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中国磁浮线路现状与车厢铝材进展

2021/5/27 8:49:52


导读:  磁浮列车是利用磁力或气流在离轨道面8mm~10mm的空间以30km/h~600km/h的速度向前飞行的轨道交通。目前,速度4000km/h的列车正在研发。我国是该领域研发、建设与运营的全球领跑者,截至2020年8月,已有5条磁浮线路投入营运。

      磁浮列车车厢是全铝材料制造的。本文对车厢结构铝材作较全面的介绍,特别对6N01及7N01铝合金的性能,希望我国还能研制出性能超越6N01及7N01的磁浮车厢铝合金。中国将启动京广澳、沪广等高速磁浮线路建设。这将是磁浮线路建设最大的工程,磁浮装备的铝材也将成为一个专门的分支。

  据广东省今年2月发布的《广东省国土空间规划2020年~2035年》中称,广东省域空间内将预留纵横两条高速磁悬浮廊道,分别是南北纵向的京广澳高速磁悬浮和东西横向沿海的沪深广高速磁悬浮廊道。国家也有建设北京—广州大湾区高速磁悬浮列车的计划,列车速度600km/h,虽然有关建设费用、具体行驶路线、开通时间等细节尚未公布,但前期工作已经开始。2019年发布的《交通强国建设纲要》提出了要合理统筹安排600km/h级高速磁悬浮系统。中车四方公司与上海等地的高校也已进行了相关研发,2019年6月,速度600km/h的高速磁浮试验样车在上海同济大学实验线上试跑成功,完全达到了预期效果。此外,中国还计划建造沪-杭、重庆-成都的高速磁悬浮线路。
  中国磁悬浮列车的
  发展历程与现状
  中国磁悬浮的发展可分为三个阶段:2002~2015年为引进与起步时期;2016~2020年为自力更生研发与建设时期;2021年也就是从“十四五”起中国进入大发展时期,引领磁悬浮技术与线路建设及营运。
  按速度可将磁浮列车分为中低速(运行速度30km/h~200km/h)、高速(运行速度200km/h~400km/h)、超高速(运行速度大于400km/h,通常为600km/h)。
  ● 首条磁浮线开始运行
  我国首条磁浮铁路于2003年1月在上海运行,车辆及其技术全部从德国引进。上海磁浮线是中国也是全球首条商业运营的高速磁浮专线,西起上海轨道交通2号线的龙阳路站,东至浦东国际机场,全长29.863km,营运最高速度430km/h,全程仅需8分钟。它的运行是利用安装在列车两侧转向架上的磁浮电磁铁和铺设于轨道上的磁铁的异性相吸效应。同时,磁浮车上装有电磁体,铁轨底部安装有线圈,一旦通电,底部线圈产生的磁场极性与列车上电磁体极性总保持相同,两者同性相斥,但下面的力远大于上面的,使列车浮起来,还有股推力,使列车向前“飞行”。
  ● 首条国产磁浮线在长沙投入商业运营
  我国首条国产磁浮线路于2016年5月在长沙运行,中国有完全自主知识产权,中低速磁浮列车,由株洲电力机车有限公司设计制造,三节编组,铝合金圆润的车体装饰着“中国红”腰线。车内装备着软座席、落地窗、暗花不锈钢扶手。暖色调大贯通车厢内的氛围如同大型民机客舱。这种新型中低速磁浮列车是株洲电力机车有限公司、西南交通大学、中车集团株洲电力机车研究所和中车集团二院等国内顶尖轨道交通研发机构协作攻关的结晶,它的设计最高速度100km/h,最大载客量600人。它的优点多多;由于沒有轮轨的摩擦与撞击,运行极为安静;采用特殊的抱轨设计,极大限度降低了列车脱轨和侧翻风险,具有极高的安全性;造价合理,比铁路和中运量轻轨分别低1/3和1/4;转弯半径小,仅50米;爬坡能力很强,可以绕着建筑物或者山体灵活运行,能够开进居民小区。有中国特色的中低速磁浮列车的辐射量比剃须刀的还小,兼顾了环保经济和安全性,可应用于人口密集区和对环保要求很高的风景名胜区和旅游区。
