永磁悬浮列车技术结合大坡度地铁建设的节能性探讨

永磁悬浮列车技术结合大坡度地铁建设的节能性探讨

刘忠臣

（大连奇想科技有限公司辽宁大连116033）

【摘要】中国民企大连奇想科技有限公司经过十年潜心研发，春节前夕成功研制出超级节能地铁核心技术，据悉这项技术应用到地铁建设中可让地铁行驶能耗节约95%，这项技术用于高铁可以达到时速600公里的高速度，结合真空管道技术可让高铁时速超过1000公里，将大大缩短旅行的时间，有助于提速经济发展。

【关键词】永磁悬浮列车技术；大坡度地铁；地铁节能

【中图分类号】U482【文献标识码】A【文章编号】1002-8544（2017）18-0205-03

1.引言

由于地铁施工是在地下进行掘进和施工，进出站台坡段采用多大的坡度掘进施工对地铁施工难度几乎是一样的，对地面整体外观也没有任何影响，但轨道最初坡度值的设定对地铁节能非常关键，毕竟地铁隧道一旦建成将会使用千百年。对于采用什么样的技术建设地铁和以多大的掘进坡度等建设方案也应慎重考虑，避免对国家造成不可挽回的巨大经济损失。

1.1地铁的进出站路段采用大坡度建设的技术优势分析

将轨道坡度与目前的常规轮轨地铁列车的最大加速度（如1.1m/s2）相同，即将进站和出站的轨道坡度建设成110.7‰，这样可以完全利用列车自重沿轨道方向110‰的分力，实现列车的零动力牵引和制动。具有以下特点：首先，地铁列车可以完全利用列车自重沿轨道方向的分力实现牵引和自然制动，不再需要消耗加速段的大量电能，为整个地铁运营节省大部分电能。其次，减少了刹车制动需要再生发电的环节和发电反馈回电网的设备。整个系统的设备大大简化，并节省了这部分的装备费用，也消除了这部分设备的故障和长期维护和更换配件的费用。然后，节省乘车时间。地铁列车这种完全利用列车自重沿轨道方向的分力，既节约了大量能源又使进出站的加减速时间缩短而节省乘车时间。再次，显著节能。永磁悬浮列车技术采用了永磁直线驱动技术，结合大坡度进出站建设方式可节省了地铁列车全部行驶能源的90%~95%，由于这部分能源占据地铁整体运行能源的40%~50%左右，因此该技术节省了地铁运营一半的能源。另外，满足战备需要。地铁深度越大抵御战争的能力越强，例如朝鲜地铁深达100米，这样深的地铁可做防空洞。大坡度地铁的大深度落差恰恰在符合节能的需要的同时又满足了战争防御能力的需要。

1.2永磁悬浮技术结合大坡度进出站建设方式节能性分析

轮轨列车的列车的行车阻力为：FO=a+bV+cV2。

其中：FO——每吨列车的阻力，a——固定阻力系数，b——机械阻力系数，c——空气阻力系数。

第一部分的固定阻力为列车的滚动摩擦阻力Fr=G.fr/R=Mg.fr/R……(1)，G–列车重量，fr-滚动摩擦系数，R-列车车轮半径；

第二部分列车机械阻力为列车的内部阻力，与速度成正比；

第三部分车辆行驶的空气阻力的常用计算公式：D＝0.5pcdv2A(cdp+λl/d)。其中：p——空气密度，cd——空气阻力系数，V——列车速度，A——列车断面，cdp——列车压力阻力系数，λ——列车侧面气动摩擦指数，l——列车长度，d——列车气动直径。

对于地铁中的列车还存在阻塞比和压力差问题，计算较复杂，在此不赘述。

第二部分内部阻力无论是轮轨列车还是磁悬浮列车中都是大致相同的，只占整个阻力的很小部分；第三部分空气阻力在地铁80KM/h低速时占有很小部分，仅占比1%左右，几乎可以忽略。因此第二部分和第三部分可以不用比较。使复杂的问题简化。

如果为了追求数据的精准而采用微积分、三维有限元等现代科技手段往往妨碍看清问题的本质，由于空气阻力在80公里时速下整个运行能量中不足1%，因而地铁车头的形状一般不做重点考虑。为简化起见，忽略空气阻力的影响，并采用能量守衡定律简化能耗计算方法，把能耗归结到高度数值的直观的测量单位会使能耗问题的分析比较结果一目了然。

