研发设计篇

1　磁浮交通技术研究与试验

1.1　研究历程

1.1.1　磁浮交通技术起源

1842年，英国物理学家Earnshow就提出了磁悬浮（以下简称“磁浮”）的概念，并指出：单靠永久磁铁可不能将一个铁磁体在所有六个自由度上都保持在自由稳定的悬浮状态。1900年初，美国、法国等国的专家提出了物体摆脱自身重力束缚高效运行的若干猜想，并分析了无摩擦阻力的磁浮列车使用的可能性，这也就是磁浮交通的雏形。然而，受当时科学技术以及材料的局限，磁浮交通只处于猜想阶段，未提出一个切实可行的办法来实现这一目标。

1922年，德国人赫尔曼·肯佩尔提出了电磁悬浮原理，并在1934年获得世界上第一项有关磁悬浮技术的专利。20世纪60年代，世界上出现了3个载人的气垫车实验系统，它是最早对磁浮列车进行研究的系统。随着技术的发展，特别是固体电子学的出现，使原来十分庞大的控制设备变得轻巧，这就给磁浮列车技术提供了实现的可能。1969年，德国牵引机车公司的马法伊研制出小型磁浮列车系统模型，以后命名为TR01型，该车在1km轨道上时速达165km，这是磁浮列车发展的第一个里程碑。

1966年，美国科学家詹姆斯·鲍威尔和戈登·丹比提出了第一个具有实用性质的磁浮运输系统，美国开始磁浮铁路的研究，1975年停止研究工作。1989年，铁路总署、陆军工兵总部、能源部牵头，数家公司和大学参加，美国又重新开始评估磁浮列车的实用价值，制定了设计时速500km磁浮列车方案，同时致力于推进应用永磁悬浮的磁浮车（Magplane）。

自20世纪60年代开始，除德国、美国外，日本、英国、加拿大、韩国、原苏联和中国也相继开展了磁浮铁路交通的研究。英国于1984年4月正式开通伯明翰机场至英特纳雄纳尔车站之间一条620m长的磁浮铁路，这也是世界上第一条投入商业运营的磁浮铁路，令人遗憾的是，受英国整体经济下滑和体制的影响，1995年这趟一度是世界上唯一从事商业运营的磁浮列车，在运行了11年之后被宣布停止营业，英国也再没有致力于发展磁浮交通。

1.1.2　国外磁浮交通技术研究

1.德国磁浮交通发展概况

德国真正开展磁浮交通的研究始于1968年。之前之所以没有系统地研究是因为关联技术以及工艺条件都比较低级，在很大程度上限制了磁悬浮技术的发展。从1968年开始，德国因环境和能源问题迫切要求开发新的高速交通体系。

1969年，德国联邦交通部、联邦铁路公司和德国工业界开展了“高运力快速铁路的研究”，磁浮高速铁路也在研究之列。在联邦政府的资助下，工业界开始了磁浮铁路的研发工作。

初期的研究包括常导技术和超导技术：

1971年，德国第一辆磁浮原理车在一段660m长的试验线路上进行试验运行，原理车采用车辆侧的短定子直线电机驱动。

1975年，Thyssen Henschel公司在卡塞尔（Kassel）的工厂中的HMB试验线上率先实现了线路侧长定子直线同步电机驱动的磁浮车运行。这一试验系统，将直线驱动与悬浮支承结合起来，奠定了今天TR（Transrapid）磁浮高速铁路发展的基础。1976年，Thyssen Henschel公司在HMB2号试验线上进行了载人长定子试验车的运行。

1977年，德国联邦技术研究与技术部经过系统地分析认为，超导磁浮铁路所需的技术水平太高，短期内难以取得较大进展，遂决定集中力量发展长定子直线同步电机驱动的常导交通系统。

1978年，德国政府决定在埃姆斯兰德修建一条磁浮试验线。

1979年，汉堡国际交通博览会，展出了一段900m长的TR磁浮铁路示范线。人们真正意义上的接触、关注磁浮列车也是在这个时候开始的。汉堡市民对以75km/h速度运行的磁浮车产生了极大的兴趣。这次磁浮车的成功展出，促进了磁浮高速铁路的发展进程；更是促成了德国建造大型试验设施的决定。1980年，埃姆斯兰德的磁浮试验线正式开工。为了建造第一段线路，德国工业界组成了磁浮铁路联合体。第一期工程包括21.5km长的试验线路、试验中心和试验车TR06，该线路于1982年开始进行不载人试验，并于1983年6月30日投入试验运行。同年年底达到300km/h。为了提高试验速度，1984年决定扩建南环线。南环线1987年建成。至此，试验线总长达到31.5km，速度增至400km/h。