  ● 半年内建成的天津滨海空港M3示范线
  2017年投入营运的天津滨海空港M3中低速磁浮短示范线是在不到半年的时间内建成的。其磁动力技术是从美国磁悬浮飞机公司和美国磁动力公司引进,并成立了负责经营的麦格普林磁动力工程技术(天津)有限公司,并同时在中国和美国建造了商业试验线。该公司以其具有世界领先水平的稀土永磁直径同步电机、永磁悬浮、永磁导向及其控制技术为中心,重点开发中低速磁浮列车,智能化自动生产传送线和物流管理线、矿产品传输线和无缆绳无电机房的升降机等。
  ● 北京中低速磁浮S1线
  北京S1线也采用中低速磁浮技术,6节车厢编组,是北京首条磁浮线,西起门头沟区石门营站,东至石景山苹果园站,线路全长10.236km,包括上下车时间在内,列车行驶全程不超过20分钟。车厢等是唐山轨道客车有限公司制造的,每节车厢造价800万元,比地铁车厢约贵200万元。
  ● 高速磁浮实验中心等入驻青岛国家高速列车创新中心
  高速磁浮实验中心、高速磁浮试制中心等5个项目于2018年1月入驻青岛市城阳区国家高速列车技术创新中心。这5个项目主要来源于国家发改委城市轨道交通创新能力建设专项和技术部“十三五”重点科技专项,其中轨道车辆系统集成国家工程实验室项目将对中国突破城市轨道交通验证技术瓶颈,形成统一完善的试验标准体系有着重大意义。
  ● 集中攻关600km/h的高速磁浮列车
  速度达600 km/h的高速磁浮系统技术方案于2018年在中车四方股份有限公司通过专家评审,样车于2020年上试验线。该方案由四方股份公司牵头承担。它的通过评审,标志着国家重点研发专项“高速磁浮交通系统关键技术”课题取得实质性重要阶段成果,可以进入下一步施工设计阶段。按计划,四方公司应于2018年完成样机制造,2020年600km/h样车完成5km试验线验证,这些都已顺利完成。我们知道,当下高铁的最高速度350km/h,民机巡航经济速度800km/h~1000km/h,速度600km/h的高速磁浮交通系统正好可以填补速度空白,形成一个完整的交通网络。
  ● 中日联合研制高速气磁浮列车
  这种磁浮列车靠磁力悬浮,靠自然气流驱动飞行,速度500km/h。中国和日本正在联合研制一种名为“鹈鹕”的高速磁浮列车,由机器人操作,是世界上速度最快的无人操作磁浮车。
  为何取名“鹈鹕”高速列车,据中国参与研发的重庆理工大学科学家赖晨光教授称,这种磁浮列车的设计灵感来自飞机与鹈鹕的飞行,故得此名。鹈鹕利用变动翱翔技术,在不同速度的气团之间获得升力,在天空自由飞翔;因而这种磁浮车采用悬浮方式,利用短粗的U形翼和快速流动的空气,紧贴地面飞行。它浮起来是靠磁力克服重力,而飞行前进是靠快速流动的空气,是只用自然能源驱动、零污染的列车。这种鹈鹕列车的第一代、第二代样车已于2017年试制及实车试验在东京大学完成。
  ● 永磁跨座式单轨磁浮车
  中国的这种磁浮车2016年就试制成功了,被誉为“空中列车”,是一种很有特色的轨道交通,它的轨道不是传统的两条平行路线,而是单条钢筋混凝土梁,轮子是橡胶的,骑跨于轨道梁上,是城市骨干线、辅助线、机场连接线、观光线的绝佳运输装备之一。它的爬坡能力强、转弯半径小,用的橡胶轮,能爬陡坡,急转弯,线路适应性强,特别适合山区、河谷等地形地质复杂的城市,也可以穿越于平原城市的繁华市中心、旅游观光线路等。工程造价低,占地面积少。它的结构简单,成本低,建设周期短,造价低于2.5亿元km,约为地铁的1/3;它的轨道梁较窄,占地宽度只不过1m~1.5m,可架设于道路中央的隔离带上。跨座式单轨列车全封闭运行,速度快,与其它交通形式互不干扰,最高速度80km/h,平均运行速度30km/h~45km/h,与地铁的相当;它属于中等运量的轨道交通系统,单向运量1万人次/h~3万人次/h,接近B型地铁列车。乘座舒适,噪声低,橡胶轮产生的震动和噪声都相当低,远低于轮轨系统的,对周围环境几乎无影响,电磁辐射可忽略不计,而且单轨线路多为高架结构,车厢的视野开阔,凭窗远眺,城市市容和沿线风影尽收眼底。
