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作者：王 军 发布时间：2021-01-15
导读： 通过多年对中低速磁浮列车和高速磁浮列车的悬浮、导向和驱动等关键技术的研究，张昆仑带领团队在中低速、高速以及新型磁浮列车系统方面均取得了重大原创性突破并实现了推广应用，完成了我国磁浮列车从无到有、从弱到强的历史性跨越。但他仍没有丝毫放松。因为目前为止，磁浮列车研究在国内外尚属于一个新的领域，还有很多研究等待着人们完成。而且，更快、更便捷的交通工具是人们永恒不变的追求，也是磁浮列车的发展趋势。围绕这一目标，未来他将带领团队继续开拓创新，不断奋斗进取。
若翻开中国磁浮技术及磁悬浮列车发展史，会发现有一个大学的名字始终贯穿其中：
1986年，西南交通大学率先召开了磁浮技术与磁浮列车技术研究大会，成为国内较早启动该领域研究的高校科研单位；
1990年，西南交通大学研究成功了由 4台小电磁铁构成的磁浮模型车；
1994年，西南交通大学研制成功我国第一辆可载人4吨磁浮车及其试验线，并成功进行了悬浮、导向、驱动和载人运行等试验，这是我国在磁浮列车领域的首次突破，标志着我国开始拥有自主知识产权的磁浮列车技术；
2006年，西南交通大学建成全长420米的青城山磁浮列车工程试验线……
30多年来，我国磁浮技术及磁浮列车从无到有、从弱到强发展的每一步，几乎都留下了西南交通大学的身影，而在这背后站着的其实是一支不为人所知的团队。在西南交通大学电气工程学院教授张昆仑的讲述下，我国磁浮技术及磁浮列车30多年漫长的发展历程揭开了真容一角。
走出我国磁浮列车自主研制之路
西南交通大学（以下简称“西南交大”）的磁浮研究起源于1986年的一次会议，发起人正是我国电力牵引与磁浮列车专家西南交大电气工程学院连级三教授。而次年，刚进入连级三门下攻读研究生的张昆仑，正好赶上了国内磁浮研究最早的一班车。
“那个时候都没有听说过磁浮的概念，后来知道其实就是利用磁力不接触就能让物体悬浮在空中，觉得挺有意思的。”从小就对陌生新鲜事物颇有好奇心的张昆仑，与磁浮的结缘可谓是真正的“天时地利人和”。
“我从小就对比较神秘的东西很感兴趣，想一探究竟。”大学电气专业的选择也正源于此，张昆仑介绍，“以前人们见到的火车都是由蒸汽驱动，突然改为看不见摸不着的电力牵引，就觉得很神奇，想知道是怎么实现的，后来进入磁浮研究也因为如此。”就这样，兴趣与偶然的结合，让张昆仑与磁浮研究紧密结合了起来，一做就是30多年。
1986年，西南交大召开了一个磁浮列车技术研讨大会，自此拉开了西南交大磁浮技术研究的序幕。依靠简陋的实验设备，从让一个小铁球浮在空中8至10毫米开始，他们花了两年时间完成了磁浮原理试验研究。一个小铁球仅重几十克，这8至10毫米的悬浮看似不起眼，但电流是波动的、磁力是波动的，要让铁球相对稳定悬浮，就必须有一个控制系统不断地调整。在当时完全从零起步、实验条件比较简单的情况下，研究团队为此付出了许多努力。
而从单个铁球的悬浮到模型车的悬浮又是一道难关，模型车上有多个电磁铁控制点，不确定因素很多，一旦控制不好就要震动失稳，想要实现平稳驱动难度很大。到了1990年，他们才研究成功由4台小电磁铁构成的磁浮模型车，并实现了模型车的稳定悬浮和基于直线电机的驱动。
在此基础上，4年后，张昆仑所在的连级三教授磁浮研究团队终于成功研制出了我国第一辆可载人4吨磁浮车及其试验线，包括悬浮、导向和驱动三大子系统，并实现了系统的稳定悬浮与运行，这是中国在磁浮列车领域的首次突破。
