中低速磁浮列车与轮轨式城轨列车技术特点的对比研究*

2022-11-11黄金张桂南张世聪

铁道机车车辆 2022年5期

黄金，张桂南，张世聪

（1 中国铁道科学研究院集团有限公司机车车辆研究所，北京 100081；2 动车组和机车牵引与控制国家重点实验室，北京 100081）

1 A型磁浮列车与B型地铁列车主要技术参数对比

进行试验对比的A型磁浮列车为中低速常导磁浮列车，采用6辆全动车的编组模式，即：-Mc1*M1*M2*M3*M4*Mc2-。B型地铁采用4动车2拖车的6辆编组模式，即=Tc1*M1*M2-M3*M4*Tc2=（Mc车：有司机室的动车；M车：无司机室的动车；Tc车：有司机室的拖车；-：半自动车钩；*：半永久牵引杆；=：全自动车钩）。两列车的主要技术参数对比见表1。

表1 A型磁浮列车与B型地铁列车主要技术参数对比

2 列车能耗对比

城市轨道交通的运营能耗一般由列车牵引能耗和车站动力照明能耗组成。牵引能耗包括列车的牵引动力能耗和列车照明、空调等辅助设备的能耗；车站动力照明能耗包括城轨系统车站和行车区间的环控、照明等设备运行能耗［3］。地下线路的长期牵引能耗与车站动力照明能耗比值［1］约为1.2～1.5；相对的，高架线路的比值约为1.8～2.1。中低速磁浮列车线路多为高架线路，可见其牵引能耗在总能耗中占比较大。已有文献采用基于不同功率/级位效率曲线的模型方法［4］，将磁浮列车的牵引能耗与地铁列车进行了计算机仿真对比，得出中低速磁浮列车的能耗显著超过传统轮轨式列车的结论［2］。文中基于线路实测数据，对中低速磁浮列车与传统轮轨式地铁列车的牵引能耗进行进一步对比分析。

通常对城轨列车牵引能耗有影响的因素分为：列车因素、线路因素、运营组织因素和环境因素［3］。进行对比的A型磁浮和B型地铁均为最高运营速度为80 km/h的6辆编组列车，为了控制影响能耗对比的各种变量，在试验时使空调开机状态一致，尽量使用最大牵引和制动级位，并尽量选取平直道进行测试。

对列车能耗的计算采用实测电压电流计算网端、辅助系统和悬浮系统功率的方法［5］，计算公式为式1和式2（鉴于目前城轨列车在实际运营时再生制动产生的能量主要使用制动电阻进行耗散，计算能耗时不考虑再生反馈的能量）：

式中：Q耗为网端能耗，kW·h，不考虑再生制动能量；PL正为牵引工况的网端功率，kW；Q阻为克服阻力做功产生的能耗（包括牵引系统自身损耗），kW·h；Q辅为辅助系统能耗，kW·h；Q浮为悬浮系统能耗，kW·h。

2.1 典型运行图及A型磁浮列车牵引能耗的组成分析

A型磁浮和B型地铁列车的典型运行图和平均站间距的对比见表2，两列车的平均站间距约为1.1 km。

表2 A型磁浮和B型地铁列车的典型运行图对比

分析A型磁浮列车进行典型站间距的能耗组成可知：A型磁浮实际试验线路存在坡道和曲线的影响，不存在足够长度的平直道，故在实际线路中选取站间距为1 044 m、曲线阻力影响很小（R3 000）、站间高差5.4 m（将上下行数据相加以尽可能抵消重力势能做功对能耗结果的影响）的两站间对牵引能耗的组成进行分析。试验工况为尽可能以最快速度运行，快起快停。不考虑上下行时司机操纵行为影响，试验测得上述两站之间的能耗结果见表3，能耗组成如图1所示，可以看出为克服阻力做功所产生的能耗占了总能耗的绝大部分（82%），但同时悬浮能耗也占据了不小的比重（14%），且在实际工况下大于列车0.7 kW/t的设计悬浮能耗。悬浮能耗在列车整个运行过程中一直存在。

图1 A型磁浮列车站间运行能耗组成

表3 A型磁浮站间运行能耗统计结果

传统轮轨式地铁列车的牵引能耗组成分为2部分：为克服阻力做功产生的能耗，占列车总能耗的80%；辅助系统能耗，占列车总能耗的20%（空调季）［6］，为克服阻力做功产生的能耗占总能耗比重与A型磁浮试验结果相当。对于平均站间距1.1 km，最高运行速度80 km/h的城市轨道交通，典型运行曲线为加速-惰行巡航-制动停车。由于站间距较短，因此大部分时间处于加速和惰行巡航的状态，加速能耗对于列车总能耗影响较大，下文将对A型磁浮和B型地铁列车的起动加速能耗和运行阻力进行对比分析。

实验对象：自家小女林思言、妻侄女林子玥、表侄儿田澎、同事及朋友孩子柯添恺、施芳瑜等十二三人。其中，六年级毕业生6人，初一学生2人，五年级4人，远在福州的侄儿通过微信凑个热闹。

