伍衛(wèi)凡

(中國鐵路設計集團有限公司,天津 300308)

引言

高速鐵路是鐵路現(xiàn)代化的重要標志,是集多種高新技術于一體的復雜巨系統(tǒng),已在世界各國得到廣泛重視[1],打造更加安全可靠、經(jīng)濟高效、溫馨舒適、方便快捷、節(jié)能環(huán)保的智慧高鐵系統(tǒng)將成為中國高鐵乃至世界高鐵發(fā)展的趨勢[2]。2021年2月24日,中共中央、國務院最新印發(fā)的《國家綜合立體交通網(wǎng)規(guī)劃綱要》中提出:研究推進超大城市間高速磁懸浮通道布局和試驗線路建設快捷、綠色、節(jié)能的高速磁懸浮鐵路將成為中國乃至世界后高鐵時代的發(fā)展趨勢,在400～600 km/h速度級范圍內可以為人們提供更優(yōu)質便捷的出行選擇,是現(xiàn)有高速和城市鐵路路網(wǎng)系統(tǒng)的有益補充,未來極具競爭力[3-5]。

目前,高速磁浮制式主要有常導電磁懸浮系統(tǒng)、低溫超導電動懸浮系統(tǒng)以及高溫超導釘扎懸浮系統(tǒng)。其中,常導高速磁浮利用電磁吸引原理實現(xiàn)列車懸浮,我國于2002年引進德國技術建成了世界上第一條高速磁浮商業(yè)運營線—上海磁浮示范運營線,最高運營速度和試驗速度分別為430 km/h和501 km/h,至今已安全運營近二十年。其次,以上海高速磁浮示范運營線為契機,利用四個五年計劃,我國在常導高速磁浮交通系統(tǒng)原型樣機研發(fā)、工程化產(chǎn)品制造、國產(chǎn)化裝備研制、工程項目規(guī)劃建設等方面開展了大量的研究工作。2019年5月青島四方車輛廠研制的時速600 km高速磁浮試驗樣車下線,標志著我國在高速磁浮車輛、牽引、運控通信等核心技術研發(fā)方面取得了重要階段性成果。此外,招陽等[6]對不同速度的平、豎曲線半徑范圍進行了研究;謝毅等[7]針對時速600 km以上磁浮線路的最小曲線半徑和緩和曲線長度進行初步研究;劉堂紅等[8]對列車交會瞬態(tài)壓力沖擊作用下的高速磁浮列車橫向振動進行了分析;翟婉明等[9]對不同行車速度和不同橋跨情形下高速列車與橋梁結構的動力響應進行了對比分析;梅元貴等[10]對距隧道進口端內不同距離橫截面上不同測點的壓力及壓力變化率進行了研究;沈志云[11]就高速磁浮列車對軌道的動力作用及其與輪軌高速鐵路的比較開展了研究;任愈等[12-14]對基于感應回線的磁浮車輛連續(xù)測速定位方法開展了研究;李開成等[15]對高速磁浮車載運行控制系統(tǒng)進行了研究;鄧亞士等[16]對高速磁浮線路設計參數(shù)進行了研究;王梓丞等[17]對高速磁浮運行控制系統(tǒng)關鍵技術進行了研究;楊光等[18]對高速磁浮列車運行控制系統(tǒng)體系結構進行了研究;范欽海[19]對高速磁浮車輛對軌道平順性要求進行了論述。

基于目前應用較成熟的常導電磁懸浮,結合高速磁浮技術標準研究成果,分別從線路、軌道、橋梁、隧道及牽引運控、無線通信等方面系統(tǒng)對比了時速600 km常導高速磁浮與時速350 km高速輪軌的主要技術參數(shù),總結了常導高速磁浮與高速輪軌鐵路工程的主要區(qū)別,為以后的高速磁浮總體設計與仿真驗證提供參考。

