第十四章磁悬浮交通

第十四章磁悬浮交通 Maglev - Magnetic Levitation Train

第十四章磁悬浮交通 • 第一节磁悬浮交通的特点 • 第二节磁悬浮系统的基本类型 • 第三节磁悬浮系统的工作原理 • 第四节磁悬浮交通的线路设计

磁悬浮交通系统主要内容 • 磁悬浮交通概述 • 基本概念 • 与传统铁路（轮轨系统）的比较 • 磁悬浮交通的特点 • 磁悬浮交通的发展 • 磁悬浮交通的基本类型 • 磁悬浮系统的工作原理 • 磁悬浮交通的线路设计

磁悬浮交通概述 • 基本概念 • 一种非粘着、悬浮、直线电机驱动列车运行的超高速陆上交通运输系统 • 磁悬浮交通与传统铁路的比较 • 磁悬浮交通 • 车辆与导轨无接触，车辆悬浮 • 电磁系统产生吸引力或排斥力使车辆悬浮 • 电磁力导向（电磁系统） • 直线电机驱动，推动列车前进 • 轮轨铁路（高速） • 车辆（车轮）与钢轨接触 • 轮轨之间的粘着关系实现支承、导向、牵引和制动 • 参见比较示意图

磁悬浮交通的特点-优点 • 高速 • 安全 • 舒适 • 选线灵活 • 环保 • 能耗低 • 运行成本低 • 高度自动化和信息化

磁悬浮交通的特点-缺点 • 初期投资高（昂贵） • 线路的上部结构、下部结构，地面上车辆的驱动装置等费用 • 与轮轨方式的既有铁路网不兼容，运输组织问题多 • 旅客换乘、车辆、线路的维修与管理等 • 正式的商业运营指标缺乏，无法完整对磁悬浮交通这种运输方式作出恰当的经济评价 • 无正式商业运营的长距离干线 • 无法获得相关运营指标 • 如每天实际运送的客流量、线路最大能力等 • 关键技术设备依赖进口

磁悬浮交通的发展 • 国外概况 • 国内概况 • 上海示范线概况

国外概况 • 20世纪，德国和日本在高速磁浮技术方面取得了重大突破 • 美国的磁浮技术研究基本以跟踪为主 • 瑞士主要研究完全地下的真空隧道高速磁浮方案 • 英国、韩国等其它国家，进行过一些相关研究

德国 • 德国TR系统采用常导电磁吸引式悬浮技术 • 德国政府于1992年宣布TR磁浮技术成熟，可以投入商业运营 • 1987年建成埃姆斯兰 (Emsland)线，31.5Km • 德国2辆编组的TR07型磁浮列车1993年在试验线上获得450km/h的运行速度 • 最新车型TR08

日本 • 日本采用超导电磁排斥式悬浮技术 • 日本政府宣布磁浮技术“实用化没问题”，“今后主要进行耐久性、可靠性试验” • 1977年建成宫崎试验线，单线，7Km； • 1990年建造山梨试验线，双线，18.4Km • 日本于1999年4月创载人试验速度552km/h的试验记录 • 日本铁路公司主持开发超导磁斥式磁悬浮交通 • 日本航空公司1974年建成常导磁吸式磁悬浮交通HSST

国内概况 • 我国是继德国、日本之后世界上第三个掌握系统技术并首先付诸工程建设的国家 • 我国研究磁浮技术从1980年就已开始，至今已取得重大进展

铁道部科学研究院 • “八五”期间研制成功单转向架低速常导磁浮实验车，设计速度为100km/h，实验车总重6t；

西南交通大学 • 同时进行常导和超导磁浮技术的研究 • 1994年研制成功载重4t的磁浮车及其试验线 • 2002年，最大时速为100km/h的低速常导磁浮车已经下线，已在青城山建成425m长的试验线 • 已研制出用液氮制冷、温度为77K的世界上第一辆高温超导磁浮试验车，具有4个人相当重量的负载能力

其他研究 • 中国科学院电工研究所 • 中科院电工所等单位也取得了重要成果 • “十五”国家863高速磁浮重大专项 • 将进一步提出适合我国国情的系统规划方案 • 对设备国产化进行了初步探索 • 已取得可喜的成绩

上海试验线概况 • 项目概况 • 技术成果

项目概况 • 工程主要分为四个部分，线路、车辆、牵引供电、运行控制系统。 • 线路和土建部分的设计、施工以及设备安装工作由中方负责； • 车辆、牵引供电、控制系统的设备供货和调试由德国公司组成的联合体负责； • 系统调试由德方负责

