磁浮和高速轮轨比较与改进

磁浮和高速轮轨比较与改进轮轨和磁浮的讨论由来已久，这些年随着科技的迅速进步和社会经济的发展，两者的技术都有了较大进步，人们的出行选择更多，同时对旅行时间的缩短有着更为强烈的期盼。各界也因为磁浮的暂时搁置，轮轨进一步提速，高速铁路建设，建设运营情况的一些问题开始出现在人们视线，逐渐对两者有了新的认识和更为冷静和理性的分析。技术先进，不见得市场讨好，市场常用的未必是技术最好，技术总是在不断发展。人们对新事物接受和理解需要时间，并不能简单的说两者好和不好。不讨论该不该建的问题，而是从技术特征和一些建设成本上列些一些简要对比，部分材料内容来自德国轮轨派和磁浮派之间多年来争论中的观点和对比，因此多数数据材料是德国的ICE3和TR8比较，如今，该书已经翻译成了中文，可在书店买到。本文不是照抄原文，而是根据连同其他公开材料、论文、书籍的数据自行综合编写而成，跟原作差别较大。德国磁浮目前是比较成熟的常导系统，日本的采用的是超导磁浮，目前也即将进入商用线阶段。但是两者都还存在一些不足，还没有进入中短途干线运输。虽然还有些看起来更好的技术方案，但到目前为止，只有这两者是最具备实力进入商业运行的。更深层次的技术难题。主要内容：1、最常见性能比较概括。2、驱动功率与加速度，最高速度3、线路阻力爬坡能力与转弯能力4、车辆结构，舒适度与运输能力及单位能耗5、界限、占地概况，与选线经济性6、轨道道岔结构和线路建设成本7、车辆采购和运营维护成本8、资源耗费噪音以及环保相关9、电磁悬浮和超导电动悬浮特点简要比较以及改进方向10、其他磁浮系统简介一、最常见性能比较概要1、功率配备：磁浮列车因地面轨道驱动，功率储备能够比传统列车大得多，当TR磁浮列车只有五节的时候，配备轨道驱动功率与列车自重比值最大达185kW/t。日本磁浮属于超导电动悬浮，且车更轻的多，功率配备与车重比值更高。2、加速能力：磁浮列车不受黏着限制，可用的加速能力远大于轮轨列车。出于旅客安全和舒适度考虑，一般磁浮列车设计最高加速度为4.5~5km/h/s，加速度能持续到很高速度甚至最高速度。而轮轨列车受轮轨黏着限制，随着速度提高，在黏着系数下降，空气阻力迅猛增加的共同作用下，高速下无论如何增加功率，也无法维持较高的加速能力。达到相同速度，磁浮的加速距离也能远小于轮轨。与加速过程相反，磁浮列车拥有强大的制动能力，亦可再生制动、电阻制动、加装涡流制动，并可像飞机一样的反推制动。3、最高速度：理论上可和飞机一样，但在稠密地面运行受到环境影响的限制，以及能耗经济性，磁浮目前最高速度虽然已超过600km/h，但实际最高运营仍可能在550上下。即使最高速度定为500，京沪这样典型距离，也能在两个小时多轻松到达。轮轨列车在最高速度的前进上，困难重重，尽管取得了574的成绩，但无法多次再现，商业运行速度与之相差太远。4、磁浮列车最大理论爬坡坡度为25%，一般设计最大坡度10%，目前高速轮轨线路设置最大为4%。且磁浮地面轨道驱动的特点，使得功率配备可以按照具体坡度条件设置，而轮轨必须按照最困难的条件考虑最大车载功率。5、磁浮因是环抱轨道，或者U型槽轨道，因此无轮轨方面的脱轨问题，轮轨高速前进路上最大阻碍之一也来自脱轨风险。另外，磁浮轨道这种结构抗风能力较强。6、磁浮可设置最大横坡为16°的曲线超高，一般可设12°，而轮轨一般最大为6.9°，特别困难地段设置为8°（老哈提供数据），过高的超高，列车存在倾翻的危险。因此在在同样速度高速运行下，磁浮拥有小得多的转弯半径。7、磁浮高速运行下，属于非接触行走，感应供电，因此无轮轨列车复杂弓网接触的受流问题。而限制轮轨列车经济速度提高的基本技术之一即为高速弓网关系。8、同样载客能力下，磁浮列车比轮轨列车轻很多，且目前仍有较大改进余地，这是因为磁浮为非点载荷的支撑结构，承重均匀的特点决定的，而轮轨列车因仅两组车轮架支持，对车体强度、变形要求较高。同时，这种均匀分布载荷的特点，对桥梁和路基冲击远较轮轨小。