院士解密中低速磁浮列车 南车拟在国内建商业示范线

2013-12-20 阅读数 487238

问:磁(悬)浮列车是什么意思?列车靠什么提供动力?基本原理是什么?

答:磁浮技术是一种听起来非常神奇,其原理却十分简单,也就是利用电磁体“同性相斥,异性相吸”的原理,让磁铁具有抗拒地心引力的能力,使车体完全脱离轨道,悬浮在轨道上面,贴地飞行。磁浮列车能够浮起来,就是靠装在列车上的电磁铁和钢轨之间产生作用力,然后按照我们的心愿,用悬浮控制器控制吸力的大小,实现列车稳定悬浮,平稳前进。

从驱动力来讲,磁浮列车的动力和普通的电动机工作原理也完全相同。电动机主要包括“转子”和“定子”两大部分,在磁浮列车上,我们变换了一下,把电动机的“转子”装在列车上,“定子”铺设在轨道上。我们知道,电动机的“定子”通电时,通过电磁感应就可以推动“转子”转动。在磁浮列车上,当向轨道上的“定子”输电时,通过电磁感应作用,列车就像电动机的“转子”一样被推动着做直线运动,电能转化为列车前进的动能。我们只要控制好导向磁铁中的电流,就能控制列车运行,要开车就开车,要加速就加速,要刹车就稳稳地停住。

问:目前,磁浮列车主要运用在哪些方面?

答:磁浮列车是一种新型的城市轨道交通系统,最高速度达到500公里每小时,但是,目前,全球仍只有上海浦东一条高速磁浮线路真正投入商业运营。中国南车株机公司完全自主研发的追风者列车是中低速磁浮列车,与现行的轨道交通列车相比,中低速磁浮车平稳舒适、无污染、转弯半径小、爬坡能力强等特点十分突出,因此,中低速磁浮交通竞争力十足,是未来城市交通中的模范“闯将”,今后定会与铁路、轻轨、地铁等构成更为合理的城市轨道交通体系。与高速磁浮车相比,主要是具有建设及运营成本低的优点,既适用于城市客流中等的快速延伸线,诸如市区与机场、郊区、产业区、旅游景区等联系的专用快速线路,也适用于地形地貌复杂、建筑物拥挤的大中城市的交通线路,是未来城市轨道交通系统的重要选择之一。

中国南车株机公司作为我国乃至全球轨道交通装备研制的顶级企业,研发中低速磁浮轨道交通车辆是发展战略的需要,也是未来市场的需要。

目前国内100万人口以上的中等城市,尚未达到建设城市轨道交通条件的有60-80个,具备修建城市轨道交通的大城市约30余个,除此之外还有120个旅游景区,总体来说,中低速磁浮车辆的市场前景广阔。

问:如果开通一条中低速磁浮线路,作为普通乘客,大家最关系的应该是安全,中低速磁浮列车的安全性能怎么样?

答:的确,安全是人们最关心的问题。其实,中低速磁浮列车可以说是轨道交通的安全典范,是唯一可以做到运行中不发生脱轨颠覆事故的交通方式。怎么做到这一点呢?

这是由磁浮交通系统的结构决定的。像大家所看到的那样,磁浮列车的车厢下端像伸出了两排弯曲的胳膊,将路轨紧紧搂住,列车车体和钢轨是紧紧连在一起的,列车车体是“抱”在轨道上运行,和路基一体化,完全不会分开,绝对不可能脱轨。而传统的轨道交通,列车很难完全避免脱轨颠覆事故的发生。同时,列车运行的动力来自固定在路轨两侧的电磁流,同一区域内的电磁流强度相同,不可能出现几辆列车速度不同或相向而动的现象,从而排除了列车追尾或相撞的可能。

退一万步讲,假如说一旦遇到突发事件,救援也更便利。磁浮一般采用高架,而高架交通系统出了问题,各种救援力量都可以用上,高架的应急救援比地下要方便。在“追风者”列车上,为了救援的需要,我们在每节车都安装了四个液压支撑轮,一旦列车停电,列车就会由四个液压轮支撑着落在轨道上,列车可以被前来救援的列车推或拉着走。

