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※磁悬浮列车(资料)※
自1825年世界上第一条标准轨铁路出现以来,轮轨火车一直是人们出行的交通工具。然而,随着火车速度的提高,轮子和钢轨之间产生的猛烈冲击引起列车的强烈震动,发出很强的噪音,从而使乘客感到不舒服。由于列车行驶速度愈高,阻力就愈大。所以,当火车行驶速度超过每小时300公里时,就很难再提速了。
如果能够使火车从铁轨上浮起来,消除了火车车轮与铁轨之间的摩擦,就能大幅度地提高火车的速度。但如何使火车从铁轨上浮起来呢?科学家想到了两种解决方法:一种是气浮法,即使火车向铁轨地面大量喷气而利用其反作用力把火车浮起;另一种是磁浮法,即利用两个同名磁极之间的磁斥力或两个异名磁极之间磁吸力使火车从铁轨上浮起来。在陆地上使用气浮法不但会激扬起大量尘土,而且会产生很大的噪音,会对环境造成很大的污染,因而不宜采用。这就使磁悬浮火车成为研究和试验的的主要方法。
当今,世界上的磁悬浮列车主要有两种“悬浮”形式,一种是推斥式;另一种为吸力式。推斥式是利用两个磁铁同极性相对而产生的排斥力,使列车悬浮起来。这种磁悬浮列车车厢的两侧,安装有磁场强大的超导电磁铁。车辆运行时,这种电磁铁的磁场切割轨道两侧安装的铝环,致使其中产生感应电流,同时产生一个同极性反磁场,并使车辆推离轨面在空中悬浮起来。但是,静止时,由于没有切割电势与电流,车辆不能产生悬浮,只能像飞机一样用轮子支撑车体。当车辆在直线电机的驱动下前进,速度达到80公里/小时以上时,车辆就悬浮起来了。吸力式是利用两个磁铁异性相吸的原理,将电磁铁置于轨道下方并固定在车体转向架上,两者之间产生一个强大的磁场,并相互吸引时,列车就能悬浮起来。这种吸力式磁悬浮列车无论是静止还是运动状态,都能保持稳定悬浮状态。这次,我国自行开发的中低速磁悬浮列车就属于这个类型。
“若即若离”,是磁悬浮列车的基本工作状态。磁悬浮列车利用电磁力抵消地球引力,从而使列车悬浮在轨道上。在运行过程中,车体与轨道处于一种“若即若离”的状态,磁悬浮间隙约1厘米,因而有“零高度飞行器”的美誉。它与普通轮轨列车相比,具有低噪音、低能耗、无污染、安全舒适和高速高效的特点,被认为是一种具有广阔前景的新型交通工具。特别是这种中低速磁悬浮列车,由于具有转弯半径小、爬坡能力强等优点,特别适合城市轨道交通。
德国和日本是世界上最早开展磁悬浮列车研究的国家,德国开发的磁悬浮列车Transrapid于1989年在埃姆斯兰试验线上达到每小时436公里的速度。日本开发的磁悬浮列车MAGLEV(MagneticallyLevitatedTrains)于1997年12月在山梨县的试验线上创造出每小时550公里的世界最高纪录。德国和日本两国在经过长期反复的论证之后,均认为有可能于下个世纪中叶以前使磁悬浮列车在本国投入运营。
磁悬浮列车运行原理
磁悬浮列车是现代高科技发展的产物。其原理是利用电磁力抵消地球引力,通过直线电机进行牵引,使列车悬浮在轨道上运行(悬浮间隙约1厘米)。其研究和制造涉及自动控制、电力电子技术、直线推进技术、机械设计制造、故障监测与诊断等众多学科,技术十分复杂,是一个国家科技实力和工业水平的重要标志。它与普通轮轨列车相比,具有低噪音、无污染、安全舒适和高速高效的特点,有着“零高度飞行器”的美誉,是一种具有广阔前景的新型交通工具,特别适合城市轨道交通。磁悬浮列车按悬浮方式不同一般分为推斥型和吸力型两种,按运行速度又有高速和中低速之分,这次国防科大研制开发的磁悬浮列车属于中低速常导吸力型磁悬浮列车。
磁悬浮列车的种类
磁悬浮列车分为常导型和超导型两大类。常导型也称常导磁吸型,以德国高速常导磁浮列车transrapid为代表,它是利用普通直流电磁铁电磁吸力的原理将列车悬起,悬浮的气隙较小,一般为10毫米左右。常导型高速磁悬浮列车的速度可达每小时400~500公里,适合于城市间的长距离快速运输。而超导型磁悬浮列车也称超导磁斥型,以日本MAGLEV为代表。它是利用超导磁体产生的强磁场,列车运行时与布置在地面上的线圈相互作用,产生电动斥力将列车悬起,悬浮气隙较大,一般为100毫米左右,速度可达每小时500公里以上。这两种磁悬浮列车各有优缺点和不同的经济技术指标,德国青睐前者,集中精力研制常导高速磁悬浮技术;而日本则看好后者,全力投入高速超导磁悬浮技术之中。
