高速磁浮交通技術(shù)進(jìn)展與應(yīng)用前景摘要：高速磁浮交通技術(shù)是利用電磁理論，采用直線電機(jī)牽引和列車自動(dòng)控制等高科技技術(shù)，具有高速、安全、環(huán)保等特點(diǎn)，在中長距離城際客運(yùn)交通領(lǐng)域具有比較優(yōu)勢(shì)，有一定的前景。本文簡(jiǎn)要地闡述磁浮的理論基礎(chǔ)、技術(shù)進(jìn)展和應(yīng)用前景，并針對(duì)滬杭磁浮項(xiàng)目提出了建設(shè)性意見：要開拓創(chuàng)新，進(jìn)一步消化吸收上海示范線的磁浮關(guān)鍵技術(shù)；通過技術(shù)談判和交流合作，力爭(zhēng)掌握核心技術(shù)，同時(shí)堅(jiān)定不移走機(jī)電設(shè)備國產(chǎn)化道路，降低工程造價(jià)，提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。在目前滬杭磁浮工程可行性階段，一定要進(jìn)行多方案比選（高速輪軌與高速磁浮系統(tǒng)），并開展相應(yīng)的專題研究，廣泛征求意見和建議，采取多元化投資策略，充分利用中央、省市地方資源，創(chuàng)新體制機(jī)制，舉全社會(huì)力量，大力推進(jìn)磁浮項(xiàng)目的進(jìn)程。前言 人類對(duì)速度的不斷追求譜寫了世界交通技術(shù)進(jìn)展的歷史畫卷，科技進(jìn)步推動(dòng)社會(huì)發(fā)展，現(xiàn)代交通技術(shù)為人類“地面飛行”的理想插上了翅膀， 高速磁浮交通技術(shù)系統(tǒng)具有最高速度（約500公里/時(shí)），人類在陸上飛行成為現(xiàn)實(shí)。從19世紀(jì)上半葉的電磁理論到實(shí)際應(yīng)用走過了180多年。2002年，世界第一條磁浮商業(yè)線—上海浦東磁浮示范線的成功營運(yùn)，以及今年三月國家批準(zhǔn)滬杭磁浮項(xiàng)目建議書，為我國探索高速客運(yùn)系統(tǒng)提供了新的選擇，有望在中國大地形成與高速輪軌系統(tǒng)并存的城際地面高速客運(yùn)網(wǎng)，形成城市綜合交通系統(tǒng)。通過引進(jìn)、吸收、消化、輸出，掌握具有自主產(chǎn)權(quán)的磁浮實(shí)用技術(shù)，有利于提高國家競(jìng)爭(zhēng)力，促進(jìn)我國交通技術(shù)的跨越式發(fā)展，提高居民出行質(zhì)量和水平。1理論基礎(chǔ) 在長期的生產(chǎn)實(shí)踐中，人們發(fā)現(xiàn)了天然的磁性物質(zhì)（如磁鐵礦或磁鐵等），由于特有的排斥或吸引特性，中國古代發(fā)明了“指南針”，并應(yīng)用于航海。在漫長的歲月里，人們對(duì)電磁一直處于感性認(rèn)識(shí)，直到1820年丹麥物理學(xué)家奧斯特發(fā)現(xiàn)了電流能夠產(chǎn)生磁場(chǎng)，奠定了電磁科學(xué)基礎(chǔ)。隨后，法拉第發(fā)明了電磁感應(yīng)定律，定量描述了感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與磁通量（磁場(chǎng)強(qiáng)度）的變化關(guān)系。19世紀(jì)60年代，英國物理學(xué)家麥克斯韋（1831-1879）建立了完整的電磁理論并提出了電磁波的猜想。20年以后，赫茲通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了電磁波的存在，為現(xiàn)代通訊和控制技術(shù)的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。 從基礎(chǔ)理論科學(xué)走向?qū)嵺`應(yīng)用，同樣經(jīng)歷了艱辛的探索，而且與當(dāng)時(shí)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件和科學(xué)進(jìn)步水平密切相關(guān)。