全球首条稀土磁浮列车如何“悬挂飞驰” 磁悬浮列车
文 ｜ 贾利民(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)
文章插图
“红轨”磁浮试验线全景图 江西理工大学供图
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 。
【全球首条稀土磁浮列车如何“悬挂飞驰” 磁悬浮列车】（《中国科学报》采访人员温才妃采访整理）
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