EMS型中低速磁浮列车悬浮架技术研究综述.pdf

文章编号：0258-2724(2023)04-0720-14DOI:10.3969/j.issn.0258-2724.20210971磁力应用装备与智能控制EMS 型中低速磁浮列车悬浮架技术研究综述马卫华1，胡俊雄1，李铁1,2，罗世辉1，刘树洪3（1.西南交通大学轨道交通运载系统全国重点实验室，四川成都610031；2.中车大连机车车辆有限公司，辽宁大连116022；3.天津市广山津达机械有限责任公司，天津300407）摘要：悬浮架是承载 EMS（electro-magneticsuspension）型中低速磁浮列车运行的关键子系统，影响列车的悬浮稳定性、舒适性和安全性，需要对其进行深入研究.围绕国内外 EMS 型中低速磁浮列车应用案例，介绍了（悬挂）端置式悬浮架、（悬挂）中置式悬浮架的技术方案和特征，总结了主要技术指标.结合悬浮架技术研究、发展现状，讨论了磁轨作用关系、运动解耦能力、动力学性能、结构强度以及悬浮冗余设计五大研究方向，通过对研究内容梳理和总结，归纳了现有前沿科学问题和工程技术挑战：一是轨距亟须统一；二是动态磁轨关系研究欠缺；三是悬浮架横向动力学有待研究；四是悬浮架疲劳强度分析及试验不足；五是悬浮架机械结构冗余设计方案较少.关键词：电磁悬浮（EMS）；中低速磁浮列车；悬浮架；发展动态中图分类号：U266.4文献标志码：ATechnologies Research Review of Electro-Magnetic SuspensionMediumLow-Speed Maglev Train Levitation FrameMA Weihua1,HU Junxiong1,LI Tie1,2,LUO Shihui1,LIU Shuhong3(1.StateKeyLaboratoryofRailTransitVehicleSystem,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,China;2.CRRCDalianCo.,Ltd.,Dalian116022,China;3.TianjinGuangshanJindaMachineryCo.,Ltd.,Tianjin300407,China)Abstract:ThelevitationframeisakeysubsystemthatcarriesEMS(electro-magneticsuspension)mediumlow-speedmaglevtrains,whichaffectsthelevitationstability,comfortandsafetyofthetrainandneedstobestudiedindepth.AccordingtodomesticandoverseascurrentapplicationcasesofEMSmedium-lowspeedmaglevtrains,the technical solutions,and characteristics of(suspension)end-set levitation frame and(suspension)mid-setlevitationframeareconcluded,andthekeytechnicalindexesaresummarized.Withthecombinationofcurrentresearch and development status of levitation frame technologies,the five major technical research contentswhicharemagnetic-railinteractionrelationship,motiondecouplingcapability,dynamicsperformance,structuralstrengthandlevitationredundantdesignarediscussed.Inaddition,theexistingfrontierscientificissuesandengineeringchallengesaresummarizedbysortingoutandsummarizingtheresearchcontents:first,thetrackgaugeshouldbeunified;second,thedynamicmagnetic-railrelationshipresearchislacking;third,thelateraldynamicsoflevitationframesneedstobestudied;fourth,thefatiguestrengthanalysisandtestofthelevitationframeisinsufficient;fifth,thelevitationframemechanicalstructureredundantdesignschemeisless.Key words:EMS(electromagneticsuspension);medium-lowspeedmaglevtrain;levitationframe;developmenttrend磁浮的概念早在 1842 年由英国物理学家 Earn-show 首次提出，德国科学家HermannKemper 在1937年获得了磁浮列车专利，阐述了磁浮列车的原理和概念.在随后的几十年时间里，德国、日本、韩国、中收稿日期：2021-11-30修回日期：2022-05-23网络首发日期：2022-05-26基金项目：国家自然科学基金（51875483，52102442）；四川省科技计划（2021YJ0002）第一作者：马卫华（1979），男，研究员，博士，研究方向为车辆系统动力学，E-mail：引文格式：马卫华，胡俊雄，李铁，等.EMS 型中低速磁浮列车悬浮架技术研究综述J.