我国磁悬浮轨道交通自主研制之路

2015-12-29 09:26 行业报道   来源:轨道交通

导读作为世界上第三条商业运行的中低速磁浮列车线路,也是目前全球最长的一条中低速磁浮客运线路,这条承载着我国紧跟并超越世界尖端轨道交通水平的“梦想列车”,更承载着西南交通大学几代科研工作者30年来敦笃励志、果毅力行的磁浮交通工程化之路。  

12月26日,我国轨道交通事业迎来历史性一刻:中国首条完全自主设计、自主制造、自主施工和管理的中低速磁悬浮商业运营示范线“长沙磁浮快线”正式试运行。

作为世界上第三条商业运行的中低速磁浮列车线路,也是目前全球最长的一条中低速磁浮客运线路,这条承载着我国紧跟并超越世界尖端轨道交通水平的“梦想列车”,更承载着西南交通大学几代科研工作者30年来敦笃励志、果毅力行的磁浮交通工程化之路。

从1986年,西南交通大学召开磁浮技术与磁浮列车研究大会,确定磁浮技术科学研究方向,起动磁浮技术研究;到1994年,研制成功我国首台4吨载人磁浮车系统,实现我国在磁浮列车悬浮、导向和驱动等系统首次突破。

从2006年“青城山磁浮列车工程试验线”实现中低速磁浮车工程试验线联调,到全面参与上海、株洲中低速磁浮列车的研制;再到如今,主导“长沙磁浮快线”磁浮列车悬浮控制系统、直线电机驱动系统、悬浮架结构等科研攻关。

30年来,西南交通大学从零起步到全面掌握磁浮交通系统工程化技术,形成可推广应用能力,走出了一条我国磁浮轨道交通自主研制之路。

从“漂起”小铁球到悬浮数吨列车

磁浮列车是20世纪的一项技术发明,其原理并不深奥:它运用磁铁“同性相斥,异性相吸”的性质,使磁铁具有抗拒地心引力的能力,即“磁性悬浮”。科学家将“磁性悬浮”运用在铁路运输系统上,使列车完全脱离轨道而悬浮行驶,成为“浮”在空中的列车,这就是“磁浮列车”。

早在1986年,西南交大就率先召开了磁浮技术与磁浮列车技术研究大会,成为国内较早启动该领域研究的高校科研单位。在1988年,交大磁浮团队完成了单自由度铁球悬浮实验,对电磁吸力悬浮原理有了本质的认识。

今年82岁的连级三教授,如今已是我国磁浮领域的著名专家,作为那次“铁球悬浮实验”的亲历者,他回想起当年的研究起步不无感慨:“一个铁球仅重几十克,而小球也仅浮在空中8至10毫米。这看似不起眼,但电流是波动的、磁力是波动的,要让铁球相对稳定悬浮,就必须有一个控制系统不断地调整。在当时完全从零起步、实验条件比较简单的情况下,科研人员做了很多基础工作。”

而西南交大的磁浮交通攻关也正是从这个“漂浮”铁球,迈出了第一步。

1990年,交大磁浮团队研究成功了由4台小电磁铁构成的磁浮模型车,并实现了模型车的稳定悬浮和基于直线电机的驱动。

1994年10月,连级三教授带领的研究团队成功地研制出了我国第一辆可载人4吨磁浮车及其试验线,并实现了系统的稳定悬浮与运行,这是我国在磁浮列车领域的首次突破,标志着我国开始拥有自主知识产权的磁浮列车技术。该项目1996年通过科技成果鉴定,并获该年度铁道部科技进步二等奖和1997年度国家科技进步三等奖。

此后,西南交通大学开始正式启动磁浮列车的工程化研究:1997年3月,青城山磁浮车工程试验线的可行性研究通过国家科委工业科技司组织的专家评审;1998年,青城山磁浮列车工程试验示范线工程立项,并开始筹备建设青城山磁浮列车工程试验线;2001年,开始动工修建长430m的青城山磁浮列车工程试验线。