1922年，德國科學(xué)家赫爾曼.肯佩爾（Hermann Kemper）發(fā)明了電磁浮鐵路原理，并于1934年8月獲得了世界上第一項(xiàng)磁浮技術(shù)專利。 磁浮技術(shù)從懸浮方式上可以分為電磁磁浮（EMS）和電動(dòng)磁浮（EDS）兩大類[1]。 電磁磁浮技術(shù)是一種常導(dǎo)下的吸引式磁浮系統(tǒng)，即對(duì)車載的、置于導(dǎo)軌下方的懸浮電磁鐵通電勵(lì)磁而產(chǎn)生電場(chǎng)，磁鐵與軌道上的鐵磁構(gòu)件相互吸引，將列車向上吸起懸浮于軌道上，磁鐵與鐵磁軌道之間的懸浮間隙一般為8-12mm。列車通過控制懸浮磁鐵的勵(lì)磁電流來保證穩(wěn)定的懸浮間隙，通過直線電機(jī)來牽引列車走行。電磁式磁浮列車以德國TRANSRAPID（簡(jiǎn)稱TR）型和日本的HSST型為代表，結(jié)構(gòu)原理見圖1。 電動(dòng)磁浮技術(shù)是一種超導(dǎo)下排斥式電動(dòng)磁浮系統(tǒng)，即當(dāng)列車運(yùn)動(dòng)時(shí)，車載磁體（一般為低溫超導(dǎo)線圈或永久磁鐵）的運(yùn)動(dòng)磁場(chǎng)，在安裝與線路上的懸浮線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流，兩者相互作用，產(chǎn)生一個(gè)向上的磁力將列車懸浮于路面一定高度（一般為100-150mm）。通過直線電機(jī)來牽引列車走行。與電磁式相比，電動(dòng)式懸浮系統(tǒng)在靜止條件下不能懸浮，必須達(dá)到一定速度（約150km/h）后才能懸浮。由于間隙大，一般無須主動(dòng)控制。電動(dòng)式磁浮列車以日本MLX型超導(dǎo)列車為代表。2 磁浮技術(shù)進(jìn)展 1969年，在工業(yè)界和德國聯(lián)邦鐵路公司的大力推動(dòng)下，開始了大運(yùn)量高速鐵路研究（HSBStudien），隨后生產(chǎn)了第一代磁浮列車Transrapid-01，簡(jiǎn)稱TR-01，車重5.86噸，4個(gè)座位，在試驗(yàn)線（660m）上進(jìn)行了試驗(yàn)，最大車速90km/h。根據(jù)試驗(yàn)，對(duì)列車進(jìn)行了不斷改進(jìn)，研制了TR-02（1971）、TR-03（1972）、TR-04（1973）、HMB2（1976）、TR-05（1979）、TR-06（1984）、TR-07（1989）、TR-08（1999）。1999年研制的TR-08型列車，凈重92噸，長51米，最大速度500km/h，并在埃姆斯蘭（Emsland，TVE）雙環(huán)形試驗(yàn)線（31.5km）運(yùn)行。1991年底，經(jīng)過第七代列車運(yùn)行試驗(yàn)和技術(shù)鑒定， 德國向世界宣布TR型高速磁浮交通技術(shù)已經(jīng)成熟，可投入商業(yè)應(yīng)用。1997年7月計(jì)劃采用TR-07型列車投入柏林-漢堡線（292km）應(yīng)用，由于客流量偏小等虧損原因而擱淺，2000年2月取消了該項(xiàng)目計(jì)劃。 1962年，日本開始磁浮交通技術(shù)的研發(fā)工作。1972年研制了低溫超導(dǎo)電動(dòng)列車ML100型，時(shí)速60km/h。隨后，研制了ML500型（1979年，517 km/h），MLU001型（1980），MLX01、MLX02型（1997），最高速度分別達(dá)到546和457km/h。2003年12月，ML型列車在山梨試驗(yàn)線（18.4km），創(chuàng)造了581km/h的世界記錄！ 同時(shí)，日本還開發(fā)中低速磁浮技術(shù)（速度約100 km/h）。1974年研制了第一代樣車HSST-01型，隨后又研制了HSST-02型（1978）、HSST-03型（1983）、HSST-04型（1987）HSST-05型（1989）、HSST 100 S型（1990）、HSST 100L型（1995）。