中低速磁浮交通概述教學文稿.ppt

第一講中低速磁浮交通概述 主講 楊新斌 課程重點突出中低速磁浮的工程化應用和實際問題教學采用師生互動的形式第一 二節(jié)課講課 第三節(jié)課提出問題并解答第五 六講對中低速磁浮的關鍵技術和進一步探索的技術進行重點討論拿出一兩個關鍵的機構進行實際設計和改進 加強實際的工作能力 安裝CATIAV5R19 初步了解和使用 講課模式 磁浮技術起源于德國 早在1922年德國工程師赫爾曼 肯佩爾就提出了電磁懸浮原理 并于1934年申請了磁懸浮列車的專利 1970年代以后 隨著世界工業(yè)化國家經(jīng)濟實力的不斷加強 為提高交通運輸能力以適應其經(jīng)濟發(fā)展的需要 德國 日本 美國 加拿大 法國 英國等發(fā)達國家相繼開始籌劃進行磁懸浮運輸系統(tǒng)的開發(fā) 磁浮技術的由來 利用磁力使物體處于無接觸懸浮狀態(tài)的設想是人類一個古老的夢 但實現(xiàn)起來并不容易 磁懸浮技術是集電磁學 電子技術 控制工程 信號處理 機械學 動力學為一體的典型的機電一體化技術 隨著電子技術 控制工程 信號處理元器件 電磁理論及新型電磁材料的發(fā)展 磁懸浮技術得到了長足的發(fā)展 定義 磁浮列車是一種采用磁力達到無接觸的懸浮 導向和驅(qū)動的地面車輛系統(tǒng) 特點 磁浮列車作為一種新型的地面交通工具已從實驗階段走向了商業(yè)運營 并且有速度快 爬坡能力強 能耗低 運行時噪音小 安全舒適 不燃油 污染少等優(yōu)點 它從根本上克服了傳統(tǒng)列車輪軌粘著限制 機械噪音和磨損等問題 成為了人們夢寐以求的理想陸上交通工具 磁浮列車的定義及特點 磁浮列車從懸浮機理上可分為 電磁懸浮 EMS electromagneticsuspension 以德國的Transrapid簡稱TR08型和日本的HSST100L型磁浮列車為代表電動懸浮 EDS electrodynamicsuspension 兩種 以日本的MLX型超導磁浮列車為代表 磁浮列車分類 一般采用 T 型導軌 車輛環(huán)抱導軌運行 對車載的 置于導軌下方的懸浮電磁鐵通電勵磁而產(chǎn)生磁場 磁鐵與軌道上的鐵磁構件相互吸引 將列車向上吸起懸浮于軌道上 磁鐵和鐵磁軌道之間的懸浮間隙一般約為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運行 這種懸浮方式由于采用磁鐵異性相吸的原理 磁場在直線電機的初級 次級線圈之間基本可以形成閉合回路 磁場向外擴散較少 電磁污染程度較低 磁場對人的影響可以忽略不計 電磁懸浮 AttractiveLevitation 當列車運動時 車載磁體 一般為低溫超導線圈或永久磁鐵 的運動磁場在安裝于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軌道面一定高度 懸浮間隙一般為100 150mm 列車運行也是由直線電機提供牽引力 與電磁懸浮相比 電動懸浮系統(tǒng)在靜止時不能懸浮 必須在列車達到一定速度 約150km h 后才能起浮 電動式懸浮系統(tǒng)在應用速度下 懸浮間隙較大 不需要進行主動控制 電動懸浮由于采用磁鐵同性相斥的原理 初 次級線圈所產(chǎn)生的磁場在直線電機內(nèi)部不能閉合 故其電磁污染比電磁懸浮型要大許多 電動懸浮 RepulsiveLevitation 磁浮交通的產(chǎn)生源于人們對輪軌粘著式鐵路局限性的認識 傳統(tǒng)的輪軌粘著式鐵路 是利用車輪與鋼軌之間的粘著力使列車前行 它的粘著系數(shù)隨列車速度的增加而減小 