技术成果 • 创新开发了具有自主知识产权的线路及轨道技术，并获得8项专利 • 对牵引电机的机理、电机系统分解与集成等进行了理论分析和研究开发 • 独立开发的维护管理系统软件已投入使用

磁悬浮系统的基本类型 • 基本类型按磁悬浮车辆形成悬浮的电学机理划分（即磁悬浮列车上电磁铁使用方式不同） • 电动悬浮型 (EDS, Electro Dynamic Suspension) • 超导磁斥式 • 日本 MLX（高速磁悬浮） • 电磁悬浮型 (EMS, Electro Magnetic Suspension) • 常导磁吸式 • 德国 Transrapid （高速磁悬浮） • 日本 HSST （低速磁悬浮） • 特点分析 • P250 表14-1 高速磁悬浮系统的特点

超导体基本概念 • 超导电现象 • 温度在4.2K（－269 oC ）附近超导材料电阻消失 • K是开氏绝对温标，国际单位制的温度单位，0 oC = 273.15 K • 超导体的两个基本特性 • 零电阻 • 理想的导电体，导体内测不出电阻 • 完全抗磁性 • 超导体内部的磁感应未零，即磁场进不了超导体内部 • 研究难点 • 提高超导的临界温度

磁悬浮系统的构成 • 牵引供电系统 • 线路轨道系统 • 车辆系统 • 运行控制系统

磁悬浮系统的工作原理 • 悬浮 • 磁浮系统从悬浮原理上可分为电磁悬浮和电动悬浮 • 德国磁浮系统采用的是电磁悬浮，日本采用的电动悬浮 • 导向 • 磁浮列车导向均采用 “零磁通” 导向方式 • 驱动 • 磁浮列车运行都是靠直线电机牵引

磁悬浮交通的线路设计 • 线路平面、纵断面和横断面设计 • 线间距 • 道岔 • 渡线、越行站设置 • 磁悬浮交通的线路结构

线路平面、纵断面和横断面设计 • 线路平面设计 • 由直线、曲线（圆曲线和缓和曲线）构成 • 曲线地段 • 线路扭转 • 轨面设置横披，以消除或减少曲线运行时产生的自由侧向加速度 • 将上部结构绕线路中心线旋转，并保持线路中心线的高程和纵断面不变 • 列车运行过程中，车辆重心与线路中心线的距离始终保持不变 • 如图14-11, P256

线路平面、纵断面和横断面设计 • 曲线地段 • 曲线半径 • 保证满足旅客舒适度条件 • 同时考虑降低轨道梁结构设计、制造难度等要求，采用能满足直梁拟合曲线的结构设计要求的曲线半径 • 缓和曲线 • 满足横披角、曲率、自由横向加速度时变率连续变化的要求 • 保证通过缓和曲线时加速度产生的附加力以及加速度冲动不超过允许的限度 • 日本采用半波正弦缓和曲线 • 德国采用一波正弦缓和曲线 • 上海采用一波正弦缓和曲线

线路平面、纵断面和横断面设计 • 纵断面设计 • 要素：坡段和坡段的连接 • 坡段 • 最大坡度－日本4%；德国10％ • 坡段的连接 • 竖曲线 • 半径 • 满足舒适度要求 • 考虑轨道梁的结构设计和施工的便利性 • 竖向缓和曲线 • 设置在坡段的直线和竖曲线之间，以避免坡道上竖向加速度及时变率突变 • 线型 • 回旋曲线形

线路平面、纵断面和横断面设计 • 横断面设计 • 类型划分 • 高架支承结构 • 隧道 • 平地 • 路堑 • 路堤 • 常用类型 • 高架支承结构

磁悬浮交通的线路设计 • 线间距 • 影响因素 • 车辆宽度 • 两列车会车时空气动力产生的压力差允许值要求的距离 • 隧道内线间距要求 • 线间距需要加宽 • 原因：隧道内空气动力影响增大 • 数值：加宽大小与隧道断面面积有关

磁悬浮交通的线路设计 • 道岔 • 概念 • 磁悬浮列车聪一条线路转到另一条线路运行的连接设备 • 结构和工作原理与传统铁路道岔完全不同 • 类型 • 钢弯曲式道岔 • 横动式（Traverser）道岔 • 侧壁移动式道岔 • 等

