中低速磁浮列車與輪軌式城軌列車技術特點的對比研究*

黃金，張桂南，張世聰

（1 中國鐵道科學研究院集團有限公司機車車輛研究所，北京 100081；2 動車組和機車牽引與控制國家重點實驗室，北京 100081）

1 A型磁浮列車與B型地鐵列車主要技術參數對比

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

表1 A型磁浮列車與B型地鐵列車主要技術參數對比

2 列車能耗對比

城市軌道交通的運營能耗一般由列車牽引能耗和車站動力照明能耗組成。牽引能耗包括列車的牽引動力能耗和列車照明、空調等輔助設備的能耗；車站動力照明能耗包括城軌系統車站和行車區間的環控、照明等設備運行能耗［3］。地下線路的長期牽引能耗與車站動力照明能耗比值［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行了計算機仿真對比，得出中低速磁浮列車的能耗顯著超過傳統輪軌式列車的結論［2］。文中基于線路實測數據，對中低速磁浮列車與傳統輪軌式地鐵列車的牽引能耗進行進一步對比分析。

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、運營組織因素和環境因素［3］。進行對比的A型磁浮和B型地鐵均為最高運營速度為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，在試驗時使空調開機狀態一致，盡量使用最大牽引和制動級位，并盡量選取平直道進行測試。

對列車能耗的計算采用實測電壓電流計算網端、輔助系統和懸浮系統功率的方法［5］，計算公式為式1和式2（鑒于目前城軌列車在實際運營時再生制動產生的能量主要使用制動電阻進行耗散，計算能耗時不考慮再生反饋的能量）：

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

2.1 典型運行圖及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行圖對比

分析A型磁浮列車進行典型站間距的能耗組成可知：A型磁浮實際試驗線路存在坡道和曲線的影響，不存在足夠長度的平直道，故在實際線路中選取站間距為1 044 m、曲線阻力影響很小（R3 000）、站間高差5.4 m（將上下行數據相加以盡可能抵消重力勢能做功對能耗結果的影響）的兩站間對牽引能耗的組成進行分析。試驗工況為盡可能以最快速度運行，快起快停。不考慮上下行時司機操縱行為影響，試驗測得上述兩站之間的能耗結果見表3，能耗組成如圖1所示，可以看出為克服阻力做功所產生的能耗占了總能耗的絕大部分（82%），但同時懸浮能耗也占據了不小的比重（14%），且在實際工況下大于列車0.7 kW/t的設計懸浮能耗。懸浮能耗在列車整個運行過程中一直存在。

圖1 A型磁浮列車站間運行能耗組成

表3 A型磁浮站間運行能耗統計結果

傳統輪軌式地鐵列車的牽引能耗組成分為2部分：為克服阻力做功產生的能耗，占列車總能耗的80%；輔助系統能耗，占列車總能耗的20%（空調季）［6］，為克服阻力做功產生的能耗占總能耗比重與A型磁浮試驗結果相當。對于平均站間距1.1 km，最高運行速度80 km/h的城市軌道交通，典型運行曲線為加速-惰行巡航-制動停車。由于站間距較短，因此大部分時間處于加速和惰行巡航的狀態，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型地鐵列車的起動加速能耗和運行阻力進行對比分析。

實驗對象：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，六年級畢業生6人，初一學生2人，五年級4人，遠在福州的侄兒通過微信湊個熱鬧。

2.2 起動加速能耗分析

A型磁浮和B型地鐵列車的0～80 km/h起動加速試驗都在平直道進行，各重復3次，各項數據取算術平均值，結果見表4，試驗網端功率發揮如圖2所示。

圖2 A型磁浮和B型地鐵列車0～80 km/h起動加速試驗網端功率發揮

表4 A型磁浮和B型地鐵列車0～80 km/h起動加速試驗結果

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

2.3 運行阻力分析

磁浮列車在運行過程中所受到的阻力與傳統輪軌式列車不同，除了受到空氣阻力外，由于導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行時單位基本阻力大于傳統的輪軌式列車［8］。在平直道上采取溜放法，記錄初末速度和運行時間，求出各速度點的單位基本阻力，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型地鐵列車運行阻力對比

由運行阻力分析結果可知：在0～80 km/h的運營速度范圍內，速度在約46 km/h以下時，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，列車惰行降速不明顯，因此擬合時未考慮20 km/h以下惰行阻力。而速度在約46～80 km/h范圍內，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優勢。

3 噪聲對比

磁浮列車的低噪聲水平是其一大優勢，分別對A型磁浮與B型地鐵列車的車內和車外噪聲進行各種工況下的實測，內部噪聲和外部噪聲均取各測點的最大值，兩列車均為空載（AW0），試驗結果見表5，試驗依據為ISO 3381：2005《鐵路應用—聲學—軌道車輛內部噪聲測量》和ISO 3095：2013《聲學—鐵路應用—軌道車輛外部噪聲測量》。

表5 A型磁浮和B型地鐵列車內部與外部噪聲試驗結果

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，空氣摩擦噪聲主要取決于列車的空氣動力學外形；列車本身工作的噪聲主要取決于變流器、輔助設備、電機和機械傳動等；在列車與軌道接觸噪聲方面，由于磁浮列車不依賴于傳統輪軌接觸，速度越高時，優勢越明顯。列車內部噪聲則除了上述影響因素外，還在很大程度上受到空調和通風設備的影響。

由測試結果可以看出，兩列車在內部噪聲水平上并無明顯區別；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，結果顯示外部噪聲水平優于B型地鐵列車。

4 運行平穩性對比

列車的運行平穩性是列車舒適度的重要指標，磁浮列車由于不依賴于傳統輪軌接觸，在運行平穩性上應有較大優勢。分別在A型磁浮與B型地鐵列車的轉向架正上方對應的車體地板面上安裝振動加速度傳感器，根據車體加速度計算不同運行速度下的運行平穩性。試驗依據為GB 5599-1985《鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規范》，即在空簧有氣狀態下，在80 km/h及以下試驗速度級，新造車的運行平穩性指標W應小于2.50。平穩性指標W為式（3）：

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

表6 平穩性頻率修正系數表

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

表7 A型磁浮和B型地鐵列車平穩性指標試驗結果

由結果可以看出，在滿載（AW3）工況下，A型磁浮列車的各測點橫向和垂向平穩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垂向平穩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；橫向平穩性最大值與B型地鐵列車相當，但最大值的平均值都小于B型地鐵列車，不排除單一測點的非正常測量結果。A型磁浮列車在運行平穩性上具有較大優勢。隨著曲線半徑的增大，AW0、AW3工況下A型磁浮動車相比于B型磁浮動車的橫向平穩性、垂向平穩性指標均存在明顯降低。

5 結束語

基于整車的線路試驗數據，對A型磁浮和B型地鐵列車在能耗、噪聲和運行平穩性這3個方面進行對比分析和評價，為中低速磁浮新型城軌交通運輸方式的適用性給出實測數據參考。

（1）通過對比典型運行圖，分析兩列車的典型能耗組成；并通過對起動加速和運行阻力的分析，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輪軌式列車的結論。

（2）兩列車在內部噪聲水平上并無明顯區別；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性指標都普遍小于B型地鐵列車，具有更好的運行平穩性。