短定子磁浮车辆系统不同轨距分析

曹春伟 张士臣 潘 硕 梁 瑜

（1.中车唐山机车车辆有限公司，唐山 266111；2.中车工业研究院有限公司，北京 100071）

1 短定子磁浮交通简介

随着磁浮技术的发展，磁浮列车技术已步入商业运营阶段。磁浮列车技术能有当今良好的发展形势，与技术上的优势和逐渐成熟程度密切相关。与轮轨列车相比，磁浮列车具有噪音低、爬坡能力强以及转弯半径小等优点，特别适合于城市内部和旅游景区的交通运输[1]。

国内自1984年开始研发短定子磁浮交通系统，目前已建成北京S1线及长沙机场快线两条商业运营线路。北京市中低速磁浮交通示范线（S1线）西起门头沟区石门营站，东至石景山区苹果园站，线路全长10.236km，于2017年12月建成并试运行（不含苹果园交通枢纽站）。该线路初期配属10列6辆编组的磁浮列车，其供应商为中车唐山机车车辆有限公司。长沙磁浮快线（长沙中低速磁浮工程）是服务于湖南省长沙市的一条城市轨道交通线路。长沙磁浮快线自长沙火车南站东广场至黄花机场T1、T2航站楼，全长18.55km，于2016年5月6日正式通车试运营，配属5列3辆编组的磁浮列车。它的供应商为中车株洲电力机车有限公司[2]。

短定子磁浮车辆与传统轮轨车辆类似，由车体、转向架和二系悬挂装置、牵引缓冲装置、悬浮和导向系统、牵引系统（由直线感应电机牵引）、制动系统、车载供电系统以及列车控制系统8个部分组成。车辆系统主要技术参数如表1所示[3]。

从表1可以看出，国内两款短定子磁浮交通系统大部分技术参数相差不多。因为在研发过程中两款车转向架、F轨等核心部件组成均参照日本HSST型磁浮车辆，且主要系统供应商来源一致（株洲所、国防科技大学等）。但是，目前两款交通系统中的车宽和轨距两项重要技术指标存在明显差异。

表1 短定子磁浮列车主要技术参数

2 短定子磁浮列车轨距发展

轨距是轨道交通最重要的技术参数。轨距的不同将影响车辆各项配套基础设施，特别是投资大、建设周期长的车辆试验线设计建设。目前，国内短定子磁浮交通系统市场趋于成熟，不同轨距的存在将对未来试验线与其他基础设施的通用性造成负面影响。因此，系统论证不同轨距对磁浮列车各方面的影响，通过研究得出更适合未来产业发展趋势的轨距参数，以推动短定子磁浮未来的商业化健康发展。

国际范围内，日本与韩国是短定子磁浮交通系统研究较早的国家。在早期的研究工程中，多种不同的车型尝试过不同的轨距与车宽，具体如表2所示

3 国内现存短定子磁浮系统轨距

目前国内已建成3条短定子磁浮试验线，分别为上海磁浮中心临港试验线（轨距1900mm）、中车唐山机车车辆有限公司试验线（轨距2000mm）以及中车株机电力机车有限公司试验线（轨距1860mm）。

表2 日韩两国短定子磁浮列车轨距与车宽发展

我国已建成长沙机场快线（轨距1860mm）和北京S1线（轨距2000mm）两条短定子磁浮商业运营线，在建磁浮运营线广州清远磁浮交通线（轨距1860mm），已立项研究磁浮旅游观光线张家界磁浮线（轨距1860mm）。

4 轨距与车宽关系分析

短定子磁浮车辆仿真分析和试验结果表明，短定子磁浮车辆端部滑台相对于车体横向位移达δ（北京S1线磁浮车辆δ=300mm，长沙机场快线δ=320mm）。车宽-轨距示意图如图1所示。结合导轨防护罩尺寸经验，为了保证足够的运动间隙，应满足(W-G)/2≥δ。根据表3数据分析可知，两种轨距均能适合3m、2.8m及2.6m的车宽。

图1 车宽-轨距示意图

表3 车距与车宽的分析

5 磁浮车辆车厢内地板最大有效面积分析

北京S1线磁浮车辆和长沙机场快线磁浮车辆的最大有效载荷均为35t，因此计算磁浮车辆车厢内地板最大有效面积不考虑座椅的排布和车内电气柜的布置空间，仅计算磁浮车辆车厢内部地板的最大有效面积。该计算均选择中间车作为计算样本。

