中低速磁浮列車與輪軌式城軌列車技術(shù)特點(diǎn)的對比研究*

黃金，張桂南，張世聰

（1 中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司機(jī)車車輛研究所，北京 100081；2 動(dòng)車組和機(jī)車牽引與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

1 A型磁浮列車與B型地鐵列車主要技術(shù)參數(shù)對比

進(jìn)行試驗(yàn)對比的A型磁浮列車為中低速常導(dǎo)磁浮列車，采用6輛全動(dòng)車的編組模式，即：-Mc1*M1*M2*M3*M4*Mc2-。B型地鐵采用4動(dòng)車2拖車的6輛編組模式，即=Tc1*M1*M2-M3*M4*Tc2=（Mc車：有司機(jī)室的動(dòng)車；M車：無司機(jī)室的動(dòng)車；Tc車：有司機(jī)室的拖車；-：半自動(dòng)車鉤；*：半永久牽引桿；=：全自動(dòng)車鉤）。兩列車的主要技術(shù)參數(shù)對比見表1。

表1 A型磁浮列車與B型地鐵列車主要技術(shù)參數(shù)對比

2 列車能耗對比

城市軌道交通的運(yùn)營能耗一般由列車牽引能耗和車站動(dòng)力照明能耗組成。牽引能耗包括列車的牽引動(dòng)力能耗和列車照明、空調(diào)等輔助設(shè)備的能耗；車站動(dòng)力照明能耗包括城軌系統(tǒng)車站和行車區(qū)間的環(huán)控、照明等設(shè)備運(yùn)行能耗［3］。地下線路的長期牽引能耗與車站動(dòng)力照明能耗比值［1］約為1.2～1.5；相對的，高架線路的比值約為1.8～2.1。中低速磁浮列車線路多為高架線路，可見其牽引能耗在總能耗中占比較大。已有文獻(xiàn)采用基于不同功率/級位效率曲線的模型方法［4］，將磁浮列車的牽引能耗與地鐵列車進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真對比，得出中低速磁浮列車的能耗顯著超過傳統(tǒng)輪軌式列車的結(jié)論［2］。文中基于線路實(shí)測數(shù)據(jù)，對中低速磁浮列車與傳統(tǒng)輪軌式地鐵列車的牽引能耗進(jìn)行進(jìn)一步對比分析。

通常對城軌列車牽引能耗有影響的因素分為：列車因素、線路因素、運(yùn)營組織因素和環(huán)境因素［3］。進(jìn)行對比的A型磁浮和B型地鐵均為最高運(yùn)營速度為80 km/h的6輛編組列車，為了控制影響能耗對比的各種變量，在試驗(yàn)時(shí)使空調(diào)開機(jī)狀態(tài)一致，盡量使用最大牽引和制動(dòng)級位，并盡量選取平直道進(jìn)行測試。

對列車能耗的計(jì)算采用實(shí)測電壓電流計(jì)算網(wǎng)端、輔助系統(tǒng)和懸浮系統(tǒng)功率的方法［5］，計(jì)算公式為式1和式2（鑒于目前城軌列車在實(shí)際運(yùn)營時(shí)再生制動(dòng)產(chǎn)生的能量主要使用制動(dòng)電阻進(jìn)行耗散，計(jì)算能耗時(shí)不考慮再生反饋的能量）：

式中：Q耗為網(wǎng)端能耗，kW·h，不考慮再生制動(dòng)能量；PL正為牽引工況的網(wǎng)端功率，kW；Q阻為克服阻力做功產(chǎn)生的能耗（包括牽引系統(tǒng)自身損耗），kW·h；Q輔為輔助系統(tǒng)能耗，kW·h；Q浮為懸浮系統(tǒng)能耗，kW·h。

2.1 典型運(yùn)行圖及A型磁浮列車牽引能耗的組成分析

A型磁浮和B型地鐵列車的典型運(yùn)行圖和平均站間距的對比見表2，兩列車的平均站間距約為1.1 km。

表2 A型磁浮和B型地鐵列車的典型運(yùn)行圖對比

分析A型磁浮列車進(jìn)行典型站間距的能耗組成可知：A型磁浮實(shí)際試驗(yàn)線路存在坡道和曲線的影響，不存在足夠長度的平直道，故在實(shí)際線路中選取站間距為1 044 m、曲線阻力影響很?。≧3 000）、站間高差5.4 m（將上下行數(shù)據(jù)相加以盡可能抵消重力勢能做功對能耗結(jié)果的影響）的兩站間對牽引能耗的組成進(jìn)行分析。試驗(yàn)工況為盡可能以最快速度運(yùn)行，快起快停。不考慮上下行時(shí)司機(jī)操縱行為影響，試驗(yàn)測得上述兩站之間的能耗結(jié)果見表3，能耗組成如圖1所示，可以看出為克服阻力做功所產(chǎn)生的能耗占了總能耗的絕大部分（82%），但同時(shí)懸浮能耗也占據(jù)了不小的比重（14%），且在實(shí)際工況下大于列車0.7 kW/t的設(shè)計(jì)懸浮能耗。懸浮能耗在列車整個(gè)運(yùn)行過程中一直存在。