现列举几种典型方案探讨该技术在地铁中的应用的节能性分析

图3落差H=25.2米

图3是目前最大坡度为110.7‰时的自由滑行的永磁悬浮轮轨列车示意图。

从上表可以看出，大坡度地铁建设对线路的总长度影响是很微小的。

如图1所示，地铁列车的运行可以看成是有规律地运行：列车离站时加速以大电流供电牵引运行，速度越来越快，一直到达速度最大值（一般为80Km/h）时断开电源变为惰行，到进站时减速利用刹车动能发电反馈回电网，至列车停止，再按上述过程周而复始运行。

列车运行能耗主要分三部分：E1加速段+E2匀速段(也可看成全长滚动摩擦阻力)+E3减速段，对于W行轨道可以看成是由多个平底V的这种情形组成。

为解决上述问题，有以下方案供参考比较：

方案一：如图2所示，是目前利用节能坡技术的现有常规轮轨地铁技术，受最大爬坡能力35‰的限制坡度通常在28‰，在一公里区间内的落差通常仅有8米左右，如果按最大坡度28‰行驶，列车的加速度为0.28米/秒2，这样小的加速度会延长乘车时间，会引起旅客抱怨，因此必须再利用电能加速到1.1米/秒2的加速度，需要额外电能的消耗，每吨每公里区间路段行驶能耗：E总=(1/2MV2-MgH)/90%(电机效率)+M.g.Fr.S=(0.5×1000Kg×(80/3.6)×(80/3.6)-1000Kg×9.8×8)/0.9+1000×9.8×0.09/45×1000米=206837焦耳/（吨.公里）=0.0575KW.h/（吨.公里），按目前地铁运行的行驶能耗实测数值为0.056~0.06（KW.h/吨Km），实测数值与理论计算值很接近。

方案二：如图3所示，采用110%的大坡度地铁建设，将地铁驶离站台的出站口和即将进站的进站段附近都建设成110‰以上坡度的轨道，大概在7度左右，列车加速度可以达到1.1米/秒2，和现有地铁加速度一样。在地铁列车离开车站后马上开始沿坡度下滑，完全利用列车自重沿轨道方向的下滑力，不用电力牵引就可以实现自由加速，滑到坡底达到最大的速度80公里时速，然后经过水平路段滑行，只需要消耗很少的能量，在接近下一地铁站时，列车靠惯性冲上坡，利用列车上坡的后撤力自然减速，到达等高的下一车站后刚好停车。

列车加速100%利用下坡段重力加速不再消耗牵引能量，结合永磁悬浮技术，滚动摩擦阻力能耗只有原来的1/10，列车的滚动摩擦阻力能耗E滚动=M.g.fr/R.S/10=1000Kg×9.8×0.09/45×1000米/10=1960焦耳/（吨.公里）=1960/3600000=0.000544KW.h/（吨.公里）

列车整体运行耗电能耗与行驶能耗的倍数=0.0575/0.000544=105.6倍，行驶滚动能耗仅有地铁运行行驶能耗的0.94%，空气阻力能耗占比按1%计，列车前后压力差能耗占1%计，方案二的节能率为：(100%-0.94%-1%-1%)/100%=97.6%

采用大坡度轨道的建设方式能100%节省牵引加速能耗和100%回收列车的动能，结合永磁悬浮技术节省95%以上的滚动摩擦能耗，与水平建设的地铁技术相比可以节省超95%地铁列车行驶能耗。几乎节省了全部行驶能源，因此称其为“超级节能地铁”。

在地铁的整个能源消耗中，列车行驶能耗约占40%~50%，因此这项技术可以实现地铁综合节能40~50%。每条线路每年可节约几亿元的可观电费。

2.结语

在地铁的建设中，应采用永磁悬浮轮轨列车技术结合大坡度地铁建设方案和大坡度挖掘施工方案，后期地铁列车也应随之配备大坡度牵引装置以保证具备足够的爬坡能力。后期采用新型轨道铺轨就可以整体达到超级节能效果，让国家每年每条线路节约数以亿计的电费，为国家超级节能地铁建设的百年千年大计献计献策。

参考文献

[1]姜晨光.地铁工程建造技术[J].化学工业出版社,2010(02).

[2]朱彦锦.磁悬浮列车技术的分析与展望[J].技术与市场,2016(05).

[3]潘剑,白亮.磁悬浮高速列车造型设计[J].机械设计,2016（7）.