160 km/h 磁浮列車設計及應用研究

佟來生，胡 偉，鄧江明

（中車株洲電力機車有限公司，湖南株洲 412001）

1 概述

常導短定子直線電機牽引磁浮列車具有乘坐安靜舒適、振動小、環境友好等特點[1-2]。目前，世界上采用該制式的商業運營線路一共有4條，分別為：日本愛知線、韓國大邱線、我國的長沙磁浮快線和北京S1線，在建的線路有2條，分別為：廣州清遠線和鳳凰磁浮線[3]。這些線路的磁浮列車速度均不大于100 km/h，適用于城市內部、旅游景區等區域長度不大于30 km的城市軌道交通線路，站間距宜為3～5 km[4]。隨著我國城市群的發展，研制適用于城市群之間、市區到景區、旅游專線等多種交通線路，速度在120～160 km/h的常導短定子磁浮列車是社會發展需要和技術發展的必然趨勢[5]。中車株洲電力機車有限公司研制的160 km/h磁浮列車于2018年6月下線，該列車在長沙磁浮快線列車技術基礎上，重點對牽引、受流、懸浮、懸浮架、車體等關鍵子系統進行了創新。本文重點對車輛總體及各主要子系統的技術特點進行詳細介紹，以期為后續磁浮車輛設計及城市軌道交通系統建設提供有益的參考。

2 列車總體技術特點

2.1 車輛編組

160 km/h磁浮列車采用3節編組，= Mc1－M－Mc2 =（“=”為全自動車鉤，“－”為半永久車鉤，“Mc”為帶司機室的端車，“M”為不帶司機室的中間車），具體如圖 1所示。列車通過安裝在軌道兩側的正負2條受流軌供電，電壓為DC1500V，網壓變化范圍為DC1000～1800V。

2.2 主要技術參數

160 km/h磁浮列車主要技術參數如表1所示。

表1 主要技術參數表

2.3 載客量

列車各工況下的載客量如表2所示。

表2 列車各工況下的載客量 人

2.4 列車動力性能參數

（1）列車運行速度。列車最高運行速度160 km/h，列車連掛速度3 km/h。

（2）列車牽引特性。列車在AW2載荷狀態下，平直干燥軌道，平均啟動加速度（0～70 km/h）不小于0.8 m/s2，平均加速度（0～160 km/h）不小于0.4 m/s2。

（3）列車制動特性。列車在各種載荷狀態下，平直干燥軌道，常用制動平均減速度（160～0 km/h）不小于0.8 m/s2，緊急制動平均減速度（160～0 km/h）不小于1.0 m/s2。

列車的牽引制動特性曲線如圖2所示。

3 車輛機械系統

3.1 車體

車體采用鋁合金全焊接框架+復合材料結構，由頂蓋、側墻、底架、端墻、司機室骨架5大模塊組成，除車頂采用鋁板和PET泡沫的三明治夾芯復合材料外，其他部分采用6000系鋁合金型材，車體設計的縱向壓縮力為350 kN，縱向拉伸力為280 kN。車體結構及靜強度情況如圖3所示。

3.2 內裝

內裝采用碳纖維、聚碳酸酯、芳綸蜂窩等新型材料實現輕量化，如圖4所示。

3.3 懸浮架

每節車輛的懸浮架由5個基本結構相同的懸浮架單元、導向結構、滑臺裝置等組成，為提升運行時的橫向平穩性，在懸浮架每個固定滑臺處增加了橫向減振器。懸浮架單元充分利用部件強度、部件功能集成、優化組裝結構等措施，將各種安裝座集成到縱梁上，使懸浮架零部件總數量減少1/3，降低懸浮架組裝難度，同時提高了產品精度。懸浮架單元如圖5所示。

3.4 制動系統

列車制動模式包括：常用制動、快速制動、緊急制動、非常制動。160 km/h磁浮列車采用電制動與機械制動相結合的方式。常用制動和快速制動模式下，采用電制動優先，不足部分由液壓制動補足；緊急制動和非常制動模式下，采用純液壓制動。制動系統原理如圖6所示。

EBCU根據MVB傳輸的級位進行整車制動力計算，并將所需施加的電制動力發送給TCMS。TCMS根據接收到的電制動請求值和自身能力施加電制動力，同時，將電制動值反饋給EBCU。EBCU根據總制動力和接收的電制動力值做減法，進行液壓制動的補充，平均分配至各車。

4 車輛電氣系統

4.1 牽引系統

牽引系統主要由直線感應電機、高壓分線箱、高壓電器柜、電抗器、牽引逆變器、受流器組成，如表3所示。

表3 牽引系統設備 個

列車牽引電機采用短定子直線異步電機，為達到160 km/h運行速度要求，對電機結構進行了重新設計，電機應力與應變符合設計要求[6]，如圖7所示，表4 為直線感應電機強度有限元仿真結果。

表4 直線感應電機強度有限元仿真結果

4.2 測速系統

測速系統采用“計數軌枕”的方式，渦流傳感器經過金屬軌枕時產生脈沖信號，傳感器位置固定，不同傳感器得到脈沖具有時間差，從而得到車輛速度，供車輛牽引系統、制動系統使用。測速裝置由測速控制機箱及傳感器安裝板2個部分組成，測速控制機箱安裝在司機操作臺內，傳感器安裝板安裝在車輛底部。測速系統如圖8所示。

4.3 受流器

為滿足列車160 km/h的運行需求，三軌剛性受流器采用氣動緩沖弓頭和彈性拉桿設計，提升了受流器應對高頻振動的能力，從而保證受流器的穩定受流和工作的安全性，受流器與供電軌的接觸壓強分布如圖9所示。

4.4 輔助供電系統

輔助供電系統主要由3AC380V輔 助 變 流 器、DC330V電 源、DC330V蓄電池組、DC110V充電機及110V蓄電池組等組成，如圖10所示。輔助變流器具有功率大、體積小、重量輕的特點，通過冗余實現故障情況下的應用。

5 懸浮系統

隨著列車運行速度的提高，端部電磁鐵渦流效應加劇，端部電磁鐵懸浮力下降，具體變化趨勢如圖11所示。為避免因端部電磁鐵出現過流，160 km/h磁浮列車電磁鐵增加1個線包用于補償因渦流引起的懸浮力下降，即端部電磁鐵采用三線包替代目前的兩線包形式，其結構如圖12所示。同時，每節車最大懸浮能力由33 t提升到35 t。

6 試驗

2019年8月開始， 160 km/h磁浮列車開始在長沙磁浮快線進行牽引、懸浮、運行平穩性、受流等關鍵性能測試。 2020年4月28日，列車測試速度達到160 km/h，各項性能指標均滿足設計要求，測試結果如表5所示。

表5 受流器裝車測試結果

7 結語

長沙磁浮快線項目的成功實踐使我國成為第三個將短定子直線電機牽引磁浮交通投入商業化運營的國家，為城市公共交通提供了一種新的系統解決方案，對推動我國磁浮交通的發展具有重大意義。160 km/h短定子直線電機牽引磁浮車輛的成功研制豐富了短定子直線電機牽引磁浮車輛技術體系，提升了我國磁浮交通產業鏈及科研攻關能力。目前，該車已在長沙磁浮快線進行140 km/h商業運營，狀態良好。未來隨著車輛系統集成能力的提升和部件技術的進步，短定子磁浮列車突破160 km/h、實現更高速度工程化應用亦有可能。