真空管道高速磁浮系統(tǒng)典型故障及處置措施分析

吳柯江，楊 陽(yáng)，魏德豪，舒?zhèn)ッ?/p>

(1.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司 科學(xué)技術(shù)研究院，四川 成都 610031；2.南昌軌道交通集團(tuán)有限公司，江西 南昌 330038)

1 真空高速磁浮系統(tǒng)及研究現(xiàn)狀

1.1 真空高速磁浮系統(tǒng)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)及科技的發(fā)展，人們對(duì)交通運(yùn)輸?shù)乃俣群褪孢m性要求也日漸提高。目前，高速軌道交通領(lǐng)域的主流技術(shù)體系為輪軌制式，國(guó)內(nèi)有最高運(yùn)營(yíng)速度為350 km/h的CRH380、CR400等系列動(dòng)車組。高速輪軌鐵路系統(tǒng)受輪軌粘著系數(shù)、弓網(wǎng)關(guān)系等制約，存在速度和線路坡道瓶頸，當(dāng)速度高于400 km/h時(shí)，列車運(yùn)行的氣動(dòng)阻力將占運(yùn)行總阻力的80%以上，且振動(dòng)噪聲極其嚴(yán)重[1]。磁浮交通系統(tǒng)突破了輪軌支撐、導(dǎo)向的設(shè)計(jì)理念，利用電磁力將列車懸浮于軌道之上，克服了高速輪軌鐵路系統(tǒng)的諸多限制因素，是迄今為止世界上唯一能夠安全經(jīng)濟(jì)地以500 km/h以上速度運(yùn)行的地面大容量客運(yùn)交通工具。隨著技術(shù)研發(fā)的逐步推進(jìn)，高速磁浮技術(shù)已日漸成熟，我國(guó)正在運(yùn)營(yíng)世界唯一的商業(yè)化高速磁浮線路——上海磁懸浮專線，并且時(shí)速600 km/h的高速磁浮試驗(yàn)樣車也于2019年在青島下線。

然而，無(wú)論高速輪軌還是磁浮列車在開放的大氣環(huán)境中運(yùn)行，均難以克服空氣阻力及噪聲問(wèn)題。因此，在高速磁浮技術(shù)的基礎(chǔ)上，依靠密閉管道構(gòu)建真空運(yùn)行環(huán)境，能夠顯著降低列車運(yùn)行的空氣阻力和噪聲，可以相對(duì)經(jīng)濟(jì)環(huán)保地實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步提升地面軌道交通速度的目標(biāo)，將是未來(lái)高速及超高速軌道交通技術(shù)發(fā)展的重要方向[2]。圖1為Virgin Hyperloop One公司在美國(guó)拉斯維加斯的真空管道磁浮試驗(yàn)裝置，圖2為HTT公司真空管道磁浮系統(tǒng)的效果圖。

圖1 Virgin Hyperloop One真空管道磁浮試驗(yàn)裝置

圖2 HTT真空管道磁浮系統(tǒng)效果圖

真空管道高速磁浮列車運(yùn)行于管道中，受惡劣天氣影響小，安全性較好，運(yùn)行速度和效率高，可滿足乘客遠(yuǎn)距離快速旅行的需求。但也正因?yàn)榱熊嚫咚龠\(yùn)行于與外界隔絕的管道中，且管道與線路系統(tǒng)復(fù)雜，沿線設(shè)置抽真空設(shè)備、管道隔斷氣閘門等多種設(shè)施，一旦發(fā)生事故可能會(huì)造成嚴(yán)重的后果，且封閉的管道和高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度車體也使人員救援疏散十分困難，在未來(lái)正式建設(shè)和運(yùn)營(yíng)前，仍有大量問(wèn)題等待研究，其中系統(tǒng)安全性問(wèn)題是最重要的。

