高速磁浮列车对轨道的动力作用及其与轮轨高速铁路的比较

第1卷第1期

2001年3月交通运输工程学报JournalofTrafficandTransportationEngineeringVol.1No.1

Mar.2001

高速磁浮列车对轨道的动力作用

及其与轮轨高速铁路的比较

沈志云

(西南交通大学 四川成都 10031

摘要:研究了现有文献关于高速列车动力学方面的论述 就高速磁浮列车对轨道的动力作用及其与轮轨高速铁路的比较展开讨论 得到的主要结论是:地面高速轨道交通应以300km/h左右的轮轨高速铁路为主体;在需要 00 00km/h超高速的特定条件下 也可以采用磁浮高速列车 作为一种补充 因此 一方面要积极修建上海浦东机场高速磁浮试验线 一方面要尽早启动京沪轮轨高速铁路的建设

关键词:磁悬浮高速列车;轮轨型高速列车;列车对轨道的动力作用;高速列车动力学;京沪高速铁路;上海浦东磁浮试验线

中图分类号:U211.5;U237;U238文献标识码:A

DynamicInteractionofHighspeedmagleVtrainonGirdersandItscomparisonWiththecaseinOrdinaryHighspeedrailwys

SHENZhz-ymm

(SouthWestJiaotongUniversity Chengdu 10031 China

Abstract:RevieWingtheachievementsinvertical lateralandlongitudinaldynamicsofhigh-speedtrain thedynamicinteractionbetWeenthehigh-speedmaglevandgirdershasbeenstudied.AcomparisonofitWiththecaseinWheel/railtypedhigh-speedtrainsWasdiscussedindetail.Themainconclusionobtainedisthataround300km/hWheel/railtrainsshouldbethebackboneofthe

00 00groundhigh-speedrailtransitsystem.Inthecasethattheextraordinaryhighspeed e.g.

km/h isreguired thenthemaglevisfeasible.Themaglevservesasakindofcomplementofthemainhigh-speedrailsystem.FromthispointofvieW thehigh-speedmaglevPudongAirportTransitLineinShanghaiisimportantandshouldbeWellconstructed.ButtoconstructBeijing-ShanghaiWheel/railhigh-speedrailWayisevenmoreimportant andshouldbeputintoactionassoonaspossible.

Keywords:maglevhigh-speedtrain;Wheel/railtypedhigh-speedtrain;dynamicinteractionbe-tWeentrainandtrack;high-speedtraindynamics;Jing-~uhigh-speedrailWay;ShanghaiPudongmaglevtestline.

最近 在中国政府倡导下 德国高速常导磁悬浮

铁路运营试验线有可能在上海建成 这对德国和中

国来说都是一件好事 德国为其磁浮技术找到了工

程化试验的机会 中国将有可能成为世界上拥有第

收稿日期:2000-10-18

作者简介:沈志云(1929- 男 湖南长沙人 西南交通大学教授 前苏联副博士 中国科学院院士 中国工程院院士 从事机车车辆动力学研究.一条高速磁悬浮铁路运营线的国家 这对世界磁浮铁路技术能否持续发展具有很重要的意义 但是 试验线的建设还未开始 很快就出现了一股盲目的磁浮热 有些人不恰当地渲染磁浮铁路的

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交通运输工程学报

2001年

优点O说什么世界上只有中国才适合发展高速磁悬浮铁路;磁悬浮开创一场交通革命;中国应投资两万亿 建设两万公里高速磁浮铁路网;不加说明地说 磁浮列车对线路的静力和动力作用低于轮轨铁路5000倍~7000~10000倍 甚至要低10万倍O果真如此吗?应当做出实事求是的回答O

本文认为从世界范围来说 磁浮铁路技术仍处在试验阶段O虽然从1922年德国赫尔曼 肯佩尔提出磁浮铁路原理以来 经过了几十年不间断地研究422E14 T2-Oa2-Z-ky=p(x t)(1)

8t8x8x8t

式中,E~1~O和a依次代表梁的弹性模量~惯量~密度和截面积;T为轴向拉力;左例最后一项ky代表支座的影响;自变量y为梁的挠度;右侧p(x t)为列车运行的移动载荷O方程求解有很多方法 一般采用模态分析 即假设在x截面和t时刻的y

可表示为

和试验 但直到今天为止 包括低速磁浮列车 还不存在一条任何形式的磁悬浮铁路运营线O根据技术创新的经典定义 只有形成产品 进入市场 取得效益 才算完成技术创新全过程O形成新产品前的技术开发只能解决应用的可能性 可能性当然不是占领市场的现实性O何况研究磁浮铁路技术最先进的德国和日本 也还没有完成全部技术开发任务O日本还需试验5年 德国在双线会车和500km/h及以上的超高速试验方面 还没有开始O当然工程化试验也可以同步进行 只是所担风险更大一些罢了O中国愿意承担这种风险 当然可以 但应更加谨慎 更加注重科学态度O

