节能50-80%的非粘着力交通方法

根据2012年西南交通大学《牵引动力国家重点实验室》开放课题:TPL1201 《地下直线电机牵引地面车辆动力实验》课题报告整理。

 粘着力交通始自蒸气机做为地面交通工具机械动力装置，至今已有200多年历史。其间经历了蒸汽机车、内燃机车、电气机车、动车组、公路汽车等发展过程。上述粘着力驱动的地面交通工具，产生驱动力的物理原理均为利用车轮与地面（轨道）间的摩擦力（粘着力），将旋转机械能转换为水平推力，驱动车辆行走，故称之为粘着力驱动地面交通体系。粘着力驱动交通的最大问题在于驱动力的大小取决于牵引车辆的质量和车轮与地面间的摩擦系数，当牵引车辆质量或摩擦系数为零时，水平推力亦等于零，即无法将机械能转换为水平牵引力。加大牵引车辆的质量或车轮与地面间的摩擦系数，在提高牵引力的同时，势必加大运行阻力，降低能源利用效率。200年来，人类对粘着力交通技术不断改进，其能源利用效率已近现有技术的极限，故人类一直设法用非粘着力驱动交通替代粘着力驱动交通。 非粘着力地面交通的理想动力装置是直线电机，其原理自惠斯登（Wheatstone）1840年提出，已有170年历史。其间人类一直想将其做为地面交通的动力装置，但由于直线电机本身条件限制，其初级与次级间的运行气隙控制困难；其磁路断开降低了其电能转换效率；其垂直力（初级与次级间的法相吸力）加大了运行气隙的控制难度并增加车辆运行附加阻力,因此在100多年的时间里，人类始终未能将直线电机应用于交通领域。自20世纪70年代以来，随着计算机和自动控制技术的提高，人类成功地将直线电机技术用于地面非粘着力交通，其代表为磁悬浮列车和直线电机城市轻轨交通，但两种应用方式依然没有摆脱垂直力对车辆运行的影响。垂直力在钢次级的情况下，大约为水平推力的10倍左右[1]。对于磁悬浮系统，垂直力及其在运行中的变化，对直线电机运行气隙产生强烈的不规则干扰，加大了车辆和直线电机气隙控制难度，导致磁悬浮控制系统过于复杂，降低了磁悬浮系统整体可靠性；对于直线电机城市轻轨系统，垂直力增加了车辆运行阻力，导致直线电机轻轨较旋转电机轻轨多耗能30%左右[2]。由于上述原因，致使磁悬浮系统自研制成功至今，只建成一条实际商业运行线路，而且效益不佳。而直线电机城市轻轨自1987年成功在加拿大温哥华投入运营以来，一直不能取代旋转电机城市轻轨，目前全世界只有少量线路在运营。  

在非粘着力驱动条件下，有以下节能方法和途径：

• 由滚动阻力计算公式可以得知，车轮直径加大一倍，可以减少滚动阻力50%；

• 由空气阻力公式可以得知，迎风面积减少50%，可以减少空气阻力50%；

• 降低车身自重50%，有效载荷率提高100%，一般铁路车辆，减少二个转向架，可降低车重约50%；

• 直线电机运行气隙从目前的10-12mm降至5-6mm，输出推力从40%提高至80%，提高效率100%[1]。

可见非粘着力交通方法将大大拓宽地面交通节能的方法和途径，其节能效果是技术改进所不可比拟的。以先锋号动车组时速100公里时和200公里时，基本阻力3.45N/KN及8.83N/KN为参考[4]，采用加大车轮直径，降低正面迎风面积，降低基本阻力50%至1.73N/KN及4.42N?KN，直线电机效率0.3,单位驱动功率1.57kw/t及8.02kw/t，家用轿车重1.5吨，载客5人计算，时速100km/h百公里耗电2.35kwh，按电动汽车电池容量16kw.h[5]计算，可连续运行681公里，能耗0.47kw.h/100人.km，折合热值1082千卡/100人.km。与目前最省油的油电混合动力车百公里油耗5升，折合热值7800千卡/100人.km相比，节能80%以上。时速200km/h，人均结构重量120kg/人，人重80kg/人，能耗0.80kw.h/100人.km，折合热值1847千卡/100人.km。如果采取进一步技术措施，将直线电机运行气隙降至5-6mm，直线电机输出推力达80%左右，直线电机效率达0.5-0.6，车辆60公里时速基本阻力1.00N/KN左右，直线电机单位驱动功率0.27-0.33kw/t，城市公交和低速货物运输有可能实现太阳能充电为主，电网充电为辅的蓄电池-直线电机交通体系。从节能角度看，人类将毫无疑问地会进入直线电机驱动-无粘着力交通时代。