磁浮交通技術的發展及應用現狀簡述

金 鑫

(西南交通大學土木工程學院， 四川成都 610031)

1 磁浮交通概述

進入21世紀以來，我國城市化進程不斷加快，城市人口快速增長，產生了極大的客運交通需求，這也促使我國軌道交通飛速發展。磁浮交通作為一種采用無直接接觸電磁懸浮、導向及驅動的新型軌道交通型式，由于其噪聲低、平穩性好、安全性高、環保節能以及適應能力強等方面的優勢，在城市軌道交通中脫穎而出，成為一種極具競爭力的綠色地面交通工具[1]。

1.1 磁浮列車懸浮原理

磁浮列車利用電磁鐵產生的強大電磁吸力或斥力懸浮，并通過直線電機產生的牽引力驅動前進。目前按照車輛懸浮原理及方式不同，磁浮鐵路可分為常導電磁懸浮EMS (Electromagnetic Suspension)、超導電動磁懸浮EDS (Electrodynamic Suspension)、永磁懸浮PMS (Permanent Magnetic Suspension)三種形式[2](圖1～圖3)。其中常導電磁懸浮采用常溫導體材料作為電磁鐵繞組線圈，產生導向力和懸浮力，優點是結構簡單、維護方便，缺點是由于材料電阻較大，電流損耗大，產生的電磁力小，懸浮高度較小(一般為8～12 mm)。常導電磁懸浮一般采用列車兩邊包住軌道的形式，通過列車車體底部的常規電磁體與位于電磁體上方的導磁軌道間的吸引力實現懸浮，常導電磁浮型又分為高速磁浮、中低速磁浮兩大類，高速磁浮列車的速度可達400～500 km/h。超導電動懸浮采用超導材料，將材料降到極低的溫度以達到超導狀態，接近零電阻，由于電流損耗小，電磁鐵功率較大，理論懸浮高度可達100 mm，缺點是會產生強磁場。超導電動懸浮一般采用軌道包住列車形式，利用列車與軌道間產生的排斥力懸浮，可實現列車高速運行(500 km/h以上)。永磁浮型(PMS)：作為一種新的磁浮技術，又稱磁浮飛機，懸浮高度80～150 mm，速度可達550 km/h。尤其是永磁體的使用比起超導懸浮列車更經濟，不需要超低溫制冷，簡化了磁浮列車系統，同時也使磁浮系統更可靠，原理更簡單，建造更方便。

圖1 常導電磁懸浮EMS示意

圖2 超導電動懸浮EDS示意

圖3 永磁懸浮PMS示意

1.2 磁浮系統特點

磁浮交通系統是一種與軌道無接觸的地面交通系統，磁浮列車的懸浮及導向功能是懸浮側架上的電磁鐵產生的電磁力進行主動控制的，因而磁浮列車在運行時不存在與軌道間的接觸問題，也避免了傳統輪軌列車依靠輪軌接觸實現牽引帶來的弊端。相比于傳統的輪軌列車，磁浮列車具有以下特點[1、3]：

(1)行駛安全性好，磁浮列車采用抱軌運行的方式，不存在脫軌問題，安全可靠。

(2)噪聲低，運行平穩，列車不與軌道直接接觸，沒有輪軌撞擊和摩擦，振動和噪聲小，乘坐舒適性好。

(3)轉彎半徑小、爬坡能力強，適應于城市狹窄地域，線路適應能力強。

(4)運行速度高，加減速性能好，提速空間很大，最高速度可達500 km/h。

(5)磁場強度低，遠低于家用電器，電磁污染小。

目前，磁浮列車按照運營速度可分為高速磁浮列車及中低速磁浮列車，高速磁浮列車最高運行速度可達500 km/h以上，比輪軌高速列車的速度還要快，主要適用于長達干線和城際交通；中低速磁浮列車最高運營速度一般在100 km/h左右，適用于城市軌道交通。

2 國內外磁浮列車發展現狀

磁浮列車技術的研究與開發可以追溯到20世紀60、70年代，主要集中在德國和日本，前者致力于開發高速EMS磁浮列車，后者既著力于高速EDS磁浮列車，也發展適合城市軌道交通用的低速EMS磁浮列車。