轮轨列车减重努力相对困难，最轻的高速轮轨列车在日本，但比起同样在日本的磁浮列车体重，仍有很大差距，而且缩小该差距的可能性不是很大。9、磁浮列车无接触网系统，且轨道本身即为轨道梁结构，因此综合占地面积要小。在桥梁比重不高的轮轨线路，占地面积要比磁浮大得多。10、磁浮轨道无需像轮轨轨道那样考虑无缝线路的问题，且摆动式道岔，左右对称的结构，通过道岔时候远比轮轨列车平稳。道岔侧线通过，不仅有100时速的低速道岔，200时速的中速道岔，还有400时速的高速道岔。高速道岔也是严重阻碍轮轨列车提速的关键技术。11、磁浮非接触推进系统保证其抗雨雪能力较强，轨道湿滑不会对牵引力有影响，而轮轨列车遇此情况，黏着系数大大降低，对牵引制动、爬坡性能影响较大，甚至严重影响。12、磁浮因无弓网系统和车轮走行系统（恰好是噪音主要来源，其中350以上时弓网噪音贡献超过一半），四体包裹光滑，因此噪音得以大大降低，在TR8相比ICE3噪音大大降低的同时，日系磁浮由于超级的流线的头型设计，较高悬浮高度和U型轨道遮音的帮助，其噪音控制的更是优秀。TR8在430时速的测试噪音约为90dB，300运行的时候约78dB（25m处测量），而日本目前最新的磁浮试验列车，500运行的时候噪音仅81.5dB。轮轨列车在往350努力的时候，噪音控制已经十分艰难。13、能耗方面，常导磁浮系统高速下能耗较低，同样按照一样的旅客座位占来算，TR8的单位能耗较ICE3少30%，测试数据表明，TR8以430速度运行的时候，比ICE3在300时速运行时候单位能耗相近。（注，对此数据稍有异议，分析见后详述），采用超导排斥磁浮的列车因超导的涡流效应，致使能耗较大。另外，在德日两种磁浮系统中，低速下的能耗也都比轮轨大，对于常导磁浮，只有速度大于170的时候，其能耗才比轮轨为少，这是因为低速阶段，悬浮消耗的功率占的比重较大；而日本磁浮，100时速以下是由车轮支撑的，因此与轮轨类似，具体数据等待更新。14、运输能力从技术上看，磁浮可以达到和轮轨列车一样的单列运输能力和发车间隔，但是，由于供电所距离和供电能力的经济性，目前磁浮列车TR8的最大编组设计为10节，运输能力大约是780~1180人（根据一等座配备数量而不同），日本磁浮现在的最大实验编组数据待查，但是最终目标是16节编组与既有轮轨尽可能接近，这样说是因为日本磁浮的车宽较新干线要窄。目前TR8的最小发车间隔是5min，这也是因为供电所设置的经济性限制。15、磁浮由于没有轮轨列车的车轮走行机构和弓网系统。速度越高，这两者需要维护的投入就要显著加大，机械走行、弓网系统的维护占列车维护成本较大，因此磁浮的维护成本比轮轨低不少，这还是在各自速度级别的比较。二、驱动功率与加速度，最高速度在讨论加速性能的时候，经常会提到一个叫做比功率的值，本身是在特别喜欢强调加速性能的小汽车领域，即其配备的发动机功率与其自重的比值。现在，列车的加速性能也常常用到，即列车配备的总功率和其本身自重的比值，由于列车载客量较大，也常会提到空载比功率和满载定员的比功率。铁路专家研究表明，平道上要达到350km/h的运营，比功率至少要达到20kW/t。如果要提高到大约400时速，则其标准要提高50%，也就是不低于30kW/t。实际上为了具备良好加速性能，这个值仍需根据设计目标相应提高，一方面是要提高列车总功率，还要继续为减重努力，外观设计也要更符合空气动力学。磁浮列车是分区间供电，无论常导还是超导，都是车走到那里，电供到那里，区间的变电所拥有强大的供电能力，轨道上布置的驱动线圈空间和重量限制很少，能够提供很高的推力，大小取决于给线圈加的电流，因此很容易达到相当大的功率，磁浮可实现加速能力远大于轮轨列车。基于舒适度和安全考虑，一般磁浮列车设计的最大加速能力是4.5~5km/h/s，关键是磁浮能将加速度保持到很高的速度区间。在2003年底，日本磁浮创造581最高速度的时候，平均加速度高达5.3km/h/s，在不到2分钟的时间内，已达冲刺到最高速度，驶出距离将近9km。