德国的常导磁悬浮列车
常导磁悬浮列车工作时,首先调整车辆下部的悬浮和导向电磁铁的电磁吸力,与地面轨道两侧的绕组发生磁铁反作用将列车浮起。在车辆下部的导向电磁铁与轨道磁铁的反作用下,使车轮与轨道保持一定的侧向距离,实现轮轨在水平方向和垂直方向的无接触支撑和无接触导向。车辆与行车轨道之间的悬浮间隙为10毫米,是通过一套高精度电子调整系统得以保证的。此外由于悬浮和导向实际上与列车运行速度无关,所以即使在停车状态下列车仍然可以进入悬浮状态。
常导磁悬浮列车的驱动运用同步直线电动机的原理。车辆下部支撑电磁铁线圈的作用就象是同步直线电动机的励磁线圈,地面轨道内侧的三相移动磁场驱动绕组起到电枢的作用,它就象同步直线电动机的长定子绕组。从电动机的工作原理可以知道,当作为定子的电枢线圈有电时,由于电磁感应而推动电机的转子转动。同样,当沿线布置的变电所向轨道内侧的驱动绕组提供三相调频调幅电力时,由于电磁感应作用承载系统连同列车一起就象电机的“转子”一样被推动做直线运动。从而在悬浮状态下,列车可以完全实现非接触的牵引和制动。
日本的超导磁悬浮列车
超导磁悬浮列车的最主要特征就是其超导元件在相当低的温度下所具有的完全导电性和完全抗磁性。超导磁铁是由超导材料制成的超导线圈构成,它不仅电流阻力为零,而且可以传导普通导线根本无法比拟的强大电流,这种特性使其能够制成体积小功率强大的电磁铁。
超导磁悬浮列车的车辆上装有车载超导磁体并构成感应动力集成设备,而列车的驱动绕组和悬浮导向绕组均安装在地面导轨两侧,车辆上的感应动力集成设备由动力集成绕组、感应动力集成超导磁铁和悬浮导向超导磁铁三部分组成。当向轨道两侧的驱动绕组提供与车辆速度频率相一致的三相交流电时,就会产生一个移动的电磁场,因而在列车导轨上产生磁波,这时列车上的车载超导磁体就会受到一个与移动磁场相同步的推力,正是这种推力推动列车前进。其原理就象冲浪运动一样,冲浪者是站在波浪的顶峰并由波浪推动他快速前进的。与冲浪者所面对的难题相同,超导磁悬浮列车要处理的也是如何才能准确地驾驭在移动电磁波的顶峰运动的问题。为此,在地面导轨上安装有探测车辆位置的高精度仪器,根据探测仪传来的信息调整三相交流电的供流方式,精确地控制电磁波形以使列车能良好地运行。
超导磁悬浮列车也是由沿线分布的变电所向地面导轨两侧的驱动绕组提供三相交流电,并与列车下面的动力集成绕组产生电感应而驱动,实现非接触性牵引和制动。但地面导轨两侧的悬浮导向绕组与外部动力电源无关,当列车接近该绕组时,列车超导磁铁的强电磁感应作用将自动地在地面绕组中感生电流,因此在其感应电流和超导磁铁之间产生了电磁力,从而将列车悬起,并经精密传感器检测轨道与列车之间的间隙,使其始终保持100毫米的悬浮间隙。同时,与悬浮绕组呈电气连接的导向绕组也将产生电磁导向力,保证了列车在任何速度下都能稳定地处于轨道中心行驶。
目前存在的技术问题
尽管磁悬浮列车技术有上述的许多优点,但仍然存在一些不足:
(1)由于磁悬浮系统是以电磁力完成悬浮、导向和驱动功能的,断电后磁悬浮的安全保障措施,尤其是列车停电后的制动问题仍然是要解决的问题。其高速稳定性和可靠性还需很长时间的运行考验。
(2)常导磁悬浮技术的悬浮高度较低,因此对线路的平整度、路基下沉量及道岔结构方面的要求较超导技术更高。
(3)超导磁悬浮技术由于涡流效应悬浮能耗较常导技术更大,冷却系统重,强磁场对人体与环境都有影响
磁悬浮列车利用磁铁同性相斥和异性相吸的原理,实现了车体与轨道之间的无接触悬浮和运行。这种列车可以分为两种类型:电磁运行系统和电动力运行系统。电磁运行系统通过车上的超导体电磁铁与轨道上线圈产生的磁场之间的相斥力来实现悬浮;电动力运行系统则是在车体底部和两侧安装磁铁,通过轨道上的反作用板和感应钢板来控制电磁铁的电流,保持车体悬浮并稳定运行。
磁悬浮列车的运行原理是,当列车前进时,车头部的电磁体(N极)被轨道上的电磁体(S极)吸引,同时被稍后一点的电磁体(N极)排斥,这样列车就能持续向前奔驰。通过调整在线圈中流动的交流电的频率和电压,可以控制列车的速度。
磁悬浮技术分为推斥式和吸引式两种。推斥式磁悬浮列车,如日本的,使用磁铁同性相斥原理,需要起落架,悬浮气隙较小,适合高速运行。吸引式磁悬浮列车,如德国的,使用磁铁异性相吸原理,悬浮气隙较大,适合更高的速度。