1.2 研究現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)部分學(xué)者以上海磁浮為背景，初步探討了高速磁浮列車運(yùn)營(yíng)安全性相關(guān)問(wèn)題。陳永勝[3]分析了高速磁浮列車的事故特點(diǎn)、應(yīng)急救援難點(diǎn)，并提出了相應(yīng)對(duì)策;朱忠英[4]介紹了上海磁浮各子系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)安全保障措施，并探討了中長(zhǎng)線路高速磁浮交通的運(yùn)營(yíng)安全保障體系。對(duì)于真空管道高速磁浮，張耀平等[5]從運(yùn)行系統(tǒng)故障、車輛懸浮失效等多個(gè)方面對(duì)該系統(tǒng)的運(yùn)輸安全問(wèn)題成因進(jìn)行了分析；鄧自剛等[6]在車輛、管道等多方面比較了技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，并指出高速牽引、管道密封、救援等方面是今后需要重點(diǎn)研究的領(lǐng)域。

綜上所述，目前對(duì)于真空管道高速磁浮系統(tǒng)的典型故障分析及應(yīng)對(duì)措施的研究尚處于起步階段?？紤]到上海磁浮專線已運(yùn)營(yíng)多年，技術(shù)相對(duì)成熟、應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)相對(duì)豐富，更具借鑒意義，所以本文基于上海磁浮系統(tǒng)的常導(dǎo)電磁懸浮技術(shù)，對(duì)真空管道高速磁浮系統(tǒng)開展研究，初步分析可能的典型故障，探索相應(yīng)的應(yīng)急處置方式，并對(duì)該系統(tǒng)未來(lái)安全方面的研究作出展望。

2 典型故障分析

通過(guò)對(duì)真空管道高速磁浮系統(tǒng)進(jìn)行分析，系統(tǒng)的典型故障主要有車體失壓故障、懸浮功能故障、真空管道故障及登車通道故障等，下面對(duì)各故障進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。

2.1 車體失壓故障

真空管道高速磁浮列車運(yùn)行于密閉管道中，目前國(guó)內(nèi)外研究中對(duì)管道真空度的選擇大多集中于1 kPa～10 kPa，人類無(wú)法在該氣壓下生存，列車采用類似飛機(jī)或宇航器的密封艙體設(shè)計(jì)，并相應(yīng)配置生命支持系統(tǒng)及輔助設(shè)施，確保乘客在車內(nèi)可正常呼吸。當(dāng)發(fā)生車體失壓故障時(shí)，車內(nèi)氣壓將會(huì)逐漸降低，如不能及時(shí)處置，將有可能對(duì)乘客造成嚴(yán)重的傷害，根據(jù)目前的研究，低氣壓可能對(duì)人體造成缺氧、肺部損傷甚至體液沸騰等[7]。如果發(fā)生車體爆裂等嚴(yán)重事故，車內(nèi)氣壓將會(huì)急劇下降，將會(huì)造成乘客迅速窒息等嚴(yán)重后果。可能造成車體失壓故障的主要原因有：列車生命支持系統(tǒng)故障(如供氧系統(tǒng)故障等)、車體結(jié)構(gòu)破損、密封失效等。

2.2 懸浮功能故障

常導(dǎo)高速磁浮列車采用電磁懸浮，懸浮系統(tǒng)包括懸浮電磁鐵、懸浮傳感器和懸浮控制器等設(shè)備。列車依靠安裝于懸浮架上的懸浮電磁鐵與軌道之間的吸力保持懸浮，通過(guò)氣隙傳感器測(cè)量車輛懸浮氣隙，采用懸浮控制器動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)列車的懸浮力，維持懸浮氣隙的相對(duì)穩(wěn)定。如果高速行駛中的列車發(fā)生嚴(yán)重的懸浮系統(tǒng)故障，列車可能與軌道劇烈摩擦甚至脫軌。懸浮功能故障主要由懸浮系統(tǒng)設(shè)備故障引發(fā)，此外由于懸浮系統(tǒng)依靠車載發(fā)電機(jī)供電，當(dāng)列車動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，若不能提供接觸軌供電，列車僅能依靠車載蓄電池短時(shí)懸浮。當(dāng)列車懸浮功能出現(xiàn)故障時(shí)，若故障影響程度較輕，仍然可維持懸浮功能；若故障嚴(yán)重，導(dǎo)致列車完全失去懸浮能力，需采用工程車進(jìn)行救援。

