磁懸浮列車maglv的運(yùn)營與發(fā)展

磁懸浮列車maglv的運(yùn)營與發(fā)展

傳統(tǒng)的列車軌道線的運(yùn)行是基于機(jī)車軌道和軌道之間的粘附力，這使得列車以相對(duì)的方向前進(jìn)。粘著系數(shù)隨列車速度的增加而減小,而運(yùn)行阻力則隨車速的增加而增加。當(dāng)車速增加到粘著系數(shù)曲線與阻力曲線的交點(diǎn)時(shí),車速達(dá)到了極限值。自從1825年世界上第一條鐵路誕生以來,一百多年來,世界各國的鐵路專家們一直在為提高列車的行車速度而作了大量的努力。根據(jù)當(dāng)時(shí)輪軌極限速度的理論,專家們認(rèn)為:輪軌運(yùn)輸系統(tǒng)所能達(dá)到的極限速度為350km/h左右,要想超越這一速度行駛,必須采用與傳統(tǒng)的輪軌方式不同的不依賴于輪軌的新式運(yùn)輸系統(tǒng)。因此,從60年代起,一些國家開始了磁懸浮運(yùn)輸系統(tǒng)的研究開發(fā)工作,而磁懸浮列車就是在這樣的背景下誕生的。磁懸浮運(yùn)輸系統(tǒng)是一種介于輪軌鐵路和航空之間的一種獨(dú)特的高速地面運(yùn)輸系統(tǒng)。1懸浮和導(dǎo)向系統(tǒng)輪軌列車靠輪沿實(shí)現(xiàn)垂向和橫向約束,因此必須施加垂向和橫向約束才能使輪軌列車沿軌道方向行駛,而磁懸浮列車則靠電磁力來實(shí)現(xiàn)懸浮和導(dǎo)向。磁懸浮列車的懸浮和導(dǎo)向可以是分開的兩個(gè)系統(tǒng),如德國的TR型磁懸浮列車;也可以是一個(gè)既有懸浮功能又有導(dǎo)向功能的混合系統(tǒng),如日本的ⅡSST磁懸浮列車。對(duì)懸浮和導(dǎo)向系統(tǒng)互相獨(dú)立的磁懸浮列車,懸浮力和導(dǎo)向力是靠獨(dú)立的電磁鐵進(jìn)行獨(dú)立控制來完成的。高速磁懸浮列車由于運(yùn)行速度高,因此軌道橫向不平順及過彎道時(shí)引起的橫向動(dòng)態(tài)附加力較大,為了約束列車沿軌道方向運(yùn)行,需要的導(dǎo)向力較大,必須用單獨(dú)的導(dǎo)向電磁鐵才能實(shí)現(xiàn)。從工作原理上可將磁懸浮列車分為常導(dǎo)電磁鐵吸引式(常導(dǎo)型)和超導(dǎo)電磁鐵相斥式(超導(dǎo)型)兩大類。1.1為列車過移提供穩(wěn)定能量常導(dǎo)型是以德國的高速磁懸浮列車Transrapid為代表,圖1至圖4是一些典型的磁懸浮列車的外形圖。常導(dǎo)型是利用直流電磁鐵電磁吸力的原理,在列車車體兩側(cè)倒轉(zhuǎn)向上的底部安裝受控電磁鐵。電磁鐵通電后,與位于其上方的導(dǎo)軌之間產(chǎn)生電磁吸力,當(dāng)吸力大于重力時(shí),就會(huì)使列車浮起,一般為10mm左右。為了達(dá)到列車穩(wěn)定懸浮的目的,必須調(diào)節(jié)電磁鐵線圈中的電流以改變懸浮力,使列車處于動(dòng)態(tài)平衡的懸浮狀態(tài)。磁懸浮列車有若干個(gè)磁轉(zhuǎn)向架,每個(gè)磁轉(zhuǎn)向架上左右兩側(cè)各安裝一個(gè)模塊,每個(gè)模塊由若干個(gè)導(dǎo)電磁鐵組成。每組電磁鐵沿導(dǎo)軌中心對(duì)稱安裝,其初始位移量大小相等,方向相反,此時(shí)所產(chǎn)生的側(cè)向力為零。當(dāng)列車受到干擾向某一側(cè)偏移時(shí),根據(jù)預(yù)定的控制規(guī)律分別改變兩個(gè)電磁鐵的磁勢(shì),使其在保持垂直方向力(即懸浮力)不變的情況下,產(chǎn)生與干擾力方向相反的恢復(fù)力,使電磁鐵(即列車)向平衡位置運(yùn)動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)軌在水平方向和垂直方向的非接觸支撐和導(dǎo)向。