磁悬浮列车具有无接触运行、低噪音、低能耗、无污染、安全舒适和高速高效等特点,被誉为“零高度飞行器”。它们适合城市轨道交通,具有转弯半径小、爬坡能力强等优点。德国和日本是世界上最早开展磁悬浮列车研究的国家,它们分别致力于常导高速磁悬浮技术和高速超导磁悬浮技术的研究。
●7月,国内首辆永磁磁浮空轨列车“兴国号”将进入通车试验阶段
●利用永磁体和永磁轨道之间的排斥力,不通电也能“悬挂”在空中
●兼具速度与舒适度,造价低,作为一种新型交通方式,应用前景广阔
“悬挂”在空中
眼前,是一条不长的高架试验线轨道。轨道下方,“悬挂”着一列红白相间的像地铁一样的列车。
“列车竟然‘倒挂’在轨道上!”这样的场景,现场的许多人还是第一次见到。没等大家反应过来,列车已从视线中呼啸而过……
今年6月,江西赣州兴国县某试验场。永磁磁浮技术工程试验线上,国内首辆永磁磁浮空轨列车——“兴国号”,进行了车辆调试。按照计划,“兴国号”将在7月进行通车试验。
这是我国第一次将永磁磁浮技术应用于空轨车辆,在全世界也是首次。
所谓“空轨”,就是悬挂式“空中列车”。远远望去,“兴国号”永磁磁浮列车好像“悬挂”在空中——借用永磁磁浮技术,使得列车上方与轨道相连。列车不用依靠轮子行驶,摩擦力大大减小,仅需电机驱动即可运行。
“轨道在列车的上方,这样的列车以前还真没体验过。”现场一位曾坐过上海高速磁悬浮线的市民,表达了他的惊讶与期待。
国防科技大学教授龙志强告诉记者,永磁磁浮列车靠在车顶的永磁装置上,凭借与永磁轨道的斥力而悬浮于空中——其原理就是,轨道产生的磁场与列车上的永磁体的磁场方向相反,因此产生了斥力,当向上的支撑力与车辆重力达成平衡,永磁磁浮列车的永久磁铁与轨道相斥并在槽口中线保持悬浮状态,列车就会漂浮在空中。
值得关注的是,与以往的常导磁浮列车和超导磁浮列车相比,永磁磁浮列车不需要额外的电流激励,即可实现零功率悬浮。
可以说,这列由我国自行研制和建造、拥有自主知识产权的永磁磁浮空轨列车,在中国乃至世界磁悬浮发展进程中,都是一个很大的进步。“兴国号”磁浮空轨列车采用的高效智能永磁磁浮轨道交通系统——“红轨”,是一种新型轨道交通模式。“红轨”由稀土永磁悬浮模块、智能定位与走行控制模块、数据传输与运行控制模块等6大部分组成,通过运控单元的协调调度实现列车稳定运行,爬坡能力更强、更节能。
“兴国号”磁浮空轨列车由江西理工大学和中铁科工集团联合研制,设计时速为每小时80公里。展望即将开始的永磁磁浮空轨列车试验,龙志强教授的眼前浮现出中国磁浮交通系统技术发展所迈过的一道道“坎”,打通的一条条“路”——
2001年4月,突破一系列核心关键技术,我国第一条磁浮列车试验线在国防科技大学校园内建成;
2005年,中国自行研制的“中华06号”吊轨永磁磁浮列车于大连亮相;
2006年4月,中国第一辆具有自主知识产权的中低速磁悬浮列车,在四川成都青城山一个试验基地成功通过室外实地运行联合试验;
2022年3月,我国宣布拥有完全自主知识产权的首列商用磁浮3.0列车,并且已经完成了相关动态试验和系统联调联试……
从实验室走向产业化,从常导磁浮到超导磁浮再到永磁磁浮,从“贴地飞行”到“悬挂飞驰”,在中国磁悬浮发展建设这条道路上,我们已经走得很远,并将越走越远。
速度与美景同在
车窗两旁,两排座位相对排列放置,座位中间的过道,配有供乘客握住的铁杆。
走进永磁磁浮列车车厢,车厢内宽敞明亮,车内设计和地铁内部有些相似。可以这样类比,永磁磁浮列车,有点像在空中飞驰的“地铁”。
但与地铁相比,永磁磁浮列车,无论速度与舒适度,都更加优越。一般而言,综合考虑安全等各方面因素,现在国内地铁大部分线路行驶的最高时速普遍为每小时80公里。而根据设计,永磁磁浮列车可采用无人驾驶自动智能模式运行于固定线路与轨道,最高运行速度可达每小时120公里。按照这个速度,更形象点说,这就等于用在高速路段飙车的速度在拥堵的市区内行驶。
这不但可以减轻私家车、地铁等交通运输方式的压力,另外,由于永磁磁浮列车“飞驰”在“空中”,坐在车内的人们,在享受速度的同时,还可以欣赏外面的风景。这将给通勤高峰时段,减少未来上班族因堵车而带来的焦虑,提供可能。
试想,在繁忙的市中心,永磁磁浮列车仍能保持高速飞驰,车内乘客视野开阔,在上下班途中既能避免堵车,还能观赏市区景色,这将是一种怎样的体验?