1991年12月以前，在德国联邦铁路中心局的领导下，用了近两年时间由联邦铁路和重要高校研究所的专家组成的一个工作组对磁浮高速铁路TR系统进行了全面的检验和评估，专家组得出该系统在“技术应用上已完全成熟”的结论。至此，TR成为世界上首次进入技术应用成熟阶段的磁浮高速铁路系统。

1993年，TR07型磁浮列车在TVE试验最高速度达到450km/h。

1996年5月9日到6月14日，联邦议院和联邦参议院制订出了“磁悬浮需求法规”。

1997年4月，德国决定在柏林和汉堡之间建一条全长292km的磁浮线，原计划1998年下半年动工，2005年投入商业运行。为此开发了拟用于柏林至汉堡线的TR08型磁浮列车。该车于1999年10月开始在试验线上进行试验。后来由于新的预测表明建设新线将面临亏损的危险，遂于2000年2月取消建设计划。

2.日本磁浮交通发展概况

日本的磁浮列车悬浮系统既有电磁吸力型悬浮（EMS，Electromagnetic Suspension）技术的中低速系统，也有电动斥力型悬浮（EDS，Electrodynamic Suspension）技术的高速列车系统。其采用电磁吸力型悬浮技术的代表是HSST（High Speed Surface Transport）磁浮铁路系统。

20世纪70年代中期，为了开发一种连接机场至市区的速度快、噪声低、乘坐舒适的交通工具，日本航空公司组织专家对磁浮技术进行研究。1974年4月，小型磁浮试验装置浮起试验成功；1975年试制成电磁支承和导向的第一辆试验车HSST-01型，电磁浮和直线电机驱动的磁浮车运行试验取得成功；借鉴火箭和直线电机驱动原理，试验车HSST-01在11.6km长试验线路上达到了308km/h的试验速度。

1978年向公众展出了HSST-02型车，最高速度约为100km/h，共有9个座位，为了改善舒适性，在车厢和悬浮框架间采用了二系弹簧悬挂系统。

为了向公众展示新的磁浮交通技术，并在接近应用的条件下试验新的磁浮交通技术最重要部分的功能，日本从1983年开始建造试验和展览车HSST-03型。该车于1985年在筑波国际工艺博览会上展出。试验和展览设施由一条300m长线路、一个进出站、一套供电设备和一个维修站组成。该车有48个座位，车速限制在30km/h。展览会期间，60万人次乘坐了磁浮列车。1986年，HSST-03号车被送到温哥华国际博览会展出，速度达到40km/h。

1987年研制成HSST-04型磁浮车，车重24t、长19.4m，可容纳约70名乘客，设计速度200km/h。1990年，日本HSST磁浮铁路系统与德国磁浮铁路系统进行了比较和评估，得出HSST和TR接近实用的结论，并计划研制HSST100S型磁浮列车。HSST磁浮车悬浮导向原理如图1.1.1所示。

1991年，日本在名古屋附近的大江，建成了一条新的面向应用试验的试验线。试验线总长1530m，最小曲线半径为100m（主线）和25m（分支线）。从1991年开始至1995年，对HSST100S型磁浮列车进行了100多项面向应用要求的试验。其最高运行速度可达130km/h。测试结果表明，HSST100S型磁浮列车是成功的。1993年3月，以东京大学技术系正田英介教授为主席，日本运输省、建设省和其他单位的专家学者组成的可行性研究委员会对对试验结果进行了最后论证，考察了噪声、振动、磁场影响等，结论是：HSST磁浮铁路系统是舒适的低污染系统，能够应对紧急情况，长期的运营试验证明它是可靠的，并且其悬浮的特点使得其维修量降低；作为城市交通系统，HSST磁浮铁路系统已进入实用阶段。