1 常導高速磁浮技術原理

常導高速磁浮列車利用懸浮架兩側的可控直流電磁鐵與定子鐵芯間的吸力來支撐車體懸浮,其懸浮原理如圖1所示。在懸浮電磁鐵中通入直流電流,懸浮電磁鐵與軌道上的定子鐵芯之間產(chǎn)生電磁吸引力將車體浮起。在懸浮電磁鐵模塊上設置間隙傳感器,測量懸浮電磁鐵與定子鐵芯之間的距離,根據(jù)間隙傳感器的反饋主動控制系統(tǒng)不斷實時閉環(huán)調整懸浮電磁鐵線圈的電流,使懸浮間隙保持在10 mm左右。車載導向電磁鐵對安裝于軌道兩側的軟磁鋼產(chǎn)生橫向吸力以保持車輛與軌道動態(tài)對齊。常導高速磁浮的優(yōu)點在于無論處于何種速度或停車,車體均能保持懸浮狀態(tài),不需要輔助輪,但懸浮和導向需要主動控制。

圖1 常導高速磁浮技術原理

常導高速磁浮列車利用安裝在車輛上的電磁鐵與安裝在軌道上的定子線圈,構成長定子直線電機系統(tǒng)實現(xiàn)牽引,定子部分沿線路縱向鋪設在軌道上。定子由定子鐵芯與定子線圈共同組成,當對纏繞在定子鐵芯上的三相線圈通電時,線圈在定子鐵芯中產(chǎn)生向前的電磁推力。

2 常導高速磁浮與高速輪軌鐵路主要技術參數(shù)對比

2.1 線路工程

高速輪軌與高速磁浮鐵路選線主要技術參數(shù)對比如表1所示。高速磁浮由于允許的最大側向加速度及橫坡角高于高速輪軌,因而相同速度情況下,高速磁浮最小曲線半徑比高速輪軌小。當速度為350 km/h時,高速輪軌的最小曲線半徑為5 500 m,高速磁浮的最小曲線半徑則可為2 900 m。此外,由于高速輪軌列車受黏著系數(shù)的限制,其爬坡能力小于高速磁浮列車,因而,高速輪軌的最大坡度一般不宜大于20‰,困難條件下不應大于35‰;而高速磁浮的最大坡度則一般不宜大于50‰,困難條件下不應大于100‰。因此,高速磁浮線路選線較為靈活,可以較好地適應地形變化。

表1 線路技術參數(shù)對比分析

綜上分析,由于相同速度情況下高速磁浮比高速輪軌曲線半徑小,爬坡能力強,因而高速磁浮鐵路選線較為靈活,可以更好地適應地形變化。對于山區(qū)或丘陵地區(qū),可以合理選用橋梁、隧道等形式;對于中心城區(qū),可以采用地下形式穿越,減少工程投資。但由于高速磁浮最大側向加速度及緩和曲線扭轉率等參數(shù)大于高速輪軌,因而其旅客乘坐舒適度比高速輪軌略差。

2.2 軌道工程

高速輪軌鐵路以無砟軌道結構為主,無砟軌道結構主要由鋼軌、扣件、軌道板、底座等組成。目前已形成了以板式無砟軌道和雙塊式無砟軌道為主的結構體系,如圖2所示。軌道工程除鋼軌、扣件、軌道板在工廠內利用模具批量生產(chǎn)外,其底座、自密實混凝土等需要現(xiàn)場澆筑和鋪設,圬工量大,施工中需借助精密的CPⅢ控制網(wǎng)及精調設備,才能夠達到毫米級的施工控制精度。高速磁浮軌道結構主要由軌道梁、功能區(qū)、定子鐵芯等組成。目前形成了以復合式軌道梁、疊合式軌道梁和梁上軌道板等為主的高速磁浮軌道梁結構體系。高速磁浮軌道功能區(qū)包括滑行面、導向面和定子面,如圖3所示。

