《高速鐵路概論（第2版）》（紀(jì)書景）505-1 教案 第16課 認(rèn)識磁浮鐵路

16第課16第課認(rèn)識磁浮鐵路認(rèn)識磁浮鐵路第課16PAGE認(rèn)識磁浮鐵路第課16PAGE7PAGE8PAGE8PAGE7PAGE7

課題認(rèn)識磁浮鐵路課時2課時（90min）教學(xué)目標(biāo)知識技能目標(biāo)：（1）了解磁浮鐵路的基本原理（2）了解磁浮鐵路的發(fā)展歷程（3）能認(rèn)識磁浮鐵路的基本設(shè)備思政育人目標(biāo)：樹立自主學(xué)習(xí)、不斷探索的求知精神具備民族自豪感和歷史使命感教學(xué)重難點(diǎn)教學(xué)重點(diǎn)：磁浮鐵路的基本設(shè)備教學(xué)難點(diǎn)：磁浮鐵路的基本設(shè)備教學(xué)方法講授法、問答法、案例分析法、分組討論法教學(xué)用具電腦、投影儀、多媒體課件、教材教學(xué)設(shè)計→→互動→傳授新知（50min）→拓展訓(xùn)練（25min）→課堂小結(jié)（3min）→作業(yè)布置（2min）教學(xué)過程主要教學(xué)內(nèi)容及步驟設(shè)計意圖課前任務(wù)【教師】布置課前任務(wù)，和學(xué)生負(fù)責(zé)人取得聯(lián)系，讓其提醒同學(xué)完成課前任務(wù)請大家以3～5人為一組，選出組長并進(jìn)行任務(wù)分工，制訂合理的工作計劃。將小組成員信息及分工情況填入教材表7-1中（詳見教材）。通過查閱資料，制作關(guān)于“國內(nèi)外磁浮鐵路發(fā)展”的PPT文件，并完成教材任務(wù)工單7.1中的相關(guān)的引導(dǎo)問題（詳見教材）?！緦W(xué)生】完成課前任務(wù)通過課前任務(wù)，讓學(xué)生對磁浮鐵路有初步了解，以便做好教學(xué)準(zhǔn)備考勤（2min）【教師】使用文旌課堂APP進(jìn)行簽到【學(xué)生】按照老師要求簽到培養(yǎng)學(xué)生的組織紀(jì)律性，掌握學(xué)生的出勤情況互動導(dǎo)入（8min）【教師】通過向?qū)W生展示案例——中國首個磁浮鐵路的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)正式實施（詳見教材），讓學(xué)生思考：什么是磁浮鐵路？中國的磁浮鐵路取得了怎樣的進(jìn)展？【學(xué)生】每3～5人一組，并以小組為單位，各小組成員在組內(nèi)輪流發(fā)言，闡述自己對案例的理解并討論【教師】參與到每組的討論中，及時為學(xué)生答疑解惑【學(xué)生】分小組闡述觀點(diǎn)【教師】總結(jié)學(xué)生的回答，導(dǎo)入本節(jié)課課題并板書：任務(wù)7.1認(rèn)識磁浮鐵路通過閱讀案例，讓學(xué)生以小組為單位思考并討論磁浮鐵路的相關(guān)內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣傳授新知（50min）【教師】講授新知：認(rèn)識磁浮鐵路、磁浮鐵路的基本設(shè)備、磁浮鐵路的發(fā)展磁浮鐵路是近幾十年發(fā)展起來的一種新型軌道交通運(yùn)輸工具，與傳統(tǒng)的輪軌鐵路相比，它具有能耗低、速度高、安全性高、噪聲小、維修少等優(yōu)點(diǎn)，因而得到了廣泛關(guān)注。7.1.1磁浮鐵路的基本原理【課堂互動】?【教師】讓學(xué)生通過文旌課堂APP觀看微課——磁浮列車簡介（詳見教材），思考：磁浮列車基本的工作原理是什么？?【學(xué)生】觀看、聆聽、思考、發(fā)言?【教師】做出總結(jié)磁浮鐵路的核心是磁浮系統(tǒng)。磁浮系統(tǒng)是利用異性相吸、同性相斥的電磁感應(yīng)原理，以直線電機(jī)驅(qū)動列車的。