走行阻力而隨列車速度的增加而增加 當車速增至粘著系數(shù)曲線和走行阻力曲線的交點時 就達到了極限 為了解決這一難題 在本世紀60年代初 一些國家開始著手研究非粘著式超高速鐵路 磁浮交通就是非粘著式軌道交通的一種 磁浮交通與輪軌交通 德國 日本 美國 韓國 中國等國家都在積極地研究磁浮列車技術 并且已經(jīng)取得了較大的進展 以EMS型磁浮列車為代表的德國和以EDS型磁浮列車為代表的日本 其磁浮鐵路系統(tǒng)目前達到或接近應用水平 分別為德國的TR常導吸力型磁浮列車 日本的MLX超導斥力型磁浮列車和HSST常導吸力型磁浮列車 我國各個單位正在研制的磁浮列車屬于常導電磁吸力懸浮型 中低速磁浮列車用電磁力將列車懸浮和進行導向 采用直線電機牽引運行 中低速磁浮列車懸浮 導向和驅(qū)動原理 磁浮交通的類型 按照列車運行速度可分為高速磁浮交通和中低速磁浮交通兩種類型 1 噪聲低 環(huán)保性能好 車體和軌道不接觸 運行噪聲低 距離10米處小于64dB 輕軌92dB 無磨耗 無粉塵污染 無電磁輻射污染 無廢氣排放 磁浮列車電磁輻射對環(huán)境的影響較小 電磁輻射強度均低于世界衛(wèi)生組織推薦的國際非電離輻射防護委員會 ICNIRP 公布的國際標準 根據(jù)中科院電工所檢測報告 直流磁場強度小于正?？措娨晻r對人體的影響 交流磁場強度小于使用電剃須刀時對人體的影響 中低速磁浮交通主要優(yōu)點 2 線路適應性強 正線轉(zhuǎn)彎半徑達75m 輕軌300m 爬坡能力達70 輕軌35 3 乘坐舒適 處于懸浮狀態(tài) 與軌道無直接接觸 振動小 運行平穩(wěn) 乘坐舒適 4 運行安全可靠 列車 包 在軌道上運行 無脫軌危險 列車 線路 供電 運行控制系統(tǒng)采用地鐵 輕軌相同或類似技術 安全可靠性高 采用電制動 機械制動 落車 輔助制動三重制動方式 有充分的安全保障 5 建設 維護成本低 線路適應性強 噪音低 降低征地 拆遷 噪音防護成本 擁有自主知識產(chǎn)權 實現(xiàn)國產(chǎn)化生產(chǎn) 可大幅度降低車輛造價 車體輕 無振動 均載受力 橋梁和基礎造價低 車輛和軌道無接觸 無機械傳動系統(tǒng) 機械維修量小 6 運營效益好 運輸效率高 每小時單方向運量3 2萬人次 低噪音 轉(zhuǎn)彎半徑小 車站可設在人流密集區(qū) 車站建設可與物業(yè)開發(fā)結(jié)合 1 2 磁浮列車在各國的發(fā)展 迄今為止 對磁浮鐵路進行過研究的國家主要有日本 德國 英國 加拿大 美國 韓國 前蘇聯(lián)和中國 當前以日本和德國處于領先的地位 而美國和前蘇聯(lián)則分別在七八十年代放棄了研究計劃 下面把各主要國家對磁浮鐵路的研究情況作一簡要介紹 德國對磁浮鐵路的研究始于1968年 當時的聯(lián)邦德國 研究初期 常導和超導并重 到1977年 先后分別研制出常導電磁鐵吸引式和超導電磁鐵相斥式試驗車輛 試驗時的最高時速達到400公里 后來經(jīng)過分析比較認為 超導磁浮鐵路所需的技術水平太高 短期內(nèi)難以取得較大進展 遂決定以后只集中力量發(fā)展常導磁浮鐵路 1978年 決定在埃姆斯蘭德修建全長31 5公里的試驗線 并于1980年開工興建 1982年開始進行不載人試驗 列車的最高試驗速度在1983年底達到每小時300公里 1984年又進一步增至400公里 目前 德國在常導磁浮鐵路研究方面的技術已趨成熟 德國政府已決定在漢堡至柏林之間修建一條292公里長的磁浮鐵路 該鐵路將于1998年底開始動工 計劃在2005年正式投入運營 德國 超導磁浮日本于1962年開始研究常導磁浮鐵路 