圖2 高速輪軌鐵路無砟軌道結構

圖3 高速磁浮鐵路軌道結構

為保證車輛運行舒適性和安全性,高速磁浮與高速輪軌鐵路均對軌道鋪設精度有一定的要求。類似高速輪軌系統(tǒng),高速磁浮系統(tǒng)采用軌距、軌向、高低、水平、鉗距偏差、錯位及與設計位置偏差等指標控制軌面平順度,高速輪軌與高速磁浮主要技術參數(shù)分別如表2、表3所示。

表2 高速輪軌軌道靜態(tài)鋪設精度標準

表3 高速磁浮軌道主要技術參數(shù)

綜上分析,由于磁浮列車和輪軌列車走行方式的不同,軌道結構在提供基本的傳力功能外,還要滿足牽引供電、運行控制等系統(tǒng)的需求。因此,高速磁浮鐵路對軌道結構平順性的要求更為嚴苛。特別是高速磁浮在定子面高低、錯位等方面精度達到了0.1 mm級,需要依靠機加工技術才能實現(xiàn)定子面安裝。此外,高速磁浮與高速輪軌均需通過設置特殊裝置來解決特殊大跨度橋梁由于溫度變化引起的系統(tǒng)問題,但高速輪軌相對具有更加成熟的特殊大跨度橋上軌道工程應用經(jīng)驗和解決方案。

2.3 橋梁工程

高速磁浮橋梁結構一般采用梁上軌道梁結構,其中承載梁與高速輪軌一樣,由雙線箱梁、橋面附屬、支座、橋墩及基礎等組成;梁上軌道梁類似高速輪軌無砟軌道結構,由軌道功能區(qū)和承載結構組成。高速輪軌和高速磁浮橋梁結構橫斷面分別如圖4、圖5所示,兩者主要技術參數(shù)對比如表4所示。

圖4 高速鐵路橋梁橫斷面 Fig.4 Cross section of high-speed wheel/rail railway bridge

圖5 高速磁浮橋梁橫斷面Fig.5 Cross section of high-speed railway maglev bridge

表4 橋梁設計技術參數(shù)對比

綜上分析,對于橋梁自振頻率、撓跨比、變形、梁端轉角以及下部結構縱向變形等技術指標,高速磁浮相較高速輪軌鐵路有更高要求;對于下部結構橫向變形和沉降要求等技術指標,高速磁浮與高速輪軌基本相當。軌道梁設計時需要綜合考慮自振頻率和剛度對工程的影響。

2.4 隧道工程

高速輪軌鐵路隧道空氣動力學效應主要表現(xiàn)在瞬變壓力、洞口微氣壓波和行車阻力等方面,對行車速度、隧道有效凈空、車輛限界面積以及列車密封系數(shù)影響較大。為保證列車行車安全和旅客舒適度,同時減小對周邊環(huán)境的影響,需要通過車內舒適度準則、車輛動態(tài)密封指數(shù)、隧道最小阻塞比等參數(shù)確定隧道最小有效凈空面積,并通過設置洞口緩沖結構減緩洞口微氣壓波問題。兩者主要技術參數(shù)對比如表5所示。

表5 隧道設計技術參數(shù)對比

綜上分析,由于高速磁浮設計速度高于高速輪軌,高速磁浮需要更大的有效凈空面積降低空氣動力學效應,同時對洞口緩沖結構、車輛氣密性也提出了更高的要求。此外,高速磁浮需要對隧道內附屬結構和設備等進行空氣動力學檢算,只有在滿足強度、疲勞、穩(wěn)定性指標且確保運營安全條件下,方能進入基本建筑限界和空氣動力作用影響線內部。