磁悬浮交通的线路设计 • 渡线、越行站设置 • 渡线 • 设置目的 • 在出现故障时，可以保证区段通过能力 • 设置方法 • 每隔25Km设置区间渡线 • 越行站 • 设置目的 • 便于组织高速磁悬浮列车的越行 • 设置方法 • 两相邻车站间距离达到100－150Km时，在两站间的50 Km和75Km处设置

磁悬浮交通的线路设计 • 磁悬浮交通的线路结构构成 • 上部结构 • 又称轨道梁 • 平整度要求高，影响列车的舒适性和安全性 • 下部结构 • 支撑结构，轨道以下部分 • 常见结构形式 • 双柱式混凝土支墩高架结构－德国试验线 • A型混凝土支墩和桩基础、高架结构－上海示范线

磁悬浮交通的线路设计 • 磁悬浮交通的线路结构的平顺性 • 影响磁悬浮列车运行的平顺性、舒适性和安全性 • 衡量指标 • 高低、方向、扭转、平整度、偏转度 • 主要措施 • 设计方面 • 线路结构具有足够的纵向刚度、横向刚度和抗扭刚度 • 施工方面 • 线路结构的精确制造和架设，数字化、高精度加工和安装设备 • 徐变方面 • 混凝土高架柱和预应力混凝土梁的徐变（合理的材料配比和施工控制） • 控制桩基础的沉降 • 地基的处理，桩基足够的承载力和沉降控制 • 其他方面 • 可调节支座保持轨道平整度，并使支座受力均匀（可调节高度1.5-2cm） • 检测

磁悬浮交通主要技术 • 轨道 • 悬浮控制 • 直线推进 • 运行控制 • 信号检测 • 车辆结构

磁悬浮交通主要技术 • 轨道 • 磁悬浮列车的轨道与普通铁轨不一样，其轨排加工、安装精度和轨道线型直接影响列车运行平稳性。 • 悬浮控制 • 由于列车重量与电磁铁产生的电磁吸力达到的平衡是不稳定平衡，故必须时刻对列车的悬浮电流进行跟踪控制，保证在各种线路、负载条件下悬浮控制的稳定性是磁悬浮系统中最核心的技术。 • 直线推进 • 中低速磁悬浮列车采用异步直线电动机牵引，一方面由于电机使用环境较差，对电机本身结构设计要求较高；另一方面，电机供电时，除产生列车牵引力之外，在其初、次级之间尚存在法向作用力，该法向力影响列车悬浮，故怎样消除法向力对悬浮的影响也是关键。

磁悬浮交通主要技术 • 运行控制 • 运行控制系统是整个列车的指挥中心，列车的起浮／降落、牵引／制动都由其控制。除了与常规列车一致的运行控制要求外，磁悬浮列车尚有部分特殊的安全联动要求。 • 信号检测 • 信号检测涉及两方面，一方面磁悬浮列车车载设备很多，每一个设备，尤其关键设备的工作状况，必须进行准确监测，并随时报告运行控制系统；另一方面，由于没有常规列车与地面接触的轮子，故列车运行速度、运行位置检测也是关键。 • 车辆结构 • 磁悬浮列车是通过多个电磁铁进行承重的，在车辆结构方面，一方面要求列车自身重量尽可能轻；另一方面要求采用解耦式车体结构，以便于列车稳定悬浮。

磁悬浮系统的运输组织 • 建议采用的运输组织和运营管理模式 • 枢纽辐射 • 干支分离 • 网运分离 • 运输组织特点 • 采用枢纽辐射的模式，使干线的运行速度维持高速，提高了系统的运行效率和服务水平，以及高速磁浮交通网络的整体经济性 • 在我国未来的综合运输体系中，磁浮应是长大干线交通的核心网络，作为其辐射工具的铁路、公路等也应相互补充，协同发展

磁悬浮系统的应用和适用性 • 最新研究表明，磁浮交通适用于 • 长大干线 • 也是经济发达的城市群内部快速联络的最佳交通方式 • 前提 • 技术成熟 • 交通网络、规模 • 国产化

磁悬浮系统的应用和适用性 • 磁浮长大干线运输 • 磁浮高速运行的特点使其成为800～1500km中长距离的首选交通工具 • 可以满足大型中心枢纽城市间商务、公务出行人员3小时舒适旅行，满足高速度、高密度、大运量需求 • 同一个经济区城市群间商务、公务、旅游人员则在0.5～1小时以内

本章小结 • 磁悬浮交通 • 概念 • 特点 • 发展 • 适用性分析 • 基本类型 • 工作原理 • 线路结构

铁路领域 Thanks

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