高速鐵路與磁浮技術(shù)的發(fā)展歷程及展望

1、高速鐵路與磁浮技術(shù)的發(fā)展歷程及展望         這篇高速鐵路與磁浮技術(shù)的發(fā)展歷程及展望的關(guān)鍵詞是高速鐵路,磁浮技術(shù),                    2006年3月13日，國(guó)家發(fā)改委正式宣布，京滬高速鐵路和滬杭磁浮項(xiàng)目雙雙獲得批準(zhǔn)。這意味高速輪軌與磁浮兩項(xiàng)高新技術(shù)在我國(guó)比翼齊飛，中國(guó)開始邁向高速軌道交通時(shí)代。

2、        高速鐵路的興建        1825年鐵路誕生后，100年間一直保持著速度等方面的優(yōu)勢(shì)，得到了迅速發(fā)展。1920年代，世界鐵路總長(zhǎng)度已增加到127萬(wàn)公里。其后，隨著航空業(yè)和高速公路的迅猛發(fā)展，鐵路的客貨運(yùn)量被嚴(yán)重分流，英、美等國(guó)甚至開始大量拆除原有的鐵路，致使至今鐵路總長(zhǎng)度仍約為130萬(wàn)公里。1950年代前半期，鐵路、海運(yùn)、汽車占貨運(yùn)的比重分別為30%、8%、62%，汽車運(yùn)輸?shù)谋戎匾堰_(dá)到鐵路的2倍，鐵路已淪落為“夕陽(yáng)產(chǎn)

3、業(yè)”。        直到1964年高速鐵路問(wèn)世，一度被人們視為夕陽(yáng)產(chǎn)業(yè)的鐵路出現(xiàn)了生機(jī)。高速鐵路始建于日本，1950年代初，日本經(jīng)濟(jì)進(jìn)入戰(zhàn)后復(fù)興期，經(jīng)濟(jì)高速增長(zhǎng)。戰(zhàn)后百?gòu)U待舉，公路、港口建設(shè)緩慢，大量運(yùn)量壓向鐵路，鐵路的運(yùn)能越來(lái)越不能滿足社會(huì)的需要，特別是連接?xùn)|京、名古屋和大阪三大經(jīng)濟(jì)圈的東海道干線的運(yùn)輸能力已近極限，單向每日發(fā)送列車數(shù)超過(guò)200列，約每7.2分鐘一列，鐵路已成為制約日本社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素。1964年日本要舉行東京奧運(yùn)會(huì)，1970年要舉辦大阪世博會(huì)，本來(lái)已超負(fù)荷的鐵路運(yùn)輸更將不堪重負(fù)。

4、0;       正當(dāng)其時(shí)，技術(shù)進(jìn)步為高速鐵路的誕生創(chuàng)造了條件。早在1951年，日本鐵道技術(shù)研究所已在中距離線路上實(shí)現(xiàn)了列車的電動(dòng)車化，并在1957年5月正式宣布：“在東京、大阪間新建標(biāo)準(zhǔn)軌距線路，采用電動(dòng)車組編列方式，最高時(shí)速度達(dá)250公里、運(yùn)行時(shí)間縮短到3 小時(shí)，所有這些在技術(shù)上是可以實(shí)現(xiàn)的?！比毡具\(yùn)輸省的咨詢機(jī)構(gòu)國(guó)有鐵道干線調(diào)查會(huì)組織各方面專家進(jìn)行論證，最終得出結(jié)論：“應(yīng)該充分利用國(guó)內(nèi)外技術(shù)之精粹，盡快新建標(biāo)準(zhǔn)軌高速鐵路?！?958年12月，東海道新干線工程批準(zhǔn)立項(xiàng)，1959年4月開始建設(shè)。1962年4月先建成了一段長(zhǎng)

5、約37 公里的試驗(yàn)線路，在試驗(yàn)線上完成了電動(dòng)車組樣車的高速試驗(yàn)以及正式投入運(yùn)營(yíng)前必需的最后調(diào)試。1964年10月1日即東京奧運(yùn)會(huì)開幕前9天，東海道新干線正式投入運(yùn)營(yíng)，最高運(yùn)行時(shí)速達(dá)到了預(yù)定的210公里。        東海道新干線開業(yè)之初，一天往返60列車，高峰時(shí)段最多每小時(shí)單向發(fā)送2列，日均運(yùn)送6萬(wàn)多人次。它的運(yùn)量增長(zhǎng)基本與日本國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值的增長(zhǎng)相一致。1974年日均運(yùn)量為34萬(wàn)人次;1998年日均運(yùn)量達(dá)37萬(wàn)人次，高峰時(shí)段每小時(shí)單向發(fā)送11列。東海道新干線的開通大大緩解了交通壓力，同時(shí)也對(duì)東京奧運(yùn)會(huì)和大阪世博會(huì)