磁懸浮列車用交流線性電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)列車前進(jìn),根據(jù)驅(qū)動(dòng)方式不同可分為短定子異步電機(jī)和長(zhǎng)定子同步電機(jī)。前者的定子繞組安裝在車上,轉(zhuǎn)子鋪設(shè)在線路上,后者正好相反。短定子磁懸浮列車的牽引和懸浮功率由地面電網(wǎng)通過接觸受流設(shè)備供給。磁懸浮列車供電接觸網(wǎng)一般采用剛性懸掛結(jié)構(gòu),在車上的受流器通過滑動(dòng)接觸從供電網(wǎng)上獲取電能。常導(dǎo)型高速磁懸浮列車的速度可達(dá)400～500km/h。雖然車輛在運(yùn)行時(shí)受到導(dǎo)軌的約束,但并不與之發(fā)生機(jī)械接觸,因?yàn)殡姶艖腋∠到y(tǒng)本質(zhì)上是不穩(wěn)定系統(tǒng),因此對(duì)電磁懸浮控制的基本要求是實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定控制。每個(gè)電磁鐵都由一個(gè)控制器、磁流激勵(lì)器、傳感器、能源供應(yīng)以及監(jiān)控器組成一個(gè)電磁懸浮控制子系統(tǒng)。傳感器主要分為二種:一種是電感式傳感器用于檢測(cè)導(dǎo)軌與列車之間的間隙,控制系統(tǒng)根據(jù)檢測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié),使氣隙保持在10mm左右;另一種是加速度傳感器,用于檢測(cè)列車高速行駛時(shí)受到的干擾力和高頻的導(dǎo)軌干擾,控制系統(tǒng)根據(jù)檢測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié),減少上述兩者的影響,以保持行駛的平穩(wěn)性。電磁懸浮控制系統(tǒng)至少由兩層組成:第一層是分級(jí)的電磁懸浮控制系統(tǒng),由許多單個(gè)的電磁鐵組成,即使第二層出故障時(shí)也能保證列車的導(dǎo)向。在每個(gè)MAGLEV的兩側(cè)都安裝有很多電磁鐵,如在TR06型中,每個(gè)電磁鐵長(zhǎng)約1m,在TR07型中,每個(gè)電磁鐵長(zhǎng)約2m。每個(gè)子系統(tǒng)都能自動(dòng)保持列車的懸浮和導(dǎo)向。第二層的具有(1)在彎道時(shí)控制車輛的傾斜,(2)補(bǔ)償由于靜載荷引起的車輛和轉(zhuǎn)向架的偏移,(3)控制列車的減速與停止,(4)監(jiān)控,(5)故障指示和識(shí)別,(6)檢查與校正的功能。1.2列車懸液的制備超導(dǎo)型磁懸浮列車以日本的MAGLEV為代表,超導(dǎo)型是在車上安裝超導(dǎo)電磁鐵,由沿線分布的地面導(dǎo)軌兩側(cè)的驅(qū)動(dòng)繞組提供三相交流電,利用超導(dǎo)磁體產(chǎn)生的強(qiáng)磁場(chǎng),當(dāng)列車運(yùn)行通過裝在地面上的繞組時(shí),列車超導(dǎo)磁鐵的強(qiáng)電磁感應(yīng)作用在地面繞組中感生出電流,在感生電流和超導(dǎo)磁鐵之間產(chǎn)生了電磁力,該力使列車懸浮起,這種方式所產(chǎn)生的懸浮氣隙較大,列車與導(dǎo)軌之間的懸浮間隙可達(dá)100mm左右。