摘要:針對(duì)直線電機(jī)運(yùn)載系統(tǒng)的特點(diǎn)，本文根據(jù)線電機(jī)運(yùn)載系統(tǒng)對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的要求，對(duì)軌道結(jié)構(gòu)中鋼軌及扣件的選型、軌枕及道床的選型、道岔及其道床的設(shè)計(jì)、減振降噪措施等進(jìn)行了初步的探討，對(duì)直線電機(jī)運(yùn)載系統(tǒng)的軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有一定的參考和實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞:直線電機(jī)軌道結(jié)構(gòu)道岔減振降噪

0 引言

直線電機(jī)運(yùn)載系統(tǒng)始于上個(gè)世紀(jì)80年代，采用直線電機(jī)進(jìn)行牽引，適用于中等運(yùn)量的城市軌道交通，使軌道交通系統(tǒng)向小型化發(fā)展。該系統(tǒng)特點(diǎn)如下:①車輪尺寸可縮小，車廂地板面降低，縮小車體斷面尺寸，隧道斷面可減小;②車輛不受輪軌之間粘著條件的限制，爬坡能力強(qiáng);③采用徑向架，可在曲線半徑較小的線路上運(yùn)行;④驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)沒(méi)有旋轉(zhuǎn)部分，運(yùn)行噪聲可維持在較低水平;⑤采用安全、可靠、低噪聲的制動(dòng)系統(tǒng)。

這些特點(diǎn)有利于有利于線路縱斷面設(shè)計(jì)，減少隧道及高架的過(guò)渡段，減少拆遷工作量，降低工程造價(jià)。世界上建成運(yùn)營(yíng)的直線電機(jī)運(yùn)載系統(tǒng)，有加拿大溫哥華、馬來(lái)西亞吉隆坡、日本東京和大阪等。我國(guó)目前正在嘗試引進(jìn)直線電機(jī)運(yùn)載系統(tǒng)，廣州市軌道交通4、5號(hào)線已確定采用直線電機(jī)運(yùn)載系統(tǒng)。由于該系統(tǒng)的軌道結(jié)構(gòu)與一般城市軌道交通的軌道結(jié)構(gòu)有所不同，需要將反應(yīng)板安裝在軌道上，且由在車輛上的直線電機(jī)與在軌道的反應(yīng)板之間產(chǎn)生的磁力牽引列車前進(jìn)，因此，應(yīng)根據(jù)直線電機(jī)運(yùn)載系統(tǒng)的特點(diǎn)對(duì)軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，以選擇合理的軌道結(jié)構(gòu)形式和參數(shù)。

1直線電機(jī)運(yùn)載系統(tǒng)對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的要求

直線電機(jī)運(yùn)載系統(tǒng)采用直線電機(jī)牽引，直線電機(jī)是一種直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，結(jié)構(gòu)相當(dāng)于將旋轉(zhuǎn)電機(jī)切割展開(kāi)成直線狀，定子(初級(jí)線圈)設(shè)置在車輛上、轉(zhuǎn)子(次級(jí)線圈)設(shè)置在軌道上，車輛由設(shè)置在車輛上的直線電機(jī)與鋪設(shè)在軌道中央的反應(yīng)板之間產(chǎn)生的磁力推進(jìn)。采用鋼輪、鋼軌作為車輛的支撐，直線電機(jī)運(yùn)載系統(tǒng)對(duì)軌道的要求如下:①軌道中間有直線電機(jī)反應(yīng)板，軌道應(yīng)有安裝反應(yīng)板的條件;②直線電機(jī)與反應(yīng)板之間的間隙要求較高，要求道床施工及反應(yīng)板的安裝精度均較高，應(yīng)力求軌道的平順;③當(dāng)選用的線路曲線半徑小、坡度大時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)軌道的穩(wěn)定。

2 軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

軌道結(jié)構(gòu)的工程設(shè)計(jì)包括鋼軌選型、扣件、軌下基礎(chǔ)、道岔、無(wú)縫線路、減振降噪、其它相關(guān)設(shè)備(如車擋、防脫裝置、線路標(biāo)志等)。其中與直線電機(jī)運(yùn)載系統(tǒng)相關(guān)的是鋼軌選型、扣件、軌下基礎(chǔ)、道岔及減振降噪的設(shè)計(jì)。

