我國(guó)磁懸浮軌道交通自主研制之路
2015-12-29
【工控中國(guó)技術(shù)前沿】12月26日，我國(guó)軌道交通事業(yè)迎來(lái)歷史性一刻：中國(guó)首條完全自主設(shè)計(jì)、自主制造、自主施工和管理的中低速磁懸浮商業(yè)運(yùn)營(yíng)示范線“長(zhǎng)沙磁浮快線”正式試運(yùn)行。
我國(guó)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(yùn)行的中低速磁浮列車線路，也是目前全球最長(zhǎng)的一條中低速磁浮客運(yùn)線路，這條承載著我國(guó)緊跟并超越世界尖端軌道交通水平的“夢(mèng)想列車”，更承載著西南交通大學(xué)幾代科研工作者30年來(lái)敦篤勵(lì)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(kāi)磁浮技術(shù)與磁浮列車研究大會(huì)，確定磁浮技術(shù)科學(xué)研究方向，起動(dòng)磁浮技術(shù)研究；到1994年，研制成功我國(guó)首臺(tái)4噸載人磁浮車系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)我國(guó)在磁浮列車懸涪導(dǎo)向和驅(qū)動(dòng)等系統(tǒng)首次突破。
從2006年“青城山磁浮列車工程試驗(yàn)線”實(shí)現(xiàn)中低速磁浮車工程試驗(yàn)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(zhǎng)沙磁浮快線”磁浮列車懸浮控制系統(tǒng)、直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、懸浮架結(jié)構(gòu)等科研攻關(guān)。
30年來(lái)，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(guó)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(jì)的一項(xiàng)技術(shù)發(fā)明，其原理并不深?yuàn)W：它運(yùn)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(yùn)用在鐵路運(yùn)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(kāi)了磁浮技術(shù)與磁浮列車技術(shù)研究大會(huì)，成為國(guó)內(nèi)較早啟動(dòng)該領(lǐng)域研究的高校科研單位。在1988年，交大磁浮團(tuán)隊(duì)完成了單自由度鐵球懸浮實(shí)驗(yàn)，對(duì)電磁吸力懸浮原理有了本質(zhì)的認(rèn)識(shí)。
今年82歲的連級(jí)三教授，如今已是我國(guó)磁浮領(lǐng)域的著名專家，作為那次“鐵球懸浮實(shí)驗(yàn)”的親歷者，他回想起當(dāng)年的研究起步不無(wú)感慨：“一個(gè)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(dòng)的、磁力是波動(dòng)的，要讓鐵球相對(duì)穩(wěn)定懸浮，就必須有一個(gè)控制系統(tǒng)不斷地調(diào)整。在當(dāng)時(shí)完全從零起步、實(shí)驗(yàn)條件比較簡(jiǎn)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(gè)“漂副鐵球，邁出了第一步。
1990年，交大磁浮團(tuán)隊(duì)研究成功了由4臺(tái)小電磁鐵構(gòu)成的磁浮模型車，并實(shí)現(xiàn)了模型車的穩(wěn)定懸浮和基于直線電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。
1994年10月，連級(jí)三教授帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)成功地研制出了我國(guó)第一輛可載人4噸磁浮車及其試驗(yàn)線，并實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的穩(wěn)定懸浮與運(yùn)行，這是我國(guó)在磁浮列車領(lǐng)域的首次突破，標(biāo)志著我國(guó)開(kāi)始擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的磁浮列車技術(shù)。該項(xiàng)目1996年通過(guò)科技成果鑒定，并獲該年度鐵道部科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)和1997年度國(guó)家科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)。
此后，西南交通大學(xué)開(kāi)始正式啟動(dòng)磁浮列車的工程化研究：1997年3月，青城山磁浮車工程試驗(yàn)線的可行性研究通過(guò)國(guó)家科委工業(yè)科技司組織的專家評(píng)審；1998年，青城山磁浮列車工程試驗(yàn)示范線工程立項(xiàng)，并開(kāi)始籌備建設(shè)青城山磁浮列車工程試驗(yàn)線；2001年，開(kāi)始動(dòng)工修建長(zhǎng)430m的青城山磁浮列車工程試驗(yàn)線。