2.3 真空管道故障

真空管道是真空管道高速磁浮系統(tǒng)區(qū)別于常規(guī)高速磁浮系統(tǒng)的核心特點(diǎn)，同時(shí)也是道岔、軌道、氣閘門及乘客登車通道等設(shè)備設(shè)施的安裝基礎(chǔ)，真空管道系統(tǒng)的安全可靠對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行起到了至關(guān)重要的作用。真空管道的典型故障主要有管道結(jié)構(gòu)損壞(管道裂縫、斷裂破壞)、管道配套設(shè)施損壞(抽真空設(shè)備損壞等)、異物侵限等。真空管道故障可能導(dǎo)致列車運(yùn)行環(huán)境失壓，管道內(nèi)列車運(yùn)行阻力迅速增大，影響列車的運(yùn)行平穩(wěn)性和安全性，如果發(fā)生嚴(yán)重的斷裂或異物侵限等故障，將造成災(zāi)難性的后果。造成該故障的可能原因有管道材料疲勞失效、沿線設(shè)備故障等。

2.4 登車通道故障

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)乘客上下車方式的研究方案主要有兩種：一種為采用氣閘門隔斷車站前后管道，恢復(fù)該段氣壓后乘客上下車；另一種為類似飛機(jī)登機(jī)廊橋的方式，使用登車通道隔絕管道低真空環(huán)境，乘客在通道內(nèi)上下車?？紤]到提高運(yùn)營(yíng)效率的需求，本文以登車通道方案開展研究。乘客登車通道安裝在車站內(nèi)的真空管道上，位置與列車車門位置相對(duì)應(yīng)，并配有伸縮結(jié)構(gòu)和密封門，與列車對(duì)接完成后可保證通道的氣密性。由于目前對(duì)于乘客登車通道的研究?jī)H處于理論研究階段，通過(guò)類比屏蔽門等相似設(shè)備，推測(cè)該系統(tǒng)的典型故障可能有氣密門開閉故障、密封失效等。

3 典型故障應(yīng)急處置措施

3.1 車體失壓故障

車體失壓故障發(fā)生時(shí)，列車應(yīng)自動(dòng)彈出應(yīng)急供氧面罩供乘客使用，列車工作人員應(yīng)做好防護(hù)后協(xié)助乘客，同時(shí)對(duì)故障情況進(jìn)行確認(rèn)，反饋給列車司機(jī)。列車司機(jī)及運(yùn)行控制中心在確認(rèn)列車位置、故障情況及車上人員等情況后，確定列車緊急救援方式。若故障輕微可通過(guò)采取緊急處置措施后減速運(yùn)行至前方車站進(jìn)行疏散；若車輛受損嚴(yán)重，列車應(yīng)在線路前方下一停車點(diǎn)處停車，同時(shí)封閉故障列車所在區(qū)段兩端管道氣閘門并恢復(fù)氣壓，確保安全后疏散乘客，采用工程車進(jìn)行救援。

3.2 懸浮功能故障

懸浮功能故障發(fā)生時(shí)，列車司機(jī)和運(yùn)行控制中心應(yīng)確認(rèn)故障信息，包括故障原因、故障設(shè)備、故障嚴(yán)重程度等。若列車可維持運(yùn)行，則應(yīng)運(yùn)行至前方車站后清客，返回車輛基地檢修；若列車完全失去懸浮能力，不能維持運(yùn)行，列車應(yīng)在線路前方下一停車點(diǎn)處停車，同時(shí)封閉故障列車所在區(qū)段兩端管道氣閘門并恢復(fù)氣壓，確保安全后疏散乘客，采用工程車進(jìn)行救援。

3.3 真空管道故障

真空管道故障發(fā)生時(shí)，運(yùn)行控制中心應(yīng)立即確認(rèn)故障的位置、影響范圍、故障原因及可能后果等信息，判斷該故障對(duì)行車安全的危害程度。如果安全影響較小，如部分抽氣設(shè)備損壞等，列車應(yīng)及時(shí)降速運(yùn)行以通過(guò)該區(qū)段，或在確保管道結(jié)構(gòu)不會(huì)加劇破壞的前提下，提高該區(qū)段抽氣設(shè)備的運(yùn)行功率并組織人員進(jìn)行搶修，盡快恢復(fù)線路的正常運(yùn)營(yíng)；如果發(fā)生異物侵限等嚴(yán)重危及行車安全的故障，應(yīng)封鎖該區(qū)段管道阻止列車駛?cè)?，并相?yīng)調(diào)整全線運(yùn)行組織計(jì)劃，組織人員搶修并排查事故隱患。