列車運(yùn)行時，車體懸浮或吸浮于導(dǎo)軌上方，并與導(dǎo)軌保持一定間隙。因磁浮列車運(yùn)行時不與導(dǎo)軌接觸，沒有輪軌摩擦，因此不受黏著條件限制。【知識拓展】磁懸浮列車的優(yōu)點(diǎn)磁懸浮列車運(yùn)行時與軌道保持一定的間隙（一般為1~10厘米），因此無摩擦、運(yùn)行安全、平穩(wěn)舒適、無雜訊，可以實現(xiàn)全自動化運(yùn)行。磁懸浮列車車輛使用壽命可達(dá)35年，而普通有軌列車只有20至25年。磁懸浮列車的路軌壽命是80年，普通路軌道60年。磁懸浮列車啟動后39秒即達(dá)到最大速度，目前的最高時速是552公里。據(jù)德國科學(xué)家預(yù)測，到2014年，磁懸浮列車采用新技術(shù)后，時速將達(dá)1000公里。而一般鐵軌列車的最高時速為300公里。上?，F(xiàn)已建成的磁懸浮列車線，其最高時速為500公里。磁懸浮高速列車噪音低，節(jié)能，占地面積少，這是其他陸路交通系統(tǒng)無法與之相比的。這種創(chuàng)新的無接觸軌道技術(shù)帶來了極大的機(jī)動性，但卻不會對環(huán)境造成負(fù)擔(dān)。與新一代的汽車發(fā)動機(jī)相似，在同等功率下，磁懸浮高速列車比高速鐵路所消耗的能源要少的多?；蛘叻催^來說：在耗能相同的情況下，磁懸浮高速列車的效率要高得多。根據(jù)電磁吸引力和電磁排斥力的基本原理，目前國際上磁浮列車有兩個發(fā)展方向：一個是以德國為代表的常導(dǎo)吸引型磁浮系統(tǒng)（EMS型，也稱電磁懸浮型），詳見教材圖7-2（a）；另一個是以日本為代表的超導(dǎo)排斥型磁浮系統(tǒng)（EDS型，也稱電動懸浮型），詳見教材圖7-2（b）。磁浮鐵路的分類詳見教材表7-4?！局R拓展】常導(dǎo)吸引型磁懸浮系統(tǒng)（EMS）是一種吸力懸浮系統(tǒng)，是利用機(jī)車上的電磁鐵和導(dǎo)軌上的鐵磁軌道相互吸引產(chǎn)生懸浮力，使列車浮起并平穩(wěn)運(yùn)行的系統(tǒng)。常導(dǎo)吸引型磁懸浮列車工作時，首先調(diào)整車輛下部的懸浮和導(dǎo)向電磁鐵的電磁吸力，使其與地面軌道兩側(cè)的繞組發(fā)生作用將列車浮起，再通過一套高精度電子調(diào)整系統(tǒng)保持車輛與行車軌道之間的懸浮間隙為10mm。此外，由于列車的懸浮與列車運(yùn)行速度無關(guān)，所以即使在停車狀態(tài)下，列車仍然可以保持懸浮狀態(tài)。超導(dǎo)排斥型磁懸浮系統(tǒng)（EDS）是一種斥力懸浮系統(tǒng)，是利用置于車底的超導(dǎo)磁體與鋪設(shè)在軌道上的線圈之間的相對運(yùn)動來產(chǎn)生懸浮力，使列車浮起并平穩(wěn)運(yùn)行的系統(tǒng)。車輛底部安裝有超導(dǎo)磁體（由超導(dǎo)磁鐵及超導(dǎo)繞組組成），并在地上軌道兩側(cè)鋪設(shè)一系列鋁環(huán)線圈（懸浮繞組）。列車運(yùn)行時，接通車底的超導(dǎo)磁體電路，產(chǎn)生強(qiáng)磁場，切割鋁環(huán)線圈，在鋁環(huán)內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場與列車上超導(dǎo)磁體的磁場方向相反，兩個磁場產(chǎn)生排斥力。當(dāng)排斥力大于車輛重量時，車輛浮起，高度可達(dá)100mm左右。超導(dǎo)排斥型磁懸浮系統(tǒng)控制較穩(wěn)定，列車運(yùn)行速度較高，可達(dá)500～600km/h。7.1.2磁浮鐵路的基本設(shè)備1．磁浮鐵路線路線路作為磁浮鐵路的基本組成部分和運(yùn)行基礎(chǔ)，在構(gòu)造上必須滿足磁浮列車的基本要求。