(中低速磁懸浮列車)
  (中國工程院院士 劉友梅)
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  紅網株洲12月19日訊(記者喻向陽通訊員顏常青)南車株機公司自主研發出了具有世界先進水平的中低速磁浮列車,在今天迎來了觀眾開放日。工程院院士劉友梅也對觀眾解密了中低速磁懸浮列車的原理,並透露,擬率先在國內推出1—2條商業示範線。
  問:磁(懸)浮列車是什麼意思?列車靠什麼提供動力?基本原理是什麼?
  答:磁浮技術是一種聽起來非常神奇,其原理卻十分簡單,也就是利用電磁體“同性相斥,異性相吸”的原理,讓磁鐵具有抗拒地心引力的能力,使車體完全脫離軌道,懸浮在軌道上面,貼地飛行。磁浮列車能夠浮起來,就是靠裝在列車上的電磁鐵和鋼軌之間產生作用力,然後按照我們的心愿,用懸浮控制器控制吸力的大小,實現列車穩定懸浮,平穩前進。
  從驅動力來講,磁浮列車的動力和普通的電動機工作原理也完全相同。電動機主要包括“轉子”和“定子”兩大部分,在磁浮列車上,我們變換了一下,把電動機的“轉子”裝在列車上,“定子”鋪設在軌道上。我們知道,電動機的“定子”通電時,通過電磁感應就可以推動“轉子”轉動。在磁浮列車上,當向軌道上的“定子”輸電時,通過電磁感應作用,列車就像電動機的“轉子”一樣被推動著做直線運動,電能轉化為列車前進的動能。我們只要控制好導向磁鐵中的電流,就能控制列車運行,要開車就開車,要加速就加速,要剎車就穩穩地停住。
  問:目前,磁浮列車主要運用在哪些方面?
  答:磁浮列車是一種新型的城市軌道交通系統,最高速度達到500公里每小時,但是,目前,全球仍只有上海浦東一條高速磁浮線路真正投入商業運營。中國南車株機公司完全自主研發的追風者列車是中低速磁浮列車,與現行的軌道交通列車相比,中低速磁浮車平穩舒適、無污染、轉彎半徑小、爬坡能力強等特點十分突出,因此,中低速磁浮交通競爭力十足,是未來城市交通中的模範“闖將”,今後定會與鐵路、輕軌、地鐵等構成更為合理的城市軌道交通體系。與高速磁浮車相比,主要是具有建設及運營成本低的優點,既適用於城市客流中等的快速延伸線,諸如市區與機場、郊區、產業區、旅游景區等聯繫的專用快速線路,也適用於地形地貌複雜、建築物擁擠的大中城市的交通線路,是未來城市軌道交通系統的重要選擇之一。
  中國南車株機公司作為我國乃至全球軌道交通裝備研製的頂級企業,研發中低速磁浮軌道交通車輛是發展戰略的需要,也是未來市場的需要。
  目前國內100萬人口以上的中等城市,尚未達到建設城市軌道交通條件的有60-80個,具備修建城市軌道交通的大城市約30餘個,除此之外還有120個旅游景區,總體來說,中低速磁浮車輛的市場前景廣闊。
  問:如果開通一條中低速磁浮線路,作為普通乘客,大家最關係的應該是安全,中低速磁浮列車的安全性能怎麼樣?
  答:的確,安全是人們最關心的問題。其實,中低速磁浮列車可以說是軌道交通的安全典範,是唯一可以做到運行中不發生脫軌顛覆事故的交通方式。怎麼做到這一點呢?
