張昆侖：與磁浮列車同行

王軍

若翻開中國磁浮技術及磁懸浮列車發(fā)展史，會發(fā)現(xiàn)有一個大學的名字始終貫穿其中：

1986年，西南交通大學率先召開了磁浮技術與磁浮列車技術研究大會，成為國內(nèi)較早啟動該領域研究的高?？蒲袉挝?；

1990年，西南交通大學研究成功了由4臺小電磁鐵構成的磁浮模型車；

1994年，西南交通大學研制成功我國第一輛可載人4噸磁浮車及其試驗線，并成功進行了懸浮、導向、驅(qū)動和載人運行等試驗，這是我國在磁浮列車領域的首次突破，標志著我國開始擁有自主知識產(chǎn)權的磁浮列車技術；

2006年，西南交通大學建成全長420米的青城山磁浮列車工程試驗線……

30多年來，我國磁浮技術及磁浮列車從無到有、從弱到強發(fā)展的每一步，幾乎都留下了西南交通大學的身影，而在這背后站著的其實是一支不為人所知的團隊。在西南交通大學電氣工程學院教授張昆侖的講述下，我國磁浮技術及磁浮列車30多年漫長的發(fā)展歷程揭開了真容一角。

走出我國磁浮列車自主研制之路

西南交通大學（以下簡稱“西南交大”）的磁浮研究起源于1986年的一次會議，發(fā)起人正是我國電力牽引與磁浮列車專家西南交大電氣工程學院連級三教授。而次年，剛進入連級三門下攻讀研究生的張昆侖，正好趕上了國內(nèi)磁浮研究最早的一班車。

“那個時候都沒有聽說過磁浮的概念，后來知道其實就是利用磁力不接觸就能讓物體懸浮在空中，覺得挺有意思的。”從小就對陌生新鮮事物頗有好奇心的張昆侖，與磁浮的結緣可謂是真正的“天時地利人和”。

“我從小就對比較神秘的東西很感興趣，想一探究竟?！贝髮W電氣專業(yè)的選擇也正源于此，張昆侖介紹，“以前人們見到的火車都是由蒸汽驅(qū)動，突然改為看不見摸不著的電力牽引，就覺得很神奇，想知道是怎么實現(xiàn)的，后來進入磁浮研究也因為如此?！本瓦@樣，興趣與偶然的結合，讓張昆侖與磁浮研究緊密結合了起來，一做就是30多年。

1986年，西南交大召開了一個磁浮列車技術研討大會，自此拉開了西南交大磁浮技術研究的序幕。依靠簡陋的實驗設備，從讓一個小鐵球浮在空中8至10毫米開始，他們花了兩年時間完成了磁浮原理試驗研究。一個小鐵球僅重幾十克，這8至10毫米的懸浮看似不起眼，但電流是波動的、磁力是波動的，要讓鐵球相對穩(wěn)定懸浮，就必須有一個控制系統(tǒng)不斷地調(diào)整。在當時完全從零起步、實驗條件比較簡單的情況下，研究團隊為此付出了許多努力。

而從單個鐵球的懸浮到模型車的懸浮又是一道難關，模型車上有多個電磁鐵控制點，不確定因素很多，一旦控制不好就要震動失穩(wěn)，想要實現(xiàn)平穩(wěn)驅(qū)動難度很大。到了1990年，他們才研究成功由4臺小電磁鐵構成的磁浮模型車，并實現(xiàn)了模型車的穩(wěn)定懸浮和基于直線電機的驅(qū)動。

在此基礎上，4年后，張昆侖所在的連級三教授磁浮研究團隊終于成功研制出了我國第一輛可載人4噸磁浮車及其試驗線，包括懸浮、導向和驅(qū)動三大子系統(tǒng)，并實現(xiàn)了系統(tǒng)的穩(wěn)定懸浮與運行，這是中國在磁浮列車領域的首次突破。

“雖然這輛車看起來比較小，但是‘麻雀雖小，五臟俱全，磁浮列車需要的所有系統(tǒng)全部包含其中，這是我國第一個真正意義上的磁浮列車?！庇行胰桃娮C并作為主研參與我國第一輛可載人磁浮列車誕生的張昆侖介紹，這輛車最大的突破就是完成了磁浮列車系統(tǒng)的研究，尤其是懸浮控制和導向控制的突破，標志著我國開始擁有自主知識產(chǎn)權的磁浮列車技術。

1996年，西南交大4噸磁浮車及其試驗線項目通過科技成果鑒定，同年該項目獲原鐵道部科技進步獎二等獎；1997年獲國家科技進步獎三等獎?！斑@個項目為我國磁浮列車發(fā)展奠定了理論和技術基礎，有了這個基礎之后才有了我們后續(xù)系列研究。”張昆侖說道。