1995年，在HSST100S型基础上，日本又研制了一台新的样车，称为HSST100L型，其模块由6个增加到10个，长度由8.5m/辆增加到14.4m/辆，一些器件在HSST100S型试验结果基础上进行了改进。HSST100L型是一列两辆编组商业运营车的样车，从1995年开始，在大江的试验线上进行了运行试验。2002年为了爱知世博会开始建造用于商业运营的TKL线（东部丘陵线）：全长9.2km（复线），运营长度8.9km，除1.4km为隧道外，其余均为高架线路，共设9个车站和1个车辆段。列车采用3辆编组运行，速度为100km/h，单程运行约需15min，该系统2005年3月6日正式商业运行，如图1.1.2所示。

3.英国磁浮交通发展概况

如前所述，在英国就曾有一条连接伯明翰机场和英特纳雄纳尔火车站的磁浮线路，620m长的距离，旅客只需90s就能到达目的地。虽然这条磁浮线已经不继续运营，但是它带来的磁浮冲击波无疑是震撼的。

4.韩国磁浮交通发展概况

韩国从1986年开始开展低速磁浮列车的研究，在1990年至1993年先后研制了样车HML-01、HML-02及HML-03，并在1993年韩国世博会上展示了HML-03。1996年韩国研制了UTM-01，截止到2003年，该车已经在1300m的试验线上运行了60000km。2004年起，韩国开始面向商业化运行展开研究，2006年3月韩国启动了EXPO科学公园995m低速磁浮列车运营线工程，采用最新研制的UTM-02。

1.1.3　国内磁浮交通技术研究

在我国语境中，大家倾向将“磁悬浮”交通称为“磁浮”交通，谐音“赐福”交通。

相对而言，我国对磁浮列车的研究工作起步较晚，1989年3月，国防科技大学研制出中国第一台磁悬浮原理试验概念车。1995年，中国第一条磁浮列车试验线在西南交通大学建成，并且成功进行了稳定悬浮、导向、驱动控制和载人运行等时速为30km的试验。西南交通大学这条试验线的建成，标志中国已经掌握了制造磁浮列车的技术。

1999年，国家在进行京沪高速铁路预可行性论证的过程中，部分专家提出：鉴于高速磁浮交通系统具有无接触运行、速度高、启动快、能耗低、环境影响小等诸多优点，同时考虑安全运行里程超过60万km，而且德国政府也宣布高速磁浮交通系统技术已经成熟等情况，认为要充分运用发展中国家的技术后发效应，实现轨道交通跨越式发展，建议国家在京沪干线上采用高速磁浮铁路技术。

与此同时，大部分铁路专家则提出了相反的意见，认为高速轮轨系统技术经过几十年的实践已经完全成熟，我国国内对高速轮轨系统技术的开发也已经取得了重大进展；尽管高速磁浮技术拥有诸多优点，世界上不少国家也都在开展研究，但均停留在试验阶段，磁浮列车缺乏商业化运行实践，它的技术性、安全性经济性尚未进一步验证，相对于高速轮轨系统技术，在技术上经济上都存在着很大风险。在论证过程中，两种意见一度相持不下。

经过激烈地争论，专家们最终形成共识，建议先建设一段商业化运行示范线，以验证高速磁浮交通系统的成熟性、可用性、经济性和安全性。此建议得到了国务院领导的关注与支持，随即在对北京、上海、深圳三个地区进行比选后于2000年6月确定在上海建设。2000年6月，中国上海市与德国磁浮国际公司合作进行中国高速磁浮列车示范运营线的可行性研究。同年12月，中国决定建设上海浦东龙阳路地铁车站至浦东国际机场高速磁浮交通示范线，总投资为89亿元人民币的上海磁浮列车示范运营线2001年3月正式动工建设，西起上海龙阳路地铁车站，东至浦东国际机场，正线长30km，上下行折返运行，全线设2个站，2个牵引变电站，1个运行控制中心（设在龙阳路车站内）和1个维修中心，设计最大时速达460km，单向运行时间为8min，发车间隔为10min，按设计水平，9节车厢可坐959人，每小时发车12列，按每天运行18小时计，年客运量双向可达1.5亿人次。2002年12月31日上海磁浮列车示范运营线建成通车，如图1.1.3所示。

西南交通大学在2000年研制了世界第一辆载人高温超导磁浮列车“世纪号”，随后又研制了载人常温常导磁浮列车“未来号”。据介绍，早在1994年，西南交大就研制成功中国第一辆可载人常导低速磁浮列车，但那是在完全理想的实验室条件下运行成功的。

2003年，西南交大在四川成都建成青城山磁浮列车线，该磁浮试验线轨道长420m，主要针对观光游客，票价低于出租车费。