“虽然这辆车看起来比较小，但是‘麻雀虽小，五脏俱全’，磁浮列车需要的所有系统全部包含其中，这是我国第一个真正意义上的磁浮列车。”有幸全程见证并作为主研参与我国第一辆可载人磁浮列车诞生的张昆仑介绍，这辆车最大的突破就是完成了磁浮列车系统的研究，尤其是悬浮控制和导向控制的突破，标志着我国开始拥有自主知识产权的磁浮列车技术。
1996年，西南交大4吨磁浮车及其试验线项目通过科技成果鉴定，同年该项目获原铁道部科技进步奖二等奖；1997年获国家科技进步奖三等奖。“这个项目为我国磁浮列车发展奠定了理论和技术基础，有了这个基础之后才有了我们后续系列研究。”张昆仑说道。
此后，西南交大磁浮列车的工程化研究迅速迈上了正轨：1997年3月，青城山磁浮列车工程试验线的可行性研究通过国家科委工业科技司组织的专家评审；1998年，青城山磁浮列车工程试验示范线工程立项，并开始筹备建设青城山磁浮列车工程试验线；2001年，开始动工修建长420m的青城山磁浮列车工程试验线。
2006年4月30日，我国磁浮交通科研又一次在西南交大取得进展：采用三悬浮架结构，长11.2m，宽2.6m，高3.3m的磁浮车在轨距1700mm的“青城山中低速磁浮车工程试验线”联调成功，一辆具有自主知识产权的中低速磁浮列车实地正式试验运行。
“没有青城山试验线，就没有后来的上海磁浮中心临港城轨磁浮线和中车株机公司厂内磁浮试验线，这些研究都是环环相扣的。”张昆仑介绍，通过青城山磁浮列车中试线，初步掌握了磁浮列车系统设计技术，验证和初步掌握了中低速磁浮交通系统关键技术，为以后的中低速磁浮车工程化和应用打下必要的技术基础。
“‘青城山中低速磁浮车工程试验线’看似规模不大，但对我们团队后期研究起到了关键作用，也为我国中低速磁浮列车全面产业化奠定了重要基础。”张昆仑说道。
在青城山试验线基础上，2005年，西南交大与上海磁浮交通工程技术中心签订了“上海城轨磁浮列车车辆总体设计”合同，并于次年3月签订了“上海低速（城轨）磁浮交通试验线工程悬浮控制设备供货及服务”合同，全面参加上海城轨磁浮试验线磁浮列车的研制。
作为上海城轨磁浮试验线车辆技术方案总体负责人，在这个项目中，张昆仑带领团队为全新的系统结构设计创下多个“首次”：国内首次采用整体电磁铁结构，首次采用五悬浮架结构，首次采用DC330V悬浮电源，首次采用三选二悬浮传感器……列车最高运行时速100km，2011年年初通过验收。
作为当今世界最先进的新型轨道交通技术之一，自20世纪初被科学家首次提出猜想以来，磁浮列车一直是世界交通强国竞争的制高点之一。尤其以德国和日本为代表的发达国家，磁浮列车研究从20世纪60年代末开始就一直领跑全球。
“直到今天，磁浮技术都属于各国的核心技术被禁止出口，尤其是最关键的悬浮控制技术。几十年来，我们的磁浮列车与磁浮技术研究是在没有国外企业技术参与，完全是靠国人自己力量的情况下，一点点从实验室走到应用的。”张昆仑介绍。其间，在原铁道部、教育部、科技部等部门的关注和支持下，以及国家原“863”磁浮交通系统重大专项支撑下，西南交大磁浮研究先后完成了中低速磁浮列车的车辆结构设计、轨道及线路设计、悬浮控制器研制、悬浮传感器研制、电磁铁设计、直线电机设计等一系列全面可行的磁浮列车相关技术。从零起步到全面掌握磁浮交通系统工程化技术并形成推广应用能力，30多年来，西南交大走出了一条我国磁浮列车自主研制之路。
工科研究离不开产学研合作
“工科研究的唯一目的就是应用，虽然理论研究也很重要，但我们不能只停留在理论或者仿真研究层面，一定要以应用为目的。”正如张昆仑所言，西南交大磁浮研究就是如此，从实验室到小试、中试再到产业应用，西南交大磁浮研究团队不断加快发展的步伐。
