日本超导磁悬浮列车开发现状

田野

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  磁悬浮列车由于具有安全性、稳定性、与环境适应性以及高速、适合大量运输等特点,被视为21世纪综合运输系统中最具发展前途的高科技运输手段之一。日本出于谋求国土经济均衡发展,以及通过超导磁悬浮技术的开发带动各相关产业发展的目的,自1962年起就开始了直线电机推动悬浮方式列车的预研制工作。至1999年2月10日,随着在日本山梨县境内进行的5节车辆时速500公里荷重270人分编组运行试验的成功,日本超导磁悬浮列车的基本研制计划已接近尾声,将可以转入商业性运营线路开发建设阶段。日本拟于下世纪初在东京、名古屋、大阪之间铺设磁悬浮列车中央新干线。现将MLXO1型超导磁悬浮列车概况介绍如下。

1.超导系统

  超导线圈:超导线圈是磁悬浮列车的最关键设备之一,它与U型列车行驶导槽中设置的推力、上浮、导向线圈一起使列车获得上浮、推进、导向力。日本使用的超导物质是将超细铌钛合金多芯线埋入铜母线内制成的超导电线,当此种超导电线浸入液氦(-269℃)中时进入超导状态产生强大磁场。这是世界上首次在实用运输设备上用超导技术实现可获得550公里稳定时速的大功率强磁线圈,其电压为22KV。
  车载超低温冷冻系统:每一车载强磁单元上分别装有一台液氦及一台液氮压缩制冷机。液氦压缩机的作用是将由于外部热能及列车本身行驶时产生的热能逐渐气化了的氦气重新冷冻还原成液氦。液氮压缩制冷机的作用是将冷却超导线圈外部隔热板的液氮制冷剂重新冷却,保持-196℃低温液氮状态。MLX01型列车装备的压缩机为目前世界上体积最小、能力最强的节能型车载液氦及液氮压缩机,并且实现了连续工作1万小时无故障的纪录。使得列车运行时一次充氦(氮)以后无需再补充液氮或液氦。
  磁屏蔽技术:由于超导线圈工作时产生的巨大磁场,如无有效屏蔽手段将危害乘客的健康,MLX01型列车使用了一种称之为EFE的屏蔽材料(工业纯铁类),有效地将客车内的磁场降至10高斯以内,可以确保乘客的安全。

2.车体技术

  高强度轻型设计:当列车以550公里时速穿越隧道时,空气密度压力的突然变化及列车头部突入隧道时产生的微气压波会给车体带来巨大压力,对车体的设计及材料提出很高的要求。MLX01型列车使用了高强度铝合金材料及半硬壳结构密封设计,同时为了提高有效荷重,列车采取了超轻量设计并大量使用了强化碳纤维树脂等新材料。
  减震系统及舒适性设计:为提高列车的舒适性,MLX01型列车在底盘与车厢之间设计了计算机控制的油压减震系统及空气弹簧减震装置,使得列车行驶极其平稳。
  另外,列车设计了利用行驶风进行自动调节的节能平衡式空调系统,这种系统避免列车行驶时由于气压变化带来的乘客耳朵不适感。

3.安全控制系统

  为确保550公里时速状态运行的安全,新型磁浮列车的另一关键系统即强电的变电、配电系统。磁浮列车的起动、加速、停止等动作均通过地面大型变频、变压装置改变向线圈输送的电流及频率进行精密控制。MLX01型列车的地面系统先通过大型可控硅整流(69MW)及GTO换流变电站将交流电源转换成直流电,然后再通过世界最大级(40MVA)的变频换流装置,将获得的直流电源重新转换成磁浮电机所需的(电压0—22KV、频率0—56.6Hz)交流可变电源。
  为了提高运行效率,列车运行配电系统仅向磁浮列车所在区段进行配电。日本开发的SF6气体保护GIS型小型区域配电开关已通过了100万次可靠性试验。
  驱动控制系统:该系统是代替驾驶员保证列车平稳舒适运行并控制整个电力变换向列车各行驶区域配电的重要控制系统,主要包括:驱动控制系统、速度控制系统、相位同步控制系统、列车区段配电控制系统等部分。
  电磁诱导供电系统:磁浮列车在行驶时,与地面处于非接触状态。列车所需的照明及空调等用电采用了地面线圈和车上线圈电磁感应供电方法,获得所需电力。

5.图像信息传递系统

  磁浮列车使用了毫米波无线大容量传输方式。山梨县试验段的工作频段为45GHz,可以将设在车头的CCD图像通过无线系统传入中心指令室。地面信息系统使用了光纤LAN系统,传送各种控制、监视、计测、广播、电话等信息。

6.土木工程技术

  为确保列车的安全,磁浮列车行驶的U型导槽施工要求极高,其整体施工要求达到厘米精度。另外,设置在U性槽体内的线圈在列车行驶时承重极大,在研制过程中,通过计算机模拟等一系列试验,合理地解决了承重及抗疲劳问题。
  磁浮列车的经济性主要取决于两个方面:
  直接建设开发费用。包括三个主要方面,即建设成本、运行成本、设备制造成本。随着技术进步,其各项成本的平均概算大约近期以年7%—5%的速度递减,为此,至2002年,据估算其建设成本大约是普通新干线L700型的130%。
  间接经济效益。建设高速的移动系统首先可创造大量的时间经济价值;磁浮列车是节能、环境负荷小的交通工具,其能耗(公里/人)约为汽车的1/7,飞机的1/4,CO2排放量(人/公里)约为汽车的1/10,飞机的1/6。■