期间在铁道部、教育部、科技部等部门关注支持下,在两期国家863磁浮交通系统重大专项支撑下,西南交大先后完成了中低速磁浮列车的车辆结构设计、轨道及线路设计、悬浮控制器研制、悬浮传感器研制、电磁铁设计、直线电机设计等一系列全面可行的磁浮列车相关技术——2006年4月30日,我国磁浮交通科研又一次在西南交大取得进展:采用三悬浮架结构,长11.2米,宽2.6米,高3.3米,轨距1700mm的“青城山中低速磁浮车工程实验线”联调成功,一辆具有自主知识产权的中低速磁浮列车实地正式实验运行,这标志西南交大初步掌握磁浮列车系统设计技术,验证并初步掌握中低速磁浮交通系统关键技术,为以后的中低速磁浮车工程化和应用打下必要的技术基础。

至此,历经数年持之以恒的探索研究,“磁浮列车”这个过去仅停留在理论上的“空中花园”,终于在我国初步具备产业化的能力。

瞄准产业前沿助推“中国磁浮”之路

磁浮列车,由于摆脱了轮轨关系的限制,具有了快速、低噪和环境适应性强等独特优势,也是世界交通强国竞争制高点之一。自20世纪60年代以来,以德国和日本为代表的发达国家无不竞相启动该领域研究,2005年日本8.9千米中低速磁浮商业线路通车运营,其高速磁浮运营线也正在建设中。

面对激烈国际竞争,在完成了理论研究与原理试验、系统研究与功能试验两个科研阶段后,未来我国自己的“磁悬浮”该怎么建、又如何走?西南交通大学再次“领命”。而与过去的埋头“实验室”做基础攻关不同,这一次交大磁浮团队将攻关目标瞄准在了产业需求“第一线”。

在联合企业推进中低速磁浮列车工程化中,西南交大于2005年,就与上海磁浮交通工程技术中心签订了“上海城轨磁浮列车车辆总体设计”合同,并于次年3月又签订了“上海低速(城轨)磁浮交通试验线工程悬浮控制设备供货及服务”合同,全面参加上海城轨磁浮试验线磁浮列车研制。该试验列车为三节编组,为全新结构设计并创下多个“首次”:国内首次采用整体电磁铁结构,首次采用五悬浮架结构,首次采用DC330V悬浮电源,首次采用三选二悬浮传感器,列车最高运行速度100km/h。

2008年和2009年,西南交大又与中国南车股份有限公司签订“中低速磁浮交通系统方案设计研究”合同,与南车株洲电力机车有限公司签订“中低速磁浮列车方案设计研究”合同。攻关中,交大团队在系统设计首次提出了适用于中国国情的1860mm轨距和2800mm车宽。这标志着西南交通大学在联合企业推进中低速磁浮列车产业化的工作中又迈进一步。

为进一步推动中低速磁浮列车工程化,交大与南车株洲电力机车有限公司于2011年又签订了“常导短定子异步驱动悬浮架试验车悬浮控制系统研制”和“常导短定子异步驱动中低速磁浮列车系统设计与试验研究”合同;于2011年签订了“常导短定子异步驱动中低速磁浮列车悬浮控制系统”,全面参加了株洲中低速磁浮列车的研制。2012年1月20日,中低速磁浮列车在南车株洲电力机车有限公司内下线,这是一条按商业运行条件设计的磁浮列车及试验线路,磁浮列车运行速度100km/h,能适应试验线各种曲线及坡道的要求。

为推动中低速磁浮交通的发展与应用,2013年由钱清泉院士牵头的中国工程院“中低速磁浮交通技术与系统发展战略研究”项目立项,项目研究汇聚国内磁浮领域的院士专家,包括电气工程学院和牵引动力实验室相关专家教授,对我国中低速磁浮交通的发展战略进行了深入研究,论证了我国发展中低速磁浮必在性和战略意义,进一步推动了长沙中低速磁浮工程应用线的建设。