2.2 起动加速能耗分析

A型磁浮和B型地铁列车的0～80 km/h起动加速试验都在平直道进行，各重复3次，各项数据取算术平均值，结果见表4，试验网端功率发挥如图2所示。

图2 A型磁浮和B型地铁列车0～80 km/h起动加速试验网端功率发挥

表4 A型磁浮和B型地铁列车0～80 km/h起动加速试验结果

可以看出，A型磁浮列车网端功率在起动阶段（0～42 km/h）高于B型地铁列车，在42～80 km/h区段低于B型地铁列车。A型磁浮列车加速过程中网端峰值功率可达到5 117 kW，等效网端功率约为2 965 kW，B型地铁列车加速过程中网端峰值功率可达到4 819 kW，等效网端功率约为3 440 kW，但由于直线电机效率远低于轮轨式城轨列车所用的异步电机［2，7］，因此A型磁浮列车加速时间高于B型地铁列车，两者的总体加速能耗相当。但需要注意的是两列车试验载荷不同，B型地铁列车起动加速过程中在能耗相当的情况下具有大得多的载荷。

2.3 运行阻力分析

磁浮列车在运行过程中所受到的阻力与传统轮轨式列车不同，除了受到空气阻力外，由于导轨中电涡流的影响还将受到较大的电磁阻力，使得在磁浮列车在中低速运行时单位基本阻力大于传统的轮轨式列车［8］。在平直道上采取溜放法，记录初末速度和运行时间，求出各速度点的单位基本阻力，再用最小二乘法回归后得到单位惰行基本阻力曲线。两列车的单位基本阻力曲线如图3所示。

图3 A型磁浮和B型地铁列车运行阻力对比

由运行阻力分析结果可知：在0～80 km/h的运营速度范围内，速度在约46 km/h以下时，A型磁浮列车的单位惰行基本阻力更小，且速度小于20 km/h时，列车惰行降速不明显，因此拟合时未考虑20 km/h以下惰行阻力。而速度在约46～80 km/h范围内，由于电磁阻力的影响，A型磁浮列车的单位惰行基本阻力更大。

综合考虑A型磁浮列车和B型地铁列车的基本阻力，A型磁浮列车基本阻力小于B型地铁列车基本阻力，但由于载荷不同，因此在单位能耗上并不占据优势。

3 噪声对比

磁浮列车的低噪声水平是其一大优势，分别对A型磁浮与B型地铁列车的车内和车外噪声进行各种工况下的实测，内部噪声和外部噪声均取各测点的最大值，两列车均为空载（AW0），试验结果见表5，试验依据为ISO 3381：2005《铁路应用—声学—轨道车辆内部噪声测量》和ISO 3095：2013《声学—铁路应用—轨道车辆外部噪声测量》。

表5 A型磁浮和B型地铁列车内部与外部噪声试验结果

列车外部噪声主要受空气摩擦、列车本身工作和列车与轨道接触的影响。在中低速时，空气摩擦噪声主要取决于列车的空气动力学外形；列车本身工作的噪声主要取决于变流器、辅助设备、电机和机械传动等；在列车与轨道接触噪声方面，由于磁浮列车不依赖于传统轮轨接触，速度越高时，优势越明显。列车内部噪声则除了上述影响因素外，还在很大程度上受到空调和通风设备的影响。

由测试结果可以看出，两列车在内部噪声水平上并无明显区别；A型磁浮列车在静止和加速工况下的外部噪声水平明显高于B型地铁；但在80 km/h的恒速工况下，将A型磁浮列车10 m处外部噪声值折算至7.5 m处噪声值，结果显示外部噪声水平优于B型地铁列车。

4 运行平稳性对比

列车的运行平稳性是列车舒适度的重要指标，磁浮列车由于不依赖于传统轮轨接触，在运行平稳性上应有较大优势。分别在A型磁浮与B型地铁列车的转向架正上方对应的车体地板面上安装振动加速度传感器，根据车体加速度计算不同运行速度下的运行平稳性。试验依据为GB 5599-1985《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》，即在空簧有气状态下，在80 km/h及以下试验速度级，新造车的运行平稳性指标W应小于2.50。平稳性指标W为式（3）：

式中：A为振动加速度，g；f为振动频率，Hz；F（f）为频率修正系数，取值见表6。

表6 平稳性频率修正系数表

两列车空载（AW0）和满载（AW3）的试验结果见表7，在直线和曲线线路的横向和垂向平稳性指标均取自各传感器和各工况下的最大值。

表7 A型磁浮和B型地铁列车平稳性指标试验结果

由结果可以看出，在满载（AW3）工况下，A型磁浮列车的各测点横向和垂向平稳性无论是最大值还是最大值的平均值都小于B型地铁列车。在空载（AW0）工况下，A型磁浮列车的各测点垂向平稳性无论是最大值还是最大值的平均值都小于B型地铁列车；横向平稳性最大值与B型地铁列车相当，但最大值的平均值都小于B型地铁列车，不排除单一测点的非正常测量结果。A型磁浮列车在运行平稳性上具有较大优势。随着曲线半径的增大，AW0、AW3工况下A型磁浮动车相比于B型磁浮动车的横向平稳性、垂向平稳性指标均存在明显降低。