2.1 鋼軌選型 一般情況下，直線電機(jī)系統(tǒng)的最高行車速度為100km/h，軸重為11t。根據(jù)近遠(yuǎn)期客流量推算線路年通過(guò)總重，參照國(guó)鐵軌道配置標(biāo)準(zhǔn)，正線和輔助線均可采用50kg/m鋼軌，可同時(shí)滿足軌道結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

若采用國(guó)鐵現(xiàn)有60kg/m鋼軌，則可顯著地提高軌道強(qiáng)度，降低軌底變形和應(yīng)力，并能延長(zhǎng)軌道的大修周期，減少日常養(yǎng)護(hù)維修工作量。由于直線電機(jī)系統(tǒng)采用徑向轉(zhuǎn)向架車輛，車輛通過(guò)曲線時(shí)車輪輪緣方向與曲線方向始終一致，且輪軌接觸關(guān)系有所改變，在曲線地段鋼軌磨耗應(yīng)有所減少，而鋪設(shè)60kg/m鋼軌比鋪設(shè)50kg/m鋼軌初期投資增加8萬(wàn)/單線公里，且在高架橋上鋪設(shè)無(wú)縫線路時(shí)，60kg/m鋼軌比鋪設(shè)50kg/m鋼軌溫度力變化大5.8kN/℃，鋪設(shè)50kg/m鋼軌對(duì)橋墩較為有利。且在直線電機(jī)系統(tǒng)中有專門用于回流的第4軌，回流無(wú)需增加走行軌截面面積。國(guó)外的直線電機(jī)系統(tǒng)軌道(如加拿大、溫哥華、多倫多)也多采用50kg/m鋼軌(實(shí)際為UIC54kg/m鋼軌，該鋼軌國(guó)內(nèi)也有生產(chǎn))。但由于我國(guó)鐵路推行重載運(yùn)輸方針，鐵路鋼軌系列朝著重軌方向發(fā)展，一般干線都已采用60kg/m軌型，50kg/m軌型貨源日趨短缺，其材質(zhì)也不會(huì)再做改進(jìn)，可供選用的品種很少。與國(guó)家鐵路相比，城市軌道交通用軌量畢竟較少，從商業(yè)角度考慮，小批量用軌的供應(yīng)是有困難的。如果采用高度較高和斷面較大的軌型，對(duì)降低噪聲和防止雜散電流是有利的。因此，綜合諸多因素考慮，采用60kg/m軌型比較妥當(dāng)。

2.2 鋼軌扣件選型 鋼軌扣件是聯(lián)結(jié)鋼軌與軌下基礎(chǔ)的重要部件，反映了軌道結(jié)構(gòu)的主要技術(shù)特性，是保持軌道框架剛度和決定軌道維修養(yǎng)護(hù)工作量的重要環(huán)節(jié)之一。

鋼軌扣件由扣壓件、軌下墊層和聯(lián)結(jié)螺栓組成。為了體現(xiàn)軌道結(jié)構(gòu)應(yīng)有的技術(shù)性能，要求鋼軌扣件具有一定的扣壓力、必要的彈性和相應(yīng)的可調(diào)能力。對(duì)剛度較大的軌下基礎(chǔ)，還要求軌下墊板具有較好的彈性。在大坡道地段，既要求扣件提供較大的縱向阻力，以防止鋼軌爬行;又要求扣件的扣壓力不能過(guò)大，以控制無(wú)縫線路長(zhǎng)軌條的縱向力向橋梁過(guò)量傳遞。兩者的要求是互相矛盾的，要求從技術(shù)上妥善加以解決。參照《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》，針對(duì)不同的道床型式選可用不同的扣件型式，直線電機(jī)系統(tǒng)力求維修工作量小，故宜采用無(wú)擋肩彈性分開(kāi)式無(wú)螺栓扣件。廣州地鐵四號(hào)線直線電機(jī)系統(tǒng)主要采用單趾彈簧扣件、國(guó)鐵彈條Ⅲ分開(kāi)式扣件及小阻力扣件等(如圖1所示)。

2.3 軌枕及道床結(jié)構(gòu)選型 軌道道床結(jié)構(gòu)分碎石道床和整體道床兩大類。碎石道床的優(yōu)點(diǎn)是軌道彈性好、適應(yīng)性強(qiáng)、減振效果好，易于調(diào)整軌道的水平和方向;無(wú)需配用結(jié)構(gòu)復(fù)雜的彈性分開(kāi)式扣件;施工簡(jiǎn)單、進(jìn)度快、造價(jià)低。其缺點(diǎn)是養(yǎng)護(hù)維修中的起撥道、搗固道床的作業(yè)量大，更重要的是保持軌面的平順度將花費(fèi)更大代價(jià)。