在与上海磁浮交通工程技术中心合作后，2008年和2009年，西南交大又与中国南车股份有限公司签订“中低速磁浮交通系统方案设计研究”合同，与南车株洲电力机车有限公司签订“中低速磁浮列车方案设计研究”合同。攻关中，团队在系统设计中首次提出了适用于中国国情的1860mm轨距和2800mm车宽。这标志着西南交大在联合企业推进中低速磁浮列车产业化的工作中又迈进一步。
为进一步推动中低速磁浮列车工程化，西南交大与南车株洲电力机车有限公司于2011年又签订了“常导短定子异步驱动中低速磁浮列车系统设计与试验研究”合同；于2011年签订了“常导短定子异步驱动中低速磁浮列车悬浮控制系统研制”合同，全面参加了株洲中低速磁浮列车的研制。
2012年1月20日，中低速磁浮列车在南车株洲电力机车有限公司内下线，这是一条按商业运行条件设计的磁浮列车及试验线，磁浮列车运行速度100km/h，能适应试验线各种曲线及坡道的要求。整个研发过程中，西南交大提供了磁浮列车系统的总体技术设计，包括悬浮系统、牵引系统、车辆结构和悬浮架结构等设计和悬浮控制系统研制。
“如今，列车已经成功应用在长沙磁浮快线上，几年来运行效果良好。”张昆仑介绍。西南交大提供了长沙磁浮快线磁浮列车悬浮系统核心技术，包括悬浮控制系统技术设计和控制软件编写与调试。“长沙磁浮快线的运行意味着西南交大磁浮列车技术已经成熟，并已率先走向工程化。”
2015年12月26日，采用了西南交大与南车株洲电力机车有限公司自主研发生产的中低速磁浮列车在长沙磁浮快线正式开通试运行，这是中国首条完全拥有自主知识产权的中低速磁浮商业运营线路，标志着中国磁浮列车技术实现了从研发到应用的全覆盖，成为世界上少数几个掌握该项技术的国家之一，有利于推动中国磁浮技术走在前列、促进中低速磁浮产业发展。
从1986年至今，中国首条完全自主磁浮线一路走来已经过了近30年，这些年通过连续攻关让长沙磁浮快线跑起来的关键技术，正是来自西南交大的研究团队。再次回望这30年发展历程，与中国磁浮技术及磁浮列车共同成长起来的张昆仑不禁感慨万千。
“从20世纪80年代至今，研究时间真的很长，为什么我们能走到现在？实际上除了主观因素，即兴趣的驱使以及执着的科研精神之外，还有很重要的客观原因。”张昆仑说道，“工科研究一定要推广到工程应用，而这个过程涉及的一个根本问题就是经费。”
在所有的工程项目中，列车技术及应用研究所耗费的人力、财力首当其冲，更别提最先进的磁浮列车，动辄数以亿计的经费让人望而却步。对于一个学校而言，又能拿出多少钱用来进行研究呢？“实际上非常少，别说过去，就算是现在让一个学校拿出几亿元做研究也是不可能的。经费是我们30年研究过程中遇到的最大也是最根本的问题。”张昆仑说。
国家及学校提供的项目经费实在是杯水车薪，要想将实验室成果推广到应用中，建立试验线，只能依靠企业的资助。为了争取工厂企业的支持，利用西南交大磁浮研究团队在行业中的影响力以及执着的精神，成功获得多方企业资助。“这些年我们取得的每一次重大突破都离不开企业的支持，青城山试验线耗资数千万元，同样也是依靠于企业资助完成的。”张昆仑说道，“上海国家磁浮中心对于我们而言也相当于一个企业，由他们提供经费，我们来研究完成。”
上海国家磁浮中心、中国南车株机公司、北京九州动脉公司、中车青岛四方股份公司……与这些企业的合作，不仅解决了研究经费的问题，同时能让科研人员在应用过程中不断完善现有的技术并开创新的技术，推动中国磁浮列车与磁浮技术的整体发展。
