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伐谋·主题【带你飞国产磁悬浮列车迎爆发】国泰君安中小盘团队
发表时间: 2024-10-31 07:21:41 来源:自动送料振动盘
中低速磁悬浮列车规划已在全国遍地开花,高速磁悬浮是更快速度的重要方向。1)2016年5月全国第一条具有自主知识产权的长沙中低速磁悬浮列车正式试运行,北京S1线年年底开通试运营,目前已有10多个城市正进行前期规划设计,可以说磁悬浮轨道交通规划已在全国遍地开花。 2)时速600公里的高速磁悬浮列车已进入十三五重点研发计划《现代轨道交通专项》、中国中车也已宣布启动高速磁浮铁路项目研发,高速磁悬浮是比高铁速度更快交通工具的重要方向。
中低速磁悬浮列车比较优势显著,“超级高铁”有望改变现有长距离交通运输体系。1)中低速磁悬浮具有性能好价格低、低噪音、安全、转弯半径小、爬坡能力强等优势,可以替代轻轨和地铁。我们大家都认为未来城市交通将是多种交通工具相互补充的体系,中低速磁悬浮适宜的路线有:中小城市、中小客流的公共交通线;大中城市对噪音、选线有特别的条件的公共交通线;风景区的旅游交通线)“超级高铁”利用磁悬浮技术将输运舱悬浮,降低运输舱运行过程中摩擦力,因而在近似真空环境中能极大提高列车速度(设想速度1200公里/小时),这是磁悬浮轨道交通发展的新方向,这一技术也将有望改变现有长距离交通运输体系。
国内中低速磁悬浮列车已实现自主知识产权,悬浮系统、牵引系统等是磁悬浮列车的最核心系统。1)磁悬浮列车根据悬浮原理及速度可分为常导高速、超导高速、常导中低速等类型,前两者分别以德国和日本为技术代表国家,我国目前以常导技术为基础,其中中低速常导磁悬浮列车已实现自主知识产权。2)磁悬浮轨道交通系统最重要的包含车辆、轨道、供电、运行控制等,悬浮系统、牵引系统等负责列车的悬浮、驱动和导向等功能,是其中最核心的系统。
投资建议:随着研发和产业化进程加快,具有比较优势的国产磁悬浮轨道交通将成为城市轨道交通的重要补充和选择项,选择其中投资机会,我们大家都认为有两条路径:1)国产中低速磁悬浮列车制造商/零部件提供商,受益标的包括中科电气、精功科技、中国中车、中国铁建、金杯电工等;2)布局未来高速磁悬浮列车的企业,受益标的包括亚厦股份、永鼎股份等。
2003年我国引进德国技术建造世界第一条商业运营的高架磁悬浮专线——上海高速磁悬浮示范线,自此以后磁悬浮列车在我国已沉寂10多年。2016年5月6日,长沙中低速磁悬浮列车正式通车试运行,国产中低速磁悬浮列车首次出现在全国人民面前,长沙也成为继上海之后第二个开通磁悬浮的城市,这项工程的意义在于,它是国内第一条自主设计、自主制造、自主施工、自主管理的中低速磁悬浮。
长沙磁悬浮列车仅只是开始:北京S1线年实现载客试运行;武汉市19号线号线已列入轨道交通第四轮建设规划中,且将采用中低速磁悬浮技术建设;2016年4月,为助力2022年冬奥会,张家口市政府与精功集团签订战略合作框架协议,将在冬奥和城市磁悬浮轨道交通网等多方面展开合作;2016年11月,新疆首条磁悬浮铁路控测工作圆满完成,真正开始启动建设工作,建设工期预计为三年左右;2016年12月,广东清远与中国铁建签署旅游快线轨道交通项目合作框架协议,将正式建设广东省首条中低速磁悬浮轨道项目;2017年4月,张家界政府领导与中国铁建、中铁磁浮展开合作洽谈,目前已确定基本走势。2016年12月,中铁磁浮公司总经理谢海林表示,目前正为10多个城市做磁浮线的前期规划设计,可以说目前具备自主知识产权的中低速磁浮已成为各地轨道交通规划中的重要选择项。