2001年開始在名古屋市郊建造一條8.9公里的低速磁浮線路，2005年投入使用。 世界上其他國家在20世紀(jì)60年代開始研究高科技的磁浮交通技術(shù)，如前蘇聯(lián)、美國、加拿大、法國、韓國、瑞士等。前蘇聯(lián)80年代研制了18噸的樣車；美國看好德國磁浮技術(shù)，還研制磁浮飛機(jī)，但是他們都處于實(shí)驗(yàn)階段。 中國早在20世紀(jì)70年代開始進(jìn)行磁浮交通技術(shù)的應(yīng)用研究。如中國國防大學(xué)、西南交通大學(xué)、鐵道科學(xué)研究院和中科院電工所，并開始了樣機(jī)的試制，分別在長沙和成都青城山、北京八達(dá)嶺建立了中低速磁浮的試驗(yàn)線。1999年科技部組織了“我國第一條高速磁浮列車試驗(yàn)運(yùn)行線的可行性研究，進(jìn)一步消化、吸收德國TR型常導(dǎo)磁浮交通技術(shù)1999年引進(jìn)時(shí)速450km/h的德國磁浮技術(shù)，提出了建設(shè)上海示范運(yùn)營線的建議。2000年6月，中德聯(lián)合開展可行性研究，該項(xiàng)目全長30公里，2個(gè)車站、2個(gè)牽引變電站、1個(gè)控制中心和1個(gè)維修基地，總投資約89億元。同年8月立項(xiàng)開始浦東磁浮示范線工程的建設(shè)，2002年12月31日正式開始商業(yè)運(yùn)行，成為世界上第一條商業(yè)營運(yùn)線。經(jīng)過3年多的運(yùn)行，2006年4月26日通過了國家驗(yàn)收，已掌握了軌道梁等大部分磁浮技術(shù)，申請(qǐng)了了16項(xiàng)專利。 據(jù)報(bào)道，成都飛機(jī)公司還研制了高速磁浮列車，時(shí)速高達(dá)500公里、擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的中國第一輛高速磁浮列車，預(yù)計(jì)將于今年7月在上海試驗(yàn)線上進(jìn)行首次試運(yùn)行。2005年9月29日，備受各界關(guān)注的國家“863計(jì)劃”高新技術(shù)項(xiàng)目--CM1“海豚”高速磁浮車輛組件在成飛公司正式開鉚生產(chǎn)。此次研制的車輛設(shè)計(jì)時(shí)速為500公里，預(yù)計(jì)載客90人，主要由車體結(jié)構(gòu)、懸浮導(dǎo)向制動(dòng)控制、電網(wǎng)、診斷控制、定位測(cè)速、磁鐵、氣路、空調(diào)、車輛照明、逃生系統(tǒng)等集合而成。由于其與軌道無接觸高速運(yùn)行，又被業(yè)內(nèi)人士稱之為“零高度飛行器”。3磁浮技術(shù)特點(diǎn)3.1 驅(qū)動(dòng)原理特殊 利用電磁鐵同性相斥、異性相吸的原理，讓列車懸浮在軌道上，并用直性電機(jī)產(chǎn)生的電磁力實(shí)現(xiàn)推進(jìn)牽引。而輪軌系統(tǒng)，利用導(dǎo)軌支撐鋼輪，電力驅(qū)動(dòng)靠輪軌之間的粘滯摩擦力推進(jìn)。3.2 高速 由于磁浮列車沒有機(jī)械阻力，只有在高速時(shí)產(chǎn)生空氣阻力，最高速度達(dá)到500km/h（上海磁浮商業(yè)運(yùn)行速度430km/h），具有“陸上飛行器”之美稱；而高速輪軌一般在330km/h，因?yàn)樗俣葮O限以后，速度與粘滯力成反比。3.3 安全、可靠、舒適 由于采用當(dāng)代先進(jìn)的信號(hào)技術(shù)和列車自動(dòng)控制系統(tǒng)，并吸取了輪軌系統(tǒng)的先進(jìn)理念，上海磁浮運(yùn)行3年來，累計(jì)行程超過250萬公里，運(yùn)送乘客650萬人次，并經(jīng)歷了風(fēng)霜雨雪等惡劣氣候的考驗(yàn)，今年4月通過了國家驗(yàn)收。由于啟動(dòng)和制動(dòng)加速度、座位設(shè)計(jì)合理，振動(dòng)小、運(yùn)行時(shí)間短，乘客舒適度高。