2.5 牽引供電工程

高速輪軌牽引供電系統(tǒng)主要由外部電源、牽引變電所和接觸網(wǎng)等組成,如圖6所示。外部三相電力系統(tǒng)經(jīng)牽引變電所將220 kV/330 kV的三相交流電變換為27.5 kV(或55 kV)單相電,經(jīng)饋線電纜輸送至接觸網(wǎng)為電力機車供應電能。高速鐵路牽引接觸網(wǎng)一般采用AT單邊供電方式,在牽引變電所出口及兩個牽引變電所之間設置電分相。高速輪軌牽引供電系統(tǒng)通過外部電源電壓、供電方式、牽引供電設施分布、牽引變壓器接線形式等保證接觸網(wǎng)電壓水平,從而為動車組提供高質量電能。

高速磁浮牽引供電系統(tǒng)主要由外部電源、主變電所、牽引系統(tǒng)和供電系統(tǒng)組成,如圖7所示。其中牽引系統(tǒng)主要由中壓環(huán)網(wǎng)、牽引變電所、饋線電纜、定子開關站、連接電纜及長定子繞組線圈等組成,為列車運行提供可變頻率、相位和電壓幅值的牽引電力系統(tǒng),供電系統(tǒng)則為高速磁浮所有子系統(tǒng)的用電設備和設施提供工頻電力的系統(tǒng)。主變電所從公共電網(wǎng)中引入110 kV或以上電壓等級的電源后,通過降壓變壓器降為35 kV(或20 kV、10 kV)中壓供電電源。中壓供電電源通過中壓環(huán)網(wǎng)輸送至沿線牽引變電所、軌旁變電所,牽引變電所把中壓環(huán)網(wǎng)中交流電通過輸入變壓器及整流器降壓整流成直流電,再由逆變器逆變?yōu)殡妷?、頻率可調的三相交流電,后經(jīng)輸出變壓器、饋線電纜輸送至定子開關站,經(jīng)連接電纜輸送供給長定子繞組線圈。兩者主要技術參數(shù)對比如表6、表7所示。

表6 高速輪軌牽引供電系統(tǒng)主要技術參數(shù)

綜上分析,高速磁浮牽引供電系統(tǒng)外部電源電壓等級與高速輪軌基本一致,均可為220 kV及以上,但兩者在系統(tǒng)組成、供電制式、供電方式、接觸網(wǎng)和饋線電纜電壓等級上存在較大差異。高速輪軌牽引供電系統(tǒng)通過牽引變電所輸出標稱電壓為25 kV的工頻單相交流電;高速磁浮則需先由主變電所將外部公共電網(wǎng)降至35 kV后,通過經(jīng)中壓環(huán)網(wǎng)為沿線牽引變電所交直交環(huán)節(jié)后輸出電壓等級為0～12 kV(相)、頻率為0～356 Hz的三相交流電。

2.6 運行控制工程

高速輪軌鐵路運控系統(tǒng)主要由行車調度指揮、列車運行控制、車站聯(lián)鎖和信號集中監(jiān)測子系統(tǒng)等子系統(tǒng)組成。我國時速250 km以上高速鐵路列車運行控制系統(tǒng)采用CTCS-3系統(tǒng),是基于GSM-R無線通信實現(xiàn)車地信息雙向傳輸,無線閉塞中心(RGB)生成行車許可,軌道電路實現(xiàn)列車占用檢查,應答器實現(xiàn)列車定位,ATO實現(xiàn)列車從車站自動發(fā)車、區(qū)間自動運行、自動停車、自動開門、車門與站臺門聯(lián)動等的列車運行控制系統(tǒng)。

高速磁浮鐵路運行控制系統(tǒng)由中心調度指揮、地面軌旁控制、車載設備、車地無線通道等子系統(tǒng)組成,實現(xiàn)列車運行的安全防護、過程控制和自動調度等。目前,上海高速磁浮示范線和青島四方高速磁浮試驗線的運控系統(tǒng)均是以牽引分區(qū)為地面控車核心的分散控制模式,該模式由中央運行控制、分區(qū)運行控制、車載運行控制和車地無線通信等子系統(tǒng)組成。主要技術參數(shù)對比如表8所示。

