160 km/h 磁浮列车设计及应用研究

佟来生，胡 伟，邓江明

（中车株洲电力机车有限公司，湖南株洲 412001）

1 概述

常导短定子直线电机牵引磁浮列车具有乘坐安静舒适、振动小、环境友好等特点[1-2]。目前，世界上采用该制式的商业运营线路一共有4条，分别为：日本爱知线、韩国大邱线、我国的长沙磁浮快线和北京S1线，在建的线路有2条，分别为：广州清远线和凤凰磁浮线[3]。这些线路的磁浮列车速度均不大于100 km/h，适用于城市内部、旅游景区等区域长度不大于30 km的城市轨道交通线路，站间距宜为3～5 km[4]。随着我国城市群的发展，研制适用于城市群之间、市区到景区、旅游专线等多种交通线路，速度在120～160 km/h的常导短定子磁浮列车是社会发展需要和技术发展的必然趋势[5]。中车株洲电力机车有限公司研制的160 km/h磁浮列车于2018年6月下线，该列车在长沙磁浮快线列车技术基础上，重点对牵引、受流、悬浮、悬浮架、车体等关键子系统进行了创新。本文重点对车辆总体及各主要子系统的技术特点进行详细介绍，以期为后续磁浮车辆设计及城市轨道交通系统建设提供有益的参考。

2 列车总体技术特点

2.1 车辆编组

160 km/h磁浮列车采用3节编组，= Mc1－M－Mc2 =（“=”为全自动车钩，“－”为半永久车钩，“Mc”为带司机室的端车，“M”为不带司机室的中间车），具体如图 1所示。列车通过安装在轨道两侧的正负2条受流轨供电，电压为DC1500V，网压变化范围为DC1000～1800V。

2.2 主要技术参数

160 km/h磁浮列车主要技术参数如表1所示。

表1 主要技术参数表

2.3 载客量

列车各工况下的载客量如表2所示。

表2 列车各工况下的载客量 人

2.4 列车动力性能参数

（1）列车运行速度。列车最高运行速度160 km/h，列车连挂速度3 km/h。

（2）列车牵引特性。列车在AW2载荷状态下，平直干燥轨道，平均启动加速度（0～70 km/h）不小于0.8 m/s2，平均加速度（0～160 km/h）不小于0.4 m/s2。

（3）列车制动特性。列车在各种载荷状态下，平直干燥轨道，常用制动平均减速度（160～0 km/h）不小于0.8 m/s2，紧急制动平均减速度（160～0 km/h）不小于1.0 m/s2。

列车的牵引制动特性曲线如图2所示。

3 车辆机械系统

3.1 车体

车体采用铝合金全焊接框架+复合材料结构，由顶盖、侧墙、底架、端墙、司机室骨架5大模块组成，除车顶采用铝板和PET泡沫的三明治夹芯复合材料外，其他部分采用6000系铝合金型材，车体设计的纵向压缩力为350 kN，纵向拉伸力为280 kN。车体结构及静强度情况如图3所示。

3.2 内装

内装采用碳纤维、聚碳酸酯、芳纶蜂窝等新型材料实现轻量化，如图4所示。

3.3 悬浮架

每节车辆的悬浮架由5个基本结构相同的悬浮架单元、导向结构、滑台装置等组成，为提升运行时的横向平稳性，在悬浮架每个固定滑台处增加了横向减振器。悬浮架单元充分利用部件强度、部件功能集成、优化组装结构等措施，将各种安装座集成到纵梁上，使悬浮架零部件总数量减少1/3，降低悬浮架组装难度，同时提高了产品精度。悬浮架单元如图5所示。

3.4 制动系统

列车制动模式包括：常用制动、快速制动、紧急制动、非常制动。160 km/h磁浮列车采用电制动与机械制动相结合的方式。常用制动和快速制动模式下，采用电制动优先，不足部分由液压制动补足；紧急制动和非常制动模式下，采用纯液压制动。制动系统原理如图6所示。

EBCU根据MVB传输的级位进行整车制动力计算，并将所需施加的电制动力发送给TCMS。TCMS根据接收到的电制动请求值和自身能力施加电制动力，同时，将电制动值反馈给EBCU。EBCU根据总制动力和接收的电制动力值做减法，进行液压制动的补充，平均分配至各车。

4 车辆电气系统

4.1 牵引系统

牵引系统主要由直线感应电机、高压分线箱、高压电器柜、电抗器、牵引逆变器、受流器组成，如表3所示。

表3 牵引系统设备 个

列车牵引电机采用短定子直线异步电机，为达到160 km/h运行速度要求，对电机结构进行了重新设计，电机应力与应变符合设计要求[6]，如图7所示，表4 为直线感应电机强度有限元仿真结果。

表4 直线感应电机强度有限元仿真结果

4.2 测速系统

测速系统采用“计数轨枕”的方式，涡流传感器经过金属轨枕时产生脉冲信号，传感器位置固定，不同传感器得到脉冲具有时间差，从而得到车辆速度，供车辆牵引系统、制动系统使用。测速装置由测速控制机箱及传感器安装板2个部分组成，测速控制机箱安装在司机操作台内，传感器安装板安装在车辆底部。测速系统如图8所示。

4.3 受流器

为满足列车160 km/h的运行需求，三轨刚性受流器采用气动缓冲弓头和弹性拉杆设计，提升了受流器应对高频振动的能力，从而保证受流器的稳定受流和工作的安全性，受流器与供电轨的接触压强分布如图9所示。

4.4 辅助供电系统

辅助供电系统主要由3AC380V辅 助 变 流 器、DC330V电 源、DC330V蓄电池组、DC110V充电机及110V蓄电池组等组成，如图10所示。辅助变流器具有功率大、体积小、重量轻的特点，通过冗余实现故障情况下的应用。

5 悬浮系统

随着列车运行速度的提高，端部电磁铁涡流效应加剧，端部电磁铁悬浮力下降，具体变化趋势如图11所示。为避免因端部电磁铁出现过流，160 km/h磁浮列车电磁铁增加1个线包用于补偿因涡流引起的悬浮力下降，即端部电磁铁采用三线包替代目前的两线包形式，其结构如图12所示。同时，每节车最大悬浮能力由33 t提升到35 t。

6 试验

2019年8月开始， 160 km/h磁浮列车开始在长沙磁浮快线进行牵引、悬浮、运行平稳性、受流等关键性能测试。 2020年4月28日，列车测试速度达到160 km/h，各项性能指标均满足设计要求，测试结果如表5所示。

表5 受流器装车测试结果

7 结语

长沙磁浮快线项目的成功实践使我国成为第三个将短定子直线电机牵引磁浮交通投入商业化运营的国家，为城市公共交通提供了一种新的系统解决方案，对推动我国磁浮交通的发展具有重大意义。160 km/h短定子直线电机牵引磁浮车辆的成功研制丰富了短定子直线电机牵引磁浮车辆技术体系，提升了我国磁浮交通产业链及科研攻关能力。目前，该车已在长沙磁浮快线进行140 km/h商业运营，状态良好。未来随着车辆系统集成能力的提升和部件技术的进步，短定子磁浮列车突破160 km/h、实现更高速度工程化应用亦有可能。