即使平常的体验乘客，也能感受到较强的推背感，2004年试验速度突破600km/h大关，而上海磁浮最高的速度记录是501.5km/h，且为商业运营的列车。根据目前现有技术，常导磁浮技术的速度上限为600km/h，而超导磁浮则可实现超过600的运行速度。最高速度并不是没有限制，稠密的空气中运行，最高速度受到噪音限制，当速度大于600的时候，列车相会速度即将达到音速，继续提高突破音障，对于乘客和环境，都是难以接受的。因此使用的最高速度上限目前来看是600km/h，一般来说550已经足够。目前各方新闻正式报道，日本终于开始正式修建中央磁浮线，设计速度为500km/h，最高速速度可达580km/h，大约在2025年建成。有学者提出的真空管道磁浮技术，能够排除巨大空气阻力，实现超越两倍音速的地面飞行，但是由于经济性太差，目前暂不予讨论。上海磁浮，设定的加速度大概是0.6m/s/s，相当于2.16km/h/s。这个加速值设置实际是偏低的，实际乘坐几乎没有感觉到速度在增加，业界认为这是为了最大限度的舒适和节电。加速到300km的时间大约是2分钟，距离大约是5km，到最高速度431的加速距离大约是13km。根据有关资料，TR8列车在0~300km/h的时候设计加速度恒定为0.9m/s2（即3.24km/h/s），300~500km/h的加速度缓慢下降，当速度到500km/h时，计算全程平均加速度为0.66m/s2（即2.376km/h/s）。技术上继续提高加速度是没有任何问题的，只是限于舒适度和变电所线路建设成本和节电，才这样设置。从日本新干线的一些列车的启动加速度来看，初期阶段有些都比上海磁浮加速度要明显大，说明商业运行中，良好的座椅设置，适当的调整，列车加速度提高到3~4km/h/s应该是没有问题的，而且停站数目越多，越需要这方面的考虑。尽管加速度设置相同，磁浮列车具备将加速度保持到最高速度的能力，而轮轨列车在开始一段时间具备较高恒定加速度之外，一般不到100，其加速度就呈近似反比例曲线下降。轮轨列车依靠轮对黏着力驱动列车，最大静止启动加速度为黏着系数与重力加速度的乘积，以最大黏着利用计算，理论上可达将近13km/h/s，甚至超过了一般飞机的加速能力，但实际到目前为止还没有这样的列车。随着速度提高，黏着系数下降，且列车阻力迅速增加，使其最大加速能力降低较快，而且从功率配备的经济上，也进一步限制了加速能力。列车功率配备也会受到轴重、空间限制的影响，过大的功率会使变压器，电机等相关环节的重量明显增加，这对控制轴重是相当不利的。相应的，不管德日磁浮，最高速度超过500的试验，仅需30km试验线路即有较大富裕，而对于轮轨列车即使突破400时速，30km也是难以想象的。值得注意的是，轮轨列车最高速度记录是法国V150试验列车创下的574km/h，持续加速大约花费了14分钟，行驶了70km多，这比磁浮花的时间和距离都长得多，虽然速度逼近磁浮的速度记录，但是是做了较大的改装，其花费的代价是相当可观的。列车也不能经常以此速度运行，实际的商业运行目前最高是330km/h，目前拥有高速轮轨技术的国家，都在实现360km/h的稳定运行而努力，与此形成的对比是，上海磁浮每天都在跑431的最高速度的商业运行，日本磁浮试验线，也在每天以500km/h的速度进行载人耐久性试验。三、线路阻力爬坡能力与转弯能力列车制动这里先补充一下关于列车制动。磁浮列车和轮轨列车相比，只是没有了车轮支撑，制动方式仍有共同之处，列车可使用电阻制动、涡流制动、再生制动以及机械制动，另外磁浮可反推制动，这个在轮轨列车中也有加馈电阻制动，情况有些类似，但在全程制动中比例较小，主要补偿电阻制动的不足，磁浮列车的反推制动和飞机类似，把驱动的电磁力反向，以实现较大的制动能力。需要说明的是，目前磁浮列车再生制动回送电流用的比较少，主要是因为试验线目前一般只有一列列车，再生产生的能量同一供电区间没有另外列车使用，商业化运营后是可用上的，目前常导系统