  ● 中国“2.0版”快速磁浮列车2012年10月下线
  这款磁浮列车的速度为160km/h,是株洲电力机车有限公司完全自主研发,比长沙磁浮快线的中国首列中低速列车具有更快、更轻、载客量更多的优点,爬坡能力强、转弯半径小、噪声低等特点,适合城市内、市区和卫星城之间、城市群之间、地形复杂的景区内部运行,是城镇化建设、“一带一路”建设和“走出去”的拳头轨道产品。
  ● 广东清远磁浮旅游专线2021年中期投运
  清远中低速磁浮旅游专线2016年开建,2021年中期投入运营,中铁磁浮交通投资建设有限公司与清远市政府投资100亿元建设,线路长30 km。新型中低速磁浮列车是中车集团长春客车车辆股份有限公司制造,于2020年12月下线。
  ● 交通强国新项目研发与线路建设热火朝天
  除清远磁浮即将投运外,新疆乌鲁木齐磁浮线及成都-德阳磁浮线都在紧锣密鼓建设中,沪杭线也在筹建中,沪-深线、京-广线600km/h的高速磁浮线建设也已开始提上议程,或于“十四五”期间开始筹建开工。如果按600km/h的速度进行简单计算,从深圳到相距约1500 km的上海,所需时间大约为3h;从深圳到北京约2200km,如果乘坐京广澳高速磁浮车,大约不到4h可以到达。此外,重庆﹣成都高速磁浮线的筹建工作正在日夜兼程进行。
  研发速度4000km/h的高速磁浮飞行列车
  中国航天科工集团公司正在研发高速飞行列车,第一阶段达到1000 km/h,最终达到4000km/h。这种飞行列车是利用超导磁浮技术减小摩擦阻力,在低真空大直径管中实现超声速飞行。按三步走战略逐步实现:第一步通过1000km/h,运输能力建设区域性城际飞行列车交通网;第二阶段达到2000km/h,建设国家超级飞行列车交通网;第三阶段达到4000km/h,建设“一带一路”交通网。
  目前,高速飞行列车项目联合了国内外20多家科研机构,组建了国内首个国际性高速飞行列车产业联盟,已拥有相关领域的280多项专利。这种磁浮飞行列车运行时所需的强大电流由超导高纯铝输送,因此除制造车厢需要大量铝材外,超导输电系统还需用相当量的高纯铝导体。高纯铝导体是一类高技术高端产品,制备加工技术高于传统工业纯铝导电体。
  中国高速飞行列车项目研发基地设在武汉,将来很可能以武汉为中心形成四通八达的高速飞行列车网络。中国还将大力推广磁浮线的国际化,像高铁一样成为中国出口又一名牌产品。长沙磁浮线运营后,成为中国铁路建设的又一绚丽名片,新加坡、德国、巴西等国家已先后派团前来考察。中国还准备出口高速磁浮列车,计划2027年开通运行磁浮中央新干线的日本东海滨旅客铁道公司也寻求出口美国磁浮铁路,可以预见,继高铁之后,中日两国也会在国际市场上展开磁浮铁路技术与建设领域的激烈竞争。
  强大的铝材
  为磁浮列车快速发展作后盾
  高铁车辆主要是铝合金打造的,磁浮列车车厢更应该用铝材制造,站台顶棚与车站建筑物也宜用铝材建设。铝材是制造车厢结构性价比最佳的材料,当然将来也可能用一部分铝基复合材料,因为车厢是全铝的,越轻越好,越轻需要克服的重力使它浮起来的力就越小。除车厢铝材外,建设铁路设施还需要相当量的建筑﹣结构铝材,车厢内部装修、空调、座椅与通风系统等也主要是用铝合金打造的,有些车辆是用永磁力浮起来的,如果用超导磁场浮起,则需要高纯铝线系统输送电流。每节车厢需要采购铝材的建筑﹣结构铝材匡算质量为45t/km。
