)線(170公里)和北部線(180公里)。

    5 結(jié)論與建議

    5.1 磁浮交通技術是人類科學史一項重大發(fā)明,其運行原理完全有別于傳統(tǒng)的輪軌系統(tǒng)。

    目前世界上掌握磁浮核心技術的國家是德國和日本,我國上海磁浮是世界上第一條商業(yè)應用的示范線,具有后發(fā)技術優(yōu)勢和劃時代的意義。

    磁浮交通技術有電磁式(EMS)和電動式(EDS)懸浮兩種類型,又可以分常導高速磁浮(如德國TR08型, 約500km/h)和低溫(4K)超導或永磁低速磁浮(如日本HSST型,約100km/h)。

    5.2 磁浮交通技術具有速度快、運能大、占地少、安全、節(jié)能、環(huán)保、噪聲小、爬破能力強等特點,但是投資大、商業(yè)應用不夠成熟等缺點。

    5.3 應用前景廣闊,但是有一定風險。

    磁浮交通技術的主要功能是城際快速客運,能否得到廣泛應用,取決于技術、經(jīng)濟和環(huán)境效益的綜合比較。常導高速磁浮技術具有更廣泛的應用前景,如上海示范線。尤其約500km/h的高速度特別適合中長距離(200-1000公里)的城際客運市場,部分替代飛機,以節(jié)省燃油。目前,磁浮項目投資大、技術復雜、運營成本高(如英國線因故障率和維修成本高,運行12年后于1996年停用)等將成為制約磁浮商業(yè)應用的瓶頸。

    5.4 中國磁浮項目必須堅持技術創(chuàng)新,確保安全可靠。

    中國已經(jīng)有50多年的磁浮研發(fā)歷史 ,又通過引進消化,建成了上海磁浮示范線(30公里),成為世界上擁有16項專利的磁浮技術的大國之一。滬杭磁浮項目已經(jīng)立項,將極大地促進磁浮技術在中國生根、開花和結(jié)果,走上引進-消化-吸收-創(chuàng)新-應用-技術輸出的良性軌道。同時,豐富城際高速客運專線的交通模式,提高運輸水平,惠及大眾出行,創(chuàng)建同城效應,提高區(qū)域綜合競爭力。

    因此,要開拓創(chuàng)新,進一步消化吸收上海示范線的磁浮關鍵技術;通過談判和技術合作,力爭掌握核心技術,同時堅定不移走機電設備國產(chǎn)化道路,降低工程造價,提高市場競爭力。在滬杭磁浮工程可行性階段,一定要進行多方案比選(高速輪軌與高速磁浮系統(tǒng)),并開展相應的專題研究,廣泛征求鐵道部、上海市、浙江省及杭州市、嘉興市的意見和建議,采取多元化投資策略,充分利用中央、省市地方資源,創(chuàng)新體制機制,舉全社會力量,大力推進磁浮項目的進程。

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