此后，西南交大磁浮列車的工程化研究迅速邁上了正軌：1997年3月，青城山磁浮列車工程試驗線的可行性研究通過國家科委工業(yè)科技司組織的專家評審；1998年，青城山磁浮列車工程試驗示范線工程立項，并開始籌備建設青城山磁浮列車工程試驗線；2001年，開始動工修建長420m的青城山磁浮列車工程試驗線。

2006年4月30日，我國磁浮交通科研又一次在西南交大取得進展：采用三懸浮架結構，長11.2m，寬2.6m，高3.3m的磁浮車在軌距1700mm的“青城山中低速磁浮車工程試驗線”聯(lián)調(diào)成功，一輛具有自主知識產(chǎn)權的中低速磁浮列車實地正式試驗運行。

“沒有青城山試驗線，就沒有后來的上海磁浮中心臨港城軌磁浮線和中車株機公司廠內(nèi)磁浮試驗線，這些研究都是環(huán)環(huán)相扣的?！睆埨鼋榻B，通過青城山磁浮列車中試線，初步掌握了磁浮列車系統(tǒng)設計技術，驗證和初步掌握了中低速磁浮交通系統(tǒng)關鍵技術，為以后的中低速磁浮車工程化和應用打下必要的技術基礎。

“‘青城山中低速磁浮車工程試驗線看似規(guī)模不大，但對我們團隊后期研究起到了關鍵作用，也為我國中低速磁浮列車全面產(chǎn)業(yè)化奠定了重要基礎?！睆埨稣f道。

在青城山試驗線基礎上，2005年，西南交大與上海磁浮交通工程技術中心簽訂了“上海城軌磁浮列車車輛總體設計”合同，并于次年3月簽訂了“上海低速（城軌）磁浮交通試驗線工程懸浮控制設備供貨及服務”合同，全面參加上海城軌磁浮試驗線磁浮列車的研制。

作為上海城軌磁浮試驗線車輛技術方案總體負責人，在這個項目中，張昆侖帶領團隊為全新的系統(tǒng)結構設計創(chuàng)下多個“首次”：國內(nèi)首次采用整體電磁鐵結構，首次采用五懸浮架結構，首次采用DC330V懸浮電源，首次采用三選二懸浮傳感器……列車最高運行時速100km，2011年年初通過驗收。

作為當今世界最先進的新型軌道交通技術之一，自20世紀初被科學家首次提出猜想以來，磁浮列車一直是世界交通強國競爭的制高點之一。尤其以德國和日本為代表的發(fā)達國家，磁浮列車研究從20世紀60年代末開始就一直領跑全球。

“直到今天，磁浮技術都屬于各國的核心技術被禁止出口，尤其是最關鍵的懸浮控制技術。幾十年來，我們的磁浮列車與磁浮技術研究是在沒有國外企業(yè)技術參與，完全是靠國人自己力量的情況下，一點點從實驗室走到應用的。”張昆侖介紹。其間，在原鐵道部、教育部、科技部等部門的關注和支持下，以及國家原“863”磁浮交通系統(tǒng)重大專項支撐下，西南交大磁浮研究先后完成了中低速磁浮列車的車輛結構設計、軌道及線路設計、懸浮控制器研制、懸浮傳感器研制、電磁鐵設計、直線電機設計等一系列全面可行的磁浮列車相關技術。從零起步到全面掌握磁浮交通系統(tǒng)工程化技術并形成推廣應用能力，30多年來，西南交大走出了一條我國磁浮列車自主研制之路。

工科研究離不開產(chǎn)學研合作

“工科研究的唯一目的就是應用，雖然理論研究也很重要，但我們不能只停留在理論或者仿真研究層面，一定要以應用為目的?！闭鐝埨鏊?，西南交大磁浮研究就是如此，從實驗室到小試、中試再到產(chǎn)業(yè)應用，西南交大磁浮研究團隊不斷加快發(fā)展的步伐。

在與上海磁浮交通工程技術中心合作后，2008年和2009年，西南交大又與中國南車股份有限公司簽訂“中低速磁浮交通系統(tǒng)方案設計研究”合同，與南車株洲電力機車有限公司簽訂“中低速磁浮列車方案設計研究”合同。攻關中，團隊在系統(tǒng)設計中首次提出了適用于中國國情的1860mm軌距和2800mm車寬。這標志著西南交大在聯(lián)合企業(yè)推進中低速磁浮列車產(chǎn)業(yè)化的工作中又邁進一步。