圖1 A型磁浮列車站間運(yùn)行能耗組成

表3 A型磁浮站間運(yùn)行能耗統(tǒng)計(jì)結(jié)果

傳統(tǒng)輪軌式地鐵列車的牽引能耗組成分為2部分：為克服阻力做功產(chǎn)生的能耗，占列車總能耗的80%；輔助系統(tǒng)能耗，占列車總能耗的20%（空調(diào)季）［6］，為克服阻力做功產(chǎn)生的能耗占總能耗比重與A型磁浮試驗(yàn)結(jié)果相當(dāng)。對于平均站間距1.1 km，最高運(yùn)行速度80 km/h的城市軌道交通，典型運(yùn)行曲線為加速-惰行巡航-制動(dòng)停車。由于站間距較短，因此大部分時(shí)間處于加速和惰行巡航的狀態(tài)，加速能耗對于列車總能耗影響較大，下文將對A型磁浮和B型地鐵列車的起動(dòng)加速能耗和運(yùn)行阻力進(jìn)行對比分析。

實(shí)驗(yàn)對象：自家小女林思言、妻侄女林子玥、表侄兒田澎、同事及朋友孩子柯添愷、施芳瑜等十二三人。其中，六年級畢業(yè)生6人，初一學(xué)生2人，五年級4人，遠(yuǎn)在福州的侄兒通過微信湊個(gè)熱鬧。

2.2 起動(dòng)加速能耗分析

A型磁浮和B型地鐵列車的0～80 km/h起動(dòng)加速試驗(yàn)都在平直道進(jìn)行，各重復(fù)3次，各項(xiàng)數(shù)據(jù)取算術(shù)平均值，結(jié)果見表4，試驗(yàn)網(wǎng)端功率發(fā)揮如圖2所示。

圖2 A型磁浮和B型地鐵列車0～80 km/h起動(dòng)加速試驗(yàn)網(wǎng)端功率發(fā)揮

表4 A型磁浮和B型地鐵列車0～80 km/h起動(dòng)加速試驗(yàn)結(jié)果

可以看出，A型磁浮列車網(wǎng)端功率在起動(dòng)階段（0～42 km/h）高于B型地鐵列車，在42～80 km/h區(qū)段低于B型地鐵列車。A型磁浮列車加速過程中網(wǎng)端峰值功率可達(dá)到5 117 kW，等效網(wǎng)端功率約為2 965 kW，B型地鐵列車加速過程中網(wǎng)端峰值功率可達(dá)到4 819 kW，等效網(wǎng)端功率約為3 440 kW，但由于直線電機(jī)效率遠(yuǎn)低于輪軌式城軌列車所用的異步電機(jī)［2，7］，因此A型磁浮列車加速時(shí)間高于B型地鐵列車，兩者的總體加速能耗相當(dāng)。但需要注意的是兩列車試驗(yàn)載荷不同，B型地鐵列車起動(dòng)加速過程中在能耗相當(dāng)?shù)那闆r下具有大得多的載荷。

2.3 運(yùn)行阻力分析

磁浮列車在運(yùn)行過程中所受到的阻力與傳統(tǒng)輪軌式列車不同，除了受到空氣阻力外，由于導(dǎo)軌中電渦流的影響還將受到較大的電磁阻力，使得在磁浮列車在中低速運(yùn)行時(shí)單位基本阻力大于傳統(tǒng)的輪軌式列車［8］。在平直道上采取溜放法，記錄初末速度和運(yùn)行時(shí)間，求出各速度點(diǎn)的單位基本阻力，再用最小二乘法回歸后得到單位惰行基本阻力曲線。兩列車的單位基本阻力曲線如圖3所示。

圖3 A型磁浮和B型地鐵列車運(yùn)行阻力對比

由運(yùn)行阻力分析結(jié)果可知：在0～80 km/h的運(yùn)營速度范圍內(nèi)，速度在約46 km/h以下時(shí)，A型磁浮列車的單位惰行基本阻力更小，且速度小于20 km/h時(shí)，列車惰行降速不明顯，因此擬合時(shí)未考慮20 km/h以下惰行阻力。而速度在約46～80 km/h范圍內(nèi)，由于電磁阻力的影響，A型磁浮列車的單位惰行基本阻力更大。

綜合考慮A型磁浮列車和B型地鐵列車的基本阻力，A型磁浮列車基本阻力小于B型地鐵列車基本阻力，但由于載荷不同，因此在單位能耗上并不占據(jù)優(yōu)勢。

3 噪聲對比

磁浮列車的低噪聲水平是其一大優(yōu)勢，分別對A型磁浮與B型地鐵列車的車內(nèi)和車外噪聲進(jìn)行各種工況下的實(shí)測，內(nèi)部噪聲和外部噪聲均取各測點(diǎn)的最大值，兩列車均為空載（AW0），試驗(yàn)結(jié)果見表5，試驗(yàn)依據(jù)為ISO 3381：2005《鐵路應(yīng)用—聲學(xué)—軌道車輛內(nèi)部噪聲測量》和ISO 3095：2013《聲學(xué)—鐵路應(yīng)用—軌道車輛外部噪聲測量》。