無論什么形式的磁浮鐵路，其懸浮、導(dǎo)向和推進(jìn)設(shè)備總有一部分要安裝在列車上，另一部分則安裝在線路上，所以線路結(jié)構(gòu)必須與之相適應(yīng)。1）磁浮鐵路線路的建造形式由于高架線路在這方面具有更大的優(yōu)越性，因此被廣泛采用。磁浮鐵路的高架橋橋體尺寸可以明顯減小，造價也因此而顯著降低。2）磁浮鐵路高架線路的構(gòu)造磁浮鐵路高架線路的橋體一般采用塊體拼裝式連續(xù)梁鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，跨度20～30m。立柱式墩臺采用深基或樁基為基礎(chǔ)，直徑0.8～1.2m；梁柱間采用鉸接，橡膠支座調(diào)高范圍為20～60mm；梁底與地面間的距離（凈空）不小于5m；線路平面曲線半徑在6000～10000m。磁浮鐵路高架線路常采用的橫斷面形式有U形、T形和倒T形，詳見教材圖7-3?！菊n堂互動】?【教師】請同學(xué)們觀察教材圖7-3，思考：磁浮鐵路高架線路常采用的橫斷面形式U形、T形和倒T形有什么不同？?【學(xué)生】觀察、聆聽、思考、討論、發(fā)言?【教師】做出總結(jié)以U形磁浮鐵路高架線路為例，其線路結(jié)構(gòu)如圖7-4所示。3）列車運(yùn)行線路的改變方式磁浮列車在運(yùn)行中改變線路的方式與傳統(tǒng)鐵路相同，也是通過道岔來改變的，是采用活動軌轉(zhuǎn)轍形式。但磁浮鐵路線路道岔的形式和傳統(tǒng)鐵路不同，不采用尖軌、轍叉，而是采用活動軌轉(zhuǎn)轍形式。磁浮鐵路軌道詳見教材圖7-5。它主要由固定垛軌、主動軌、從動軌、轉(zhuǎn)動裝置、鎖定裝置和操作機(jī)構(gòu)等構(gòu)成。【課堂互動】?【教師】讓學(xué)生通過文旌課堂APP觀看微課——磁浮列車變軌過程（詳見教材），思考：磁浮列車變軌過程是怎樣的？?【學(xué)生】觀看、聆聽、思考、發(fā)言?【教師】做出總結(jié)當(dāng)需要改變磁浮列車運(yùn)行線路時，主動軌轉(zhuǎn)動，從動軌也隨之轉(zhuǎn)動，當(dāng)轉(zhuǎn)到規(guī)定部位時進(jìn)行連接和定位調(diào)整，由鎖定裝置進(jìn)行鎖閉，列車就可以安全地轉(zhuǎn)變運(yùn)行線路。……（詳見教材）【課堂互動】?【教師】請同學(xué)們思考：磁浮鐵路的列車運(yùn)行線路為什么不能采用尖軌、轍叉形式來變換？?【學(xué)生】聆聽、思考、討論、發(fā)言?【教師】做出總結(jié)2．磁浮鐵路列車列車是磁浮鐵路的重要組成部分，是一種不與地面接觸的運(yùn)載工具。舉例：日本HSST低速磁浮列車外形的發(fā)展變化，詳見教材圖7-6?！菊n堂互動】?【教師】請同學(xué)們思考：以日本HSST低速磁浮列車外形的發(fā)展變化過程為例，說一說磁浮鐵路列車的發(fā)展變化過程。?【學(xué)生】觀察、聆聽、思考、討論、發(fā)言?【教師】做出總結(jié)【課堂互動】?【教師】請同學(xué)們觀察教材圖7-7，思考：一輛常見磁浮列車的結(jié)構(gòu)，除圖中標(biāo)出的組成部分外，它還設(shè)有哪些輔助裝置？?【學(xué)生】觀察、聆聽、思考、討論、發(fā)言?【教師】做出總結(jié)一輛常見磁浮列車的結(jié)構(gòu)，除圖中標(biāo)出的組成部分外，它還設(shè)有一些輔助裝置，如輔助支撐車輪、車輛轉(zhuǎn)向架、輔助動力裝置、冷卻設(shè)備等?！局R拓展】目前存在的技術(shù)問題由于磁懸浮系統(tǒng)是以電磁力完成懸浮、導(dǎo)向和驅(qū)動功能的，斷電后磁懸浮的安全保障措施，尤其是列車停電后的制動問題仍然是要解決的問題。其高速穩(wěn)定性和可靠性還需很長時間的運(yùn)行考驗。