在这里,我要着重强调的就是,中低速磁浮技术虽然新,但可靠性不容怀疑。原来的轮轨交通是轮子在支撑列车,现在是电磁场支撑列车。在电磁场强度随时随着列车载荷变化的情况下,怎样使列车与轮轨的间隙保持不变呢?靠应用软件,靠传感器,靠计算机控制系统,这里最为关键的是靠应用软件。

磁浮列车车体上安装了很多传感器,采用冗余的手段保证极高的可靠性。一个车安装有20个传感器,20个传感器时刻检测电磁场的强度值和悬浮间隙的大小,只要检测出微弱的变化就反馈给计算机控制系统,计算机控制系统就迅速作出运算和反应,哪个地方磁场支撑的劲儿小了,电流马上就加大,若劲大了,电流马上就减小,磁场强度值能够动态地始终保持在一个恒定范围,使列车与轨道之间的间隙保持不变,且循环、持续地自动调节。由应用软件控制计算机系统完成关键的工作,决定着控制系统的稳定和可靠。

计算机怎样实现有效和可靠的控制?计算机是通过人的大脑编制的软件进行控制的,中国人编制软件是最有智慧的,只要将应用需求搞清楚,就能编成应用软件。需求变成了软件,嵌入计算机来实现控制,这就是磁浮控制核心技术的关键所在。

从2005年3月至今,日本的中低速磁浮已经商业运营了7年,运行表现的安全性、可靠性、经济性、稳定性和环保性优于轮轨交通,实践验证了中低速磁浮交通的商业价值。

我国的中低速磁浮交通系统与日本正在运营的系统两者原理相同。只是在悬浮控制核心技术方面各自具有特点,相比之下,我们系统的可靠性实现方式更有把握一些。

问:如果在城市里开磁浮列车,噪音会不会很大,会不会影响市民的生活?

大家可能不知道的是,磁浮列车是超级安静的城市宝贝。它不仅可以在五星级的酒店大堂停车,在繁华的商场停车,也可以在居民住宅区里停车。我们知道,因为与地面没有直接接触,磁浮列车唯一的阻力就是空气阻力,与轨道没有摩擦,噪音和震动就非常小,中低速磁浮噪声一般低于62分贝,人体正常说话的声音约为70分贝。比如说,“追风者”号与公路交通、轮轨交通相比,其噪声几乎可以忽略不计,在我们身边开过的时候,大家哪怕是站在3米以内,也感觉不到什么噪音,一点也不影响我们聊天。这是其他任何其他交通都无可比拟的优势。毫不夸张地说,城市里磁浮列车越多,取代其他的交通工具越多,城市就会越安静。

问:我们知道,磁场、电力场都会产生辐射。磁浮列车是在城市中运行,不少人担心列车的辐射会影响健康,那么,“追风者”号磁浮的辐射情况如何?

现在,很多人是谈辐射色变。这里有一个认识误区。地球本身就是个大磁场,有辐射。任何电器只要一通电,也都会产生辐射。如果中低速磁浮列车经过,离我们只有1米,它的辐射值比日常使用的电磁炉表面的辐射值还要低,站在车身3米外的辐射值比微波炉辐射值一半还低,到了5米远,辐射值比使用电动剃须刀还要小,而到了10米距离,其辐射量完全淹没在环境背景中,专业的检测仪器都都检测不到了。国内权威机构做了专题研究和检测,“追风者”号的磁场强度符合世界卫生组织的标准,即使是心脏起搏器使用者乘坐“追风者”号,也一点都不受影响。

问:最近,雾霾天气席卷全国许多城市,城市车辆尾气排放被列为主要的污染源之一,中低速磁浮列车对环境的影响怎样?