期間在鐵道部、教育部、科技部等部門(mén)關(guān)注支持下，在兩期國(guó)家863磁浮交通系統(tǒng)重大專項(xiàng)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(jì)、軌道及線路設(shè)計(jì)、懸浮控制器研制、懸浮傳感器研制、電磁鐵設(shè)計(jì)、直線電機(jī)設(shè)計(jì)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(guó)磁浮交通科研又一次在西南交大取得進(jìn)展：采用三懸浮架結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)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(shí)驗(yàn)線”聯(lián)調(diào)成功，一輛具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的中低速磁浮列車實(shí)地正式實(shí)驗(yàn)運(yùn)行，這標(biāo)志西南交大初步掌握磁浮列車系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)，驗(yàn)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(gè)過(guò)去僅停留在理論上的“空中花園”，終于在我國(guó)初步具備產(chǎn)業(yè)化的能力。
瞄準(zhǔn)產(chǎn)業(yè)前沿助推“中國(guó)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(qiáng)等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，也是世界交通強(qiáng)國(guó)競(jìng)爭(zhēng)制高點(diǎn)之一。自20世紀(jì)60年代以來(lái)，以德國(guó)和日本為代表的發(fā)達(dá)國(guó)家無(wú)不競(jìng)相啟動(dòng)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(yùn)營(yíng)，其高速磁浮運(yùn)營(yíng)線也正在建設(shè)中。
面對(duì)激烈國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)，在完成了理論研究與原理試驗(yàn)、系統(tǒng)研究與功能試驗(yàn)兩個(gè)科研階段后，未來(lái)我國(guó)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(guò)去的埋頭“實(shí)驗(yàn)室”做基礎(chǔ)攻關(guān)不同，這一次交大磁浮團(tuán)隊(duì)將攻關(guān)目標(biāo)瞄準(zhǔn)在了產(chǎn)業(yè)需求“第一線”。
在聯(lián)合企業(yè)推進(jìn)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(jì)”合同，并于次年3月又簽訂了“上海低速（城軌）磁浮交通試驗(yàn)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(yàn)線磁浮列車研制。該試驗(yàn)列車為三節(jié)編組，為全新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并創(chuàng)下多個(gè)“首次”：國(guó)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(yùn)行速度100km/h。
2008年和2009年，西南交大又與中國(guó)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(jì)研究”合同，與南車株洲電力機(jī)車有限公司簽訂“中低速磁浮列車方案設(shè)計(jì)研究”合同。攻關(guān)中，交大團(tuán)隊(duì)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)首次提出了適用于中國(guó)國(guó)情的1860mm軌距和2800mm車寬。這標(biāo)志著西南交通大學(xué)在聯(lián)合企業(yè)推進(jìn)中低速磁浮列車產(chǎn)業(yè)化的工作中又邁進(jìn)一步。
為進(jìn)一步推動(dòng)中低速磁浮列車工程化，交大與南車株洲電力機(jī)車有限公司于2011年又簽訂了“常導(dǎo)短定子異步驅(qū)動(dòng)懸浮架試驗(yàn)車懸浮控制系統(tǒng)研制”和“常導(dǎo)短定子異步驅(qū)動(dòng)中低速磁浮列車系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究”合同；于2011年簽訂了“常導(dǎo)短定子異步驅(qū)動(dòng)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(jī)車有限公司內(nèi)下線，這是一條按商業(yè)運(yùn)行條件設(shè)計(jì)的磁浮列車及試驗(yàn)線路，磁浮列車運(yùn)行速度100km/h，能適應(yīng)試驗(yàn)線各種曲線及坡道的要求。