6、的成功舉辦做出了貢獻(xiàn)。        東海道新干線全長(zhǎng)515.4公里，當(dāng)時(shí)的總投資為3 800億日元，每公里7.37億日元(約合人民幣每公里5 300萬(wàn)元)。由于投入運(yùn)營(yíng)后客流的迅速增長(zhǎng)，加上管理有方，運(yùn)營(yíng)成本得到很好控制，東海道新干線正式投入運(yùn)營(yíng)后的第7年收回了全部投資。1964年到1985年間，創(chuàng)利34 000億日元;1985年后，每年創(chuàng)利都在2 000億日元(約合人民幣142.9億元)以上?？梢?，高速鐵路不僅速度快，而且經(jīng)濟(jì)效益好，這為高速鐵路的投資多元化提供了可能。   

7、60;    高速鐵路是當(dāng)代鐵路的一項(xiàng)重大技術(shù)成就，具有全天候、運(yùn)能大、速度快、安全好、能耗低、污染輕、占地少、投資省、效益高等一系列技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，因此在全世界得到了推廣。 2004年4月1日韓國(guó)漢城至釜山高速鐵路第一期工程通車，2010年第二期工程新建段完成后，將進(jìn)一步縮短全程時(shí)間，從2小時(shí)40分縮短為1小時(shí)56分。漢城至釜山高速鐵路的線路42.5%是舊線改造，其余為新建。        西歐的高速鐵路網(wǎng)正在形成，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模預(yù)計(jì)到2010年底將擴(kuò)大一倍，達(dá)到6 000多公里。

8、南非計(jì)劃修建一條從約翰內(nèi)斯堡至比勒陀利亞的高速鐵路，這條全長(zhǎng)80公里的高速鐵路，總投資為70億蘭特(約合80億人民幣)。該項(xiàng)工程已得到政府批準(zhǔn)，預(yù)計(jì)5年內(nèi)可以建成，屆時(shí)非洲大陸將擁有第一條高速鐵路。巴西將修建南美洲第一條高速鐵路，從首都巴西利亞至戈亞斯州首府戈亞尼西，全長(zhǎng)205公里，時(shí)速250公里，初步投資預(yù)算為每公里800萬(wàn)1 000萬(wàn)美元，總投資在20億美元以上。截至2004年1月末，世界高速鐵路總長(zhǎng)共 5 891公里。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，到2007年，各有關(guān)國(guó)家和地區(qū)至少還將建成3 000公里高速鐵路并投入運(yùn)營(yíng)。高速鐵路的誕生是鐵路史上的一場(chǎng)革命，它給日趨衰落的鐵路行業(yè)帶來(lái)了新的契機(jī)，世界鐵路

9、正在走向高速化。        高速輪軌技術(shù)的發(fā)展        迄今為止，世界上的高速鐵路有三種模式：一是既有線、客貨混運(yùn)型，最高運(yùn)行時(shí)速為200公里，較多采用這種制式的有英國(guó)、俄羅斯等國(guó);二是新建線、客貨混運(yùn)型，最高運(yùn)行時(shí)速為250公里，較多采用這種制式的有德國(guó)、意大利等國(guó);三是新建線、客運(yùn)專線型，最高運(yùn)行時(shí)速可達(dá)300 公里，較多采用這種制式的有日本、法國(guó)、韓國(guó)等國(guó)。     &#