中国南车株机公司这么多年来之所以大力投入磁浮列车的研发制造,就是因为中低速磁浮交通是真正的环境友好型公共交通系统,将成为公共交通环保发展的创新支撑。

首先,中低速磁浮列车是没有尾气排放的交通系统。中低速磁浮列车靠电力运行,在运行过程中,就不会排放有害气体,作为新型的城市轨道交通工具,在雾霾天气里,这就是非常大的优点。中低速磁浮列车没有高速转动的部件,使用过程产生的废弃物的排放相对较少,检修作业工作量也少,所带来的工业废弃物和生活垃圾量极少。

其次,中低速磁浮列车是真正低碳节能的交通系统。第一,中低速磁浮交通系统采用高架铺设,因为无需线路通风和照明,相对于地铁可以节省50%的耗电;同时,因设备设施的相对减少,导致总耗电量的减少,相应的能耗也有所降低。第二,有条件利用大节能坡和重力实现节能。城市轨道交通地铁跟其他交通工具不同的一个运营特点,就是要求车的起步要快,加速度大。在城市,两个车站间的距离最短500多米,一般平均1公里多,为了实现运营的效率,列车必须主动地频繁快速起停,耗电较多。在中低速磁浮列车线路设计中,我们可以利用爬7%坡的特性,因地制宜,设计合理的线路纵断面,尽量采用相对大的节能坡,使列车进站时上坡,出站时下坡,减少加速后又立即制动的耗电模式,从而,中低速磁浮列车能节省牵引能耗20%以上。第三,有条件利用大小编组,主动省电运行。中低速磁浮列车每个车均为自带动力的车辆,可以单车或多车组合起来运行,具备适应客流不均衡变化的灵活编组运营的条件,可以在每天运营的大部分时间中克服“大马拉小车”的耗电的情况,有条件节省牵引能耗15%以上。

另外,中低速磁浮列车一般以4.5米以上的高架通过平地或翻越山丘,从而避免了开山挖沟对生态环境造成的破坏。

问:中低速磁浮交通系统造价高不高?综合造价情况怎样?

中低速磁浮列车是一种高性价比的交通系统。在项目启动初期,我们就比较地铁、轻轨的综合造价来对中低速磁浮系统进行开发。目前,我国地铁造价每公里5~8亿元左右,轻轨达每公里2~3亿元左右。据测算在相同地域,中低速磁浮列车系统的综合造价仅为中运量轻轨系统造价的2/3至3/4,即中低速磁浮系统造价每公里约为1.5~2.5亿元。且随着技术的成熟和产业的发展还有较大的降低空间,尤其是在山区旅游线路建设中低速磁浮线路,其建设造价将更低。

另外,相对其他城市交通方式,中低速磁浮列车交通拥有转弯半径仅为50米的优势,修建中可以更好地绕开建筑物、障碍物,其技术性优势可以主动避免拆迁的发生,从而避免因为拆迁而发生的剧烈矛盾;与其他交通建设比,其施工周期短,扰民时间短;施工占地和占道范围小,对施工期间的现实交通影响小。

问:除基础造价以外,运营成本也是必须考虑的重要因素,在这方面,中低速磁浮有优势吗?

答:轮轨列车目前的年运营维护成本是总投资的4.4%左右。由于中低速磁浮列车避免磨损,年运行维修费仅为总投资的1.2%。考虑到二者总投资还略有差别,所以中低速磁浮列车的运营维修成本约是轮轨高速列车的1/4。同时由于没有车轮磨耗,也不会在运行中产生铁粉或橡胶粉尘,有利于环境保护,最大限度避免环境污染。

问:作为一种新型的轨道交通技术,中低速磁浮列车具有很多的优势,成为了市场的新宠,市场运行情况怎么样?

答:2005年3月,日本名古屋东部丘陵线建成投入运营,之后,韩国仁川机场线也实现试运行,时间进入2013年,国内十余个城市纷纷展示了对中低速磁浮交通系统的强烈兴趣,这一面向未来的现代运输模式,正迎来前所未有的发展机遇。中国南车株机公司2012年1月,自主研制成功的国内首列可商业化运营的中低速磁浮列车,应用电磁浮导向与直线电机牵引技术,列车为3节编组,最高运行速度100公里每小时。

问:在我国的发展战略中,磁浮技术的前景如何?

