任景槐

（鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學院，河南 鄭州 450000）

現(xiàn)代城市軌道交通隨著社會、經(jīng)濟的快速發(fā)展、城市人口的急劇膨脹和交通需求的增加而得到大力發(fā)展，已逐漸成為城市公共交通的骨干。許多新型軌道交通類型如群星閃耀，相繼出現(xiàn)在各大城市的公共交通網(wǎng)。如2005年通車投運的日本愛知世博會磁浮線路，是采用HSST技術(shù)的第一條正式運營線路；采用直線電機輪軌交通系統(tǒng)的廣州地鐵4號線、首都機場線等于2005年至2010年間建成投運；2016年投運的長沙中低速磁浮快線，線路全長18.55km， 是迄今世界上最長的中低速磁浮軌道交通商業(yè)運營線。本文將以日本的HSST系統(tǒng)為例，介紹中低速磁浮鐵路技術(shù)在城市軌道交通中的應用。

1 HSST系統(tǒng)的優(yōu)點

1.1 舒適、無公害。HSST系統(tǒng)不需要車輪，利用電磁鐵的吸引力作用懸浮走行，因此，沒有車輪與軌道接觸所產(chǎn)生的噪聲和振動。列車運行時車外的噪聲僅為64dB，低于地鐵車輛進站時的噪聲。HSST系統(tǒng)使用吸引型電磁鐵，不同于推斥型電磁鐵，磁場是被約束在預先設(shè)計好的閉合磁路中，無電磁輻射的危害。因此，HSST乘坐舒適、無公害，是一種對環(huán)境友好的系統(tǒng)。

1.2 安全。在構(gòu)造上，HSST車輛環(huán)抱著軌道，不會出現(xiàn)脫軌、翻車等事故，列車的速度和位置受到實時監(jiān)控，列車控制系統(tǒng)將保證不發(fā)生列車碰撞現(xiàn)象。即使在斷電情況下，HSST系統(tǒng)會提供幾種備用和安全系統(tǒng)，車載輔助電源會自動供電，使車輛繼續(xù)懸浮行駛。在極端事故情況下系統(tǒng)瞬間不能運行時，裝在車底的滑撬會使車體緩慢地下降到軌道上滑行，阻止列車繼續(xù)運行。

1.3 建設(shè)成本和養(yǎng)護維修費用低。和傳統(tǒng)的系統(tǒng)相比，HSST需要較低的初期投資和運行費用。由于HSST系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、車體重量輕、軌道結(jié)構(gòu)相對也較輕、構(gòu)造物規(guī)模小，軌道的建設(shè)費用可以降低。因為無輪軌接觸，車輛振動引起的軌道變形和下沉引起的維修費用較之傳統(tǒng)系統(tǒng)有所減少。而且，它占用很小的土地空間，和傳統(tǒng)的高架系統(tǒng)相比，它的細長墩柱較易施工，對梁部作用的是均布載荷，整體的費用大幅下降。

由于HSST系統(tǒng)沒有可動部件、無接觸運行，使其動力消耗降低，車輛維修費用大約只為傳統(tǒng)輪軌系統(tǒng)的1/5。而且HSST系統(tǒng)可以實現(xiàn)無人駕駛或僅需一位乘務員服務，無需像傳統(tǒng)鐵路那樣投入巨額設(shè)備及養(yǎng)護資金。

1.4 快速，甚至可達高速范圍。傳統(tǒng)列車的驅(qū)動系統(tǒng)是依靠輪軌之間的黏著，并且存在一個速度極限。相反，磁浮電磁鐵和直線感應電動機相結(jié)合的列車，并不依賴輪軌黏著而使HSST列車懸浮運行，理論上也沒有最高速度的限制，試驗證明HSST系統(tǒng)有可能達到300km/h的速度，與輪軌高速鐵路的速度目標值相當。

1.5 效率高，能耗及阻力低。HSST系統(tǒng)無摩擦、無運動部件，提供了一個市內(nèi)、市內(nèi)至郊區(qū)或中距離的大眾化運輸工具，它的維修成本和運營費用很少。

1.6 不受距離因素限制，適用于眾多場所。使用直線電機驅(qū)動可以毫不費力地在陡坡區(qū)間走行，輕巧的車體即使在急轉(zhuǎn)彎處也能夠順暢通過。由于使用專用高架軌道，不會有堵車問題。能夠懸浮停車，適合于站間距離較短的城市交通系統(tǒng)。