本着这种精神 本文拟就公开发表过的一些文献资料 探讨高速磁浮列车对轨道的动力作用 并就高速磁浮列车同轮轨高速列车的比较 发表一些看法O

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高速磁浮列车垂向动力学

德国一些人为了推销磁浮列车技术 不加说明

地大谈磁浮列车对线路的静力和动力作用低于轮轨铁路数千甚至数万倍 其实他们所指的是对轨道的压强O轮轨间的接触应力一般为1000~1200MPa

接触面积只有100~150mm2 属集中载荷O磁浮列车为分布载荷 以185mm宽通长布置的支承面计算 大体相同的车重 单位面积的载荷强度相差7000~10000倍O以此作为列车对轨道动力作用的比较是完全错误的O

从轨道动力学的观点来看 列车的荷载以每延米的重量来衡量O高速轮轨和高速磁浮大体相同 均为20kN/m左右 但是作用方式不同 因此轨道的动力响应不一样 分布荷载优于集中荷载O

分析动态响应有很经典的方法 现作简要的说明O图1为磁浮车在两跨连续梁上运行的示意图O一般采用Be uIIi-EuIe 梁模型进行计算 其方程为

图1

两跨连续梁式磁浮轨道

N

y(x t)=

E|z

(x)gz

(t)

(2)

z=1

式中,|z(x)为模态振形函数;gz(t)为模态振幅O将式(2)代入式(1)可得一个二次常微分方程组 通过数值计算可求得梁的动态响应y(x t)O对梁的设计计算最有影响的是动荷{系数 即

{=

maxs

ys

(3)

式中,ymax为梁的最大挠度;ys为其静挠度O{值还可通过实际测试得到 模型和参数比较正确时 两者应

很接近O

早在20世纪70年代日本国铁就对磁浮列车和新干线高速列车对线路动态作用的比较进行过计算[1]O图2(A)是该文采用的列车 轨道耦合系统模型O其中图2(a)为轮轨型高速车 图2(b)为磁浮列车 图2(c)为承载梁模型O动态响应按上述经典方法计算 结果用图2(B)表示OCaseI为轮轨车经过10m跨度支承梁 CaseI为磁浮车 跨度相同 CaseI和CaseV的跨度均为30m 前者为轮轨 后者为磁浮O

图2(B)中O为加速度 O为减载率 下标max为最大值 ave为平均值O{max代表动荷系数O在CaseI中 动荷系数在速度等于450km/h处出现峰值 高达0.61 这是由于有一个频率成分恰与轨道主频重合而产生共振的缘故O磁浮列车(CaseI)则没有这一现象O当梁跨度增至30m时 两种车都不引起共振(CaseI和CaseV)O从CaseI和CaseI中可以看出 Omax轮轨车比磁浮车高2.92倍 Omax高1.97倍 {max高1.91倍O但是 随着梁跨的提高 这种差别越来越小 当梁跨为30m时 即CaseI和CaseV 轮轨车的动荷系数{max反而只有磁浮车的0.76倍

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第1期沈志云:高速磁浮列车对轨道的动力作用及其与轮轨高速铁路的比较3图Z日本新干线列车和磁浮列车动态响应的比较[1]

<见图Z<B>> 一般说来 当梁跨达到Z0m 两者已很接近

另一个例子是比较对高架桥墩的动力作用[Z] 图3< >为一列磁浮车在其轨道上以速度V运行的模型 每辆车模拟为一个包含4个自由度的系统<图3<b>> 同样采用上述模态分析法计算作用于桥墩上动态力的响应 轨道表面不平顺由随机数据发生器提供 图3<C>给出计算结果 }座标为桥墩力 T座标为车辆所在位置 从左侧相邻桥墩起算 以m计 中央为所考虑的桥墩 实线为磁浮车 点划曲线为轮轨车 所得结论为:磁浮列车在桥墩上所产生的最大动态作用力为轮轨型车辆所产生的75% 而且响应比较平滑

类似的计算在很多国家都进行过 结果也都大同小异 德国还对EMSLAND磁浮试验线的混凝土梁进行过磁浮列车通过时动力响应的测量 并同计算结果相吻合[3] 所得结果与上述基本相同 现在德国蒂森公司又提出什么85000倍 纯属混淆视听

接触压强的比较 根本不能代表轨道荷载的差异 滚动接触能极大地减少前进阻力 这个道理我们的祖先在几千年前就已经发现了 轮轨滚动阻力更小 这就是火车比汽车早诞生几十年的原因 轮轨间接触应力大 加剧了轮轨接触表面的工况

