磁浮交通技术的发展及应用现状简述

金 鑫

(西南交通大学土木工程学院， 四川成都 610031)

1 磁浮交通概述

进入21世纪以来，我国城市化进程不断加快，城市人口快速增长，产生了极大的客运交通需求，这也促使我国轨道交通飞速发展。磁浮交通作为一种采用无直接接触电磁悬浮、导向及驱动的新型轨道交通型式，由于其噪声低、平稳性好、安全性高、环保节能以及适应能力强等方面的优势，在城市轨道交通中脱颖而出，成为一种极具竞争力的绿色地面交通工具[1]。

1.1 磁浮列车悬浮原理

磁浮列车利用电磁铁产生的强大电磁吸力或斥力悬浮，并通过直线电机产生的牵引力驱动前进。目前按照车辆悬浮原理及方式不同，磁浮铁路可分为常导电磁悬浮EMS (Electromagnetic Suspension)、超导电动磁悬浮EDS (Electrodynamic Suspension)、永磁悬浮PMS (Permanent Magnetic Suspension)三种形式[2](图1～图3)。其中常导电磁悬浮采用常温导体材料作为电磁铁绕组线圈，产生导向力和悬浮力，优点是结构简单、维护方便，缺点是由于材料电阻较大，电流损耗大，产生的电磁力小，悬浮高度较小(一般为8～12 mm)。常导电磁悬浮一般采用列车两边包住轨道的形式，通过列车车体底部的常规电磁体与位于电磁体上方的导磁轨道间的吸引力实现悬浮，常导电磁浮型又分为高速磁浮、中低速磁浮两大类，高速磁浮列车的速度可达400～500 km/h。超导电动悬浮采用超导材料，将材料降到极低的温度以达到超导状态，接近零电阻，由于电流损耗小，电磁铁功率较大，理论悬浮高度可达100 mm，缺点是会产生强磁场。超导电动悬浮一般采用轨道包住列车形式，利用列车与轨道间产生的排斥力悬浮，可实现列车高速运行(500 km/h以上)。永磁浮型(PMS)：作为一种新的磁浮技术，又称磁浮飞机，悬浮高度80～150 mm，速度可达550 km/h。尤其是永磁体的使用比起超导悬浮列车更经济，不需要超低温制冷，简化了磁浮列车系统，同时也使磁浮系统更可靠，原理更简单，建造更方便。

图1 常导电磁悬浮EMS示意

图2 超导电动悬浮EDS示意

图3 永磁悬浮PMS示意

1.2 磁浮系统特点

磁浮交通系统是一种与轨道无接触的地面交通系统，磁浮列车的悬浮及导向功能是悬浮侧架上的电磁铁产生的电磁力进行主动控制的，因而磁浮列车在运行时不存在与轨道间的接触问题，也避免了传统轮轨列车依靠轮轨接触实现牵引带来的弊端。相比于传统的轮轨列车，磁浮列车具有以下特点[1、3]：

(1)行驶安全性好，磁浮列车采用抱轨运行的方式，不存在脱轨问题，安全可靠。

(2)噪声低，运行平稳，列车不与轨道直接接触，没有轮轨撞击和摩擦，振动和噪声小，乘坐舒适性好。

(3)转弯半径小、爬坡能力强，适应于城市狭窄地域，线路适应能力强。

(4)运行速度高，加减速性能好，提速空间很大，最高速度可达500 km/h。

(5)磁场强度低，远低于家用电器，电磁污染小。

目前，磁浮列车按照运营速度可分为高速磁浮列车及中低速磁浮列车，高速磁浮列车最高运行速度可达500 km/h以上，比轮轨高速列车的速度还要快，主要适用于长达干线和城际交通；中低速磁浮列车最高运营速度一般在100 km/h左右，适用于城市轨道交通。

2 国内外磁浮列车发展现状

磁浮列车技术的研究与开发可以追溯到20世纪60、70年代，主要集中在德国和日本，前者致力于开发高速EMS磁浮列车，后者既着力于高速EDS磁浮列车，也发展适合城市轨道交通用的低速EMS磁浮列车。