HSST車輛在停止時也處于懸浮狀態(tài)，它的加速、減速、牽引和制動都很平穩(wěn)，車站可以和建筑物結(jié)合在一起。HSST的爬坡能力和通過曲線半徑的性能，使它在復雜地形地貌地段能較自由地定線。由于沒有車輪，雪天不存在車輪打滑的問題，而且有優(yōu)越的耐久性能，在潮濕地區(qū)、干旱地區(qū)、環(huán)境比較惡劣地區(qū)也能適應。由于它是安靜的系統(tǒng)，清晨、深夜對環(huán)境沒有很大的影響。

1.7 發(fā)展前景廣闊。HSST系統(tǒng)不僅適合低速懸浮運行，隨著技術(shù)進步，也可能適合高速懸浮運行。在城際交通運輸、機場鐵路等中短距離需要速度高達200～300km/h的高速運輸場合也有可能發(fā)揮作用。

2 HSST系統(tǒng)的工作原理

2.1 懸浮原理。 HSST采用磁吸式電磁懸浮工作原理，軌道梁的兩側(cè)為懸空的倒“U”形鋼質(zhì)鐵磁性軌道，固定在磁浮列車上的懸浮兼導向電磁鐵正好置于導軌下方，且鐵心呈正“U”形，與“U”形的軌道相對，安裝在車體的電磁鐵從下方產(chǎn)生吸引導軌的吸力，列車利用此吸力而懸浮。通過調(diào)節(jié)電磁鐵的勵磁電流，調(diào)整電磁鐵與軌道之間的吸力，以保持電磁鐵與軌道之間的距離（氣隙）穩(wěn)定在8mm左右，實現(xiàn)列車穩(wěn)定懸浮。

2.2 導向原理。列車運行過程中產(chǎn)生左右偏離，使得正“U”形電磁鐵的鐵心與倒“U”形軌道錯位，兩者之間的引力傾斜，產(chǎn)生一個與偏離方向相反的橫向分量，利用導軌與磁鐵之間的吸力相互作用進行糾正，使列車回到中心線。即，HSST磁浮列車的導向力可自動產(chǎn)生，通常該橫向恢復力（導向力）約為懸浮力的20%。

2.3 驅(qū)動原理。HSST采用列車驅(qū)動方式，電機為短定子直線感應電動機，電機的初級線圈（定子）安裝在車輛上，二次側(cè)（轉(zhuǎn)子、感應板、次級）沿列車前進方向展開設(shè)置在軌道上。當定子通入三相交流電流后，產(chǎn)生一個運動磁場，該磁場在感應板上感應出電流和磁場，由于磁場的相互作用產(chǎn)生推力，牽引列車向前或后退。由于直線電機定子在車上，HSST系統(tǒng)牽引功率的控制和轉(zhuǎn)換由車上設(shè)備來完成。

2.4 采用短定子直線電機牽引的優(yōu)點是軌道結(jié)構(gòu)簡單（線路上無鐵芯和線圈），控制方便（車上控制），發(fā)車頻率高，采用類似輪軌鐵路區(qū)間閉塞的方式防止列車追尾，造價較低。其缺點是電機功率因數(shù)較低（低于0.7）和效率較低（低于0.7），因為當列車處于懸浮狀態(tài)時，定子與感應板的距離（氣隙）約為6～10mm（而旋轉(zhuǎn)電機的氣隙不到1mm），勵磁功耗較大。若當直線感應電機牽引的磁浮列車以較高速度（如300km/h以上）運行時，效率和功率因數(shù)還會更低，且在高速下，通過機械接觸向車上供電也相當困難，因此，HSST磁浮列車更適合在較低的速度（低于120km/h）下應用。

3 系統(tǒng)應用與發(fā)展

3.1 HSST-100系統(tǒng)屬于低速（或稱普速）鐵路范疇，其HSST-100系列是主力車型，運行速度達到100km/h。HSST-200系列適用于城市與近郊的連接交通線，設(shè)計速度為200km/h，實際上已達高速鐵路的速度范圍，有比較廣泛的適用范圍，包括都市圈近郊、機場與市區(qū)的連接線路等，對應的線路最小曲線半徑為100m，限制坡度為70‰。在設(shè)計上，HSST-200系列列車將直線電機驅(qū)動和電磁懸浮合并在一起。HSST-200直線電機中心之間的設(shè)計標準軌距寬為2.0m，增加軌距以提高橫向穩(wěn)定性，并為模塊之間的設(shè)備安裝提供所需增加的空間，尤其是為更大功率的變流器提供空間，這是為達到200km/h的速度能力所必需的。HSST-200車輛的重量與HSST-100相似，大約28t。

3.2 HSST-300系列列車適用于城市之間的大運量交通線路，其設(shè)計車速為300km/h，也達到了高速鐵路的速度。此外，由于HSST系統(tǒng)采用第三軌供電方式，實際上并未實現(xiàn)列車完全無接觸行駛，這使得其最高運行速度無法達到超高速磁浮列車的水平，還有待進一步改進。