中低速磁浮鐵路在城市軌道交通中的應(yīng)用

任景槐

（鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450000）

現(xiàn)代城市軌道交通隨著社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展、城市人口的急劇膨脹和交通需求的增加而得到大力發(fā)展，已逐漸成為城市公共交通的骨干。許多新型軌道交通類型如群星閃耀，相繼出現(xiàn)在各大城市的公共交通網(wǎng)。如2005年通車投運(yùn)的日本愛知世博會(huì)磁浮線路，是采用HSST技術(shù)的第一條正式運(yùn)營線路；采用直線電機(jī)輪軌交通系統(tǒng)的廣州地鐵4號(hào)線、首都機(jī)場線等于2005年至2010年間建成投運(yùn)；2016年投運(yùn)的長沙中低速磁浮快線，線路全長18.55km， 是迄今世界上最長的中低速磁浮軌道交通商業(yè)運(yùn)營線。本文將以日本的HSST系統(tǒng)為例，介紹中低速磁浮鐵路技術(shù)在城市軌道交通中的應(yīng)用。

1 HSST系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

1.1 舒適、無公害。HSST系統(tǒng)不需要車輪，利用電磁鐵的吸引力作用懸浮走行，因此，沒有車輪與軌道接觸所產(chǎn)生的噪聲和振動(dòng)。列車運(yùn)行時(shí)車外的噪聲僅為64dB，低于地鐵車輛進(jìn)站時(shí)的噪聲。HSST系統(tǒng)使用吸引型電磁鐵，不同于推斥型電磁鐵，磁場是被約束在預(yù)先設(shè)計(jì)好的閉合磁路中，無電磁輻射的危害。因此，HSST乘坐舒適、無公害，是一種對(duì)環(huán)境友好的系統(tǒng)。

1.2 安全。在構(gòu)造上，HSST車輛環(huán)抱著軌道，不會(huì)出現(xiàn)脫軌、翻車等事故，列車的速度和位置受到實(shí)時(shí)監(jiān)控，列車控制系統(tǒng)將保證不發(fā)生列車碰撞現(xiàn)象。即使在斷電情況下，HSST系統(tǒng)會(huì)提供幾種備用和安全系統(tǒng)，車載輔助電源會(huì)自動(dòng)供電，使車輛繼續(xù)懸浮行駛。在極端事故情況下系統(tǒng)瞬間不能運(yùn)行時(shí)，裝在車底的滑撬會(huì)使車體緩慢地下降到軌道上滑行，阻止列車?yán)^續(xù)運(yùn)行。

1.3 建設(shè)成本和養(yǎng)護(hù)維修費(fèi)用低。和傳統(tǒng)的系統(tǒng)相比，HSST需要較低的初期投資和運(yùn)行費(fèi)用。由于HSST系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、車體重量輕、軌道結(jié)構(gòu)相對(duì)也較輕、構(gòu)造物規(guī)模小，軌道的建設(shè)費(fèi)用可以降低。因?yàn)闊o輪軌接觸，車輛振動(dòng)引起的軌道變形和下沉引起的維修費(fèi)用較之傳統(tǒng)系統(tǒng)有所減少。而且，它占用很小的土地空間，和傳統(tǒng)的高架系統(tǒng)相比，它的細(xì)長墩柱較易施工，對(duì)梁部作用的是均布載荷，整體的費(fèi)用大幅下降。

由于HSST系統(tǒng)沒有可動(dòng)部件、無接觸運(yùn)行，使其動(dòng)力消耗降低，車輛維修費(fèi)用大約只為傳統(tǒng)輪軌系統(tǒng)的1/5。而且HSST系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)無人駕駛或僅需一位乘務(wù)員服務(wù)，無需像傳統(tǒng)鐵路那樣投入巨額設(shè)備及養(yǎng)護(hù)資金。

1.4 快速，甚至可達(dá)高速范圍。傳統(tǒng)列車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是依靠輪軌之間的黏著，并且存在一個(gè)速度極限。相反，磁浮電磁鐵和直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)相結(jié)合的列車，并不依賴輪軌黏著而使HSST列車懸浮運(yùn)行，理論上也沒有最高速度的限制，試驗(yàn)證明HSST系統(tǒng)有可能達(dá)到300km/h的速度，與輪軌高速鐵路的速度目標(biāo)值相當(dāng)。

1.5 效率高，能耗及阻力低。HSST系統(tǒng)無摩擦、無運(yùn)動(dòng)部件，提供了一個(gè)市內(nèi)、市內(nèi)至郊區(qū)或中距離的大眾化運(yùn)輸工具，它的維修成本和運(yùn)營費(fèi)用很少。

1.6 不受距離因素限制，適用于眾多場所。使用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)可以毫不費(fèi)力地在陡坡區(qū)間走行，輕巧的車體即使在急轉(zhuǎn)彎處也能夠順暢通過。由于使用專用高架軌道，不會(huì)有堵車問題。能夠懸浮停車，適合于站間距離較短的城市交通系統(tǒng)。

HSST車輛在停止時(shí)也處于懸浮狀態(tài)，它的加速、減速、牽引和制動(dòng)都很平穩(wěn)，車站可以和建筑物結(jié)合在一起。HSST的爬坡能力和通過曲線半徑的性能，使它在復(fù)雜地形地貌地段能較自由地定線。由于沒有車輪，雪天不存在車輪打滑的問題，而且有優(yōu)越的耐久性能，在潮濕地區(qū)、干旱地區(qū)、環(huán)境比較惡劣地區(qū)也能適應(yīng)。由于它是安靜的系統(tǒng)，清晨、深夜對(duì)環(huán)境沒有很大的影響。