10、160;  新干線300系列車是日本高速鐵路技術(shù)發(fā)展的一個(gè)里程碑，于1992年投入使用。它采用了動(dòng)力分散型的技術(shù)制式和新的牽引系統(tǒng)(即交流異步牽引電機(jī)和變頻變壓控制系統(tǒng))，以及輕質(zhì)鋁合金整體車體、無(wú)搖枕轉(zhuǎn)向架，因此與此前的0系、100系子彈頭列車相比，其重量大為減輕，集流弱點(diǎn)也得到改善。0系列車有8個(gè)受電弓，300系僅有2個(gè)受電弓。        日本高速鐵路自投入運(yùn)營(yíng)以來(lái)，一直采用動(dòng)力分散方式。動(dòng)力分散型的優(yōu)點(diǎn)是：無(wú)需火車頭，可增加載運(yùn)空間;更多車軸為動(dòng)力車軸，可增加粘著力;可通過(guò)再生制動(dòng)節(jié)約

11、電能，即制動(dòng)時(shí)將牽引電機(jī)用作發(fā)電機(jī)，所產(chǎn)生的電能可通過(guò)受電弓返回到接觸網(wǎng)。其他國(guó)家也借鑒了300系的優(yōu)點(diǎn)，著力發(fā)展分散型電動(dòng)車組，如德國(guó)研制出的ICE3高速列車已將原來(lái)的動(dòng)力集中型改為動(dòng)力分散型。高速列車車體輕、噪聲低、可靠性高、節(jié)能好。盡管最近10年間東海道新干線的列車速度不斷提高，已由建成時(shí)的每小時(shí)210公里提高到300公里，但能耗不斷降低。新干線700系列車時(shí)速達(dá)到270公里，每座席能耗僅為14.7千瓦時(shí)。        環(huán)境保護(hù)是制約高速鐵路發(fā)展的一大難題。故在提速、節(jié)能之外，降噪、減振是高速鐵路技術(shù)進(jìn)步的

12、另一個(gè)方向。各國(guó)高速鐵路技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的重點(diǎn)在于節(jié)約能耗、降低軌道噪聲、降低生命周期成本以及其他全方位的比較上。        最近，日本鐵路東?？瓦\(yùn)公司、東日本客運(yùn)公司在700系列車的基礎(chǔ)上，聯(lián)合研制成功了時(shí)速300公里的N700系高速列車。它首次采用主動(dòng)擺式車體技術(shù)，試驗(yàn)樣車已于2005年3月交付使用，在經(jīng)過(guò)兩年的試運(yùn)行后，將于2007年投入商業(yè)運(yùn)行。由于空氣阻力與速度的平方成正比，高速列車的最高時(shí)速如果從300公里提高到360公里，其能耗將增加50%，單位能耗可能超過(guò)飛機(jī)，能耗增加的費(fèi)用遠(yuǎn)超過(guò)時(shí)間節(jié)省所帶來(lái)的效益。

13、因此，高速鐵路進(jìn)一步提高速度的空間較小。人們正在努力探索后高速鐵路時(shí)代的交通工具。        磁浮技術(shù)的發(fā)明        磁浮技術(shù)的研究始于20世紀(jì)初，1922年德國(guó)人開普爾(H. Kemper)提出了磁懸浮原理，并于1934年獲得了“沒有車輪的磁懸浮車輛”的專利。        磁懸浮列車主要由懸浮系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)和導(dǎo)向系統(tǒng)三大部分組成。盡管可以使用與

14、磁力無(wú)關(guān)的推進(jìn)系統(tǒng)，但在目前的絕大部分設(shè)計(jì)中，這三部分的功能均由電磁力來(lái)完成。磁浮列車基于電磁鐵同性相斥、異性相吸的原理，實(shí)現(xiàn)列車的浮起、推進(jìn)和導(dǎo)向。它與輪軌鐵路的根本區(qū)別在于列車懸浮在軌道之上，運(yùn)行時(shí)沒有輪軌接觸，不存在黏著極限速度，為不斷提高地面交通工具的速度提供了可能。鐵路列車主要靠鋼軌與鋼輪之間的黏著力向前推進(jìn)。速度越快，黏著力越小，列車牽引力也越小,同時(shí)速度越快空氣阻力越大。根據(jù)理論公式推算，輪軌時(shí)速很難超過(guò)375公里。盡管1990年5月18日法國(guó)高速列車TGV-A 以515.3公里的最高時(shí)速?zèng)_破了上述極限，但這一黏著極限速度肯定存在。    

