作者:贾利民 来源:中国科学报 发布时间:2022/8/15 14:19:12
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全球首条稀土磁浮列车如何“悬挂飞驰”

“红轨”磁浮试验线全景图    江西理工大学供图

“红轨”磁浮列车仰视图 贾利民摄

8月9日,一辆红头白身的空轨列车——“红轨”平稳驶出江西兴国县永丰站。它悬浮在蓝色轨道之下,一路向北至静调库。这条看似“镜像”翻转后的列车线路,正是世界首条稀土永磁磁浮轨道交通工程试验线。

到目前为止,全球所有的悬挂式导向运输系统都采用胶轮进行承载和导向,“红轨”则完全采用稀土永磁材料实现悬浮和导向。这是“红轨”和现有磁浮交通系统最大的区别,其也在世界范围内丰富了导向运输系统谱系。

市场前景巨大

说起磁浮列车,大家并不陌生。早在2003年,我国首列也是世界首列商用高速磁浮列车在上海浦东机场线运行。由于完全克服机械摩擦阻力,磁浮列车高速、平稳运行,被称为21世纪理想的超级特别快车。中、日、德、英、韩、美等国在不同时期都非常重视磁浮交通系统的发展。

磁浮列车依靠磁极相斥或相吸机理,克服重力,产生悬浮效应。采用电生磁性磁体产生悬浮效应的磁浮列车一旦断电,磁体磁性就会消失;磁体磁性强弱随励磁电流大小变化,且耗能较大。另外,电磁悬浮(如上海悬浮交通、日本超导悬浮列车方案)是不稳定悬浮,要靠复杂的控制技术实现悬浮,将增大技术和运维难度。

而永磁悬浮是利用非电励磁的永久磁体(能够长期保持其磁性的磁体)来产生悬浮效应,即永磁体与轨道(由电磁轨道或导磁材料)相斥并保持在槽口中线悬浮运行,电磁导向和悬浮可实现零机械摩擦运行。因此,寻找磁性稳定、密度足够高,磁力足够强,且满足列车悬浮需求的永磁体,一直是科技界孜孜以求的替代方案。

稀土永磁磁浮列车的出现,解决了这一难题。

目前的研究结果表明,借助稀土元素的合金材料,可以制造出体积小、磁性密度高、有足够悬浮力的永磁体。这是天然磁铁矿石材料难以做到的。“红轨”永磁磁浮交通系统采用的永磁体是钕铁硼合金,具有磁性强、磁性稳定、磁能分布合理等特点,且稀土元素钕、硼自然储量丰度高,因而成本低。它是一种适用于磁浮交通系统的稀土永磁合金材料。

用稀土材料制造永磁体,江西有着得天独厚的优势。江西赣州号称“稀土王国”,是我国三大稀土生产基地之一,年产出全球70%的中重稀土。稀土永磁磁浮列车的应用,让更多人看到了稀土产业的未来发展。如果其能够在交通上实现规模化发展,对于我国稀土产业的应用模式、市场推广很有意义。

稀土永磁磁浮列车特别适合于中小运量的旅客、货物运输。同时,它也是干线交通网络的有力补充,能够解决“最后一公里”的交通运输和主干运输系统的接入问题,实现机场、景区、园区载客等场景应用。初步估计,我国类似的接入运输系统需求在100万公里左右。稀土永磁磁浮列车有显著的节能效应,且噪声低,对环境友好,还可根据实际应用需求进行定制,对运输需求的适应性非常强。

此外,和地铁、城际铁路及其他悬挂式系统相比,其成本优势明显。稀土永磁磁浮列车的成本仅为轻轨的1/2左右,每公里建设成本小于1亿元,是如今中高速磁浮交通系统成本的1/3,规模化应用之后,成本还会进一步降低。其未来的应用潜力、科技产业化规模不容小觑。

技术上有四大看点

由江西理工大学主导研发的“红轨”稀土永磁磁浮交通系统,在技术上有四大亮点。

一是磁浮列车载人后所需的悬浮力巨大。制造体积小、磁能密度大、有足够悬浮力且经济性好的永磁体,在材料领域是一项挑战。在“红轨”中,这一技术问题得到了很好的解决。

二是从前的悬挂式交通系统,列车和轨道通过车轮实现支撑和导向。而“红轨”没有轮子,采用独创的列车走行系,克服了缺少硬约束和永磁体悬浮力不可控的难题,实现了列车行走过程中悬浮导向的平稳协同控制。

三是列车采用了轻型材料、结构和轻量化设计,在既定能量消耗下,可以最大程度提高运输效率。

四是列车大量采用新兴信息技术,如人工智能、5G、智能控制、机器学习、多目标智能规划等,在实现无人驾驶的同时可以给乘客提供丰富的在途信息服务。

对于公众来说,最关心的是稀土永磁磁浮列车的安全问题。其实,这在前期的设计中已有充分考虑。

比如,采用了封闭箱梁包裹走行系统,轿厢悬挂在走行系之下,列车永远不会出轨。一旦列车出现故障,通过类似于高层建筑救援的弹性管道,乘客可在第一时间内离开列车逃生。车与车之间通过通信实现智能控制和运行调度,从根本上避免了追尾的发生。如果一节车厢内发生火灾,并不会波及整车,因为厢体采用了阻燃材料,具有很强的防火功能。

作为一种全新的中低运量导向运输系统,“红轨”经过技术验证、工程验证,已经具备了规模化推广和产业化的条件。接下来,需要加紧建设运营示范线,同时进一步加强标准体系建设,把“红轨”可按需求定制、应用广泛、需求适应性强、技术经济性好的潜力通过规模化应用充分挖掘出来,使之成为“源于中国、普适全球”的高效、绿色、经济、智能的新型交通系统的典范。

(作者系北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室首席教授,本报记者温才妃采访整理)

 
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