為進一步推動中低速磁浮列車工程化，西南交大與南車株洲電力機車有限公司于2011年又簽訂了“常導短定子異步驅(qū)動中低速磁浮列車系統(tǒng)設計與試驗研究”合同；于2011年簽訂了“常導短定子異步驅(qū)動中低速磁浮列車懸浮控制系統(tǒng)研制”合同，全面參加了株洲中低速磁浮列車的研制。

2012年1月20日，中低速磁浮列車在南車株洲電力機車有限公司內(nèi)下線，這是一條按商業(yè)運行條件設計的磁浮列車及試驗線，磁浮列車運行速度100km/h，能適應試驗線各種曲線及坡道的要求。整個研發(fā)過程中，西南交大提供了磁浮列車系統(tǒng)的總體技術設計，包括懸浮系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)、車輛結構和懸浮架結構等設計和懸浮控制系統(tǒng)研制。

“如今，列車已經(jīng)成功應用在長沙磁浮快線上，幾年來運行效果良好?！睆埨鼋榻B。西南交大提供了長沙磁浮快線磁浮列車懸浮系統(tǒng)核心技術，包括懸浮控制系統(tǒng)技術設計和控制軟件編寫與調(diào)試。“長沙磁浮快線的運行意味著西南交大磁浮列車技術已經(jīng)成熟，并已率先走向工程化?！?/p>

2015年12月26日，采用了西南交大與南車株洲電力機車有限公司自主研發(fā)生產(chǎn)的中低速磁浮列車在長沙磁浮快線正式開通試運行，這是中國首條完全擁有自主知識產(chǎn)權的中低速磁浮商業(yè)運營線路，標志著中國磁浮列車技術實現(xiàn)了從研發(fā)到應用的全覆蓋，成為世界上少數(shù)幾個掌握該項技術的國家之一，有利于推動中國磁浮技術走在前列、促進中低速磁浮產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

從1986年至今，中國首條完全自主磁浮線一路走來已經(jīng)過了近30年，這些年通過連續(xù)攻關讓長沙磁浮快線跑起來的關鍵技術，正是來自西南交大的研究團隊。再次回望這30年發(fā)展歷程，與中國磁浮技術及磁浮列車共同成長起來的張昆侖不禁感慨萬千。

“從20世紀80年代至今，研究時間真的很長，為什么我們能走到現(xiàn)在？實際上除了主觀因素，即興趣的驅(qū)使以及執(zhí)著的科研精神之外，還有很重要的客觀原因?！睆埨稣f道，“工科研究一定要推廣到工程應用，而這個過程涉及的一個根本問題就是經(jīng)費?！?/p>

在所有的工程項目中，列車技術及應用研究所耗費的人力、財力首當其沖，更別提最先進的磁浮列車，動輒數(shù)以億計的經(jīng)費讓人望而卻步。對于一個學校而言，又能拿出多少錢用來進行研究呢？“實際上非常少，別說過去，就算是現(xiàn)在讓一個學校拿出幾億元做研究也是不可能的。經(jīng)費是我們30年研究過程中遇到的最大也是最根本的問題?！睆埨稣f。

國家及學校提供的項目經(jīng)費實在是杯水車薪，要想將實驗室成果推廣到應用中，建立試驗線，只能依靠企業(yè)的資助。為了爭取工廠企業(yè)的支持，利用西南交大磁浮研究團隊在行業(yè)中的影響力以及執(zhí)著的精神，成功獲得多方企業(yè)資助?！斑@些年我們?nèi)〉玫拿恳淮沃卮笸黄贫茧x不開企業(yè)的支持，青城山試驗線耗資數(shù)千萬元，同樣也是依靠于企業(yè)資助完成的?！睆埨稣f道，“上海國家磁浮中心對于我們而言也相當于一個企業(yè)，由他們提供經(jīng)費，我們來研究完成。”

上海國家磁浮中心、中國南車株機公司、北京九州動脈公司、中車青島四方股份公司……與這些企業(yè)的合作，不僅解決了研究經(jīng)費的問題，同時能讓科研人員在應用過程中不斷完善現(xiàn)有的技術并開創(chuàng)新的技術，推動中國磁浮列車與磁浮技術的整體發(fā)展。

近年來，張昆侖及其團隊與中車青島四方股份公司合作，開展了一個新項目研究——“超高速磁浮列車懸浮導向與驅(qū)動系統(tǒng)全速特性研究”，針對600km/h以上超高速磁浮列車的應用需求，重點解決常導超高速磁浮列車的懸浮系統(tǒng)、導向系統(tǒng)和驅(qū)動系統(tǒng)的全速耦合問題，研究全速運行條件下超高速磁浮列車懸浮、導向與驅(qū)動系統(tǒng)的磁力特性及穩(wěn)定性。