15、    磁浮技術(shù)按是否利用超導(dǎo)電磁鐵分為超導(dǎo)和常導(dǎo)兩類，超導(dǎo)以日本的MLX型為代表;常導(dǎo)以德國(guó)的TR型和日本的HSST型為代表。超導(dǎo)按溫度又可以分為兩種，日本研究的是低溫超導(dǎo)(-269°C,液氦冷卻)，美國(guó)研究的是高溫超導(dǎo)(液氮冷卻)。磁浮技術(shù)按速度可分為高速磁浮(時(shí)速約500公里)和中低速磁浮(時(shí)速約100公里)兩類，前者用于干線交通與地區(qū)交通，后者用于城市交通。由于超導(dǎo)磁浮列車只有當(dāng)時(shí)速超過(guò)150公里才能浮起，所以超導(dǎo)都是高速磁浮。常導(dǎo)磁浮包括高速和中低速兩種類型。超導(dǎo)磁浮列車的懸浮高度約100毫米，常導(dǎo)磁浮列車只有10毫米，超導(dǎo)對(duì)軌道的精

16、度要求低于常導(dǎo)，但低溫超導(dǎo)應(yīng)用難度大，常導(dǎo)容易實(shí)現(xiàn)。超導(dǎo)磁輻射對(duì)人體有害，需進(jìn)行磁屏蔽，常導(dǎo)不需要磁屏蔽。日本于1972年成功進(jìn)行了2.2噸重的超導(dǎo)磁浮列車實(shí)驗(yàn)，時(shí)速達(dá)到50公里。1977年12月在宮崎磁浮試驗(yàn)線上，列車最高時(shí)速達(dá)到了204公里; 1979年12月又進(jìn)一步提高到517公里。1982年11月，磁浮列車的載人試驗(yàn)獲得成功。1995年，載人磁浮列車試驗(yàn)的最高時(shí)速達(dá)到411公里。為了進(jìn)行東京至大阪間修建磁浮線路的可行性研究，1990年又著手建設(shè)山梨磁浮試驗(yàn)線，首期18.4公里長(zhǎng)的試驗(yàn)線已于1996年全部建設(shè)完成。2003年12月，日本鐵道公司在山梨試驗(yàn)線上創(chuàng)造了時(shí)速581公里的陸上速度

17、世界紀(jì)錄。德國(guó)建設(shè)了一條長(zhǎng)31.5公里的常導(dǎo)高速埃姆斯蘭特試驗(yàn)線，試驗(yàn)速度達(dá)到時(shí)速450公里。原計(jì)劃2005年建成柏林至漢堡磁浮線路，全長(zhǎng)292公里，設(shè)計(jì)時(shí)速為450公里，最高運(yùn)行時(shí)速430公里，后因工程費(fèi)用大大超過(guò)預(yù)算，不得不終止。蘇聯(lián)曾研制出一輛18噸的磁浮車，并在一條600米長(zhǎng)的線路上進(jìn)行運(yùn)行試驗(yàn)。中國(guó)于1991年開始對(duì)磁浮列車進(jìn)行有計(jì)劃的研究，目標(biāo)是低速列車。國(guó)防科技大學(xué)、西南交通大學(xué)、鐵道科學(xué)研究院、中國(guó)科學(xué)院電工所等單位都獨(dú)立或合作研制出了小型試驗(yàn)樣車。        磁浮交通速度快，占地少，使用電能，

18、對(duì)環(huán)境友好，這些優(yōu)勢(shì)與高速鐵路類似;此外，由于列車懸浮在軌道上，所以對(duì)軌道沖擊小、振動(dòng)小、噪聲低，比高速鐵路更節(jié)能;列車爬坡能力強(qiáng);由于不存在黏著極限速度，從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，可代替飛機(jī)以避免空中線路過(guò)于繁忙，節(jié)省汽油。        磁浮技術(shù)的應(yīng)用與展望        世界上正式投入運(yùn)營(yíng)的磁浮線有三條，即英國(guó)伯明翰線、 日本東部丘陵線和上海磁浮示范線。前兩條是中低速磁浮線，上海磁浮示范線是第一條高速磁浮線。   &