1.7 發(fā)展前景廣闊。HSST系統(tǒng)不僅適合低速懸浮運(yùn)行，隨著技術(shù)進(jìn)步，也可能適合高速懸浮運(yùn)行。在城際交通運(yùn)輸、機(jī)場鐵路等中短距離需要速度高達(dá)200～300km/h的高速運(yùn)輸場合也有可能發(fā)揮作用。

2 HSST系統(tǒng)的工作原理

2.1 懸浮原理。 HSST采用磁吸式電磁懸浮工作原理，軌道梁的兩側(cè)為懸空的倒“U”形鋼質(zhì)鐵磁性軌道，固定在磁浮列車上的懸浮兼導(dǎo)向電磁鐵正好置于導(dǎo)軌下方，且鐵心呈正“U”形，與“U”形的軌道相對(duì)，安裝在車體的電磁鐵從下方產(chǎn)生吸引導(dǎo)軌的吸力，列車?yán)么宋Χ鴳腋?。通過調(diào)節(jié)電磁鐵的勵(lì)磁電流，調(diào)整電磁鐵與軌道之間的吸力，以保持電磁鐵與軌道之間的距離（氣隙）穩(wěn)定在8mm左右，實(shí)現(xiàn)列車穩(wěn)定懸浮。

2.2 導(dǎo)向原理。列車運(yùn)行過程中產(chǎn)生左右偏離，使得正“U”形電磁鐵的鐵心與倒“U”形軌道錯(cuò)位，兩者之間的引力傾斜，產(chǎn)生一個(gè)與偏離方向相反的橫向分量，利用導(dǎo)軌與磁鐵之間的吸力相互作用進(jìn)行糾正，使列車回到中心線。即，HSST磁浮列車的導(dǎo)向力可自動(dòng)產(chǎn)生，通常該橫向恢復(fù)力（導(dǎo)向力）約為懸浮力的20%。

2.3 驅(qū)動(dòng)原理。HSST采用列車驅(qū)動(dòng)方式，電機(jī)為短定子直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，電機(jī)的初級(jí)線圈（定子）安裝在車輛上，二次側(cè)（轉(zhuǎn)子、感應(yīng)板、次級(jí)）沿列車前進(jìn)方向展開設(shè)置在軌道上。當(dāng)定子通入三相交流電流后，產(chǎn)生一個(gè)運(yùn)動(dòng)磁場，該磁場在感應(yīng)板上感應(yīng)出電流和磁場，由于磁場的相互作用產(chǎn)生推力，牽引列車向前或后退。由于直線電機(jī)定子在車上，HSST系統(tǒng)牽引功率的控制和轉(zhuǎn)換由車上設(shè)備來完成。

2.4 采用短定子直線電機(jī)牽引的優(yōu)點(diǎn)是軌道結(jié)構(gòu)簡單（線路上無鐵芯和線圈），控制方便（車上控制），發(fā)車頻率高，采用類似輪軌鐵路區(qū)間閉塞的方式防止列車追尾，造價(jià)較低。其缺點(diǎn)是電機(jī)功率因數(shù)較低（低于0.7）和效率較低（低于0.7），因?yàn)楫?dāng)列車處于懸浮狀態(tài)時(shí)，定子與感應(yīng)板的距離（氣隙）約為6～10mm（而旋轉(zhuǎn)電機(jī)的氣隙不到1mm），勵(lì)磁功耗較大。若當(dāng)直線感應(yīng)電機(jī)牽引的磁浮列車以較高速度（如300km/h以上）運(yùn)行時(shí)，效率和功率因數(shù)還會(huì)更低，且在高速下，通過機(jī)械接觸向車上供電也相當(dāng)困難，因此，HSST磁浮列車更適合在較低的速度（低于120km/h）下應(yīng)用。

3 系統(tǒng)應(yīng)用與發(fā)展

3.1 HSST-100系統(tǒng)屬于低速（或稱普速）鐵路范疇，其HSST-100系列是主力車型，運(yùn)行速度達(dá)到100km/h。HSST-200系列適用于城市與近郊的連接交通線，設(shè)計(jì)速度為200km/h，實(shí)際上已達(dá)高速鐵路的速度范圍，有比較廣泛的適用范圍，包括都市圈近郊、機(jī)場與市區(qū)的連接線路等，對(duì)應(yīng)的線路最小曲線半徑為100m，限制坡度為70‰。在設(shè)計(jì)上，HSST-200系列列車將直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)和電磁懸浮合并在一起。HSST-200直線電機(jī)中心之間的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軌距寬為2.0m，增加軌距以提高橫向穩(wěn)定性，并為模塊之間的設(shè)備安裝提供所需增加的空間，尤其是為更大功率的變流器提供空間，這是為達(dá)到200km/h的速度能力所必需的。HSST-200車輛的重量與HSST-100相似，大約28t。

3.2 HSST-300系列列車適用于城市之間的大運(yùn)量交通線路，其設(shè)計(jì)車速為300km/h，也達(dá)到了高速鐵路的速度。此外，由于HSST系統(tǒng)采用第三軌供電方式，實(shí)際上并未實(shí)現(xiàn)列車完全無接觸行駛，這使得其最高運(yùn)行速度無法達(dá)到超高速磁浮列車的水平，還有待進(jìn)一步改進(jìn)。