  這是由磁浮交通系統的結構決定的。像大家所看到的那樣,磁浮列車的車廂下端像伸出了兩排彎曲的胳膊,將路軌緊緊摟住,列車車體和鋼軌是緊緊連在一起的,列車車體是“抱”在軌道上運行,和路基一體化,完全不會分開,絕對不可能脫軌。而傳統的軌道交通,列車很難完全避免脫軌顛覆事故的發生。同時,列車運行的動力來自固定在路軌兩側的電磁流,同一區域內的電磁流強度相同,不可能出現幾輛列車速度不同或相向而動的現象,從而排除了列車追尾或相撞的可能。
  退一萬步講,假如說一旦遇到突發事件,救援也更便利。磁浮一般採用高架,而高架交通系統出了問題,各種救援力量都可以用上,高架的應急救援比地下要方便。在“追風者”列車上,為了救援的需要,我們在每節車都安裝了四個液壓支撐輪,一旦列車停電,列車就會由四個液壓輪支撐著落在軌道上,列車可以被前來救援的列車推或拉著走。
  在這裡,我要著重強調的就是,中低速磁浮技術雖然新,但可靠性不容懷疑。原來的輪軌交通是輪子在支撐列車,現在是電磁場支撐列車。在電磁場強度隨時隨著列車載荷變化的情況下,怎樣使列車與輪軌的間隙保持不變呢?靠應用軟件,靠傳感器,靠計算機控制系統,這裡最為關鍵的是靠應用軟件。
  磁浮列車車體上安裝了很多傳感器,採用冗餘的手段保證極高的可靠性。一個車安裝有20個傳感器,20個傳感器時刻檢測電磁場的強度值和懸浮間隙的大小,只要檢測出微弱的變化就反饋給計算機控制系統,計算機控制系統就迅速作出運算和反應,哪個地方磁場支撐的勁兒小了,電流馬上就加大,若勁大了,電流馬上就減小,磁場強度值能夠動態地始終保持在一個恆定範圍,使列車與軌道之間的間隙保持不變,且循環、持續地自動調節。由應用軟件控制計算機系統完成關鍵的工作,決定著控制系統的穩定和可靠。
  計算機怎樣實現有效和可靠的控制?計算機是通過人的大腦編製的軟件進行控制的,中國人編製軟件是最有智慧的,只要將應用需求搞清楚,就能編成應用軟件。需求變成了軟件,嵌入計算機來實現控制,這就是磁浮控制核心技術的關鍵所在。
  從2005年3月至今,日本的中低速磁浮已經商業運營了7年,運行表現的安全性、可靠性、經濟性、穩定性和環保性優於輪軌交通,實踐驗證了中低速磁浮交通的商業價值。
  我國的中低速磁浮交通系統與日本正在運營的系統兩者原理相同。只是在懸浮控制核心技術方面各自具有特點,相比之下,我們系統的可靠性實現方式更有把握一些。
  問:如果在城市裡開磁浮列車,噪音會不會很大,會不會影響市民的生活?
  大家可能不知道的是,磁浮列車是超級安靜的城市寶貝。它不僅可以在五星級的酒店大堂停車,在繁華的商場停車,也可以在居民住宅區里停車。我們知道,因為與地面沒有直接接觸,磁浮列車唯一的阻力就是空氣阻力,與軌道沒有摩擦,噪音和震動就非常小,中低速磁浮噪聲一般低於62分貝,人體正常說話的聲音約為70分貝。比如說,“追風者”號與公路交通、輪軌交通相比,其噪聲幾乎可以忽略不計,在我們身邊開過的時候,大家哪怕是站在3米以內,也感覺不到什麼噪音,一點也不影響我們聊天。這是其他任何其他交通都無可比擬的優勢。毫不誇張地說,城市裡磁浮列車越多,取代其他的交通工具越多,城市就會越安靜。
  問:我們知道,磁場、電力場都會產生輻射。磁浮列車是在城市中運行,不少人擔心列車的輻射會影響健康,那麼,“追風者”號磁浮的輻射情況如何?
  現在,很多人是談輻射色變。這裡有一個認識誤區。地球本身就是個大磁場,有輻射。任何電器只要一通電,也都會產生輻射。如果中低速磁浮列車經過,離我們只有1米,它的輻射值比日常使用的電磁爐錶面的輻射值還要低,站在車身3米外的輻射值比微波爐輻射值一半還低,到了5米遠,輻射值比使用電動剃鬚刀還要小,而到了10米距離,其輻射量完全淹沒在環境背景中,專業的檢測儀器都都檢測不到了。國內權威機構做了專題研究和檢測,“追風者”號的磁場強度符合世界衛生組織的標準,即使是心臟起搏器使用者乘坐“追風者”號,也一點都不受影響。
  問:最近,霧霾天氣席卷全國許多城市,城市車輛尾氣排放被列為主要的污染源之一,中低速磁浮列車對環境的影響怎樣?
