我國磁懸浮軌道交通自主研制之路
2015-12-29
【工控中國技術(shù)前沿】12月26日，我國軌道交通事業(yè)迎來歷史性一刻：中國首條完全自主設(shè)計、自主制造、自主施工和管理的中低速磁懸浮商業(yè)運營示范線“長沙磁浮快線”正式試運行。
我國磁懸浮軌道交通自主研制之路
作為世界上第三條商業(yè)運行的中低速磁浮列車線路，也是目前全球最長的一條中低速磁浮客運線路，這條承載著我國緊跟并超越世界尖端軌道交通水平的“夢想列車”，更承載著西南交通大學(xué)幾代科研工作者30年來敦篤勵志、果毅力行的磁浮交通工程化之路。
從1986年，西南交通大學(xué)召開磁浮技術(shù)與磁浮列車研究大會，確定磁浮技術(shù)科學(xué)研究方向，起動磁浮技術(shù)研究；到1994年，研制成功我國首臺4噸載人磁浮車系統(tǒng)，實現(xiàn)我國在磁浮列車懸涪導(dǎo)向和驅(qū)動等系統(tǒng)首次突破。
從2006年“青城山磁浮列車工程試驗線”實現(xiàn)中低速磁浮車工程試驗線聯(lián)調(diào)，到全面參與上海、株洲中低速磁浮列車的研制；再到如今，主導(dǎo)“長沙磁浮快線”磁浮列車懸浮控制系統(tǒng)、直線電機驅(qū)動系統(tǒng)、懸浮架結(jié)構(gòu)等科研攻關(guān)。
30年來，西南交通大學(xué)從零起步到全面掌握磁浮交通系統(tǒng)工程化技術(shù)，形成可推廣應(yīng)用能力，走出了一條我國磁浮軌道交通自主研制之路。
從“漂起”小鐵球到懸浮數(shù)噸列車
磁浮列車是20世紀的一項技術(shù)發(fā)明，其原理并不深奧：它運用磁鐵“同性相斥，異性相吸”的性質(zhì),使磁鐵具有抗拒地心引力的能力，即“磁性懸副。科學(xué)家將“磁性懸副運用在鐵路運輸系統(tǒng)上,使列車完全脫離軌道而懸浮行駛，成為“副在空中的列車，這就是“磁浮列車”。
早在1986年，西南交大就率先召開了磁浮技術(shù)與磁浮列車技術(shù)研究大會，成為國內(nèi)較早啟動該領(lǐng)域研究的高?？蒲袉挝?。在1988年，交大磁浮團隊完成了單自由度鐵球懸浮實驗，對電磁吸力懸浮原理有了本質(zhì)的認識。
今年82歲的連級三教授，如今已是我國磁浮領(lǐng)域的著名專家，作為那次“鐵球懸浮實驗”的親歷者，他回想起當(dāng)年的研究起步不無感慨：“一個鐵球僅重幾十克，而小球也僅浮在空中8至10毫米。這看似不起眼，但電流是波動的、磁力是波動的，要讓鐵球相對穩(wěn)定懸浮，就必須有一個控制系統(tǒng)不斷地調(diào)整。在當(dāng)時完全從零起步、實驗條件比較簡單的情況下，科研人員做了很多基礎(chǔ)工作?！?br />
而西南交大的磁浮交通攻關(guān)也正是從這個“漂副鐵球，邁出了第一步。
1990年，交大磁浮團隊研究成功了由4臺小電磁鐵構(gòu)成的磁浮模型車，并實現(xiàn)了模型車的穩(wěn)定懸浮和基于直線電機的驅(qū)動。
1994年10月，連級三教授帶領(lǐng)的研究團隊成功地研制出了我國第一輛可載人4噸磁浮車及其試驗線，并實現(xiàn)了系統(tǒng)的穩(wěn)定懸浮與運行，這是我國在磁浮列車領(lǐng)域的首次突破，標志著我國開始擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的磁浮列車技術(shù)。該項目1996年通過科技成果鑒定，并獲該年度鐵道部科技進步二等獎和1997年度國家科技進步三等獎。
此后，西南交通大學(xué)開始正式啟動磁浮列車的工程化研究：1997年3月，青城山磁浮車工程試驗線的可行性研究通過國家科委工業(yè)科技司組織的專家評審；1998年，青城山磁浮列車工程試驗示范線工程立項，并開始籌備建設(shè)青城山磁浮列車工程試驗線；2001年，開始動工修建長430m的青城山磁浮列車工程試驗線。