常導(dǎo)磁懸浮技術(shù)的懸浮高度較低，因此對線路的平整度、路基下沉量及道岔結(jié)構(gòu)方面的要求較超導(dǎo)技術(shù)更高。超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)由于懸浮能耗較常導(dǎo)技術(shù)更大，冷卻系統(tǒng)重，強(qiáng)磁場對人體與環(huán)境都有影響。3．磁浮鐵路供電系統(tǒng)1）區(qū)段供電長定子同步直線電機(jī)驅(qū)動的磁浮系統(tǒng)采用LSM同步電機(jī)，通過地面設(shè)置的大功率變流器來控制地面推進(jìn)繞組的三相交流電。變電站按照牽引控制系統(tǒng)要求的速度，將公共電網(wǎng)的電能轉(zhuǎn)變?yōu)樽冾l變壓的交流電，并保持該交流電與車速同步，然后向直流電機(jī)供電。2）列車供電列車采用一對一的供電方式，即一臺功率變換器對應(yīng)一輛列車。當(dāng)列車在區(qū)段內(nèi)運(yùn)行時，功率變換器就會向列車供電?！咎崾尽颗c傳統(tǒng)鐵路列車不同，磁浮列車的走停不是由列車上的司機(jī)控制的，而是由變電站內(nèi)的計算機(jī)控制，從而實現(xiàn)自動運(yùn)行。4．磁浮鐵路列車運(yùn)行控制系統(tǒng)磁浮鐵路列車運(yùn)行控制系統(tǒng)是通過計算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、通信、信息處理等先進(jìn)的技術(shù)或設(shè)備與磁浮列車、牽引線路及道岔等設(shè)備或系統(tǒng)相連，共同完成對列車的運(yùn)行控制、安全防護(hù)、自動運(yùn)行及調(diào)度管理等任務(wù)的。它具有高度的自動性和防護(hù)性。磁浮鐵路的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)由三部分組成：1）中央控制系統(tǒng)中央控制系統(tǒng)主要由自動列車運(yùn)行控制系統(tǒng)、參考信息儲存系統(tǒng)、遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)和行政管理系統(tǒng)組成。其主要功能是布置及修改運(yùn)行計劃、匯總通信數(shù)據(jù)、處理信息、控制聯(lián)鎖系統(tǒng)、在線診斷、儲存信息等。2）分區(qū)控制系統(tǒng)每個牽引變電站都要設(shè)置一個分區(qū)控制系統(tǒng)，用于接收并執(zhí)行中央控制系統(tǒng)下達(dá)的行車命令，并進(jìn)行故障維修。（1）分區(qū)控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)接收并執(zhí)行中央控制系統(tǒng)下達(dá)的行車命令，控制若干安全牽引切斷裝置、道岔防護(hù)裝置及車站防護(hù)裝置，向各通信基站下達(dá)控制信息，同時向總控制中心傳遞采集的聯(lián)鎖、診斷信息。該系統(tǒng)還可運(yùn)用成熟的道岔聯(lián)鎖設(shè)備，對道岔進(jìn)行控制，預(yù)先排列線路。（2）分區(qū)控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)維修全線列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的固定和移動設(shè)備，對機(jī)車和軌旁信號設(shè)備進(jìn)行在線檢測及后續(xù)的維修等。3）車載運(yùn)行控制系統(tǒng)磁浮列車的每一末節(jié)車廂均配備了速度運(yùn)行控制裝置，并通過車廂總線實施通信。