短定子磁浮車輛系統不同軌距分析

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

隨著磁浮技術的發展，磁浮列車技術已步入商業運營階段。磁浮列車技術能有當今良好的發展形勢，與技術上的優勢和逐漸成熟程度密切相關。與輪軌列車相比，磁浮列車具有噪音低、爬坡能力強以及轉彎半徑小等優點，特別適合于城市內部和旅游景區的交通運輸[1]。

國內自1984年開始研發短定子磁浮交通系統，目前已建成北京S1線及長沙機場快線兩條商業運營線路。北京市中低速磁浮交通示范線（S1線）西起門頭溝區石門營站，東至石景山區蘋果園站，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輪軌車輛類似，由車體、轉向架和二系懸掛裝置、牽引緩沖裝置、懸浮和導向系統、牽引系統（由直線感應電機牽引）、制動系統、車載供電系統以及列車控制系統8個部分組成。車輛系統主要技術參數如表1所示[3]。

從表1可以看出，國內兩款短定子磁浮交通系統大部分技術參數相差不多。因為在研發過程中兩款車轉向架、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，目前兩款交通系統中的車寬和軌距兩項重要技術指標存在明顯差異。

表1 短定子磁浮列車主要技術參數

2 短定子磁浮列車軌距發展

軌距是軌道交通最重要的技術參數。軌距的不同將影響車輛各項配套基礎設施，特別是投資大、建設周期長的車輛試驗線設計建設。目前，國內短定子磁浮交通系統市場趨于成熟，不同軌距的存在將對未來試驗線與其他基礎設施的通用性造成負面影響。因此，系統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業發展趨勢的軌距參數，以推動短定子磁浮未來的商業化健康發展。

國際范圍內，日本與韓國是短定子磁浮交通系統研究較早的國家。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 國內現存短定子磁浮系統軌距

目前國內已建成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 軌距與車寬關系分析

短定子磁浮車輛仿真分析和試驗結果表明，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。結合導軌防護罩尺寸經驗，為了保證足夠的運動間隙，應滿足(W-G)/2≥δ。根據表3數據分析可知，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地板最大有效面積不考慮座椅的排布和車內電氣柜的布置空間，僅計算磁浮車輛車廂內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線中間車車廂內部地板的最大有效面積；W1為北京S1線中間車車廂內部車寬；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部地板的最大有效面積；W2為長沙機場線中間車車廂內部車寬；L2為長沙機場線中間車車長。

6 軌距對內外軌長度差影響分析

圖2是軌距與曲線半徑的關系示意圖，設R內為內軌道曲線半徑，R外為外軌道曲線半徑，G為軌距，L內為相同角度下內軌道曲線長度，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的相對運動量也更小。

圖2 軌距與曲線半徑的關系示意圖

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，仿真分析結果如圖3和圖4所示。從穩態或曲線不同角度來看，1860mm和2000mm兩種軌距的迫導向機構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，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性的影響

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

圖3 1860mm軌距與動力學的關系示意圖

圖4 2000mm軌距與動力學的關系示意圖

鑒于磁浮列車領域目前無成熟的車輛平穩性指標可供參考，因此評判時借鑒輪軌交通領域成熟的GB 5599—85鐵道列車動力學性能評定和試驗鑒定規范進行評定。該標準中，垂向及橫向平穩性指標W＜2.50屬于優秀，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據如表4所示。

由表4可以看出，平穩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，在標準優秀范圍內。表5為北京S1線AW0載荷平穩性試驗數據。由表5可以看出，平穩性指標最惡劣情況為AW0載荷速80km/h時，第二車測點W=2.00，在標準優秀范圍內。綜上所述，兩種軌距車輛均達到GB 5599—85要求，運行平穩性指標優秀。

9 對于短定子磁浮列車軌距發展的判斷

通過分析兩款車型，可以總結出以下幾點。第一，從日韓兩國的發展來看，短定子磁浮列車軌距和車寬等尺寸在逐漸變小。第二，從產業發展角度，與2000mm軌距相比，目前國內在1860mm軌距方向的技術資源更為豐富，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最小50m半徑曲線通過，已可滿足工程最極端環境要求。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性。經過線路試驗與運行示范，兩種軌距車輛均表現出良好的動力學性能。通過各系懸掛參數匹配調校，兩種軌距車輛均在測試中達到了優秀。

表4 長沙機場快線AW0載荷平穩性試驗數據

表5 北京S1線AW0載荷平穩性試驗數據

10 結語

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，依靠系統爬坡能力強、轉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，更多是運用在小規模的支線運輸領域。其中，1860mm軌距是未來更適合國內運用和發展的制式。