3.4 占地少 磁浮線一般采用高架和全隔離形式，磁浮限界寬度小于輪軌系統(tǒng)，因此占地遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于高速公路，也比高速輪軌系統(tǒng)占地少，符合構(gòu)建節(jié)約型社會(huì)的要求。3.5 轉(zhuǎn)彎半徑小，爬坡能力強(qiáng) 由于磁浮列車與軌道無接觸、無磨損的支撐和導(dǎo)向，無接觸的牽引和制動(dòng)特性，線路轉(zhuǎn)彎半徑小，而爬坡能力大。如速度在300km/h的同等條件下，輪軌系統(tǒng)最小轉(zhuǎn)彎半徑4000-5000m，而磁浮系統(tǒng)1590m；爬坡能力輪軌系統(tǒng)最大4%，而磁浮10%。3.6 環(huán)境友好 由于采用電力（二次能源）驅(qū)動(dòng)，不會(huì)產(chǎn)生廢氣和廢水等污染；能耗低，由于磁浮系統(tǒng)特有的驅(qū)動(dòng)和支撐原理，據(jù)研究報(bào)道，在同等速度下，TR磁浮列車單位能耗低于德國ICE高速輪軌列車。噪聲小，在300km/h條件下， 輪軌91 分貝，而磁浮83 分貝。由于車/軌道之間間隙小（約10mm），磁力線處于閉合狀態(tài)，磁場(chǎng)泄漏量小。地球磁輻射強(qiáng)度為50 微特，彩電500，而磁浮為100。3.7 造價(jià)高 高速磁浮系統(tǒng)由線路、道岔基礎(chǔ)系統(tǒng)、列車控制系統(tǒng)和供電與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成，通過運(yùn)行控制中心實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)，與40多年歷史的高速輪軌系統(tǒng)相比，技術(shù)系統(tǒng)更加復(fù)雜，雖然我國掌握了軌道梁等16項(xiàng)專利技術(shù)，但是核心技術(shù)仍然在德國手中。據(jù)上海磁浮線資料，全長30公里，造價(jià)89億元，約3億元/公里；滬杭磁浮項(xiàng)目由于規(guī)模效應(yīng)，全長175公里，造價(jià)約350億元，約2 億元/公里；由于商業(yè)應(yīng)用剛開始，運(yùn)營費(fèi)用估計(jì)不低于輪軌系統(tǒng)。而磁浮系統(tǒng)造價(jià)大體是輪軌系統(tǒng)的2倍。3.8 運(yùn)量大 磁浮列車的運(yùn)能與列車定員、列車編組、發(fā)車間隔和和運(yùn)行時(shí)間密切相關(guān)。德國磁浮TR08型列車5節(jié)編組，總座位446個(gè)（上海磁浮車總座位464個(gè)），發(fā)車間隔理論2.5min，實(shí)際推薦5min；而ICE3型高鐵8節(jié)編組，總座位415個(gè)。磁浮列車可以考慮10節(jié)編組，運(yùn)量可以比5節(jié)編組增加1倍。按5 min 發(fā)車間隔，每天運(yùn)行7：00-22：00計(jì)，以10節(jié)編組成1列車，磁浮運(yùn)能為12000人次/h，每天可運(yùn)送18萬人次左右。4應(yīng)用前景 目前世界上有三條磁浮線投入運(yùn)營：上海浦東磁浮示范線（30公里，高速，2002年通車）、日本名古屋丘陵線（8.9公里，中低速，2005年通車）和英國伯明翰線（600米，中低速，1984-1996年）。 規(guī)劃建設(shè)線路有：中國滬杭磁浮線（175公里，350億，2010年建成）；德國慕尼黑機(jī)場(chǎng)線（36.8公里，16億歐元，2008年建成），魯爾線（杜塞爾多夫-多特蒙德，78.9公里，32億歐元）；美國東北線（巴爾的摩-華盛頓特區(qū)，60公里，33億美元），匹茲堡機(jī)場(chǎng)線（78公里，27億美元）； 荷蘭機(jī)場(chǎng)環(huán)線（170公里）和北部線（180公里）。