另外,除了中低速磁悬浮技术外,国家对于高速磁悬浮交通技术也有研发布局:在国家“十三五”重点研发计划《现代轨道交通专项》中,明确提到时速600公里高速磁悬浮交通以及时速200公里中速磁浮交通研发项目;中国中车也已宣布启动时速600公里高速磁浮铁路项目研发,并且计划于2020年交付首台样车,并在山东建成一条高速磁浮试验铁路。目前我国高铁营运速度大约在300公里/小时左右,高速磁悬浮列车未来有望成为更高速度的轨道交通工具。
全球范围内磁悬浮列车拥有多种技术路线,根据悬浮原理、驱动方式等可以划分多种类型,较为常见的分类的方式是根据悬浮原理及速度分为常导高速磁悬浮、超导高速磁悬浮、常导中低速磁悬浮等类型。
常导高速磁悬浮指的是利用常规电磁铁与导磁材料之间的吸引力使列车悬浮并运行,以德国的电磁吸力悬浮(EMS)系统为代表,已建成线路有上海高速磁悬浮示范线等;超导高速磁悬浮则是利用了超导体在超导状态下的完全抗磁性产生的排斥力而获得悬浮力量,以日本的电动斥力悬浮(EDS)系统为代表,线路有日本山梨试验线等;常导中低速磁悬浮的原理与常导高速磁悬浮相近,但速度较后者要慢,日本、韩国、中国等都有建成线路,如日本名古屋Linimo线、韩国仁川机场线线、长沙机场线等。
德国磁悬浮轨道列车采用常导技术,为电磁悬浮系统(EMS),速度能达到500公里/小时之后。与通常理解不同的是,EMS系统利用的是电磁铁的吸引力产生悬浮力,而非斥力,通过电磁浮悬浮装置机车获得悬浮力和导向力,悬浮距离大约为10mm。EMS系统的特点之一是,通过高精度电子调整系统的作用,机车可以在停车状态下仍就保持悬浮。
德国在研究磁悬浮轨道交通初期是常导技术与超导技术并重,后转向常导磁悬浮技术,技术较为成熟,为加快实际应用进程,德国曾多次规划高速磁悬浮铁路线路,如德国北威州曾试图在鲁尔区建设一条从杜塞尔多夫机场到多特蒙德市的商业运营线、德国计划在柏林和汉堡之间建一条全长292公里的磁浮线、计划在巴伐利亚州修建连接慕尼黑火车站和慕尼黑机场的磁悬浮线路项目等等,但最终均由于成本问题而没有下文。
日本磁悬浮轨道交通选择的是超导技术,为电力悬浮系统(EDS),利用超导材料的完全抗磁性原理产生排斥力,从而使得机车获得悬浮力,另外通过导轨中的“悬浮导向线圈”和“推进线圈”实现悬浮、导向和推进三种动作,速度达到500公里/小时之后,还可以超高600公里/小时,是目前世界上速度最块的轨道交通技术。
初期时,日本磁悬浮轨道交通研究大多分布在在常导技术上,到了70年代开始转向超导磁悬浮技术,之后高速磁悬浮列车方面便沿着这一技术路线进行了多年的探索和试验,并取得了非常大的成就。2014年日本磁悬浮中央新干线批准动工建设,这也代表着日本超导高速磁悬浮技术已开始大规模商用,除了本国外,日本还积极推动这一技术的出口,向美国等推销其超导高速磁悬浮技术。
纵观德国和日本磁悬浮轨道交通发展历史,可以总结几点规律:1)初期两国超导技术和常导技术均有所研究,后期分别选不一样技术进行深入研发并产业化,均取得了令人瞩目的成就;2)从中低速到高速,两国磁悬浮列车速度均经历了由慢到快的发展历史,磁悬浮列车的应用也由短距离开始向长距离迈进,目前我国磁悬浮轨道交通发展也正经历着类似的过程;3)在磁悬浮轨道交通研发到产业化的过程中,政府支持特别的重要,德国政府和日本政府均给予了政策和资金等多方面的支持,如德国在1994、1995年分别通过了“磁浮系统规划法”和“磁浮需求法规”;4)在高速磁悬浮轨道交通技术成熟后,都开始推向国际市场,如我国引进德国技术建造上海高速磁悬浮示范线、日本政府也在向美国积极推荐其超导高速磁悬浮技术。