  ● 车厢结构及建筑用的铝材
  常用的车厢铝材有5005-0板材、5005-H14板材、5005-H18板材、5052-0板材、5083-0板材、5083-H112型材、6061-T6型材、6N01-T5型材、6063-T5型材、7N01-T4板材、7N01-T5型材、7003-T5型材。6N01与7N01是日本研发的新型合金,7N01合金成型于1969年,6N01于1980年面世。牌号中的N代表日本(Nippon)。磁浮车厢与高铁、地铁全铝车厢用的铝材及车厢结构也基本相同。
  ● 6N01合金
  6N01合金是一种Al-Mg-Si系合金,其成分(质量%):Si0.40~0.9,Fe0.35,Cu0.35,(Mn+Cr)0.50,Mg0.40~0.8,Cr0.30,Zn0.25,其它杂质单个0.05,合计0.15,其余为Al。6N01合金是一个中等强度的挤压合金,强度性能比6061合金的低;挤压性能优秀,可挤压截面复杂的型材;抗蚀性及表面处理性能良好;用于制造车辆、汽车、陆上构造物、船舶零部件。
  6N01合金是一种热处理可强化的合金;T5材料在线淬火后,在170℃~180℃人工时效8h;T6状态材料固溶处理温度525℃~535℃,人工时效(170~180)℃/8h。它的密度2.70g/cm3,固相线温度652℃,液相线615℃,T5材料20℃时的热导率188W/(m·℃)、电导率46%IACS,室温时的典型力学性能见表1。
  该合金T6材料的拉伸弹性模量68900MPa,剪切模量25800MPa,泊松系数0.33。6N01合金有良好的抗蚀性,实际上没有应力腐蚀开裂与剥落腐蚀;可焊性良好,挤压性能优秀,可挤压薄壁大型材,表面处理性能良好,但切削加工性能较低,因其强度不高。
  ● 7N01合金
  7N01是一种Al-Zn-Mg-Mn系合金,与中国的7B05合金相当,其成分(质量%):Si0.30,Fe0.35,Cu0.20,Mn0.20~0.7,Mg1.0~2.0,Cr0.30,Zn4.0~5.0,Ti0.20,V0.10,Zr0.25,其它杂质单个0.05,合计0.15,其余Al。合金有良好的可焊性,成形性能不好,切削性能不错,表面处理性能良好,强度高,抗蚀性良,其它性能与美国7005合金相当,用于制造车辆、陆上结构物的零部件。7N01是一种热处理可强化的变形铝合金,退火温度约415℃,半成品的固溶处理温度约450℃。T4状态的时效处理工艺,室温1个月以上,T5、T6状态的处理工艺:约120℃×24h。
  7N01合金在25℃时的密度2.78g/cm3,液相线温度620℃~650℃,20℃~100℃的线胀系数23.6×10-6/℃,室温下的力学性能见表2。合金的抗蚀性尚可,但有应力腐蚀开裂倾向,T4材料对甘汞电极的自然电位为-940.0mV,在3.5%NaCl溶液中的孔蚀电位为-919.6mV,T6材料对甘汞电极的自然电位为-951.5mV,在3.5%NaCl溶液中对甘汞电极的孔蚀电位为-814.6mV。其它性能与美国7005合金的相当。
  结束语
  中国己是全球磁浮线路、车厢技术研发、建设、营运等方面的领跑者,所需的各种建设材料中国都自供有余。笔者希望京广澳、沪深等超高速(600km/h)磁浮线路能争取在2035年以前投入运营,并加强中低速与高速磁悬浮技术与线路建设的出口,特别是对“一带一路”沿线地区的出口,大力研发两三个各项性能均优于6N01及7N01的磁浮车厢结构挤压铝合金产品,以及适合600km/h速度的专用铝合金产品。            (王祝堂)

王祝堂


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