19、#160;    英國(guó)伯明翰線 英國(guó)進(jìn)行過(guò)時(shí)速為50公里的低速磁浮列車試驗(yàn)，并建設(shè)了一條從伯明翰鐵路車站至國(guó)家展覽中心的600米長(zhǎng)的運(yùn)營(yíng)線路。該系統(tǒng)于1981年初開工，1984年5月竣工，列車最高時(shí)速54公里，最大運(yùn)量每天5.1萬(wàn)人次。但因故障率高、維修成本高等原因，于1996年停止使用。        日本東部丘陵線 東部丘陵線是日本第一條商業(yè)運(yùn)營(yíng)的磁浮交通線，建在愛知縣名古屋市。名古屋是愛知縣的首府和對(duì)外交通樞紐，鐵路運(yùn)輸發(fā)達(dá)，2005年世博會(huì)期間有大量乘客通過(guò)干線鐵路經(jīng)

20、由名古屋市到達(dá)世博園區(qū)。愛知縣的地方鐵路愛知環(huán)狀鐵路，連接了兩條重要的干線鐵路，是另一條重要的運(yùn)輸通道。 但是，愛知環(huán)狀鐵路和距世博園區(qū)最近的名古屋市內(nèi)地鐵東山線都不能直接到達(dá)世博園區(qū)。為提供直接到達(dá)園區(qū)的軌道交通服務(wù)，愛知縣新建了東部丘陵磁浮軌道交通線。該線兩端分別連接愛知環(huán)狀鐵路和名古屋地鐵東山線，通過(guò)換乘形成直接到達(dá)世博園區(qū)的軌道交通系統(tǒng)。東部丘陵線線運(yùn)能較小，高峰時(shí)客流從兩個(gè)方向換乘東部丘陵線進(jìn)入世博園區(qū)，兩個(gè)方向的乘客較為均衡，很好地利用了該線的運(yùn)輸能力。        東部丘陵線采用常導(dǎo)吸引式磁浮系統(tǒng)，

21、設(shè)計(jì)最高時(shí)速為100公里，線路全長(zhǎng)8.9公里，設(shè)9座車站，除一個(gè)區(qū)間為地下和地面過(guò)渡段外，其余線路和車站均采用高架形式。工程總投資約1 075億日元(約合人民幣84億元，每公里單位造價(jià)約合人民幣9.4億元)。這篇高速鐵路與磁浮技術(shù)的發(fā)展歷程及展望的關(guān)鍵詞是高速鐵路,磁浮技術(shù),            東部丘陵線噪聲和振動(dòng)較小，乘坐舒適，車體采用大開度的車窗立面，通透感強(qiáng)，景觀效果較好。每列車額定載客244人，實(shí)際載客約360人，其中坐席104人，設(shè)計(jì)最小行車間隔5分鐘，每小時(shí)單

22、向額定運(yùn)能約3 000人。目前行車間隔采用6分鐘，每小時(shí)單向額定運(yùn)能約2 400人，由于額定運(yùn)能的舒適度較高，實(shí)際運(yùn)能可達(dá)到每小時(shí) 4 000人。雖然全線車站多為高架形式，但都采用了全封閉式的屏蔽門，增大了安全度，也改善了候車環(huán)境。        上海磁浮示范線    上海磁浮示范線從浦東機(jī)場(chǎng)至地鐵2號(hào)線龍陽(yáng)路站，全長(zhǎng)30公里，總投資100億元人民幣。它于2004年5月正式投入商業(yè)試運(yùn)行。截至2006年3月底，安全運(yùn)行里程累計(jì)超過(guò)240萬(wàn)公里，運(yùn)送乘客達(dá)4    632萬(wàn)人次，并經(jīng)歷了積雪、大風(fēng)等惡劣氣候的考驗(yàn)。2006年4月26日，上海磁浮示范運(yùn)營(yíng)線正式通過(guò)國(guó)家竣工驗(yàn)收。這次驗(yàn)收通過(guò)，將為滬杭磁浮線的可行性研究提供非常有價(jià)值的借鑒。相對(duì)于高速鐵路而言，磁浮列車的最大優(yōu)點(diǎn)是速度更快，能耗則增加不多，很適合成為后高速鐵路時(shí)代的陸上交通工具。時(shí)速為450公里的磁浮列車的氣動(dòng)阻力和能耗大致相當(dāng)于時(shí)速為300公里的高速輪軌列車。磁浮技術(shù)的不足之處主要是當(dāng)前造價(jià)偏高。以日本為例，東京-大阪超導(dǎo)磁浮線每公里造價(jià)預(yù)計(jì)約合人民幣11億元，東部丘陵線每公里造價(jià)約合人民幣9.4億元，而新干線高速鐵路每公里造價(jià)約合人