期間在鐵道部、教育部、科技部等部門關(guān)注支持下，在兩期國家863磁浮交通系統(tǒng)重大專項支撐下，西南交大先后完成了中低速磁浮列車的車輛結(jié)構(gòu)設(shè)計、軌道及線路設(shè)計、懸浮控制器研制、懸浮傳感器研制、電磁鐵設(shè)計、直線電機設(shè)計等一系列全面可行的磁浮列車相關(guān)技術(shù)——2006年4月30日，我國磁浮交通科研又一次在西南交大取得進展：采用三懸浮架結(jié)構(gòu)，長11.2米，寬2.6米，高3.3米，軌距1700mm的“青城山中低速磁浮車工程實驗線”聯(lián)調(diào)成功，一輛具有自主知識產(chǎn)權(quán)的中低速磁浮列車實地正式實驗運行，這標志西南交大初步掌握磁浮列車系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)，驗證并初步掌握中低速磁浮交通系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)，為以后的中低速磁浮車工程化和應(yīng)用打下必要的技術(shù)基矗
至此，歷經(jīng)數(shù)年持之以恒的探索研究，“磁浮列車”這個過去僅停留在理論上的“空中花園”，終于在我國初步具備產(chǎn)業(yè)化的能力。
瞄準產(chǎn)業(yè)前沿助推“中國磁副之路
磁浮列車，由于擺脫了輪軌關(guān)系的限制，具有了快速、低噪和環(huán)境適應(yīng)性強等獨特優(yōu)勢，也是世界交通強國競爭制高點之一。自20世紀60年代以來，以德國和日本為代表的發(fā)達國家無不競相啟動該領(lǐng)域研究，2005年日本8.9千米中低速磁浮商業(yè)線路通車運營，其高速磁浮運營線也正在建設(shè)中。
面對激烈國際競爭，在完成了理論研究與原理試驗、系統(tǒng)研究與功能試驗兩個科研階段后，未來我國自己的“磁懸副該怎么建、又如何走？西南交通大學(xué)再次“領(lǐng)命”。而與過去的埋頭“實驗室”做基礎(chǔ)攻關(guān)不同，這一次交大磁浮團隊將攻關(guān)目標瞄準在了產(chǎn)業(yè)需求“第一線”。
在聯(lián)合企業(yè)推進中低速磁浮列車工程化中，西南交大于2005年，就與上海磁浮交通工程技術(shù)中心簽訂了“上海城軌磁浮列車車輛總體設(shè)計”合同，并于次年3月又簽訂了“上海低速（城軌）磁浮交通試驗線工程懸浮控制設(shè)備供貨及服務(wù)”合同，全面參加上海城軌磁浮試驗線磁浮列車研制。該試驗列車為三節(jié)編組，為全新結(jié)構(gòu)設(shè)計并創(chuàng)下多個“首次”：國內(nèi)首次采用整體電磁鐵結(jié)構(gòu)，首次采用五懸浮架結(jié)構(gòu)，首次采用DC330V懸浮電源，首次采用三選二懸浮傳感器，列車最高運行速度100km/h。
2008年和2009年，西南交大又與中國南車股份有限公司簽訂“中低速磁浮交通系統(tǒng)方案設(shè)計研究”合同，與南車株洲電力機車有限公司簽訂“中低速磁浮列車方案設(shè)計研究”合同。攻關(guān)中，交大團隊在系統(tǒng)設(shè)計首次提出了適用于中國國情的1860mm軌距和2800mm車寬。這標志著西南交通大學(xué)在聯(lián)合企業(yè)推進中低速磁浮列車產(chǎn)業(yè)化的工作中又邁進一步。
為進一步推動中低速磁浮列車工程化，交大與南車株洲電力機車有限公司于2011年又簽訂了“常導(dǎo)短定子異步驅(qū)動懸浮架試驗車懸浮控制系統(tǒng)研制”和“常導(dǎo)短定子異步驅(qū)動中低速磁浮列車系統(tǒng)設(shè)計與試驗研究”合同；于2011年簽訂了“常導(dǎo)短定子異步驅(qū)動中低速磁浮列車懸浮控制系統(tǒng)”，全面參加了株洲中低速磁浮列車的研制。2012年1月20日，中低速磁浮列車在南車株洲電力機車有限公司內(nèi)下線，這是一條按商業(yè)運行條件設(shè)計的磁浮列車及試驗線路，磁浮列車運行速度100km/h，能適應(yīng)試驗線各種曲線及坡道的要求。
為推動中低速磁浮交通的發(fā)展與應(yīng)用，2013年由錢清泉院士牽頭的中國工程院“中低速磁浮交通技術(shù)與系統(tǒng)發(fā)展戰(zhàn)略研究”項目立項，項目研究匯聚國內(nèi)磁浮領(lǐng)域的院士專家，包括電氣工程學(xué)院和牽引動力實驗室相關(guān)專家教授，對我國中低速磁浮交通的發(fā)展戰(zhàn)略進行了深入研究，論證了我國發(fā)展中低速磁浮必在性和戰(zhàn)略意義，進一步推動了長沙中低速磁浮工程應(yīng)用線的建設(shè)。
