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磁悬浮列车的国内外应用情况

磁悬浮列车的国内外应用情况 极科网要闻
2017-09-27
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来源:高端装备发展研究中心



磁悬浮列车是一种现代高科技轨道交通工具,它通过电磁力实现列车与轨道之间的无接触的悬浮和导向,再利用直线电机产生的电磁力牵引列车运行。世界第一条高速磁悬浮列车商业运营线是上海磁悬浮列车专线。西起上海轨道交通2号线的龙阳路站,东至上海浦东国际机场,专线全长29.863公里,由中德两国合作开发。


然而就是这条线,自商业运营以来一直亏损,2006还出现过列车起火的事故。这次火灾出现于该线路验收后4个月,并且导致中德在沪杭线的磁悬浮合作终止。


图表:国内外商业运营的磁悬浮列车线路


德国和日本的高速磁悬浮列车发展情况


作为磁悬浮技术的发源地之一的德国,其国内磁悬浮发展也是一波三折,最终不得不把目光瞄准海外市场。主要原因是2006年发生的一场无人驾驶磁悬浮列车撞击工程车的事故,导致本来就出现融资困难的德国慕尼黑磁悬浮试验线最终流产,最终断送了这一技术在德国本国应用的机会。


德国的磁悬浮技术来自于Transrapid公司,该公司是德国西门子和蒂森克虏伯公司为了发展磁悬浮铁路技术成立的合资企业。Transrapid公司的磁悬浮技术属于常导磁悬浮(normal conducting magnetic levitation),该技术采用直流电磁铁与良导磁材料之间的电磁吸力,借助自动闭环控制实现。常导磁悬浮列车有高速、低速之分。其中高速主要用于城市间交通,具有效率高、污染少和乘坐舒适的特点;低速列车造价介于轻轨与地铁间的交通工具,具有低噪声的优点。我国的磁悬浮也采用这种技术。外形上看,常导磁悬浮是列车抱住轨道运行的,有点像跨座式单轨列车。


相比之下,日本选择了一条和德国完全不同的技术路线,日本的技术被称为超导磁悬浮(Superconducting Maglev),主要是利用低温超导材料和高温超导材料实现悬浮的一种方式,低温超导技术采用在列车车轮旁边安装小型超导磁体,在列车向前行驶时,超导磁体则向轨道产生强大的磁场,并和安装在轨道两旁的铝环相互作用,产生一种向上浮力,消除车轮与钢轨的摩擦力,起到加快车速的作用。高温超导磁悬浮是一项利用高温超导块材磁通钉扎特性,而不需要主动控制就能实现稳定悬浮的技术。从外形上看,日本的磁悬浮列车是被轨道包在中间的,如下图所示。



日本所研制的低温超导磁悬浮在2015年4月21日创造了地面轨道交通工具载人时速603公里的世界新纪录,并计划于2027年修建中央新干线磁浮线。这条低温超导磁浮商业运营线旨在连接东京、名古屋和大阪三大城市,全程498公里,运行时速505公里。


与普通磁悬浮比较,利用超导磁体实现磁悬浮具有以下优点:悬浮的间隙大,一般可大于100mm;速度高,可达到500km/h以上;可同时实现悬浮、导向和推进;推进直线同步电机效率高达70%-80%;低能耗的客运和货运;不需要铁心,因为是永久电流工作不需要车上供电系统,所以重量轻,耗电少。当然这些优点是对需要复杂的低温系统的低温超导而言,若高温超导能实现工程运用,则各方面的性能将大为提高。

 

但是,高速磁悬浮列车在日本发展同样不是一帆风顺的,迄今为止,日本还没有一条实现商业运营的高速磁悬浮列车线,这除了日本一直在改进磁悬浮技术的原因之外,另一个原因就是客源不足。


日本北海道新干线

2016年3月26日,日本北海道新干线落成通车,但当天的乘车率只有61%,而到了第二天骤降到37%。开业前九天的预约只有24%。JR北海道预计到了今后的平常日这条新干线上座率将会更低。这和日本的航空线路有关,新干线的开通势必会引起铁路和航空的竞争加剧,在日本需求总量没有明显提高的情况下,铁路上座率不高也就不奇怪了。


磁悬浮也一样,日本东京到大阪的磁悬浮一旦开通,一定会严重打击东海道新干线。


相比之下,中国的京沪高铁与北京和上海之间的航空线都是各自业内最赚钱,客流最多的,这与中国的巨大需求支持是分不开的。


中国高铁为什么不用磁悬浮技术?

中国高铁的建设是经过可行性研究、相关技术与研究的,其中也包括磁悬浮与轮轨技术路线的竞争。最后导致决定使用轮轨技术的原因有两点:


第一,磁悬浮的相对优势不明显了。磁悬浮相对轮轨,最大的优势是速度。但是当轮轨试验速度已经突破574.8公里,运营速度能够突破350公里的时候,磁悬浮的速度已经不那么明显了。


当速度达到300公里以上时,运动物体所受的阻力90%是空气阻力,磁悬浮虽然没有机械阻力,因为还需要磁力将列车浮起来,也要消耗大量能量。所以当轮轨技术轻松突破时速300公里时,磁悬浮技术的相对优势已经不那么明显了。


第二,磁悬浮技术有比较明显的劣势很难克服。比如经济因素,磁悬浮线的修建成本要大幅度高于轮轨线路的建设。更重要的是技术原因。高铁要发挥最大的效用,第一要素是必须联网,相对一条有一条孤零零的线路,联网的高铁效能会称几何倍数增长。但是,在技术上磁悬浮天生就是为点对点的运输而生,因为变轨的技术难度非常大,所以磁悬浮很难联网。常导磁悬浮技术,列车是抱轨的所以很难变轨,超导磁悬浮是在U型槽内运行,更难变轨。难以变轨还带来另外一个困难,那就是救援。中国上海浦东机场线磁悬浮列车,曾经发生过一次火灾事故,一周之后才将事故列车拖走。这也是磁悬浮列车的一个命门。


国内外中低速磁悬浮列车的应用

相比高速磁悬浮列车,中低速磁悬浮列车的应用状况要好不少。国内的长沙磁悬浮、韩国的仁川线和日本的东部丘陵线(Linimo线)都是已经投入商业运营的中低速磁悬浮列车线路。


长沙线磁悬浮

日本东部丘陵线(Linimo线)


仁川磁悬浮线


比起造价昂贵的高速磁悬浮列车,中低速磁悬浮列车的优点十分明显:

首先,因为中低速磁悬浮列车对技术要求没有高速磁悬浮那样高,建设中低速磁悬浮的成本不太高。


其次,中低速磁悬浮由于爬坡能力强,转弯半径小,而且噪音低,非常适合城市内部交通线运行,对环境影响小,节能环保。


第三,对于相对简单的城市轨道交通线,变轨能力不足也不会影响运营效果,而不论是抱轨的德国磁悬浮还是被轨道抱着的日本磁悬浮,安全问题都可以得到很好的保障。


当然,相对于轮轨技术,高速磁悬浮未来的提速潜力和其低噪音的特点可能使其未来重新受到重视而得到大力发展。而高速磁悬浮技术的研究也并未停止。


中国未来磁悬浮发展的趋势

中国很多地方都有兴建中低速磁悬浮运营线路的计划,有的已经开始动工兴建。由于我国已经掌握了中低速磁悬浮列车的知识产权,相信在中国城市交通内需的强劲带动和我国铁路研发部门的努力下,中国在“十三五”期间,一定会有更多经济实用的中低速磁悬浮试验线问世。


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