除了德国和日本这两个比较有代表性的国家外,美国、英国、加拿大、韩国等都进行了磁悬浮运输系统的开发,如英国曾在伯明翰机场和英特纳雄纳尔火车站之间建立一条600米长的磁悬浮线路(已停止运营);韩国仁川磁悬浮列车于2014年7月正式载客运行,该线路从仁川国际机场至仁川龙游站,全长6.1公里,最高时速可达110公里,完全为无人驾驶。
我们认为我国磁悬浮轨道交通发展大致经历了三个阶段,经历了初期高校研究为主到引进德国常导高速磁悬浮,再到自主知识产权的中低速磁悬浮列车运行等历程,分别以2002年上海高速磁悬浮示范线年长沙中低速磁悬浮列车试运行为分界点。
1)2002年以前,磁悬浮轨道交通研发时间较晚,以高校科研研究为主。我国从20世纪80年代后开始加快磁浮及磁悬浮轨道交通方面的研究,初期以高校科研研究为主,其中比较有代表性的是国防科技大学和西南交通大学:1989年3月,国防科技大学研制出中国第一台磁悬浮试验样车;1995年,中国第一条磁悬浮列车试验线在西南交通大学建成。
2)2002年-2016年,引进德国技术建造首条线,自身内功修炼仍不断。2001年3月,上海高速磁悬浮交通示范运营线年开通试运行,由此磁悬浮轨道交通得以在我国落地。至今,上海磁悬浮示范线已运行十多年,但是由于技术源自德国,经营成本较高、上座率低,近年长期处在亏损状态,因而并没有更多推广。另外,除了上海磁悬浮交通示范线外,京沪高铁也曾考虑过使用高速磁悬浮列车,但因造价过高而未采用;沪杭磁悬浮项目建议书已经获得国务院批准,但因路线、民众反对等原因而几无进展。
在这十多年间,国内磁悬浮交通研究仍在继续,科研高校与企业合作,产业化不断推进。其中西南交通大学与南车株洲电力机车公司之间的合作,取得了一系列成就,如首次采用五悬浮架结构、首次采用三选二悬浮传感器、首次提出采用1860mm轨距和2800mm车宽等等。
3)2016年之后,自主知识产权的中低速磁悬浮终上路,正式开启磁悬浮轨交新时代。2016年5月,长沙中低速磁悬浮列车正式通车试运行,由于具有造价低、爬坡能力强、转弯半径小、安全性高等优点,磁悬浮轨道交通已成为各地规划的重要选项。
目前我国中低速磁悬浮轨道交通技术已成熟,具有运行噪音低、振动小、舒适高、转弯半径小,爬坡能力强等特点,很适合复杂地形、环境要求高、中小客流需求,可以替代轻轨和地铁,已成为轨道交通规划的重要选项。
除了中低速磁悬浮技术外,国家“十三五”重点研发计划《现代轨道交通专项》中,已明确提到时速600公里高速磁悬浮交通、时速200公里中速磁浮交通研发项目,而“十三五”国家重点研发计划《现代轨道交通重点专项》专家组组长、北京交通大学教授贾利民表示,预计在2021年前完成5公里时速600公里高速磁悬浮项目试验线。中国中车也已宣布启动时速600公里高速磁浮铁路项目研发,并且计划于2020年交付首台样车,并在山东建成一条高速磁浮试验铁路。
磁悬浮列车是广义轨道交通的一种,与动车、地铁等传统轨道列车相比,具有经济性、低噪音、安全等特点,而中低速磁悬浮还具有转弯半径小、爬坡能力强等优势,下文将以有代表性的长沙磁悬浮快线为例进行比较说明。
-平均造价低:全长18.55公里的长沙中低速磁悬浮快线亿元人民币,即平均每公里造价为2.31亿元,相比之下,一般地铁每公里造价需要5-8亿元,轻轨也需要2.3-2.8亿元/公。除此之外,后文要说到中低速磁悬浮还具有爬坡能力强、转弯半径小等优势,因而在线路选址方面具有巨大的优势,能节约拆迁成本、缩短建设周期。
-能耗:从运作情况来看,长沙磁悬浮快线度,另外国防科大与中科电气合作研发的电永磁混合悬浮磁铁,能节省能耗一半以上,相对于地铁、轻轨均有优势。