  中國南車株機公司這麼多年來之所以大力投入磁浮列車的研發製造,就是因為中低速磁浮交通是真正的環境友好型公共交通系統,將成為公共交通環保發展的創新支撐。
  首先,中低速磁浮列車是沒有尾氣排放的交通系統。中低速磁浮列車靠電力運行,在運行過程中,就不會排放有害氣體,作為新型的城市軌道交通工具,在霧霾天氣里,這就是非常大的優點。中低速磁浮列車沒有高速轉動的部件,使用過程產生的廢棄物的排放相對較少,檢修作業工作量也少,所帶來的工業廢棄物和生活垃圾量極少。
  其次,中低速磁浮列車是真正低碳節能的交通系統。第一,中低速磁浮交通系統採用高架鋪設,因為無需線路通風和照明,相對於地鐵可以節省50%的耗電;同時,因設備設施的相對減少,導致總耗電量的減少,相應的能耗也有所降低。第二,有條件利用大節能坡和重力實現節能。城市軌道交通地鐵跟其他交通工具不同的一個運營特點,就是要求車的起步要快,加速度大。在城市,兩個車站間的距離最短500多米,一般平均1公里多,為了實現運營的效率,列車必須主動地頻繁快速起停,耗電較多。在中低速磁浮列車線路設計中,我們可以利用爬7%坡的特性,因地制宜,設計合理的線路縱斷面,儘量採用相對大的節能坡,使列車進站時上坡,出站時下坡,減少加速後又立即制動的耗電模式,從而,中低速磁浮列車能節省牽引能耗20%以上。第三,有條件利用大小編組,主動省電運行。中低速磁浮列車每個車均為自帶動力的車輛,可以單車或多車組合起來運行,具備適應客流不均衡變化的靈活編組運營的條件,可以在每天運營的大部分時間中剋服“大馬拉小車”的耗電的情況,有條件節省牽引能耗15%以上。
  另外,中低速磁浮列車一般以4.5米以上的高架通過平地或翻越山丘,從而避免了開山挖溝對生態環境造成的破壞。
  問:中低速磁浮交通系統造價高不高?綜合造價情況怎樣?
  中低速磁浮列車是一種高性價比的交通系統。在項目啟動初期,我們就比較地鐵、輕軌的綜合造價來對中低速磁浮系統進行開發。目前,我國地鐵造價每公里5~8億元左右,輕軌達每公里2~3億元左右。據測算在相同地域,中低速磁浮列車系統的綜合造價僅為中運量輕軌系統造價的2/3至3/4,即中低速磁浮系統造價每公里約為1.5~2.5億元。且隨著技術的成熟和產業的發展還有較大的降低空間,尤其是在山區旅游線路建設中低速磁浮線路,其建設造價將更低。
  另外,相對其他城市交通方式,中低速磁浮列車交通擁有轉彎半徑僅為50米的優勢,修建中可以更好地繞開建築物、障礙物,其技術性優勢可以主動避免拆遷的發生,從而避免因為拆遷而發生的劇烈矛盾;與其他交通建設比,其施工周期短,擾民時間短;施工占地和占道範圍小,對施工期間的現實交通影響小。
  問:除基礎造價以外,運營成本也是必須考慮的重要因素,在這方面,中低速磁浮有優勢嗎?
  答:輪軌列車目前的年運營維護成本是總投資的4.4%左右。由於中低速磁浮列車避免磨損,年運行維修費僅為總投資的1.2%。考慮到二者總投資還略有差別,所以中低速磁浮列車的運營維修成本約是輪軌高速列車的1/4。同時由於沒有車輪磨耗,也不會在運行中產生鐵粉或橡膠粉塵,有利於環境保護,最大限度避免環境污染。
  問:作為一種新型的軌道交通技術,中低速磁浮列車具有很多的優勢,成為了市場的新寵,市場運行情況怎麼樣?
  答:2005年3月,日本名古屋東部丘陵線建成投入運營,之後,韓國仁川機場線也實現試運行,時間進入2013年,國內十餘個城市紛紛展示了對中低速磁浮交通系統的強烈興趣,這一面向未來的現代運輸模式,正迎來前所未有的發展機遇。中國南車株機公司2012年1月,自主研製成功的國內首列可商業化運營的中低速磁浮列車,應用電磁浮導向與直線電機牽引技術,列車為3節編組,最高運行速度100公里每小時。
  問:在我國的發展戰略中,磁浮技術的前景如何?
