曹春偉 張士臣 潘 碩 梁 瑜

（1.中車唐山機車車輛有限公司，唐山 266111；2.中車工業(yè)研究院有限公司，北京 100071）

1 短定子磁浮交通簡介

隨著磁浮技術(shù)的發(fā)展，磁浮列車技術(shù)已步入商業(yè)運營階段。磁浮列車技術(shù)能有當今良好的發(fā)展形勢，與技術(shù)上的優(yōu)勢和逐漸成熟程度密切相關(guān)。與輪軌列車相比，磁浮列車具有噪音低、爬坡能力強以及轉(zhuǎn)彎半徑小等優(yōu)點，特別適合于城市內(nèi)部和旅游景區(qū)的交通運輸[1]。

國內(nèi)自1984年開始研發(fā)短定子磁浮交通系統(tǒng)，目前已建成北京S1線及長沙機場快線兩條商業(yè)運營線路。北京市中低速磁浮交通示范線（S1線）西起門頭溝區(qū)石門營站，東至石景山區(qū)蘋果園站，線路全長10.236km，于2017年12月建成并試運行（不含蘋果園交通樞紐站）。該線路初期配屬10列6輛編組的磁浮列車，其供應商為中車唐山機車車輛有限公司。長沙磁浮快線（長沙中低速磁浮工程）是服務于湖南省長沙市的一條城市軌道交通線路。長沙磁浮快線自長沙火車南站東廣場至黃花機場T1、T2航站樓，全長18.55km，于2016年5月6日正式通車試運營，配屬5列3輛編組的磁浮列車。它的供應商為中車株洲電力機車有限公司[2]。

短定子磁浮車輛與傳統(tǒng)輪軌車輛類似，由車體、轉(zhuǎn)向架和二系懸掛裝置、牽引緩沖裝置、懸浮和導向系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)（由直線感應電機牽引）、制動系統(tǒng)、車載供電系統(tǒng)以及列車控制系統(tǒng)8個部分組成。車輛系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示[3]。

從表1可以看出，國內(nèi)兩款短定子磁浮交通系統(tǒng)大部分技術(shù)參數(shù)相差不多。因為在研發(fā)過程中兩款車轉(zhuǎn)向架、F軌等核心部件組成均參照日本HSST型磁浮車輛，且主要系統(tǒng)供應商來源一致（株洲所、國防科技大學等）。但是，目前兩款交通系統(tǒng)中的車寬和軌距兩項重要技術(shù)指標存在明顯差異。

表1 短定子磁浮列車主要技術(shù)參數(shù)

2 短定子磁浮列車軌距發(fā)展

軌距是軌道交通最重要的技術(shù)參數(shù)。軌距的不同將影響車輛各項配套基礎(chǔ)設(shè)施，特別是投資大、建設(shè)周期長的車輛試驗線設(shè)計建設(shè)。目前，國內(nèi)短定子磁浮交通系統(tǒng)市場趨于成熟，不同軌距的存在將對未來試驗線與其他基礎(chǔ)設(shè)施的通用性造成負面影響。因此，系統(tǒng)論證不同軌距對磁浮列車各方面的影響，通過研究得出更適合未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢的軌距參數(shù)，以推動短定子磁浮未來的商業(yè)化健康發(fā)展。

國際范圍內(nèi)，日本與韓國是短定子磁浮交通系統(tǒng)研究較早的國家。在早期的研究工程中，多種不同的車型嘗試過不同的軌距與車寬，具體如表2所示

3 國內(nèi)現(xiàn)存短定子磁浮系統(tǒng)軌距

目前國內(nèi)已建成3條短定子磁浮試驗線，分別為上海磁浮中心臨港試驗線（軌距1900mm）、中車唐山機車車輛有限公司試驗線（軌距2000mm）以及中車株機電力機車有限公司試驗線（軌距1860mm）。

表2 日韓兩國短定子磁浮列車軌距與車寬發(fā)展

我國已建成長沙機場快線（軌距1860mm）和北京S1線（軌距2000mm）兩條短定子磁浮商業(yè)運營線，在建磁浮運營線廣州清遠磁浮交通線（軌距1860mm），已立項研究磁浮旅游觀光線張家界磁浮線（軌距1860mm）。

4 軌距與車寬關(guān)系分析

短定子磁浮車輛仿真分析和試驗結(jié)果表明，短定子磁浮車輛端部滑臺相對于車體橫向位移達δ（北京S1線磁浮車輛δ=300mm，長沙機場快線δ=320mm）。車寬-軌距示意圖如圖1所示。結(jié)合導軌防護罩尺寸經(jīng)驗，為了保證足夠的運動間隙，應滿足(W-G)/2≥δ。根據(jù)表3數(shù)據(jù)分析可知，兩種軌距均能適合3m、2.8m及2.6m的車寬。

圖1 車寬-軌距示意圖

表3 車距與車寬的分析

5 磁浮車輛車廂內(nèi)地板最大有效面積分析

北京S1線磁浮車輛和長沙機場快線磁浮車輛的最大有效載荷均為35t，因此計算磁浮車輛車廂內(nèi)地板最大有效面積不考慮座椅的排布和車內(nèi)電氣柜的布置空間，僅計算磁浮車輛車廂內(nèi)部地板的最大有效面積。該計算均選擇中間車作為計算樣本。