3.4 登車通道故障

當(dāng)?shù)擒囃ǖ拦收习l(fā)生時(shí)，車站值班員應(yīng)立即通知運(yùn)行控制中心故障通道的位置及故障類型等故障信息。當(dāng)出現(xiàn)氣密門開閉故障時(shí)，應(yīng)組織車上及車站乘客由其他車門上下車，車站值班員應(yīng)封閉故障登車通道的區(qū)域進(jìn)行檢修。當(dāng)出現(xiàn)密封失效故障時(shí)，故障輕微時(shí)應(yīng)組織人員進(jìn)行及時(shí)檢修；故障嚴(yán)重則應(yīng)通知運(yùn)行控制中心調(diào)整列車運(yùn)行組織計(jì)劃，疏散乘客，封閉車站兩端真空管道的氣閘門待恢復(fù)氣壓后進(jìn)行檢修。

4 進(jìn)一步研究方向

本文對(duì)真空管道高速磁浮系統(tǒng)可能的典型故障及相應(yīng)的應(yīng)急處置措施進(jìn)行了初步探討，然而對(duì)于系統(tǒng)工程化實(shí)施以及保障系統(tǒng)安全運(yùn)營(yíng)的目標(biāo)仍是不足的，在安全保障方面目前還有許多問(wèn)題有待于進(jìn)一步研究。

(1)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)和預(yù)警能力。由于列車運(yùn)行速度非常高，留給應(yīng)急處置的時(shí)間極短，因此應(yīng)進(jìn)一步提升監(jiān)測(cè)和預(yù)警能力，可以預(yù)先發(fā)現(xiàn)故障并提前處置，這將顯著提升系統(tǒng)的安全保障及防災(zāi)能力。監(jiān)測(cè)預(yù)警的內(nèi)容包括對(duì)自然災(zāi)害的監(jiān)測(cè)和預(yù)警及對(duì)全線線路、真空管道、各類配套設(shè)備設(shè)施及列車車輛的狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障預(yù)警等。

(2)提升緊急救援能力。一方面應(yīng)研究提升救援措施水平，在故障、事故發(fā)生時(shí)可迅速組織有效救援，避免造成更加嚴(yán)重的后果；另一方面應(yīng)加強(qiáng)對(duì)車體破損搶修設(shè)備等車載應(yīng)急工裝設(shè)備，以及供氧面罩、增壓防護(hù)服裝等個(gè)人應(yīng)急防護(hù)裝備的研究，在遭遇突發(fā)事件時(shí)能夠更好地保障人員生命和設(shè)備設(shè)施的安全。

(3)選擇合理系統(tǒng)參數(shù)。管道氣壓越低，未經(jīng)防護(hù)的人員暴露在該氣壓下可供應(yīng)急處置的時(shí)間越短；而管道氣壓越高，列車運(yùn)行阻力將大幅提高，因此對(duì)于管道真空度大小及用于隔斷各段管道的氣閘門設(shè)置間隔等問(wèn)題，應(yīng)綜合系統(tǒng)緊急救援疏散難易度、維持管道壓強(qiáng)難易度、列車運(yùn)行阻力等因素，兼顧經(jīng)濟(jì)性與安全性進(jìn)行考慮。

5 結(jié)語(yǔ)

真空管道高速磁浮交通系統(tǒng)理論上具有高速、高效、環(huán)保、安全等優(yōu)勢(shì)，在不遠(yuǎn)的未來(lái)可能具有良好的運(yùn)用價(jià)值，但目前仍有很多技術(shù)問(wèn)題亟待探索。本文從車體失壓故障、懸浮功能故障、真空管道故障及登車通道故障4個(gè)方面初步探究了真空管道高速磁浮交通系統(tǒng)的典型故障及相應(yīng)的處置措施，并從安全運(yùn)營(yíng)角度進(jìn)一步梳理了需要研究的問(wèn)題，希望對(duì)未來(lái)真空管道高速磁浮交通系統(tǒng)的建設(shè)運(yùn)營(yíng)提供借鑒。