西南交通大学学报，2023，58(4)：720-733MAWeihua,HUJunxiong,LITie,etal.Technologiesresearchreviewofelectro-magneticsuspensionmediumlow-speedmaglevtrainlevitationframeJ.JournalofSouthwestJiaotongUniversity,2023，58(4)：720-733第58卷第4期西南交通大学学报Vol.58No.42023年8月JOURNALOFSOUTHWESTJIAOTONGUNIVERSITYAug.2023国等国家相继对磁浮列车进行了大量的研发和试验，逐步掌握了目前几个具有代表性的磁浮列车技术.从悬浮原理上分，磁浮列车有电磁悬浮（EMS）、电动悬浮（EDS）、高温超导钉扎悬浮（HTS）、永磁悬浮（PMS）以及电磁永磁混合悬浮（HEMS）5 种，其中电动悬浮又分为永磁电动悬浮及超导电动悬浮.从最大运用速度上分有中低速磁浮（160km/h）、中速磁浮（160300km/h）、高速磁浮（300600km/h）以及超高速磁浮（600km/h）等1-4.现阶段仅有 EMS型中低速和高速磁浮列车技术实现了商业运用.EMS 型中低速磁浮列车依靠常导电磁铁实现悬浮和导向，并采用短定子直线感应电机牵引，适用于速度不高于 200km/h 的城市、城际交通运输5，相较于地铁、轻轨等城市轨道交通，其具有振动及噪音低、爬坡能力强、转弯半径小、绿色环保等优势，是一种应用前景良好的新型轨道交通工具6-7.日本是最早开始中低速磁浮列车技术研发的国家，并在 2005 年开通了全球首条商业运营线东部丘陵线 TKL(TobuKyuryoLine)，该线包括 1.4km隧道和 7.5km 高架，共设站 9 座.运行在 TKL 线上的中低速磁浮列车 Linimo 由 Mc1-M-Mc2 三节车辆编组而成（Mc 为端部带司机室的动车，M 为中部动车），最高运行速度 100km/h，自动驾驶运营8-9.韩国、中国等国家也积极开发了多款试验车并修建了试验线，逐步掌握了中低速磁浮列车技术.2016 年韩国开通了仁川机场中低速磁浮商业线，该线路全长 6.1km，设站 6 座，运行列车 Ecobee 由 Mc1-Mc2两节编组而成，最高运行速度 100km/h10.中国在 2016 年和 2017 年先后开通了长沙磁浮机场线以及北京磁浮 S1 线，其中长沙机场线全长18.55km，全程高架敷设，共设站 3 座，预留站 2 座.列车为 Mc1-M-Mc2 三节编组形式，最大运行速度达到 140km/h11.北京磁浮 S1 线全长 10.2km，包含 9.95km 高架和 0.28km 隧道，共设站 7 座，列车为 Mc1-M-M-M-M-Mc2 六节编组，最高运行速度120km/h12.2022 年 5 月，国内首条旅游观光磁浮快线凤凰磁浮开通运营，线路全长 9.12km，共设站4 座，预留站 2 座.列车为 Mc1-M-Mc2 三节编组，最高运行速度 100km/h.此外，国内清远磁浮及长沙机场磁浮东延线正在施工建设，长沙宁乡、长沙浏阳磁浮项目已获批待建.EMS 型中低速磁浮列车主要由走行机构、车体、牵引系统、悬浮控制系统、制动系统、列车通信系统等组成.置于车体底部的若干悬浮架共同构成列车的走行机构，其功能类似于轮轨列车的走行部，为列车提供支撑、导向、牵引和制动等作用13，是一大核心子系统.EMS 型中低速磁浮列车尚处于推广应用阶段，存在较多的技术方案.本文总结了当前典型的中低速列车悬浮架技术特征，结合悬浮架研究、发展现状综述了主要研究内容，并提出了需要深入研究的前沿科学问题和工程技术挑战.1 悬浮架技术特征 1.1 （悬挂）端置式悬浮架20 世纪 70 年代初，受到德国 TR(transrapid)高速磁浮列车技术的启发，日本开始研究应用于城市短途运输的中低速磁浮技术 HSST(highspeedsurfacetransport），旨在设计新一代陆上快速交通工具.早期的 HSST 系统悬浮架采用 U 型电磁铁悬浮模块，配备短定子直线感应电机，但由于缺少结构间的运动解耦及悬挂系统，实际效果并不理想14.此后，经过长期的试验研究和改进，形成了性能可靠的（悬挂）端置式悬浮架，并沿用至今.韩国仁川机场磁浮列车 Ecobee 以及中国长沙机场磁浮列车、北京 S1 线磁浮列车均采用了类似 HSST 列车的悬浮架技术.（悬挂）端置式悬浮架将悬浮和导向系统整合为一体，利用固结在悬浮架上的电磁铁与 F 型铁磁轨道间的电磁吸力实现车辆的悬浮与导向，借助短定子直线感应电机牵引.如图 1 所示，悬浮架可分为左、右悬浮模块，每个悬浮模块均具备悬浮、导向、牵引和制动作用.左、右悬浮模块由两套特殊设计的防侧滚梁装置连接并实现运动解耦，悬浮架整体呈“口”字形.在两侧悬浮模块的端部各布置有 1 个空气弹簧作为悬挂系统，滑台则坐落在相邻悬浮架的空气弹簧上，共同承担车体重量.此外，悬浮架与车体间布置有迫导向机构，辅助各悬浮架通过小半径曲线弯道.1.2 （悬挂）中置式悬浮架为解决 EMS 型中低速磁浮列车的车-桥耦合振动问题，西南交通大学轨道交通运载系统全国重点实验室常导磁浮技术团队提出了（悬挂）中置式悬浮架方案，沿用了（悬挂）端置式悬浮架的悬浮、导向和牵引原理，同时进行了结构创新.如图 2 所示，两种悬浮架最大的差异体现在左、右悬浮模块的连接以及空气弹簧的布置形式两方面.第4期马卫华，等：EMS 型中低速磁浮列车悬浮架技术研究综述721空气弹簧悬浮电磁铁吊杆片梁托臂直线电机定子制动夹钳悬浮传感器纵梁停放制动滑橇图1（悬挂）端置式悬浮架Fig.1（Suspension）end-setlevitationframe空气弹簧托臂纵梁吊杆直线电机定子停放制动滑橇悬浮电磁铁悬浮传感器下托臂连接件上托臂连接件制动夹钳片梁图2（悬挂）中置式悬浮架Fig