表8 運行控制系統(tǒng)主要技術參數(shù)對比分析

綜上分析,高速磁浮與高速輪軌鐵路運行控制系統(tǒng)的主要區(qū)別在于列車控制方式、閉塞方式、測速定位方式等方面。高速磁浮列車控制是信號控制、無線通信、牽引供電3個子系統(tǒng)單元安全耦合的集成,其命令與控制間通過無線通信銜接;其次,高速磁浮閉塞方式采用固定閉塞方式,1個分區(qū)只能有1列車運行;然后,高速磁浮測速定位方式采用相對位置檢測配合絕對位置誤差校正,通過車載相對位置傳感器感應線圈輸出信號的相位和周期實現(xiàn)相對位置檢測,通過接收定位標志板發(fā)送的固定位置信息數(shù)據(jù)報文,實現(xiàn)列車的定位和誤差校準。此外,高速輪軌以車站或集中站為單位,設置相應的運控設備,高速磁浮較高速輪軌地面設備多、分布廣。

2.7 無線通信工程

高速磁浮鐵路通信系統(tǒng)與高速輪軌相同,包括車地無線通信系統(tǒng)和基礎設施通信系統(tǒng)兩部分,其中基礎設施通信系統(tǒng)主要包括主干傳輸網(wǎng)、電話系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、電源及接地系統(tǒng)等子系統(tǒng)。目前,高速輪軌無線通信系統(tǒng)采用GSM-R系統(tǒng),系統(tǒng)應提供語音通信、調度通信、列車控制數(shù)據(jù)傳輸、調度命令和無線車次號校核信息傳遞等業(yè)務,而高速磁浮鐵路無線通信系統(tǒng)則采用LTE或毫米波38GHz技術。兩者主要技術參數(shù)對比如表9、表10所示。

表9 高速輪軌系統(tǒng)無線通信主要技術參數(shù)

表10 高速磁浮系統(tǒng)無線通信主要技術參數(shù)

綜上分析,高速磁浮鐵路車地無線通信數(shù)據(jù)傳輸性能與高速輪軌鐵路有著較大的差別,高速磁浮鐵路對傳輸時延等通信技術參數(shù)有著更高的要求。高速輪軌鐵路GSM-R無線通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)時延、丟包率等技術參數(shù)尚不能滿足高速磁浮無線通信要求。此外,考慮上海高速磁浮示范線38 GHz微波通信技術尚未經(jīng)時速600 km高速磁浮實踐驗證,未來需要對5G、38 GHz微波通信、LTE等無線通信技術在時速600 km高速磁浮中應用進行深化研究。

3 結論

高速磁浮利用非接觸電磁力實現(xiàn)列車的懸浮和導向,采用長定子直線電機及地面牽引控制系統(tǒng)實現(xiàn)列車運行狀態(tài)的控制。通過常導高速磁浮與高速輪軌主要工程技術參數(shù)分析,得出主要結論如下。

(1)高速磁浮對軌道功能區(qū)有嚴格的制造精度要求,其軌道梁功能區(qū)需采用機加工方式實現(xiàn)精度控制。

(2)高速磁浮軌道梁具有更為嚴格的變形、頻率要求,軌道梁設計時需要綜合考慮自振頻率和剛度對工程的影響,橋梁一階豎向自振頻率不小于1.1v/L。

(3)為降低隧道內空氣動力學效應,高速磁浮需要更大的有效凈空面積,同時對洞口緩沖結構、車輛氣密性也提出了更高的要求。

(4)由于高速磁浮采用地面控制,1個分區(qū)只能有1列車運行,其信號控制、無線通信與牽引供電3個子系統(tǒng)間耦合更為緊密,對車地無線通信數(shù)據(jù)傳輸性能也提出了更高的要求,牽引定位數(shù)據(jù)時延要求不大于5 ms。