这是它带图3磁浮列车和轮轨列车对桥墩动力作用的比较[Z]来的缺点 但是100多年铁路运行的实践已经解决了这个问题 铁路轨道结构<包括钢轨~轨枕~道床~路基>完全可以承受这一工况所带来的静力和动力作用 几十年高速铁路运行的实践也证明 Z50~350km/h高速铁路仍然可以采用常规铁路的60kg/m

交通运输工程学报

2OO1年

钢轨和整体碾钢车轮G如放宽1 O踏面锥度的限制9镟轮里程可延长到3 OOOO G钢轨打磨法国约为3个月1次9日本为半年到1年1次G除ICE列车因采用带橡胶圈的弹性车轮在1998年发生一次脱轨事故外9没有发生过一次轮轨接触引发的安全事故G

其实9接触应力大也并非全为缺点G轮轨材料可承受如此大的接触应力9所以接触面积小9滚动阻力低G德国常导磁浮车因受铁芯磁通饱和的限制而无法提高单位面积的吸力 接触压强 G如能提高一倍9则每公里可节省铁芯矽钢片13O G

磁悬浮的最大优点是脱离直接接触9但为此要付出高昂的代价G仅用于悬浮的功率每吨列车质量达到1o7 9相当于一般轮轨列车以1OO 速度运行时的全部比功率G

所以9从接触的局部来看9两种接触各有优点和缺点9不能任意抽取某个参数来做全局性的比较G例如9如果单纯抽出悬浮功率来做比较9那轮轨列车要比磁浮列车优越无穷大倍9因为前者悬浮功率为零G

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高速磁浮列车纵向动力学

列车纵向动力学包含的内容很多9如纵向冲击

列车纵向沿列车的分布 列车碰撞安全性等G但最重要的是计算列车运行阻力9据此才能确定列车牵引特性G

对于磁浮列车而言9除空气动力学运行阻力外9还有悬浮及导向在磁道中所产生的涡流阻力和直线发电机产生的制动力G德国

O 所标定的行车阻力示于图 中

G当时最高速度仅限于 OO 9本文引用时9按曲线的走势扩展到 OO 图中阴影部分 G空气动力学运行阻力随速度平方上升9在3OO 时占总阻力的72%9 OO 时占83%9顺延到 OO 时将达92%G应当指出9这种份额是相对于较高的其它电气阻力而言的G例如9在2OO 时9支承和导向磁铁所产生的阻力即达2O% 图 G

轮轨高速列车的行车阻力FR一般用下式表示FR=a+bV+CV2 式中 a为固有阻力9与速度无关;b为与速度成正比的阻力9这两项包括了所有机械阻力GC是与速度平方成比例的空气动力学运行阻力的系数G这些系数各国铁路标定的数值都不相同9但与速度的相关关系则是一样的G图 为日本国铁研究所试验得到的1OO系高速列车的行车阻力曲线9虚线代表在

1

图 两种列车的行车阻力随速度的变化

长隧道中测得的阻力曲线G本文根据其a b C值予以扩展 阴影部分 G阻力大小以固定阻力的倍数表达9即 F R 9F为行车阻力9R 为固有阻力G由于机械阻力所占份额较小9故空气动力学运行阻力占有较大比例92OO 时为 7%93OO 时为8O%9 OO 时接近9O%9 OO 时可达到93%G

所以9从列车纵向动力学的观点来看9在地面稠密大气层里运行的任何车辆9当速度超过一定限度9如3 O 或 OO

9空气动力学阻力将占运行阻力的绝大部分G空气动力学阻力取决于列车迎风面积 列车长度和列车表面流线型及平滑度G各类车辆9不管是否悬浮9都可在设计上采取措施来减小这种阻力9但迎风面积和列车长度则是任何列车都无法回避的9在 OO 以上高速下都无例外地要把主要能量消耗在克服空气阻力之上G

磁浮列车采用线性电机牵引9可提供较大牵引力9不象轮轨列车那样受轮轨粘着的限制9所以能实现 OO 以上速度下的行车G但为此而付出的代价是昂贵的9这是高速磁浮列车至今未能商业运行的主要原因G当初赫尔曼 肯佩尔提出磁浮列车概念时9是设想在密闭的抽成真空的管道中运行9速度可高达每小时数千公里G德国日本试验的可贵之处9就是证明磁浮列车在开敞的大气中可以把速度

提高到 OO 左右G毕竟 OO 到 OO 高速的确具有很大吸引力9因此在某些特定条件下9可能获得很好的效果9上海浦东机场线有可能就是这种情况9我们热切期待它的成功G