北京S1線中間車車廂內(nèi)部地板的最大有效面積為：

式中，S1為北京S1線中間車車廂內(nèi)部地板的最大有效面積；W1為北京S1線中間車車廂內(nèi)部車寬；L1為北京S1線中間車車長。

長沙機場線中間車車廂內(nèi)部地板的最大有效面積為：

式中，S2為長沙機場線中間車車廂內(nèi)部地板的最大有效面積；W2為長沙機場線中間車車廂內(nèi)部車寬；L2為長沙機場線中間車車長。

6 軌距對內(nèi)外軌長度差影響分析

圖2是軌距與曲線半徑的關(guān)系示意圖，設(shè)R內(nèi)為內(nèi)軌道曲線半徑，R外為外軌道曲線半徑，G為軌距，L內(nèi)為相同角度下內(nèi)軌道曲線長度，L外為相同角度下外軌道曲線長度，ɑ為對應軌道曲線長度下的角度，則：

由式（3）可知，在曲線上內(nèi)外軌長度差與軌距成正比。因此，在相同曲線半徑下，采用較小的軌距意味著內(nèi)外軌長度差更小，且相鄰懸浮架之間在通過水平或豎曲線時需要補償?shù)南鄬\動量也更小。

圖2 軌距與曲線半徑的關(guān)系示意圖

7 軌距對車輛動力學的影響

仿真分析具有相同懸掛參數(shù)的短定子磁浮車輛在1860mm和2000mm兩種軌距條件下的車輛動力學參數(shù)，仿真分析結(jié)果如圖3和圖4所示。從穩(wěn)態(tài)或曲線不同角度來看，1860mm和2000mm兩種軌距的迫導向機構(gòu)的拉桿約束力和懸浮架橫移量并無顯著差別。軌距不應是動力學需要論證的問題，因為針對不同的軌距，通過合理匹配車輛懸掛參數(shù)，車輛都可以獲得較好的動力學性能。

8 軌距對車輛運行平穩(wěn)性的影響

較大的軌距能增加車輛抗側(cè)滾剛度，有利于增加車輛運行穩(wěn)定性。從車輛動力學的機理來看，車輛運行平穩(wěn)性與軌距沒有實質(zhì)性關(guān)系。車輛運行平穩(wěn)性反映的是車輛與軌道的動態(tài)作用情況，體現(xiàn)的是乘坐舒適性，主要與車輛各個懸掛參數(shù)相互之間是否匹配及軌道精度強相關(guān)。

圖3 1860mm軌距與動力學的關(guān)系示意圖

圖4 2000mm軌距與動力學的關(guān)系示意圖

鑒于磁浮列車領(lǐng)域目前無成熟的車輛平穩(wěn)性指標可供參考，因此評判時借鑒輪軌交通領(lǐng)域成熟的GB 5599—85鐵道列車動力學性能評定和試驗鑒定規(guī)范進行評定。該標準中，垂向及橫向平穩(wěn)性指標W＜2.50屬于優(yōu)秀，2.50≤W＜2.75屬于良好，2.75≤W＜3.00屬于合格。長沙機場快線試驗數(shù)據(jù)如表4所示。

由表4可以看出，平穩(wěn)性指標最惡劣情況為AW0載荷時速100km/h時，頭車最端部測點W=2.41，在標準優(yōu)秀范圍內(nèi)。表5為北京S1線AW0載荷平穩(wěn)性試驗數(shù)據(jù)。由表5可以看出，平穩(wěn)性指標最惡劣情況為AW0載荷速80km/h時，第二車測點W=2.00，在標準優(yōu)秀范圍內(nèi)。綜上所述，兩種軌距車輛均達到GB 5599—85要求，運行平穩(wěn)性指標優(yōu)秀。

9 對于短定子磁浮列車軌距發(fā)展的判斷

通過分析兩款車型，可以總結(jié)出以下幾點。第一，從日韓兩國的發(fā)展來看，短定子磁浮列車軌距和車寬等尺寸在逐漸變小。第二，從產(chǎn)業(yè)發(fā)展角度，與2000mm軌距相比，目前國內(nèi)在1860mm軌距方向的技術(shù)資源更為豐富，1860mm軌距的市場訂單更多。第三，短定子磁浮列車現(xiàn)存兩種軌距均能適配2.6～3m寬車體，目前車輛承載能力主要受制于車輛懸浮能力（35t）。第四，更窄的軌距有利于提升磁浮列車理論極限運動學性能，如小曲線通 過等。

目前，兩種軌距車輛均能實現(xiàn)最小50m半徑曲線通過，已可滿足工程最極端環(huán)境要求。第五，更寬的軌距有利于提升磁浮列車理論動力學性能，特別是車輛運行平穩(wěn)性。經(jīng)過線路試驗與運行示范，兩種軌距車輛均表現(xiàn)出良好的動力學性能。通過各系懸掛參數(shù)匹配調(diào)校，兩種軌距車輛均在測試中達到了優(yōu)秀。

表4 長沙機場快線AW0載荷平穩(wěn)性試驗數(shù)據(jù)

表5 北京S1線AW0載荷平穩(wěn)性試驗數(shù)據(jù)

10 結(jié)語

短定子磁浮列車作為一種新制式軌道交通方式，豐富了我國的城市軌道交通種類，依靠系統(tǒng)爬坡能力強、轉(zhuǎn)彎半徑小以及噪音小的特點獲得了一定的市場空間。但是，短定子磁浮列車受限于運載能力，不能取代輪軌地鐵系統(tǒng)，更多是運用在小規(guī)模的支線運輸領(lǐng)域。其中，1860mm軌距是未來更適合國內(nèi)運用和發(fā)展的制式。