2.1 高速磁浮列車

目前，高速磁浮列車主要以德國TR系列以及日本MLX系列磁浮列車為代表。

20世紀60年代，德國Krauss Maffei公司采用短定子直線電機列車驅動技術，研制出了一個80 kg重的磁浮列車模型TR01號，并以此為基礎，先后研制出TR02、TR03號實驗列車，并于1979年推出了采用獨立電磁鐵控制的Transrapid 05磁浮列車。TR05號磁浮列車被用在漢堡國際交通博覽會900 m長的線路上以75 km/h速度表演運行，極大地推動了德國磁懸浮高速運輸系統的發展[4]。1999年德國完成了用于實際的應用型列車TR08，如圖4(a)所示。2003年開通的中國上海高速磁浮是世界上第一條采用該技術的世界上第一條商業運營線路，如圖4(b)所示，至今已成功運營十余年。德國在常導電磁懸浮EMS高速列車的研發上居于世界領先地位。

1972年，日本國鐵JNR(Japanese National Railways)研制出短定子直線電機驅動的ML100型磁浮列車。1977年，建成長7 km采用倒T型軌道的宮崎試驗線。1979年，不載人ML500型試驗車在宮崎線上創造了517 km/h的世界紀錄。1993年，由政府出資的山梨試驗線建成。1997年，日本超導準商業運行磁浮車MLX01在該線上達到了550 km/h的運行記錄(圖4(c))，迎面會車相對速度達到1 003 km/h，創下地面交通世界紀錄。日本超導磁浮列車與常導磁浮列車不同之處在于其必須達到一定速度才能懸浮，意味著不能做到靜懸浮狀態，這也一定程度上制約了發展。

(a)德國TR系列

(b)上海高速磁浮

(c)日本MLX系列

2.2 中低速磁浮列車

日本航空公司JAL(Japan Airlines Corporation)著力研制常導中低速磁浮列車HSST(High Speed Surface Transport)，以用于市區到機場的快速交通。1975年，日航成功研制出采用電動懸浮方式的HSST-01型磁浮試驗車輛，后繼推出了HSST-02、HSST-03磁浮列車進一步優化列車的懸掛及控制性能。1989年，日本研制成功HSST-05型試驗車輛，開始轉向應用型磁浮技術。1991～1995年，日本在新建成的大江線上實驗了面向應用的HSST-1005型磁浮車，其最高運行速度達到130 km/h，通過長時間的測試試驗表明日本HSST磁浮鐵路系統己經具備進入實用階段的條件。2005年，日本修建了TKL線，用于愛知世博會期間愛知到名古屋之間的旅客運輸，所用的Linimo型磁浮車即沿用HSST-100L的技術(圖5(a))。TKL線的成功運營，標志著中低速磁浮列車技術進入商業運營階段。

我國對于磁懸浮技術的研究，始于20世紀80年代，以國防科技大學、西南交通大學和中科院電工所等單位為代表，主要集中于研制常導電磁懸浮EMS型磁浮列車。1989年，國防科大成功研制我國第一臺磁浮模型樣車。1994年，西南交大成功研制出4座位，自重4 t，懸浮高度8 mm的磁浮實驗列車[5]。1995年，研制成單轉向架磁浮列車系統，可載40多人。在北京控股公司的資助下，1999年磁浮列車中試基地在長沙國防科大落成，包括一段204 m試驗線路和一輛CMS-03型磁浮車。2000年，西南交通大學研制成功世界上第一輛載人高溫超導磁懸浮實驗車。2006年，青城山中低速磁懸浮試驗線在四川省都江堰市建成并聯調成功，全長419.925 m，最高時速在80～160 km/h之間。2010年，唐山中低速磁懸浮軌道試驗線建成，全長1 547 m，能夠全面檢測列車在城市軌道直線、彎道、大坡度等情況下行駛的優越性。2016年，我國第一條自主設計、自主制造、自主施工、自主管理的中低速磁懸浮運營線——長沙中低速磁浮工程正式通車運營(圖5(b))。2017年底，北京中低速磁浮S1線開通試運營(圖5(c))。

(a)日本HSST系列

(b) 長沙磁浮列車

(c) 北京S1線磁浮列車

3 磁浮軌道梁的發展與分析

考慮到低置結構對環境的影響較大，而隧道造價高，普遍認為磁浮線路適合以高架橋梁形式修建。在整體磁浮系統中，軌道梁造價約占整體的60 %，承受列車荷載并引導磁浮列車前進，作為主要的承重和傳力結構，軌道梁結構設計就顯得尤為重要。