用傳感器檢測(cè)導(dǎo)軌與列車之間的間隙,使其保持在100mm左右,用交流線性電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)列車前進(jìn),超導(dǎo)型的速度可達(dá)500km/h以上。2高速列車前進(jìn)速度磁懸浮列車取消了數(shù)千年來傳統(tǒng)車輛籍以運(yùn)動(dòng)的輪子,利用電磁力將列車懸浮于導(dǎo)軌上方一定的高度,并用無接觸的線性電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)列車前進(jìn)。與傳統(tǒng)鐵路運(yùn)輸方式相比,磁懸浮列車具有速度快,低噪音,低振動(dòng),無磨損等特點(diǎn)。如德國最先進(jìn)的高速列車ICE的時(shí)速約為280km/h,法國最先進(jìn)的高速列車TGV約為300km/h,而目前磁懸浮列車的時(shí)速大于400km/h。與民航相比,磁懸浮列車具有安全可靠,方便舒適,節(jié)省石油,不污染環(huán)境,正點(diǎn)率高,不受氣候變化影響。3國內(nèi)外磁懸浮車運(yùn)營概況目前,在世界上對(duì)磁懸浮列車進(jìn)行過研究的國家主要是德國、日本、英國、加拿大、美國、前蘇聯(lián)和中國。美國和前蘇聯(lián)分別在上世紀(jì)70年代和80年代放棄了研究計(jì)劃,但美國最近又開始了研究計(jì)劃。英國從1973年才開始研究磁懸浮列車,卻是最早將磁懸浮列車投入商業(yè)運(yùn)營的國家之一。1984年4月,從伯明翰機(jī)場(chǎng)到火車站之間600m長(zhǎng)的磁懸浮運(yùn)輸系統(tǒng)正式運(yùn)營,旅客乘坐磁懸浮列車從機(jī)場(chǎng)到火車站僅需90s。但1995年,在運(yùn)行了11年之后,被停止運(yùn)營,對(duì)磁懸浮列車研究最為成熟的是德國和日本。3.1常導(dǎo)型與超高型磁懸浮列車德國從1968年開始研究磁懸浮列車,剛開始時(shí),常導(dǎo)型和超導(dǎo)型并重,于1977年分別研制出常導(dǎo)型和超導(dǎo)型試驗(yàn)列車。但后來經(jīng)過分析比較,決定集中力量只發(fā)展常導(dǎo)型磁懸浮列車。表1所示為1971年至1999年建造的磁懸浮列車。目前德國在常導(dǎo)磁懸浮列車研究上的技術(shù)已經(jīng)成熟。3.2浮列車載荷試驗(yàn)結(jié)果日本從1962年開始研究常導(dǎo)型磁懸浮列車,后來由于超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展,日本從70年代開始轉(zhuǎn)向研究超導(dǎo)型磁懸浮列車。1972年12月在宮崎磁懸浮鐵路試驗(yàn)線上,時(shí)速達(dá)到了204km/h。1979年12月又進(jìn)一步提高到517km/h。1982年11月,磁懸浮列車的載人試驗(yàn)獲得成功。1995年載入磁懸浮列車試驗(yàn)時(shí)的時(shí)速高達(dá)411km/h。1997年12月在山梨縣的試驗(yàn)線上創(chuàng)造出時(shí)速為550km/h的世界最高記錄。最高時(shí)速與試驗(yàn)線的長(zhǎng)度有關(guān),德國的試驗(yàn)線兩端是環(huán)形的,直線部分只有約7km,日本的試驗(yàn)線是直線且很長(zhǎng),故能達(dá)到較高的時(shí)速。3.3磁懸浮列車試驗(yàn)中國在上世紀(jì)80年代初開始對(duì)低速常導(dǎo)型磁懸浮列車進(jìn)行研究。