2.1 高速磁浮列车

目前，高速磁浮列车主要以德国TR系列以及日本MLX系列磁浮列车为代表。

20世纪60年代，德国Krauss Maffei公司采用短定子直线电机列车驱动技术，研制出了一个80 kg重的磁浮列车模型TR01号，并以此为基础，先后研制出TR02、TR03号实验列车，并于1979年推出了采用独立电磁铁控制的Transrapid 05磁浮列车。TR05号磁浮列车被用在汉堡国际交通博览会900 m长的线路上以75 km/h速度表演运行，极大地推动了德国磁悬浮高速运输系统的发展[4]。1999年德国完成了用于实际的应用型列车TR08，如图4(a)所示。2003年开通的中国上海高速磁浮是世界上第一条采用该技术的世界上第一条商业运营线路，如图4(b)所示，至今已成功运营十余年。德国在常导电磁悬浮EMS高速列车的研发上居于世界领先地位。

1972年，日本国铁JNR(Japanese National Railways)研制出短定子直线电机驱动的ML100型磁浮列车。1977年，建成长7 km采用倒T型轨道的宫崎试验线。1979年，不载人ML500型试验车在宫崎线上创造了517 km/h的世界纪录。1993年，由政府出资的山梨试验线建成。1997年，日本超导准商业运行磁浮车MLX01在该线上达到了550 km/h的运行记录(图4(c))，迎面会车相对速度达到1 003 km/h，创下地面交通世界纪录。日本超导磁浮列车与常导磁浮列车不同之处在于其必须达到一定速度才能悬浮，意味着不能做到静悬浮状态，这也一定程度上制约了发展。

(a)德国TR系列

(b)上海高速磁浮

(c)日本MLX系列

2.2 中低速磁浮列车

日本航空公司JAL(Japan Airlines Corporation)着力研制常导中低速磁浮列车HSST(High Speed Surface Transport)，以用于市区到机场的快速交通。1975年，日航成功研制出采用电动悬浮方式的HSST-01型磁浮试验车辆，后继推出了HSST-02、HSST-03磁浮列车进一步优化列车的悬挂及控制性能。1989年，日本研制成功HSST-05型试验车辆，开始转向应用型磁浮技术。1991～1995年，日本在新建成的大江线上实验了面向应用的HSST-1005型磁浮车，其最高运行速度达到130 km/h，通过长时间的测试试验表明日本HSST磁浮铁路系统己经具备进入实用阶段的条件。2005年，日本修建了TKL线，用于爱知世博会期间爱知到名古屋之间的旅客运输，所用的Linimo型磁浮车即沿用HSST-100L的技术(图5(a))。TKL线的成功运营，标志着中低速磁浮列车技术进入商业运营阶段。

我国对于磁悬浮技术的研究，始于20世纪80年代，以国防科技大学、西南交通大学和中科院电工所等单位为代表，主要集中于研制常导电磁悬浮EMS型磁浮列车。1989年，国防科大成功研制我国第一台磁浮模型样车。1994年，西南交大成功研制出4座位，自重4 t，悬浮高度8 mm的磁浮实验列车[5]。1995年，研制成单转向架磁浮列车系统，可载40多人。在北京控股公司的资助下，1999年磁浮列车中试基地在长沙国防科大落成，包括一段204 m试验线路和一辆CMS-03型磁浮车。2000年，西南交通大学研制成功世界上第一辆载人高温超导磁悬浮实验车。2006年，青城山中低速磁悬浮试验线在四川省都江堰市建成并联调成功，全长419.925 m，最高时速在80～160 km/h之间。2010年，唐山中低速磁悬浮轨道试验线建成，全长1 547 m，能够全面检测列车在城市轨道直线、弯道、大坡度等情况下行驶的优越性。2016年，我国第一条自主设计、自主制造、自主施工、自主管理的中低速磁悬浮运营线——长沙中低速磁浮工程正式通车运营(图5(b))。2017年底，北京中低速磁浮S1线开通试运营(图5(c))。

(a)日本HSST系列

(b) 长沙磁浮列车

(c) 北京S1线磁浮列车

3 磁浮轨道梁的发展与分析

考虑到低置结构对环境的影响较大，而隧道造价高，普遍认为磁浮线路适合以高架桥梁形式修建。在整体磁浮系统中，轨道梁造价约占整体的60 %，承受列车荷载并引导磁浮列车前进，作为主要的承重和传力结构，轨道梁结构设计就显得尤为重要。