北京S1线中间车车厢内部地板的最大有效面积为：

式中，S1为北京S1线中间车车厢内部地板的最大有效面积；W1为北京S1线中间车车厢内部车宽；L1为北京S1线中间车车长。

长沙机场线中间车车厢内部地板的最大有效面积为：

式中，S2为长沙机场线中间车车厢内部地板的最大有效面积；W2为长沙机场线中间车车厢内部车宽；L2为长沙机场线中间车车长。

6 轨距对内外轨长度差影响分析

图2是轨距与曲线半径的关系示意图，设R内为内轨道曲线半径，R外为外轨道曲线半径，G为轨距，L内为相同角度下内轨道曲线长度，L外为相同角度下外轨道曲线长度，ɑ为对应轨道曲线长度下的角度，则：

由式（3）可知，在曲线上内外轨长度差与轨距成正比。因此，在相同曲线半径下，采用较小的轨距意味着内外轨长度差更小，且相邻悬浮架之间在通过水平或竖曲线时需要补偿的相对运动量也更小。

图2 轨距与曲线半径的关系示意图

7 轨距对车辆动力学的影响

仿真分析具有相同悬挂参数的短定子磁浮车辆在1860mm和2000mm两种轨距条件下的车辆动力学参数，仿真分析结果如图3和图4所示。从稳态或曲线不同角度来看，1860mm和2000mm两种轨距的迫导向机构的拉杆约束力和悬浮架横移量并无显著差别。轨距不应是动力学需要论证的问题，因为针对不同的轨距，通过合理匹配车辆悬挂参数，车辆都可以获得较好的动力学性能。

8 轨距对车辆运行平稳性的影响

较大的轨距能增加车辆抗侧滚刚度，有利于增加车辆运行稳定性。从车辆动力学的机理来看，车辆运行平稳性与轨距没有实质性关系。车辆运行平稳性反映的是车辆与轨道的动态作用情况，体现的是乘坐舒适性，主要与车辆各个悬挂参数相互之间是否匹配及轨道精度强相关。

图3 1860mm轨距与动力学的关系示意图

图4 2000mm轨距与动力学的关系示意图

鉴于磁浮列车领域目前无成熟的车辆平稳性指标可供参考，因此评判时借鉴轮轨交通领域成熟的GB 5599—85铁道列车动力学性能评定和试验鉴定规范进行评定。该标准中，垂向及横向平稳性指标W＜2.50属于优秀，2.50≤W＜2.75属于良好，2.75≤W＜3.00属于合格。长沙机场快线试验数据如表4所示。

由表4可以看出，平稳性指标最恶劣情况为AW0载荷时速100km/h时，头车最端部测点W=2.41，在标准优秀范围内。表5为北京S1线AW0载荷平稳性试验数据。由表5可以看出，平稳性指标最恶劣情况为AW0载荷速80km/h时，第二车测点W=2.00，在标准优秀范围内。综上所述，两种轨距车辆均达到GB 5599—85要求，运行平稳性指标优秀。

9 对于短定子磁浮列车轨距发展的判断

通过分析两款车型，可以总结出以下几点。第一，从日韩两国的发展来看，短定子磁浮列车轨距和车宽等尺寸在逐渐变小。第二，从产业发展角度，与2000mm轨距相比，目前国内在1860mm轨距方向的技术资源更为丰富，1860mm轨距的市场订单更多。第三，短定子磁浮列车现存两种轨距均能适配2.6～3m宽车体，目前车辆承载能力主要受制于车辆悬浮能力（35t）。第四，更窄的轨距有利于提升磁浮列车理论极限运动学性能，如小曲线通 过等。

目前，两种轨距车辆均能实现最小50m半径曲线通过，已可满足工程最极端环境要求。第五，更宽的轨距有利于提升磁浮列车理论动力学性能，特别是车辆运行平稳性。经过线路试验与运行示范，两种轨距车辆均表现出良好的动力学性能。通过各系悬挂参数匹配调校，两种轨距车辆均在测试中达到了优秀。

表4 长沙机场快线AW0载荷平稳性试验数据

表5 北京S1线AW0载荷平稳性试验数据

10 结语

短定子磁浮列车作为一种新制式轨道交通方式，丰富了我国的城市轨道交通种类，依靠系统爬坡能力强、转弯半径小以及噪音小的特点获得了一定的市场空间。但是，短定子磁浮列车受限于运载能力，不能取代轮轨地铁系统，更多是运用在小规模的支线运输领域。其中，1860mm轨距是未来更适合国内运用和发展的制式。