答:中低速磁浮交通产业作为高科技、高附加值的高端装备制造业,可带动装备制造、冶金、机电、信息、车辆制造、建筑等多个相关行业的发展,满足我国经济和城市化发展的需要。在我国“十二五”交通运输发展规划中,明确提出要通过工程应用带动技术研发,突破轨道交通通信信号、牵引传动、制动系统、运行控制等关键核心技术,系统掌握磁浮交通系统技术。特别是在新型城镇化发展战略中,中低速磁浮交通系统以其环保、低碳、节能、安全、经济等综合优势,已经成为未来城市交通系统的战略组成部分。

在国家发展和改革委员会发布的《产业结构调整指导目录(2011年本)》中,中低速磁浮属于鼓励发展的重要技术。比如说,第1项“城市轨道交通减震、降噪技术应用”、第4项“数字轨道电路及以无线通信为基础的信号系统[含自动列车监控系统(ATS)、列车自动保护装置(ATP)、自动列车运行装置(ATO)]”、第6项“轨道车辆交流牵引传动系统、制动系统及核心元器件(含IGCT、IGBT元器件)”领域中的产品,完全符合国家产业政策和发展规划。

问:中国南车株机公司什么时候开始进入磁浮产业,目前的进展情况如何?

答:作为我国轨道交通装备制造的顶级企业,70余年的发展,公司已成功构建起世界一流的轨道交通装备设计、制造、产品三大技术平台,积累了电力机车、城轨车辆、动车组等领域广泛成熟的解决方案经验。研发中低速磁浮列车满足市场对新型轨道交通模式的需求,是中国南车履行民族与社会责任感的体现,用创新领跑未来,不断发展新兴产业是中国南车株机人的奋斗目标。

为抢占技术制高点,中国南车株机公司早在2007年抽调业内精英,组建了磁浮开发部。2011年,由公司牵头,联合西南交大、中铁二院、同济大学、莱钢、中国南车株洲所、中国南车株洲电机公司等单位开展联合攻关。2012年1月,我国第一台可投入商业运营的中低速磁浮列车在公司诞生,将之命名为“追风者”。

“追风者”采用常导EMS悬浮导向、短定子直线电机牵引技术,3辆车固定编组,DC1500V第三轨受流供电方式。车辆(三节编组)载客量450人/列,最大运营速度100km/h,最小平面转弯半径50米(仅为地铁的二分之一),最大悬浮力确定为32吨/节,最大坡度70‰(相当于100米的距离爬上2层楼的高度),最小竖曲线半径1500米(限速50km/h)。

2013年11月,湖南省科学技术厅在株洲组织召开科技成果鉴定会,由中国工程院刘友梅院士、钱清泉院士领衔,广州地下铁道总公司、上海申通地铁集团、同济大学、西南交通大学、中南大学、湖南大学、北京交通大学、西北工业大学、兰州理工大学、省科技厅、市科技局等单位的专家和领导共同参与,公司完成的“常导短定子中低速磁浮列车的研制”等多项目鉴定为国际先进水平。

问:中国南车株机公司在磁浮产业化方面取得了哪些突破?

答:我们最大的优势就是,成功地介入了磁浮产业,建立了围绕以企业为创新主体的完整产业链。

中低速磁浮列车最终能否顺利运行,要看整车厂家的集成能力、试验验证能力。中低速磁浮列车有很多的子系统,作为最终出车的企业,我们掌握了把各个子系统进行集成的系统集成技术,系统集成包括机械安装、电气连接及系统控制三大部分,这些技术我们都掌握了,这些部分的合理集成可以保证车辆运行的可靠平稳。像我们就专门建设了约1.6公里长的磁浮试运线。

除了发挥系统集成优势外,公司还在保证车体强度的前提下,尽可能使车体及所有部件轻量化。

问:请问中低速磁浮列车项目的研制,对于湖南正在推进的轨道交通装备千亿产业集群有何积极影响,将能培育哪些关联的产业和技术?

答:中低速磁浮列车项目产业拉动效应、科技拉动效应以及媒体宣传效应非常大,能促进沿线旅游业、房地产业等多个行业的蓬勃发展,带动城市的快速发展,提升湖南科技强省的形象,推进新型工业化和两型社会建设意义重大。

该项目的成功实施,使中国南车株机公司掌握了磁浮交通核心技术和系统集成技术,建立完整的、专业化的工程化体系,推动湖南轨道交通装备产业做大做强,同时还将带动省内数十个相关配套产业发展,拉动湖南省经济发展,推动新型工业化进程。

问:是否有下一步的市场推广计划?

答:正与相关城市进行接洽,拟率先在国内推出1-2条商业示范线。

相关推荐