“正是這一系列與企業(yè)的合作，以及國內(nèi)磁浮專家的聯(lián)合，使我們慢慢找到了符合我國國情、交通需求特點的中低速磁懸浮產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用之路。”西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院張昆侖教授，是磁浮技術(shù)與磁浮列車教育部重點實驗室副主任，也是西南交大中低速磁浮列車項目的負責(zé)人。在他看來，緊跟產(chǎn)業(yè)需求“第一線”不斷攻關(guān)與突破，成功為我國首條中低速磁浮列車的商業(yè)應(yīng)用提供了保障。
據(jù)了解，26日試運行的長沙高鐵南站至黃花機場的18.55km“長沙磁浮快線”采用了此前西南交大與南車株洲電力機車有限公司研制的中低速磁浮列車系統(tǒng)技術(shù)，該列車懸浮系統(tǒng)核心技術(shù)由西南交通大學(xué)提供。
“比如長沙磁浮列車運營線，是目前國內(nèi)外最長的中低速磁浮列車運營線，磁浮列車懸浮控制系統(tǒng)在適應(yīng)列車在庫線、直線、道岔、70‰坡道、50米半徑曲線，以及各種軌道接縫等不同線路條件下實現(xiàn)平穩(wěn)懸福這就需要理論結(jié)合實踐的不斷摸索?！彼詧F隊獨創(chuàng)的“電磁懸浮控制系統(tǒng)技術(shù)”舉例說，過去的金屬球是單點懸浮，如今總重20頓的列車要保持8毫米的穩(wěn)定懸浮，每列車都設(shè)有60懸浮控制器，要保證懸浮穩(wěn)定，涉及到系統(tǒng)設(shè)計、電磁兼容、控制理論和控制算法等技術(shù)問題；而針對道路的直線、道岔、坡道和軌縫等問題，“間隙傳感器”，需要每秒鐘感應(yīng)數(shù)千次甚至上萬次道路情況，并傳輸給懸浮控制系統(tǒng)進行調(diào)整。
不懈追求打造“交大磁副名片
此次“長沙磁浮快線”的試運行，標志著歷經(jīng)30年的不懈追求，西南交通大學(xué)磁浮技術(shù)已經(jīng)成熟，并已率先走向工程化，“交大磁副已真正成為西南交通大學(xué)的名片。
目前，西南交大已參與建立了中低速磁浮交通工程的基儲通用和專用等三類標準體系，參與頒布了《中低速磁浮交通車輛通用技術(shù)條件》、《中低速磁浮交通軌排技術(shù)條件》等國家、行業(yè)標準5項；《中低速磁浮交通設(shè)計規(guī)范》、《中低速磁浮交通運行控制技術(shù)規(guī)范》等相關(guān)國家、行業(yè)標準亦將陸續(xù)頒布；擁有授權(quán)專利259項，其中發(fā)明專利114項，實用新型專利145項。
此外，我國另一種最有可能商用、采用新型懸浮架和連續(xù)直線電機概念和運行時速達140公里的中低速磁浮列車，擬在上海臨港1.7公里的中低速磁浮列車系統(tǒng)試驗線進行試驗，也將采用西南交大的多項核心成果。
而為了進一步擴大磁浮技術(shù)的影響力，培養(yǎng)相當(dāng)規(guī)模的磁浮技術(shù)相關(guān)人才，西南交通大學(xué)已于2000年設(shè)立了“磁浮與城市軌道交通自動化”本科生專業(yè)方向并開始招收本科生；2004年，西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院申報并獲批準自主設(shè)置“電磁懸浮與超導(dǎo)工程”碩士點和博士點，至此建立了國內(nèi)唯一的從本科、碩士到博士的磁浮技術(shù)的人才培養(yǎng)體系。
目前，在錢清泉院士牽頭下，西南交大正組織電氣工程學(xué)院和牽引動力實驗室的研究團隊，聯(lián)合同濟大學(xué)團隊和深圳大學(xué)團隊，開展高速磁浮交通技術(shù)戰(zhàn)略研究。在已掌握中低速磁浮交通核心技術(shù)、特殊技術(shù)、試驗驗證技術(shù)和系統(tǒng)集成技術(shù)的基礎(chǔ)上，進一步開展高速磁浮交通系統(tǒng)技術(shù)研究，主要包括真空管道軌道交通技術(shù)、高溫超導(dǎo)磁浮列車技術(shù)研究和電動斥力磁浮列車技術(shù)研究等。西南交通大學(xué)正在磁浮列車系統(tǒng)設(shè)計與集成、軌道與線路設(shè)計、牽引與供電系統(tǒng)設(shè)計與制造、通信信號系統(tǒng)裝備設(shè)計與制造、工程建設(shè)與管理等方面，形成完整的磁浮交通產(chǎn)業(yè)發(fā)展能力。