此后由于超導技術的迅速發(fā)展 從70年代初開始轉(zhuǎn)而研究超導磁浮鐵路 1972年首次成功地進行了2 2噸重的超導磁浮列車實驗 其速度達到每小時50公里 1977年12月在宮崎磁浮試驗線上 最高速度達到了每小時204公里 到1979年12月又進一步提高到517公里 1982年11月 磁浮列車的載人試驗獲得成功 1995年 載人磁浮列車試驗時的最高時速達到411公里 為了進行東京至大阪間修建磁浮鐵路的可行性研究 于1990年又著手建設山梨磁浮鐵路試驗線 首期18 4公里長的試驗線已于1996年全部建設完成 日本 日本常導日本的HSST系統(tǒng)磁浮列車最初是由日航投資成立HSST公司研究開發(fā) 希望用于機場到市區(qū)的快速軌道交通 后又與其它股東聯(lián)合開發(fā) 1974年4月 小型磁浮試驗裝置的浮起試驗成功 1975年試制成電磁支承和導向的第一輛試驗車HSST 01 1978年向公眾展出了HSST 02號車 最高速度約為100km h 總共有9個座位 為了改善舒適性 在車廂和懸浮架之間采用了二系彈簧懸掛系統(tǒng) 從1983年到1989年 HSST 03到HSST 05型車相繼投入試驗 日本 1991年 日本在名古屋附近的大江 建成一條新的面向應用的試驗線 試驗線總長1530m 最小豎曲線半徑1000m 最大超高為80 最大坡度7 從1991年到1995年 對HSST100S型磁浮列車進行了100多項面向應用要求的運行試驗 最高運行速度達到130km h 1993年3月 以日本運輸省 建設省和其它單位的專家學者組成的可行性研究委員會對試驗結(jié)果進行了最后論證 考察了噪聲 振動和磁場影響等 結(jié)論是 HSST磁浮鐵路系統(tǒng)是舒適的低污染系統(tǒng) 能夠應付緊急情況 長期的運行試驗證明它是可靠的 并且由于其懸浮的優(yōu)點使得它的維修量降低 作為城市交通系統(tǒng) HSST磁浮鐵路系統(tǒng)已進入實用階段 英國對磁浮鐵路的研究起步較晚 從1973年才開始 但是 英國則是最早將磁浮鐵路投入商業(yè)運營的國家之一 1984年4月 伯明翰機場至英特納雄納爾車站之間一條600米長的磁浮鐵路正式通車營業(yè) 旅客乘坐磁浮列車從伯明翰機場到英特納雄納爾火車站僅需90秒鐘 令人遺憾的是 在1995年 這趟一度是世界上唯一從事商業(yè)運營的磁浮列車在運行了11年之后被宣布停止營業(yè) 其運送旅客的任務由機場班車所取代 英國 美國從60年代開始磁浮鐵路的研究 1975停止工作 1989年起又重新開始評估磁浮列車的實用價值 由鐵道總署 陸軍工兵總部 能源部牽頭 數(shù)家公司和大學參加 歷時4年 定出4個磁浮車設計時速均為500km h的方案 其中3個方案為電動型 美國還對大城市間的16條線進行技術經(jīng)濟條件評估 認為只有紐約 波士頓線能在短期內(nèi)回收投資并能實現(xiàn)贏利 目前美國正在積極推進應用的是永磁Magplane 它屬于永磁懸浮型 Magplane的懸浮電磁鐵和驅(qū)動電磁鐵皆為永磁體 間隙可達5 15cm 在懸浮和導向上使用了20毫米厚的弧形鋁板軌道 這種結(jié)構具有高速轉(zhuǎn)彎的優(yōu)點 這種設計方案需要加輔助輪 為了安全起見 Magplane的設計者計劃在行駛的全程不收回輔助輪 而是將其固定在列車下面 整個列車技術相對簡單 美國 永磁Magplane 蘇聯(lián)從1976年開始大規(guī)模研究磁浮列車 參加的單位有 諾沃契爾卡斯克電力機車研究所 全蘇鐵道科學研究院 莫斯科綜合運輸研究所 全蘇車輛制造研究所 運輸工程研究院 