速度運(yùn)行控制裝置用定位分析接收器傳來的定位信息，監(jiān)視列車的運(yùn)行速度和狀態(tài)，然后將所得數(shù)據(jù)經(jīng)無線微波傳輸系統(tǒng)發(fā)送至分區(qū)控制系統(tǒng)，再經(jīng)分區(qū)控制系統(tǒng)發(fā)送至中央控制系統(tǒng)?！靖哞F資料庫】從無到有的突破：世界首臺高溫超導(dǎo)高速磁浮工程化樣車下線2021年1月13日上午，一節(jié)銀黑相間的工程化樣車在成都的試驗線上緩緩啟動。這是由中國自主研發(fā)、自主制造的世界首臺高溫超導(dǎo)高速磁浮工程化樣車，如圖7-8所示，其設(shè)計時速為

620

km，標(biāo)志著中國高溫超導(dǎo)高速磁浮工程化研究實現(xiàn)了從無到有的突破。高溫超導(dǎo)高速磁浮工程化樣車及試驗線項目位于西南交通大學(xué)牽引動力國家重點(diǎn)實驗室，驗證段全長165m，由西南交通大學(xué)聯(lián)合中國中車集團(tuán)有限公司、中國鐵路工程集團(tuán)有限公司等單位協(xié)同攻關(guān)研發(fā)。高溫超導(dǎo)磁浮技術(shù)具有自懸浮、自導(dǎo)向、自穩(wěn)定特征，適合未來的真空管道交通運(yùn)輸。高溫超導(dǎo)磁浮列車在低真空狀態(tài)下，理論速度預(yù)計高于1000km/h?！ㄔ斠娊滩模菊n堂互動】?【教師】讓學(xué)生通過文旌課堂APP觀看微課——世界首臺高溫超導(dǎo)高速磁浮工程化樣車下線（詳見教材），思考：世界首臺高溫超導(dǎo)高速磁浮工程化樣車有著怎樣的突破？?【學(xué)生】觀看、閱讀、聆聽、思考、發(fā)言?【教師】做出總結(jié)7.1.3磁浮鐵路的發(fā)展1．國外磁浮鐵路的發(fā)展磁浮技術(shù)的研究起源于德國。早在

1922

年，德國工程師赫爾曼·肯佩爾（HermannKemper）就提出了磁浮原理，并在1934年獲得第一項有關(guān)磁浮技術(shù)的專利。到20世紀(jì)60年代，日本開始了對磁浮技術(shù)的研究，并在試驗線上創(chuàng)造了581km/h的世界紀(jì)錄。20世紀(jì)70年代以后，美國、蘇聯(lián)、加拿大、法國、英國、韓國等國家相繼開展了對磁浮鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)的研究。2．中國磁浮鐵路的發(fā)展中國對磁浮鐵路的研究始于20世紀(jì)80

年代。目前，中國已成為世界上少數(shù)幾個能研制和開發(fā)磁浮列車及運(yùn)營線路的國家之一?！靖哞F資料庫】永磁浮技術(shù)是指列車采用特殊的永磁材料，從而與軌道（電磁軌道或?qū)Т跑壍溃┊a(chǎn)生排斥力，使列車懸浮并保持一定距離在軌道中線運(yùn)行的技術(shù)。永磁浮鐵路比其他磁浮鐵路具有更強(qiáng)的懸浮力、更好的經(jīng)濟(jì)性、更好的節(jié)能性、更高的安全性以及更好的平衡性。中國磁浮鐵路的主要發(fā)展歷程詳見教材表7-5?！菊n堂互動】?【教師】根據(jù)教材表7-5，請學(xué)生以小組為單位談一談中國磁浮鐵路的主要發(fā)展歷程。?【學(xué)生】閱讀、聆聽、思考、討論、發(fā)言?【教師】做出總結(jié)【課堂互動】?【教師】讓學(xué)生通過閱讀思政列車——時速600km，中國速度再次震撼世界（詳見教材），思考并討論：中國高速磁浮列車有怎樣的特點(diǎn)？具有怎樣的意義？?【學(xué)生】閱讀、聆聽、思考、討論、發(fā)言?【教師】做出總結(jié)【學(xué)生】聆聽、理解、記憶通過案例分析、視頻解析、課堂討論和老師講解，使學(xué)生了解磁浮鐵路的基本原理、基本設(shè)備及其發(fā)展等相關(guān)知識拓展訓(xùn)練（25