  答:中低速磁浮交通產業作為高科技、高附加值的高端裝備製造業,可帶動裝備製造、冶金、機電、信息、車輛製造、建築等多個相關行業的發展,滿足我國經濟和城市化發展的需要。在我國“十二五”交通運輸發展規劃中,明確提出要通過工程應用帶動技術研發,突破軌道交通通信信號、牽引傳動、制動系統、運行控制等關鍵核心技術,系統掌握磁浮交通系統技術。特別是在新型城鎮化發展戰略中,中低速磁浮交通系統以其環保、低碳、節能、安全、經濟等綜合優勢,已經成為未來城市交通系統的戰略組成部分。
  在國家發展和改革委員會發佈的《產業結構調整指導目錄(2011年本)》中,中低速磁浮屬於鼓勵發展的重要技術。比如說,第1項“城市軌道交通減震、降噪技術應用”、第4項“數字軌道電路及以無線通信為基礎的信號系統[含自動列車監控系統(ATS)、列車自動保護裝置(ATP)、自動列車運行裝置(ATO)]”、第6項“軌道車輛交流牽引傳動系統、制動系統及核心元器件(含IGCT、IGBT元器件)”領域中的產品,完全符合國家產業政策和發展規劃。
  問:中國南車株機公司什麼時候開始進入磁浮產業,目前的進展情況如何?
  答:作為我國軌道交通裝備製造的頂級企業,70餘年的發展,公司已成功構建起世界一流的軌道交通裝備設計、製造、產品三大技術平臺,積累了電力機車、城軌車輛、動車組等領域廣泛成熟的解決方案經驗。研發中低速磁浮列車滿足市場對新型軌道交通模式的需求,是中國南車履行民族與社會責任感的體現,用創新領跑未來,不斷發展新興產業是中國南車株機人的奮鬥目標。
  為搶占技術制高點,中國南車株機公司早在2007年抽調業內精英,組建了磁浮開發部。2011年,由公司牽頭,聯合西南交大、中鐵二院、同濟大學、萊鋼、中國南車株洲所、中國南車株洲電機公司等單位開展聯合攻關。2012年1月,我國第一臺可投入商業運營的中低速磁浮列車在公司誕生,將之命名為“追風者”。
  “追風者”採用常導EMS懸浮導向、短定子直線電機牽引技術,3輛車固定編組,DC1500V第三軌受流供電方式。車輛(三節編組)載客量450人/列,最大運營速度100km/h,最小平面轉彎半徑50米(僅為地鐵的二分之一),最大懸浮力確定為32噸/節,最大坡度70‰(相當於100米的距離爬上2層樓的高度),最小豎曲線半徑1500米(限速50km/h)。
  2013年11月,湖南省科學技術廳在株洲組織召開科技成果鑒定會,由中國工程院劉友梅院士、錢清泉院士領銜,廣州地下鐵道總公司、上海申通地鐵集團、同濟大學、西南交通大學、中南大學、湖南大學、北京交通大學、西北工業大學、蘭州理工大學、省科技廳、市科技局等單位的專家和領導共同參與,公司完成的“常導短定子中低速磁浮列車的研製”等多項目鑒定為國際先進水平。
  問:中國南車株機公司在磁浮產業化方面取得了哪些突破?
  答:我們最大的優勢就是,成功地介入了磁浮產業,建立了圍繞以企業為創新主體的完整產業鏈。
  中低速磁浮列車最終能否順利運行,要看整車廠家的集成能力、試驗驗證能力。中低速磁浮列車有很多的子系統,作為最終出車的企業,我們掌握了把各個子系統進行集成的系統集成技術,系統集成包括機械安裝、電氣連接及系統控制三大部分,這些技術我們都掌握了,這些部分的合理集成可以保證車輛運行的可靠平穩。像我們就專門建設了約1.6公里長的磁浮試運線。
  除了發揮系統集成優勢外,公司還在保證車體強度的前提下,盡可能使車體及所有部件輕量化。
  問:請問中低速磁浮列車項目的研製,對於湖南正在推進的軌道交通裝備千億產業集群有何積極影響,將能培育哪些關聯的產業和技術?
  答:中低速磁浮列車項目產業拉動效應、科技拉動效應以及媒體宣傳效應非常大,能促進沿線旅游業、房地產業等多個行業的蓬勃發展,帶動城市的快速發展,提升湖南科技強省的形象,推進新型工業化和兩型社會建設意義重大。
  該項目的成功實施,使中國南車株機公司掌握了磁浮交通核心技術和系統集成技術,建立完整的、專業化的工程化體系,推動湖南軌道交通裝備產業做大做強,同時還將帶動省內數十個相關配套產業發展,拉動湖南省經濟發展,推動新型工業化進程。
  問:是否有下一步的市場推廣計劃?
  答:正與相關城市進行接洽,擬率先在國內推出1-2條商業示範線。  (原標題:磁浮列車:抗拒地心引力 體驗貼地飛行)
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