目前，磁浮高架軌道梁發展還處于初級階段，結構體系、施工技術等還不完善，建成的磁浮線路采用的橋梁型式較為簡單，以簡支梁和小跨度連續梁為主。箱型界面由于其抗扭剛度大，動力特性好等優勢，被高架磁浮線路廣泛采用。德國Emlsand高速磁浮試驗線軌道梁主要采用兩種型式：一是跨徑25 m和31 m的簡支或雙跨連續梁，有預應力混凝土箱梁和鋼梁兩種；二是跨徑12 m的簡支預應力混凝土梁。上海浦東高速磁浮在參考德國試驗線軌道梁結構的基礎上，采用鋼混混凝土復合梁、鋼復合梁、橋上軌道梁等結構型式，梁型主要包括簡支梁及簡支變連續兩種形式，橋墩大多采用加有橫系梁的門式框架結構[6]。對于中低速磁浮軌道梁而言，由于其獨特的抱軌運行模式，日本名古屋愛知中低速磁浮線軌道梁跨度主要分布在15～30 m之間，截面為一般箱型截面；我國唐山低速磁浮線采用的為圓弧底板箱形截面，在支點位置處再對箱體底板進行加寬的結構形式；湖南株洲中低速磁浮試驗線以20 m簡支梁為主，主梁采用為矩形截面。

對于磁浮軌道梁剛度，國內外規范均采用“撓跨比”作為評價指標，但是具體限值有所區別。表1給出了部分現行磁浮及鐵路橋梁設計規范中的橋梁豎向撓跨比限值，可以看到各現行規范對橋梁豎向撓跨比限值相差很大，與普通鐵路橋梁及高速鐵路簡支梁橋相比，磁浮線路軌道梁要求嚴格的多；而高速磁浮軌道梁與中低速磁浮軌道梁相比，高速磁浮軌道梁的剛度要求更高；國外高速鐵路豎向剛度的要求比我國規定的更嚴。

表1 部分現行規范中橋梁豎向撓跨比限值

綜上所述，目前磁浮軌道梁在結構設計和選型方面有如下特點：梁型以跨度20～30 m的簡支梁及小跨度連續梁居多，主梁截面以箱型為主，具體形式各國存在差異，軌道梁材料以混凝土為主，且目前磁浮軌道梁設計標準并不完善，各國存在較大差異。圖6所示為國內外部分磁浮線軌道梁截面構造型式。

4 我國的應用現狀及前景分析

目前，我國商業運行的磁浮線路包括2003年建成的上海高速磁浮以及2015年、2017年建成長沙、北京兩條中低速磁浮線路。上海高速磁浮采用德國TR列車技術，連接浦東國際機場和龍陽路站，總長31.17 km，單線運行時間8 min，最高運行速度為431 km/h，是世界上速度最快的商業營運列車。長沙磁浮快線是我國第一條自主設計、施工的磁浮線路，連接黃花機場和長沙南站，全長18.55 km，最高運行速度為100 km/h，單線運行時間20 min。北京S1線，作為北京磁浮交通運營示范線，由蘋果園到門頭溝石門營，全長10.2 km，最高速度為120 km/h，單程運行10 min，已于2017年底開通試運行。

(a)唐山磁浮試驗線

(b)日本名古屋-愛知線

(c)德國Emlsand磁浮線

(d)上海浦東磁浮線

然而，作為世界上唯一一條商業運行的高速磁浮線路，上海浦東磁浮線一直處于大幅虧損狀態，滬杭高速磁浮項目被無限期擱置，高速磁浮的全球推廣顯得異常艱難。相比而言，時速100 km左右的中低速磁浮由于安全舒適、環保、快捷、便于維修養護等優點更適合城市軌道交通。除北京、長沙外，國內許多城市也對磁浮技術表現出濃厚興趣，相繼規劃建設磁浮線路。

在看到中低速磁浮廣闊應用前景的同時，也要注意磁浮交通存在的不足。當前磁浮列車多以三節車輛編組且車身較短，與地鐵列車相比，在運量上存在劣勢，后期應著重提高載客量方面的研究，以及相應而來懸浮系統控制及線路適應性問題。磁浮軌道梁結構設計研究以及相應規范還不完善，需要加大對磁浮軌道梁現場試驗以及軌道梁控制限值的研究。