目前，磁浮高架轨道梁发展还处于初级阶段，结构体系、施工技术等还不完善，建成的磁浮线路采用的桥梁型式较为简单，以简支梁和小跨度连续梁为主。箱型界面由于其抗扭刚度大，动力特性好等优势，被高架磁浮线路广泛采用。德国Emlsand高速磁浮试验线轨道梁主要采用两种型式：一是跨径25 m和31 m的简支或双跨连续梁，有预应力混凝土箱梁和钢梁两种；二是跨径12 m的简支预应力混凝土梁。上海浦东高速磁浮在参考德国试验线轨道梁结构的基础上，采用钢混混凝土复合梁、钢复合梁、桥上轨道梁等结构型式，梁型主要包括简支梁及简支变连续两种形式，桥墩大多采用加有横系梁的门式框架结构[6]。对于中低速磁浮轨道梁而言，由于其独特的抱轨运行模式，日本名古屋爱知中低速磁浮线轨道梁跨度主要分布在15～30 m之间，截面为一般箱型截面；我国唐山低速磁浮线采用的为圆弧底板箱形截面，在支点位置处再对箱体底板进行加宽的结构形式；湖南株洲中低速磁浮试验线以20 m简支梁为主，主梁采用为矩形截面。

对于磁浮轨道梁刚度，国内外规范均采用“挠跨比”作为评价指标，但是具体限值有所区别。表1给出了部分现行磁浮及铁路桥梁设计规范中的桥梁竖向挠跨比限值，可以看到各现行规范对桥梁竖向挠跨比限值相差很大，与普通铁路桥梁及高速铁路简支梁桥相比，磁浮线路轨道梁要求严格的多；而高速磁浮轨道梁与中低速磁浮轨道梁相比，高速磁浮轨道梁的刚度要求更高；国外高速铁路竖向刚度的要求比我国规定的更严。

表1 部分现行规范中桥梁竖向挠跨比限值

综上所述，目前磁浮轨道梁在结构设计和选型方面有如下特点：梁型以跨度20～30 m的简支梁及小跨度连续梁居多，主梁截面以箱型为主，具体形式各国存在差异，轨道梁材料以混凝土为主，且目前磁浮轨道梁设计标准并不完善，各国存在较大差异。图6所示为国内外部分磁浮线轨道梁截面构造型式。

4 我国的应用现状及前景分析

目前，我国商业运行的磁浮线路包括2003年建成的上海高速磁浮以及2015年、2017年建成长沙、北京两条中低速磁浮线路。上海高速磁浮采用德国TR列车技术，连接浦东国际机场和龙阳路站，总长31.17 km，单线运行时间8 min，最高运行速度为431 km/h，是世界上速度最快的商业营运列车。长沙磁浮快线是我国第一条自主设计、施工的磁浮线路，连接黄花机场和长沙南站，全长18.55 km，最高运行速度为100 km/h，单线运行时间20 min。北京S1线，作为北京磁浮交通运营示范线，由苹果园到门头沟石门营，全长10.2 km，最高速度为120 km/h，单程运行10 min，已于2017年底开通试运行。

(a)唐山磁浮试验线

(b)日本名古屋-爱知线

(c)德国Emlsand磁浮线

(d)上海浦东磁浮线

然而，作为世界上唯一一条商业运行的高速磁浮线路，上海浦东磁浮线一直处于大幅亏损状态，沪杭高速磁浮项目被无限期搁置，高速磁浮的全球推广显得异常艰难。相比而言，时速100 km左右的中低速磁浮由于安全舒适、环保、快捷、便于维修养护等优点更适合城市轨道交通。除北京、长沙外，国内许多城市也对磁浮技术表现出浓厚兴趣，相继规划建设磁浮线路。

在看到中低速磁浮广阔应用前景的同时，也要注意磁浮交通存在的不足。当前磁浮列车多以三节车辆编组且车身较短，与地铁列车相比，在运量上存在劣势，后期应着重提高载客量方面的研究，以及相应而来悬浮系统控制及线路适应性问题。磁浮轨道梁结构设计研究以及相应规范还不完善，需要加大对磁浮轨道梁现场试验以及轨道梁控制限值的研究。