基輔線性電動機設計事務所 管道運輸研究所及一些高等院校和企業(yè) 在莫斯科附近一條長600米的試驗線上 其05號磁浮車達到60公里 小時的速度 還計劃在阿拉木圖修建一條長14公里 有7個小站的城市商業(yè)磁浮運輸系統(tǒng) 速度也是60公里小 小時 蘇聯(lián) 日本中低速磁浮交通的發(fā)展 HSST HighSpeedSurfaceTransport 中低速磁浮的開發(fā)是從1974年初開始 當時在計劃修建的成田新東京國際機場離市中心大約65公里 是世界上離市中心較遠的機場之一 因此在日本航空對機場進行計劃的時候就包括了附屬設施的問題 為了縮短到機場的交通時間對一些設備進行了調(diào)查 當時原西德開發(fā)的磁浮列車 TR 04系統(tǒng) 令人矚目 因為成田機場建成的時間已經(jīng)迫近 所以進行長時間的技術開發(fā)是不允許的 就是說使用尖端技術的系統(tǒng)是不適當?shù)?在考慮了日本的實際情況后 必須選擇環(huán)保的交通工具 此外 作為機場的附屬設施 也沒有必要超高速的機車 能夠達到當時的新干線的速度 210km h 的程度就足夠了 概述 在進行中低速磁浮的開發(fā)的時候 首先以時速300km為目標速度 對在這個速度下能保持懸浮間隙 gap 的懸浮控制及LIM設計的實用性進行了基礎實驗以驗證 為此安排了實用尺寸的LIM和磁鐵 制作了能夠高速行駛的實驗機 中低速磁浮 01號磁浮車 這是開發(fā)的第一步 在這樣的構想下 中低速磁浮的技術開發(fā)正式開始了 1975年12月 在橫濱市新杉田建設的200m的直線軌道上初次懸浮行駛了中低速磁浮 01號磁浮車 重1噸 長4米 9個月后 再次在川崎市東扇島建設了全長1300米的直線軌道 開始了提速試驗 1979年2月開始在國家資助下增加了縱曲線和半徑2000m及280m的曲線 并且將軌道線延長到了1600m 在東扇島進行的實驗 中低速磁浮 01號車 1978年5月制作了中低速磁浮 02號車 因為01號機車是無人車輛而無二次減震 suspension 而02號車因裝備了二次減震 乘坐非常舒適 是可以載人表演的試驗車 長約7m 重約2MT 在8人乘坐時以100km的時速行駛 并對懸浮控制方法進行了改善 1981年3月 對東扇島的實驗場予以封鎖 當初予定的中低速磁浮的基礎實驗至此全部結(jié)束 中低速磁浮 02號車 扇島試驗線 中低速磁浮 02號車 1985年在筑波的科學技術博覽會上 行駛了能夠載客的新的大型中低速磁浮 03號車 01號和02號是與懸浮控制及推進相關構成關鍵技術的實驗用車輛 而03號車則是中低速磁浮系統(tǒng)實用型的原型機 除了車體的大小與實際的車輛相以外 還采用了中低速磁浮獨特的車體懸浮模塊 module 方式 關于車體懸浮模塊 module 方式在以后會有詳細敘述 它在中低速磁浮系統(tǒng)中與通常的鐵道車輛的轉(zhuǎn)向機的作用是相當?shù)?是中低速磁浮特有的車體支持機械裝置 在03號車上初次實現(xiàn)了懸浮模塊 module 方式的技術價值 中低速磁浮 03號車 中低速磁浮 03號車 1988年在崎玉縣熊谷市的 崎玉博覽會 上行駛了中低速磁浮 04號車 這是時速達到200km的中低速磁浮 200型的原型機 而且在后來的90年的橫濱博覽會上行駛了兩輛同型車連結(jié)在一起的中低速磁浮 05號車 04號和05號車與03號車不同 VVVF內(nèi)置電池搭載在車輛內(nèi) 且軌道構造為高架軌道 這已是完全實用車輛的形態(tài) 特別是在橫濱博覽會上 運輸省對其安全性進行了確認試驗 隨后磁懸浮鐵道首次取得了營業(yè)許可 