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高速磁浮列车横向动力学

列车横向动力学主要研究列车横向运动稳定性

和横向动态响应G在这方面磁浮列车和轮轨列车几

第1期沈志云:高速磁浮列车对轨道的动力作用及其与轮轨高速铁路的比较

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乎没有差异O轮轨接触引发蛇行运动失稳9而磁浮接触也是一个自激振动系统9也有磁稳定性问题9都要通过横向动力学研究加以解决O

本文拟重点讨论列车横向动力学中的一个重要方面9即曲线通过性能O高速列车通过曲线时产生与速度平方成比例的离心加速度9使乘客难以承受O铁路规程规定9通过曲线时加于乘客的离心加速度不得大于0I05 O为此要在曲线上设置超高9利用车辆重量的向心分力来抵消多余的离心惯性力O超高愈起来9提速是高速的准备9高速是提速的结果O中国已提速到200km/h(如广深线9秦沈客运专线)9没有理由不能发展到250km/h或300km/hO

德国常导磁浮列车则不同9在垂向和横向都受10mm间隙的限制9因此9线路超高一旦设定9列车通过该曲线的位置即已确定9通过的速度也必需一定O高于或低于平衡速度9均将发生欠超高或过超高9给乘客带来不适O当然9有些设计考虑加装二系悬挂9也可采用车体倾摆技术9但结构就要复杂得大9允许的通过速度愈高O轮轨设置超高不能太大9否则其它车辆通过时有颠覆的危险O轮轨高速铁路的外轨超高一般不超过200mmO即超高角 不大于8 (见图5(a))9不足部分用加大线路曲线半径来解决9所以最小曲线半径限制较严9200km/h时为1700m(取2500m)9250km/h时为2650m(取4500m)9350km/h时则要加大到5206m以上(取7000m)

O

图5

轮轨列车(a)和磁浮列车(I)通过曲线的姿态

德国常导高速磁浮铁路将最大超高加大到12 (图5(I))O所以对400km/h的线路最小曲线半径定为4180m9500km/h的线路定为6530mO轮轨高速铁路若按250km/h及350km/h计算分别略小于上列数值O图5(a)还说明9轮轨列车可采用车体倾摆技术9根据曲线半径和前进速度将车体倾摆一个角度09其效果等于加大了超高角O0最大可达8 9相当于把超高加大一倍9大于磁浮列车的12 O采用这项技术9通过曲线的最高速度可提高30%9在160km/h线路上可开行200km/h的列车9在250km/h线路上可开行325km/h的列车9在300km/h线路上可开行390km/h的列车O当然在建设新线时应尽可能取大半径9为非摆式车留余地O最经济的办法是把建设高速线路和开行高速列车分别开来O如德国9高速铁路只修建两段共300km多9而ICE高速列车则已遍布全国O近代高速列车多备有倾摆技术9将把既有线提速和建设高速铁路有机地结合

多O

应当指出9加大超高或采用倾摆技术只能改善乘坐舒适性9却不能减轻对线路的动力作用O车辆必需从线路得到足够大的向心力9在图5中为Pz9Nz在向心方向的合成分量9用来产生向心加速度9才能以指定的速度通过曲线O那种认为磁浮列车曲线通过性能好9能减少线路建设成本的说法是根据不足的O至于说最小曲线半径小9便于在山区选线9也由于速度目标值的范围不同而没有可比性O山区最有前途的提速措施是采用轮轨型的摆式列车O

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关于高速磁浮列车同轮轨高速列车的比较

作为本文的结论9可归纳为以下几点:

(1)高速磁浮列车对轨道的垂向动力作用9由于是分布荷载9比集中荷载的轮轨高速列车有所改善9但改善不多O随着跨距的增加9这种差别将缩小9超

过20m时9已相当接近O

(2)不管是否悬浮9当速度超过300km/h时9列车运行阻力的80%以上均为空气动力学阻力9到400km/h以上将达到90%9由此带来的能耗和噪音等问题是严重的9这对两种列车都一样O不过9磁浮列车能通过线性电机提供足够大的牵引力9实现400~600km/h的高速运行O这样是否经济9当以市场分析为准9在某些特定条件下可能是可行的O但作为大面积地面快速交通的主体9值得商榷O

(3)从列车横向动力学的分析来看9高速磁浮列车的曲线通过性能并不比高速轮轨列车优越O(4)从总体上看9高速磁浮列车尚处在试验阶段9特别是需要进行商业运营试验O中国上海浦东机场线具有最佳外部条件9应能取得最佳试验结果O所以应当修建好这一世界首条高速磁浮列车运营线O

有些人把京沪轮轨型高速铁路同上海高速磁浮列车运营试验线对立起来9说甚么京沪线的开工就是磁浮试验线的失败9何至如此M只要上海试验线取