“正是这一系列与企业的合作,以及国内磁浮专家的联合,使我们慢慢找到了符合我国国情、交通需求特点的中低速磁悬浮产业化应用之路。”西南交通大学电气工程学院张昆仑教授,是磁浮技术与磁浮列车教育部重点实验室副主任,也是西南交大中低速磁浮列车项目的负责人。在他看来,紧跟产业需求“第一线”不断攻关与突破,成功为我国首条中低速磁浮列车的商业应用提供了保障。

据了解,26日试运行的长沙高铁南站至黄花机场的18.55km“长沙磁浮快线”采用了此前西南交大与南车株洲电力机车有限公司研制的中低速磁浮列车系统技术,该列车悬浮系统核心技术由西南交通大学提供。

“比如长沙磁浮列车运营线,是目前国内外最长的中低速磁浮列车运营线,磁浮列车悬浮控制系统在适应列车在库线、直线、道岔、70‰坡道、50米半径曲线,以及各种轨道接缝等不同线路条件下实现平稳悬浮。这就需要理论结合实践的不断摸索。”他以团队独创的“电磁悬浮控制系统技术”举例说,过去的金属球是单点悬浮,如今总重20顿的列车要保持8毫米的稳定悬浮,每列车都设有60悬浮控制器,要保证悬浮稳定,涉及到系统设计、电磁兼容、控制理论和控制算法等技术问题;而针对道路的直线、道岔、坡道和轨缝等问题,“间隙传感器”,需要每秒钟感应数千次甚至上万次道路情况,并传输给悬浮控制系统进行调整。

不懈追求打造“交大磁浮”名片

此次“长沙磁浮快线”的试运行,标志着历经30年的不懈追求,西南交通大学磁浮技术已经成熟,并已率先走向工程化,“交大磁浮”已真正成为西南交通大学的名片。

目前,西南交大已参与建立了中低速磁浮交通工程的基础、通用和专用等三类标准体系,参与颁布了《中低速磁浮交通车辆通用技术条件》、《中低速磁浮交通轨排技术条件》等国家、行业标准5项;《中低速磁浮交通设计规范》、《中低速磁浮交通运行控制技术规范》等相关国家、行业标准亦将陆续颁布;拥有授权专利 259项,其中发明专利114项,实用新型专利145项。

此外,我国另一种最有可能商用、采用新型悬浮架和连续直线电机概念和运行时速达140公里的中低速磁浮列车,拟在上海临港1.7公里的中低速磁浮列车系统试验线进行试验,也将采用西南交大的多项核心成果。

而为了进一步扩大磁浮技术的影响力,培养相当规模的磁浮技术相关人才,西南交通大学已于2000年设立了“磁浮与城市轨道交通自动化”本科生专业方向并开始招收本科生;2004年,西南交通大学电气工程学院申报并获批准自主设置“电磁悬浮与超导工程”硕士点和博士点,至此建立了国内唯一的从本科、硕士到博士的磁浮技术的人才培养体系。

目前,在钱清泉院士牵头下,西南交大正组织电气工程学院和牵引动力实验室的研究团队,联合同济大学团队和深圳大学团队,开展高速磁浮交通技术战略研究。在已掌握中低速磁浮交通核心技术、特殊技术、试验验证技术和系统集成技术的基础上,进一步开展高速磁浮交通系统技术研究,主要包括真空管道轨道交通技术、高温超导磁浮列车技术研究和电动斥力磁浮列车技术研究等。西南交通大学正在磁浮列车系统设计与集成、轨道与线路设计、牵引与供电系统设计与制造、通信信号系统装备设计与制造、工程建设与管理等方面,形成完整的磁浮交通产业发展能力。

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