由于磁悬浮列车是“浮”在路轨上的,并不与路轨接触,二者并不发生物理摩擦,载荷分布也更加均匀,因而磁悬浮列车车辆和路轨的寿命的都要长于普通轮轨列车:磁悬浮列车车辆寿命为35年、路轨寿命为80年,普通轮轨列车分别为20-25年、60年,这也是磁悬浮轨道交通经济性的一个重要方面。
一方面中低速磁悬浮列车坡度为70‰,要明显高于传统轮轨车辆的30‰,另一方面中低速磁悬浮列车的转弯半径更小,如长沙磁悬浮快线米。这两方面的优势令中低速磁悬浮列车轨道建设过程中减少拆迁量、缩短建设周期,来提升选线的灵活性、降低建设成本。
长沙磁悬浮快线的观测多个方面数据显示,无论是车内还是车外,在同样速度运作情况下,磁悬浮列车产生的噪音值均要低于普通地铁列车。
长沙磁悬浮快线采用车轨一体化结构,车辆环抱车轨,运行更安全可靠,而且由于列车悬浮运行,受恶劣天气影响更小;另外,也不具有轮轨车辆的蛇形失控、蠕滑状态失控等构成脱轨等风险。
对于磁悬浮列车,国内民众最为担心的就是其辐射问题,这也导致对于磁悬浮列车的争议不断。但是长沙中低速磁悬浮快线的观测数据表明,车体内外的磁场都要明显低于国际和国内有关标准限值,直流磁场强度小于正常看电视时对人体的影响,而交流磁场强度小于使用电剃须刀时对人体的影响,并不可能影响人的健康。
鉴于国内城市地形各异、需求不同,以及涉及拆迁等真实的情况,我们大家都认为未来我国城市交通体系应是多种交通工具相互补充格局,其中中低速磁悬浮列车一般适用的场景有:1)中小城市、中小客流的公共交通线)大中城市对噪音、选线有特别的条件的公共交通线)风景区的旅游交通线 “超级高铁”有望改变未来长距离交通运输体系
20世纪30年代,德国工程师赫尔曼·肯珀首次提出线年特斯拉CEO埃隆·马斯克提出“超级高铁”概念。“超级高铁”是高速磁悬浮的一种,其特点有三:一是利用磁悬浮技术将输运舱悬浮,降低运输舱运行过程中摩擦力;二是在封闭管道中营造近乎真空的空气环境,以降低列车高速运行时的空气阻力;三是总系统采用自供电设计,利用管道顶端的太阳能面板发电并推动列车前进,并通过压缩空气的方式储存多余的能力。
物理学中,空气阻力与物体运动速度的平方呈近似正比关系,也就是说若需要列车速度提高两倍,那么在其他条件不变的情况下,空气阻力将大约是原来的四倍,因而当列车速度达到一定值后,空气阻力将成为主要阻力来源。多个方面数据显示,当列车速度达到200公里/小时时,空气阻力约占总阻力的70%;当速度在500公里/小时之后时,空气阻力占比将超过95%。超级高铁利用磁悬浮和真空管道,能够大幅度的降低地面摩擦力和空气阻力,列车前进速度也将获得大幅度的提高,这与现有的轨道交通运输方式相比,将是一次速度的飞跃。近日美国Hyperloop One公司公布了位于内达华一处沙漠中的超级高铁管道建设情况,测试轨道长500米,预计今年开始测试,并计划在2020年建成第一条货运的超级高铁项目,2021年建成第一个乘客运输的线路。Hyperloop One公司已与迪拜迪拜“未来城市”项目达成协议,研究在迪拜和阿布扎比之间建立世界首条“超级高铁”的可能性,其速度达到度达到1200公里/小时,160公里的距离仅需12分钟。
目前我国超级高铁的研究也在进行中,西南交通大学搭建了真空管超高速磁悬浮列车原型测试平台,但“中国超级高铁”距离实际应用尚有较长的路要走。未来随着速度的提高,不排除“超级高铁”出现后,能够在更大距离上取代飞机的可能性。如果按照超级高铁1200公里/小时速度计算,北京、深圳到上海的时间都将缩短至一个小时左右,这将是一次质的飞跃。