對于整個磁懸浮交通事業(yè)來說 具有重要意義 在各種博覽會上無故障高速運行 合計有300萬人以上的搭乘實績 中低速磁浮向?qū)嵱眯苑较蜻~了一大步 中低速磁浮 04號車實用型中低速磁浮 中低速磁浮 04號車 中低速磁浮 05號車 04機和05號機是以中低速磁浮 200型開發(fā)的系統(tǒng) 適用于都市內(nèi)的中低速磁浮 100型是由中部中低速磁浮開發(fā)株式會社為中心進行的實用型試驗車 91年5月在以名古屋市的名古屋鐵道大江站為起點建設了長1 5km的試驗線用2輛連結(jié)的試驗車輛實施最高速度100km h的行駛試驗 大約經(jīng)過2年對各種性能的實證 對安全性 可靠性 耐久性 經(jīng)濟性等進行了評論 通過一系列的試驗確定了該系統(tǒng)的實用性 中低速磁浮 100 中低速磁浮 100S 中低速磁浮 100L 日本大江試驗線 日本第一條正式運營的磁懸浮鐵路是名古屋市區(qū)通向愛知世博會會場的磁懸浮線 這條磁懸浮線于2005年3月6日正式開通 全長約9公里 中途設有9個站 該磁懸浮列車由3節(jié)車廂構成 全程無人駕駛 最高時速為100公里 小時 行駛?cè)绦枰?7分鐘 整條磁懸浮線投資約500億日元 相當于31億美元 在2005年愛知世博會期間累計運送1000萬乘客 是迄今為止中低速磁浮技術的標桿 日本第一條磁懸浮城軌線Linimo 愛知世博會磁浮列車 愛知世博會磁浮線Linimo視頻 日本HSST技術開發(fā)的歷史回顧 韓國中低速磁懸浮交通發(fā)展 韓國發(fā)展磁懸浮列車主要用于解決大城市的交通問題 近些年來 汽車數(shù)量的急劇增加 使韓國大城市的市區(qū)交通擁擠不堪 磁懸浮系統(tǒng)以其較小的建造成本 較低的運行和維護代價以及對環(huán)境的友好性等優(yōu)良品質(zhì) 使其日益成為未來城市交通運輸?shù)陌l(fā)展模式 最近幾年 韓國磁懸浮列車技術發(fā)展迅速 韓國磁懸浮的發(fā)展過程經(jīng)歷了研究單位獨立開發(fā) 中期合作和商業(yè)化嘗試等3個階段 概述 在第一階段 1985年 1993年 3個獨立的團體即韓國機械材料協(xié)KIMM 現(xiàn)代 Hyundai 和大宇 Daewoo 分別開發(fā)不同形式的磁懸浮技術 現(xiàn)代組織的Daejon 93博覽會成果顯著 在第一階段 開發(fā)了各種磁懸浮技術 并推出了2輛展覽車輛 獨立開發(fā)階段 1985 1993年 第二階段是韓國機械材料協(xié)會和現(xiàn)代開始合作的時期 4年規(guī)劃的目標 1994年 1998年 是在1998年制造出2輛編組的商業(yè)化城市運輸磁懸浮系統(tǒng)車輛樣機 目標是代替地鐵和輕軌 在2000年能實現(xiàn)商業(yè)化服務 這和第一階段有顯著的不同 該階段商業(yè)化目標已經(jīng)很清晰 他們合作設計的UTM運輸系統(tǒng) UrbanTransitMaglev 商業(yè)化樣機UTM 01于1997年11月完成 隨后在KIMM內(nèi)部建造的長1 3km 直線部分400m 最小曲線半徑60m 坡度為6 1個道岔 的韓國大田試驗線上進行了全面的試驗 最高速度可以達到65km h或70km h 中期合作階段 1994 1998年 韓國磁懸浮技術發(fā)展很快 力爭早日推出商業(yè)化的磁懸浮運營線路 該階段主要對UTM 01進行改進并開展UTM 02的開發(fā)工作 ROTEM已經(jīng)著手商業(yè)部 工業(yè)部和能源部的聯(lián)合項目城市運輸磁懸浮RUTM