5 結(jié)論與建議5.1磁浮交通技術(shù)是人類科學(xué)史一項(xiàng)重大發(fā)明，其運(yùn)行原理完全有別于傳統(tǒng)的輪軌系統(tǒng)。 目前世界上掌握磁浮核心技術(shù)的國家是德國和日本，我國上海磁浮是世界上第一條商業(yè)應(yīng)用的示范線，具有后發(fā)技術(shù)優(yōu)勢(shì)和劃時(shí)代的意義。 磁浮交通技術(shù)有電磁式（EMS）和電動(dòng)式（EDS）懸浮兩種類型，又可以分常導(dǎo)高速磁浮（如德國TR08型， 約500km/h）和低溫（4K）超導(dǎo)或永磁低速磁浮（如日本HSST型，約100km/h）。5.2磁浮交通技術(shù)具有速度快、運(yùn)能大、占地少、安全、節(jié)能、環(huán)保、噪聲小、爬破能力強(qiáng)等特點(diǎn)，但是投資大、商業(yè)應(yīng)用不夠成熟等缺點(diǎn)。5.3應(yīng)用前景廣闊，但是有一定風(fēng)險(xiǎn)。 磁浮交通技術(shù)的主要功能是城際快速客運(yùn)，能否得到廣泛應(yīng)用，取決于技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益的綜合比較。常導(dǎo)高速磁浮技術(shù)具有更廣泛的應(yīng)用前景，如上海示范線。尤其約500km/h的高速度特別適合中長距離（200-1000公里）的城際客運(yùn)市場(chǎng)，部分替代飛機(jī)，以節(jié)省燃油。目前，磁浮項(xiàng)目投資大、技術(shù)復(fù)雜、運(yùn)營成本高（如英國線因故障率和維修成本高，運(yùn)行12年后于1996年停用）等將成為制約磁浮商業(yè)應(yīng)用的瓶頸。5.4中國磁浮項(xiàng)目必須堅(jiān)持技術(shù)創(chuàng)新，確保安全可靠。 中國已經(jīng)有50多年的磁浮研發(fā)歷史 ，又通過引進(jìn)消化，建成了上海磁浮示范線（30公里），成為世界上擁有16項(xiàng)專利的磁浮技術(shù)的大國之一。滬杭磁浮項(xiàng)目已經(jīng)立項(xiàng)，將極大地促進(jìn)磁浮技術(shù)在中國生根、開花和結(jié)果，走上引進(jìn)-消化-吸收-創(chuàng)新-應(yīng)用-技術(shù)輸出的良性軌道。同時(shí)，豐富城際高速客運(yùn)專線的交通模式，提高運(yùn)輸水平，惠及大眾出行，創(chuàng)建同城效應(yīng)，提高區(qū)域綜合競(jìng)爭(zhēng)力。 因此，要開拓創(chuàng)新，進(jìn)一步消化吸收上海示范線的磁浮關(guān)鍵技術(shù)；通過談判和技術(shù)合作，力爭(zhēng)掌握核心技術(shù)，同時(shí)堅(jiān)定不移走機(jī)電設(shè)備國產(chǎn)化道路，降低工程造價(jià)，提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。在滬杭磁浮工程可行性階段，一定要進(jìn)行多方案比選（高速輪軌與高速磁浮系統(tǒng)），并開展相應(yīng)的專題研究，廣泛征求鐵道部、上海市、浙江省及杭州市、嘉興市的意見和建議，采取多元化投資策略，充分利用中央、省市地方資源，創(chuàng)新體制機(jī)制，舉全社會(huì)力量，大力推進(jìn)磁浮項(xiàng)目的進(jìn)程。參考文獻(xiàn)[1] 吳祥明主編，磁浮列車，上海科學(xué)技術(shù)出版社，2003[2] 劉華清等譯，德國磁懸浮列車，電子科技大學(xué)出版社，1995[3] 孫章等，高速鐵路與磁浮技術(shù)的發(fā)展歷程及展望，《科學(xué)》，2006（3）[4] Weckerlein, G.J Transrapid: high-tech for “flying on the ground”,The 3rd annual China urban rail summit 2005, P173-179[5] 章云泉，德國軌道交通考察報(bào)告，2001，12