為推動(dòng)中低速磁浮交通的發(fā)展與應(yīng)用，2013年由錢(qián)清泉院士牽頭的中國(guó)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(xiàng)目立項(xiàng)，項(xiàng)目研究匯聚國(guó)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(dòng)力實(shí)驗(yàn)室相關(guān)專家教授，對(duì)我國(guó)中低速磁浮交通的發(fā)展戰(zhàn)略進(jìn)行了深入研究，論證了我國(guó)發(fā)展中低速磁浮必在性和戰(zhàn)略意義，進(jìn)一步推動(dòng)了長(zhǎng)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(guó)內(nèi)磁浮專家的聯(lián)合，使我們慢慢找到了符合我國(guó)國(guó)情、交通需求特點(diǎn)的中低速磁懸浮產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用之路?！蔽髂辖煌ù髮W(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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任，也是西南交大中低速磁浮列車項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人。在他看來(lái)，緊跟產(chǎn)業(yè)需求“第一線”不斷攻關(guān)與突破，成功為我國(guó)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(yùn)行的長(zhǎng)沙高鐵南站至黃花機(jī)場(chǎng)的18.55km“長(zhǎng)沙磁浮快線”采用了此前西南交大與南車株洲電力機(jī)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(zhǎng)沙磁浮列車運(yùn)營(yíng)線，是目前國(guó)內(nèi)外最長(zhǎng)的中低速磁浮列車運(yùn)營(yíng)線，磁浮列車懸浮控制系統(tǒng)在適應(yīng)列車在庫(kù)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(shí)現(xiàn)平穩(wěn)懸福這就需要理論結(jié)合實(shí)踐的不斷摸索。”他以團(tuán)隊(duì)獨(dú)創(chuàng)的“電磁懸浮控制系統(tǒng)技術(shù)”舉例說(shuō)，過(guò)去的金屬球是單點(diǎn)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(jì)、電磁兼容、控制理論和控制算法等技術(shù)問(wèn)題；而針對(duì)道路的直線、道岔、坡道和軌縫等問(wèn)題，“間隙傳感器”，需要每秒鐘感應(yīng)數(shù)千次甚至上萬(wàn)次道路情況，并傳輸給懸浮控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整。
不懈追求打造“交大磁副名片
此次“長(zhǎng)沙磁浮快線”的試運(yùn)行，標(biāo)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(chǔ)通用和專用等三類標(biāo)準(zhǔn)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(guó)家、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)5項(xiàng)；《中低速磁浮交通設(shè)計(jì)規(guī)范》、《中低速磁浮交通運(yùn)行控制技術(shù)規(guī)范》等相關(guān)國(guó)家、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)亦將陸續(xù)頒布；擁有授權(quán)專利259項(xiàng)，其中發(fā)明專利114項(xiàng)，實(shí)用新型專利145項(xiàng)。
此外，我國(guó)另一種最有可能商用、采用新型懸浮架和連續(xù)直線電機(jī)概念和運(yùn)行時(shí)速達(dá)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(yàn)線進(jìn)行試驗(yàn)，也將采用西南交大的多項(xiàng)核心成果。
而為了進(jìn)一步擴(kuò)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(dòng)化”本科生專業(yè)方向并開(kāi)始招收本科生；2004年，西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院申報(bào)并獲批準(zhǔn)自主設(shè)置“電磁懸浮與超導(dǎo)工程”碩士點(diǎn)和博士點(diǎn)，至此建立了國(guó)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(qián)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(dòng)力實(shí)驗(yàn)室的研究團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合同濟(jì)大學(xué)團(tuán)隊(duì)和深圳大學(xué)團(tuán)隊(duì)，開(kāi)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(yàn)驗(yàn)證技術(shù)和系統(tǒng)集成技術(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開(kāi)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(dòng)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(jì)與集成、軌道與線路設(shè)計(jì)、牽引與供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制造、通信信號(hào)系統(tǒng)裝備設(shè)計(jì)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。