“速度是交通技術研究永恒的話題，磁浮列車從中低速到高速再到超高速的發(fā)展也是一個必然的趨勢?！睆埨稣f道。

在磁浮賽道上繼續(xù)出發(fā)

從古到今，無論時代如何發(fā)展，更加高效、便利的交通工具都是人們永恒不變的追求。一千多年前，大詩人李白就曾發(fā)出“行路難”的呼喚。而在飛機、高鐵還有城市軌道列車日漸發(fā)達的今天，“出行難”仍然是人們生活中最為關注且為之焦慮的話題。更快、更便捷的交通工具依然是眾望所歸。

作為當前最先進的交通技術之一，磁交通的發(fā)展牽動著國內(nèi)外所有人的目光。磁浮列車最大的優(yōu)勢就是克服了輪軌關系，實現(xiàn)了車軌無接觸。低速磁浮列車沒有輪軌接觸噪聲，是一種安靜的軌道交通，具有低噪聲不可替代性，在城市地面或高架軌道交通中具有明顯的應用優(yōu)勢；中高速列車一般在城際間應用，對噪聲沒有高的要求，相比磁浮列車的技術復雜性，輪軌高速列車更具有競爭優(yōu)勢；而對于超高速列車，如運行速度600km/h以上的列車，輪軌高速比較難于實現(xiàn)，磁浮列車就有了不可替代的高速優(yōu)勢了。

“超高速磁浮列車懸浮導向與驅(qū)動系統(tǒng)全速特性研究”正是針對600km/h以上超高速常導磁浮列車的應用需求而開展的研究項目?！爱敶鸥×熊囁俣冗^高時可能會出現(xiàn)一些獨有的特性，比如導向力和懸浮力特性，我們要做的就是研究高速狀態(tài)下可能出現(xiàn)的這些特性以及解決辦法?！睆埨稣f道。項目針對600km/h以上的超高速常導電磁吸力式高速磁浮列車懸浮力、導向力、同步電機驅(qū)動力以及系統(tǒng)耦合性特性開展研究，研究成果將推動我國常導超高速磁浮列車的發(fā)展并在國際磁浮領域保持領先。

不管是電磁吸力式還是電動斥力式超高速磁浮列車，其懸浮、導向與驅(qū)動系統(tǒng)的耦合關系和全速特性，都涉及深刻的電磁學、動力學和控制等問題，試驗研究雖然是一種準確的直接方法，但費用與時間的限制不能取得高效率。近年來，西南交大磁浮研究團隊通過理論分析、數(shù)學建模、數(shù)值計算和動態(tài)仿真，利用電磁場分析軟件、系統(tǒng)動態(tài)控制仿真軟件和動力學仿真軟件對超高速磁浮列車驅(qū)動系統(tǒng)全速范圍內(nèi)的推力特性、懸浮系統(tǒng)全速范圍內(nèi)的懸浮力特性和導向系統(tǒng)全速范圍內(nèi)的導向力特性進行分析計算，對懸浮與導向系統(tǒng)的結構耦合、驅(qū)動與懸浮系統(tǒng)的電磁耦合、懸浮與導向系統(tǒng)的磁力耦合和懸浮系統(tǒng)的多點懸浮耦合進行動態(tài)仿真研究，取得了事半功倍的效果。目前正在對永磁電動懸浮式超高速磁浮列車系統(tǒng)技術展開全面研究。

磁浮技術及磁浮列車研究是一個典型的多學科交叉工程，為了我國擁有完全自主研發(fā)知識產(chǎn)權的磁浮列車技術，西南交大在30多年的艱難創(chuàng)新過程中，逐漸形成了一支多學科交叉、年齡結構合理的“電磁懸浮與線性驅(qū)動”創(chuàng)新研究團隊。通過多年對中低速磁浮列車和高速磁浮列車的懸浮、導向和驅(qū)動等關鍵技術的研究，團隊在中低速、高速以及新型磁浮列車系統(tǒng)方面均取得了重大原創(chuàng)性突破并實現(xiàn)了推廣應用，完成了我國磁浮列車從無到有、從弱到強的歷史性跨越。

作為團隊如今的負責人，張昆侖見證了中國磁浮列車技術從無到有的每一步發(fā)展歷程。盡管從1986年至今，團隊已取得了令人矚目的成就，但他們?nèi)詻]有絲毫放松?！澳壳盀橹梗鸥×熊囇芯吭趪鴥?nèi)外尚屬于一個新的領域，還有很多研究等待著人們完成。而且，更快、更便捷的交通工具是人們永恒不變的追求，也是磁浮列車的發(fā)展趨勢。圍繞這一目標，未來我們將繼續(xù)開拓創(chuàng)新，不斷奮斗進取?！睆埨稣f道。