表5 A型磁浮和B型地鐵列車內(nèi)部與外部噪聲試驗(yàn)結(jié)果

列車外部噪聲主要受空氣摩擦、列車本身工作和列車與軌道接觸的影響。在中低速時(shí)，空氣摩擦噪聲主要取決于列車的空氣動(dòng)力學(xué)外形；列車本身工作的噪聲主要取決于變流器、輔助設(shè)備、電機(jī)和機(jī)械傳動(dòng)等；在列車與軌道接觸噪聲方面，由于磁浮列車不依賴于傳統(tǒng)輪軌接觸，速度越高時(shí)，優(yōu)勢越明顯。列車內(nèi)部噪聲則除了上述影響因素外，還在很大程度上受到空調(diào)和通風(fēng)設(shè)備的影響。

由測試結(jié)果可以看出，兩列車在內(nèi)部噪聲水平上并無明顯區(qū)別；A型磁浮列車在靜止和加速工況下的外部噪聲水平明顯高于B型地鐵；但在80 km/h的恒速工況下，將A型磁浮列車10 m處外部噪聲值折算至7.5 m處噪聲值，結(jié)果顯示外部噪聲水平優(yōu)于B型地鐵列車。

4 運(yùn)行平穩(wěn)性對比

列車的運(yùn)行平穩(wěn)性是列車舒適度的重要指標(biāo)，磁浮列車由于不依賴于傳統(tǒng)輪軌接觸，在運(yùn)行平穩(wěn)性上應(yīng)有較大優(yōu)勢。分別在A型磁浮與B型地鐵列車的轉(zhuǎn)向架正上方對應(yīng)的車體地板面上安裝振動(dòng)加速度傳感器，根據(jù)車體加速度計(jì)算不同運(yùn)行速度下的運(yùn)行平穩(wěn)性。試驗(yàn)依據(jù)為GB 5599-1985《鐵道車輛動(dòng)力學(xué)性能評定和試驗(yàn)鑒定規(guī)范》，即在空簧有氣狀態(tài)下，在80 km/h及以下試驗(yàn)速度級，新造車的運(yùn)行平穩(wěn)性指標(biāo)W應(yīng)小于2.50。平穩(wěn)性指標(biāo)W為式（3）：

式中：A為振動(dòng)加速度，g；f為振動(dòng)頻率，Hz；F（f）為頻率修正系數(shù)，取值見表6。

表6 平穩(wěn)性頻率修正系數(shù)表

兩列車空載（AW0）和滿載（AW3）的試驗(yàn)結(jié)果見表7，在直線和曲線線路的橫向和垂向平穩(wěn)性指標(biāo)均取自各傳感器和各工況下的最大值。

表7 A型磁浮和B型地鐵列車平穩(wěn)性指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

由結(jié)果可以看出，在滿載（AW3）工況下，A型磁浮列車的各測點(diǎn)橫向和垂向平穩(wěn)性無論是最大值還是最大值的平均值都小于B型地鐵列車。在空載（AW0）工況下，A型磁浮列車的各測點(diǎn)垂向平穩(wěn)性無論是最大值還是最大值的平均值都小于B型地鐵列車；橫向平穩(wěn)性最大值與B型地鐵列車相當(dāng)，但最大值的平均值都小于B型地鐵列車，不排除單一測點(diǎn)的非正常測量結(jié)果。A型磁浮列車在運(yùn)行平穩(wěn)性上具有較大優(yōu)勢。隨著曲線半徑的增大，AW0、AW3工況下A型磁浮動(dòng)車相比于B型磁浮動(dòng)車的橫向平穩(wěn)性、垂向平穩(wěn)性指標(biāo)均存在明顯降低。

5 結(jié)束語

基于整車的線路試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對A型磁浮和B型地鐵列車在能耗、噪聲和運(yùn)行平穩(wěn)性這3個(gè)方面進(jìn)行對比分析和評價(jià)，為中低速磁浮新型城軌交通運(yùn)輸方式的適用性給出實(shí)測數(shù)據(jù)參考。

（1）通過對比典型運(yùn)行圖，分析兩列車的典型能耗組成；并通過對起動(dòng)加速和運(yùn)行阻力的分析，對比典型工況中占比較大的牽引和惰行部分的能耗，得出中低速磁浮列車的能耗顯著超過傳統(tǒng)輪軌式列車的結(jié)論。

（2）兩列車在內(nèi)部噪聲水平上并無明顯區(qū)別；A型磁浮列車在靜止和加速工況下的外部噪聲水平高于B型地鐵，但在80 km/h的恒速工況下，卻有更低的外部噪聲水平。

（3）A型磁浮列車的橫向和垂向平穩(wěn)性指標(biāo)都普遍小于B型地鐵列車，具有更好的運(yùn)行平穩(wěn)性。