即使遇到坡度大的地方,永磁磁浮列车也无需减速。
记者了解到,在永磁磁浮列车及空轨技术的研究与开发中,克服了有关导向结构、悬浮架设计结构、制动系统等专业难点,遇到坡度较大的地方不需要像高铁列车那样过多减速慢行,车辆通行效率高,转弯半径小,灵活性强,噪音极低。
此外,永磁磁浮列车运行时的无磁污染性和耐冲击性,为它在城市内持续健康地发展提供了源源不断的动力——
无磁污染性、零功率静态磁场的存在,使得永磁磁浮列车即使在高速行驶中,噪声也很低;耐冲击性,使永磁磁浮列车在长时间高速运转中也很难出现故障或者损坏。
“那这样性能优越的列车费用会不会很高,一般人能乘坐得起吗?”记者心生疑问。
“永磁磁浮空轨列车,造价是地铁的十分之一,轻轨的五分之一。”相关科研人员向记者解释,由于在研发过程中,成功攻克了掣肘的技术难题,永磁磁浮空轨列车造价相对较低,而且拥有独立的路权,单趟运量约为地铁运量的一半。
综合以上优点,我们不妨大胆假设,随着“兴国号”通车试验,永磁磁浮空轨列车或将成为未来我国公共交通和铁路建设的新选择。
“飞驰”向更广阔的领域
“希望这一技术可以快点普及推广!”看到永磁磁浮列车7月即将进行通车试验的新闻,一位西藏网友留言道。
众所周知,受气候环境影响,在青藏高原高寒荒漠地带与寒冷干旱核心区域,交通出行主要靠汽车和火车。有时候,一些偏远的地方,汽车也难以抵达。
永磁磁浮列车运用智能算法进行动态运行组织与实时优化,非接触、悬浮运行,爬坡能力更强、转弯半径小,在高寒地带等交通不便的复杂地形地区也可实现列车登陆。
这样的未来场景令人向往与兴奋。
“要想富,先修路。”这句百姓口中的俗语,很大程度上体现了交通对偏远地区百姓创业致富的影响。在许多偏远的山区,受地形因素制约,交通不便,即使有铁路通行,也常常难以抵达“最后一公里”。
永磁磁浮列车受地形因素影响少、应用方式灵活,未来可作为补充配套的公共交通工具。这样,既可以促进帮助偏远地区发展交通、活跃经济,又能从大山外带回更多人才和信息反哺山区百姓,带动各项产业发展。
不只偏远山区,在工业园、科技园区人员上下班,以及连接城区站点等方面,同样有永磁磁浮列车的巨大应用空间。永磁磁浮列车具备防脱轨设计,支持无人驾驶,能通过人脸和人的手指经脉识别身份,再加上永磁磁浮列车造价低,对于相对固定的线路和环境来说,是一种节省人力财力的交通方式。正如此次“兴国号”永磁磁浮空轨列车通车试验后,未来可在兴国县境内运行,这将成为促进兴国县产业发展的新契机。
“永磁磁浮列车探索了一种个性化、智能化的交通运输方式,可与地铁、轻轨等互为补充。未来,它还将有助于打造高端装备产业新引擎,形成轨道交通领跑新优势。”国防科技大学教授龙志强说。
上图:“兴国号”永磁磁浮列车示意图。资料图片
制图:谢安(■程雪通讯员张照星翟明达)
(解放军报)
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