近年来，张昆仑及其团队与中车青岛四方股份公司合作，开展了一个新项目研究——“超高速磁浮列车悬浮导向与驱动系统全速特性研究”，针对600km/h以上超高速磁浮列车的应用需求，重点解决常导超高速磁浮列车的悬浮系统、导向系统和驱动系统的全速耦合问题，研究全速运行条件下超高速磁浮列车悬浮、导向与驱动系统的磁力特性及稳定性。
“速度是交通技术研究永恒的话题，磁浮列车从中低速到高速再到超高速的发展也是一个必然的趋势。”张昆仑说道。
在磁浮赛道上继续出发
从古到今，无论时代如何发展，更加高效、便利的交通工具都是人们永恒不变的追求。一千多年前，大诗人李白就曾发出“行路难”的呼唤。而在飞机、高铁还有城市轨道列车日渐发达的今天，“出行难”仍然是人们生活中最为关注且为之焦虑的话题。更快、更便捷的交通工具依然是众望所归。
作为当前最先进的交通技术之一，磁交通的发展牵动着国内外所有人的目光。磁浮列车最大的优势就是克服了轮轨关系，实现了车轨无接触。低速磁浮列车没有轮轨接触噪声，是一种安静的轨道交通，具有低噪声不可替代性，在城市地面或高架轨道交通中具有明显的应用优势；中高速列车一般在城际间应用，对噪声没有高的要求，相比磁浮列车的技术复杂性，轮轨高速列车更具有竞争优势；而对于超高速列车，如运行速度600km/h以上的列车，轮轨高速比较难于实现，磁浮列车就有了不可替代的高速优势了。
“超高速磁浮列车悬浮导向与驱动系统全速特性研究”正是针对600km/h以上超高速常导磁浮列车的应用需求而开展的研究项目。“当磁浮列车速度过高时可能会出现一些独有的特性，比如导向力和悬浮力特性，我们要做的就是研究高速状态下可能出现的这些特性以及解决办法。”张昆仑说道。项目针对600km/h以上的超高速常导电磁吸力式高速磁浮列车悬浮力、导向力、同步电机驱动力以及系统耦合性特性开展研究，研究成果将推动我国常导超高速磁浮列车的发展并在国际磁浮领域保持领先。
不管是电磁吸力式还是电动斥力式超高速磁浮列车，其悬浮、导向与驱动系统的耦合关系和全速特性，都涉及深刻的电磁学、动力学和控制等问题，试验研究虽然是一种准确的直接方法，但费用与时间的限制不能取得高效率。近年来，西南交大磁浮研究团队通过理论分析、数学建模、数值计算和动态仿真，利用电磁场分析软件、系统动态控制仿真软件和动力学仿真软件对超高速磁浮列车驱动系统全速范围内的推力特性、悬浮系统全速范围内的悬浮力特性和导向系统全速范围内的导向力特性进行分析计算，对悬浮与导向系统的结构耦合、驱动与悬浮系统的电磁耦合、悬浮与导向系统的磁力耦合和悬浮系统的多点悬浮耦合进行动态仿真研究，取得了事半功倍的效果。目前正在对永磁电动悬浮式超高速磁浮列车系统技术展开全面研究。
磁浮技术及磁浮列车研究是一个典型的多学科交叉工程，为了我国拥有完全自主研发知识产权的磁浮列车技术，西南交大在30多年的艰难创新过程中，逐渐形成了一支多学科交叉、年龄结构合理的“电磁悬浮与线性驱动”创新研究团队。通过多年对中低速磁浮列车和高速磁浮列车的悬浮、导向和驱动等关键技术的研究，团队在中低速、高速以及新型磁浮列车系统方面均取得了重大原创性突破并实现了推广应用，完成了我国磁浮列车从无到有、从弱到强的历史性跨越。
作为团队如今的负责人，张昆仑见证了中国磁浮列车技术从无到有的每一步发展历程。尽管从1986年至今，团队已取得了令人瞩目的成就，但他们仍没有丝毫放松。“目前为止，磁浮列车研究在国内外尚属于一个新的领域，还有很多研究等待着人们完成。而且，更快、更便捷的交通工具是人们永恒不变的追求，也是磁浮列车的发展趋势。围绕这一目标，未来我们将继续开拓创新，不断奋斗进取。”张昆仑说道。
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