1994年10月,西南交通大學(xué)建成了首條磁懸浮鐵路試驗(yàn)線,并同時(shí)開展了磁懸浮列車的載人試驗(yàn),成功地進(jìn)行了4個(gè)座位,自重4t,懸浮高度為8mm,時(shí)速為30km/h的磁懸浮列車試驗(yàn),于1996年1月通過鐵道部組織的專家鑒定。然后,在鐵科院環(huán)形試驗(yàn)線軌距2m,長(zhǎng)36m,設(shè)計(jì)時(shí)速為100km的室內(nèi)磁懸浮試驗(yàn)線路上成功地對(duì)長(zhǎng)為6.5m,寬為3m,自重4t,內(nèi)設(shè)15個(gè)座位,設(shè)計(jì)時(shí)速為100km/h的低速常導(dǎo)6t單轉(zhuǎn)向架磁懸浮試驗(yàn)車進(jìn)行了試驗(yàn),于1998年11月通過了鐵道部科技成果鑒定,填補(bǔ)了中國在磁懸浮列車技術(shù)領(lǐng)域的空白,從而使我國對(duì)磁懸浮列車的研究跨入了先進(jìn)國家的行列。4磁懸浮列車在不同工況下運(yùn)行的穩(wěn)定性、振動(dòng)和液壓強(qiáng)度的問題磁懸浮系統(tǒng)本質(zhì)上是個(gè)不穩(wěn)定系統(tǒng),因此,如何實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定控制是對(duì)磁懸浮控制的基本要求。(1)由于磁懸浮列車是靠電磁力來實(shí)現(xiàn)列車懸浮、導(dǎo)向、牽引和制動(dòng)功能的,雖然車輛在運(yùn)行時(shí)受到導(dǎo)軌的約束,但列車與導(dǎo)軌之間并無機(jī)械接觸。因此,如何保證斷電后的磁懸浮以及斷電后列車的制動(dòng)是一個(gè)很重要的問題。(2)磁懸浮列車在單跨和雙跨梁上運(yùn)行時(shí)不同的耦合振動(dòng)問題應(yīng)引起注意。根據(jù)德國在不同類型的磁懸浮列車上的試驗(yàn)說明當(dāng)車速不同時(shí),為了取得較好的振動(dòng)頻率響應(yīng),減少梁的振幅,當(dāng)時(shí)速為400km/h時(shí),單跨和雙跨梁都可以,而當(dāng)時(shí)速小于400km/h時(shí),雙跨梁的頻率響應(yīng)特性較好,當(dāng)時(shí)速大于400km/h時(shí),單跨梁的頻率響應(yīng)特性較好。(3)常導(dǎo)磁懸浮列車的懸浮高度較低,約10mm左右。因此在行駛時(shí)尤其是高速行駛時(shí)對(duì)軌道的平整性,路基的質(zhì)量及彎道的半徑,坡度的大小等均有較高的要求。(4)對(duì)超導(dǎo)型磁懸浮列車,其渦流效應(yīng)使懸浮能耗較大,冷卻系統(tǒng)重。此外,強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)人體和環(huán)境都會(huì)產(chǎn)生不良影響。5高速磁懸浮運(yùn)輸系統(tǒng)的建設(shè)將在村站上運(yùn)行過去的30多年,磁懸浮列車的發(fā)展之快令人瞻目,不僅在德國和日本磁懸浮列車已進(jìn)入到實(shí)用性階段。最近美國的佛羅里達(dá)州也已決定在2003年11月1日前正式開始建造磁懸浮運(yùn)輸系統(tǒng),該系統(tǒng)將連接佛羅里達(dá)州的5個(gè)最大的城市。德國政府正計(jì)劃在慕尼黑機(jī)場(chǎng)到火車站之間建造一條長(zhǎng)35km的高速磁懸浮運(yùn)輸系統(tǒng),最新研制的TR08型磁懸浮列車將在該線上行駛。從慕尼黑機(jī)場(chǎng)到火車站僅需10min,比普通的火車快4倍。上海已在2000年11月正式與德