RotemUrbanTransitMaglev 的開發(fā) 研發(fā)從2003年10月起到2006年9月止 目標是作為城市運輸應用的商業(yè)化樣機 內(nèi)容包括高性能的車輛 信號 ATP ATO 系統(tǒng) 以及試驗和評估等 2005年5月11日 韓國鐵路車輛企業(yè)ROTEM和韓國機械材料學會在大田研究院大院內(nèi)的長1 3km線路上成功進行了聯(lián)合開發(fā)的磁懸浮列車試運行 商業(yè)化嘗試階段 1999年 ROTEM公司計劃依靠科技部的支援 在大田世博會公園和國立中央科學館之間建設磁懸浮列車線路 并于2007年4月通車 因此 預計韓國將繼德國 日本之后成為第3個擁有自主知識產(chǎn)權的磁懸浮列車商業(yè)化的國家 韓國人口密集 城市交通擁擠 由于環(huán)境和地鐵系統(tǒng)造價昂貴問題 磁懸浮列車的商業(yè)化就只是一個時間問題 2005年 磁懸浮列車商業(yè)化納入韓國國家星火項目 完全采用韓國國產(chǎn)化技術 計劃2007年正式商業(yè)運營 屆時磁懸浮列車將會在韓國有廣泛的應用 我國中低速磁浮技術發(fā)展 我國中低速磁浮交通領域的科研也有近25年的歷史 現(xiàn)已形成了三條試驗線 上海臨港中低速磁浮試驗線1 7公里 電氣集團 唐山中低速磁浮試驗線1 5公里 北京控股磁懸浮 株洲中低速磁浮試驗線1 5公里 南車集團 我國中低速磁浮預計建設商業(yè)線 上海城軌磁浮11號線 虹橋青浦20號線 上海崇明島 虹橋機場浦東機場快線北京門頭溝 蘋果園的磁浮S1線張家界市磁浮線示范性 我國中低速磁浮技術發(fā)展業(yè)績 上海臨港試驗線 計劃中的臨港低速磁浮示范性環(huán)線 唐山試驗線 株洲試驗線 中低速磁浮交通技術研發(fā)的歷史事件 1989年 國防科大在我國第一次研制出小型磁浮試驗車CMS 01 2 1992年 磁浮列車關鍵技術研究 列入國家 八五 攻關計劃 鐵科院牽頭 有國防科大 西南交大 株洲電力機車研究所參與 3 1994年 西南交大建成43米鋼結(jié)構實驗線 研制了雙轉(zhuǎn)向架4噸磁浮車 4 1995年 國防科大研制成功6噸磁浮轉(zhuǎn)向架 5 1998年 鐵科院研制的6噸單轉(zhuǎn)向架磁浮車實現(xiàn)穩(wěn)定懸浮 我國中低速磁浮技術發(fā)展歷程 6 1999年 常導短定子磁浮列車工程關鍵技術研究 作為 八五 攻關項目的延續(xù)列入 九五 攻關計劃繼續(xù)予以支持 該項目由西南交通大學承擔 啟動了青城山磁浮列車工程試驗示范線項目 建成線路420米 并投入試驗 7 1999年11月 國防科大研制的常導中低速磁懸浮列車CMS 03 在2001年11月通過了有5位院士等13位專家參加的中試評審 實現(xiàn)了在204米軌道上以20km h試運行速度 8 2005年2月 上海磁浮中心向上海市政府提出 關于開展低速交通技術研究的請示 并根據(jù)市領導指示 成立專項研究組 正式開始中低速磁浮交通技術研究 9 2005年8月17日 上海電氣集團與上海磁浮交通工程技術研究中心簽訂項目合作協(xié)議 確定將試驗線設在電氣集團臨港重裝備基地內(nèi) 10 2005年12月28日 投資2 5億的上海低速磁浮試驗線在位于臨港新城的電氣集團重裝備產(chǎn)業(yè)區(qū)內(nèi)正式開工建設 11 2005年 北京控股磁懸浮技術發(fā)展有限公司與國防科大聯(lián)合體向科技部提出了在唐山客車廠建設中低速磁浮試驗基地的申請 次年獲得批準 隨后 項目進入設計與建設階段 12 2006年底 上海中低速磁浮試驗線土建