整體道床的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、軌面的平順性易于保持，軌道不易變形。表面整潔美觀，便于清掃，軌道維修工作量少，但是整體道床的初期投資大，且對(duì)整體道床的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)要求高，軌道的彈性和軌面標(biāo)高調(diào)整均由結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的彈性分開(kāi)式扣件來(lái)提供。

地下線或者高架線宜采用整體道床，地面線不受軌道高度限制，養(yǎng)護(hù)條件相對(duì)較好宜采用碎石道床。

目前國(guó)內(nèi)成功使用的地下線整體道床主要有上海地鐵采用的長(zhǎng)枕式整體道床(圖2)和北京地鐵、廣州地鐵采用的鋼筋混凝土短軌枕式整體道床(圖3)兩種型式，兩種結(jié)構(gòu)均具有技術(shù)成熟、整體性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固耐用、施工簡(jiǎn)便、運(yùn)營(yíng)維修工作量小的優(yōu)點(diǎn)，且經(jīng)多年運(yùn)營(yíng)實(shí)踐，使用效果良好。比較而言，短軌枕式整體道床的軌枕與道床聯(lián)接可靠，且施工更方便，造價(jià)也略低于長(zhǎng)枕式整體道床，是國(guó)內(nèi)地鐵常用的結(jié)構(gòu)型式，與廣州已建成地鐵的道床型式一致。但是短枕式整體道床軌道結(jié)構(gòu)用于直線電機(jī)軌道時(shí)，反應(yīng)板的安裝較為不便，若采用預(yù)埋件，則需要其在現(xiàn)場(chǎng)精確預(yù)埋，對(duì)施工精度要求較高，若采用后錨固技術(shù)，則安裝工作量較大，進(jìn)度慢且造價(jià)較高。因此應(yīng)采用走行軌、第3軌、第4軌、感應(yīng)板都同時(shí)高精度相對(duì)固定的技術(shù)方案，可采用長(zhǎng)枕埋入式整體道床或板式軌道。

長(zhǎng)枕埋入式整體道床可在長(zhǎng)枕上設(shè)置預(yù)留安裝鋼軌、反應(yīng)板的條件，把預(yù)制的混凝土枕用二次澆筑使混凝土枕與道床成為整體，將鋼軌、反應(yīng)板固定在長(zhǎng)軌枕上。長(zhǎng)枕式道床施工時(shí)，采用軌排架法施工，預(yù)埋螺栓(或孔)在工廠完成，容易達(dá)到施工精度，施工進(jìn)度快，反應(yīng)板安裝調(diào)整方便，反應(yīng)板與鋼軌的相對(duì)位置精確度可以保證。曲線地段施工可以根據(jù)結(jié)構(gòu)施工情況進(jìn)行調(diào)整，技術(shù)成熟。缺點(diǎn)是軌道自重大，軌道減振性能較難實(shí)現(xiàn)。

將軌枕、道床合二為一的板式軌道，采用工廠預(yù)制軌道板，在每塊板上設(shè)置3～4對(duì)扣件，并預(yù)埋反應(yīng)板、第3、4軌固定元件。該方案軌道自重輕、整體性好、施工周期短。減振性能容易實(shí)現(xiàn)，通過(guò)軌道板下增設(shè)橡膠墊板即可實(shí)現(xiàn)。但該方案對(duì)工廠預(yù)制要求較高，特別是曲線地段，國(guó)外均在道床板上實(shí)現(xiàn)超高，這就要求在工廠預(yù)制的軌道板跟現(xiàn)場(chǎng)的位置對(duì)號(hào)入座。考慮到板式道床軌道結(jié)構(gòu)高度較低，施工進(jìn)度快，便于反應(yīng)板的安裝，曲線超高在道床板上實(shí)現(xiàn)，利于橋梁施工，高架線宜采用板式道床形式。

2.4 道岔及其道床 由于直線電機(jī)系統(tǒng)采用了徑向轉(zhuǎn)向架，道岔的導(dǎo)曲線半徑將可以減少，可采用小號(hào)數(shù)曲線尖軌道岔，如溫哥華正線采用6號(hào)、8號(hào)道岔，肯士頓試驗(yàn)線采用了5號(hào)道岔。但直線電機(jī)系統(tǒng)對(duì)軌面的平順度，及固定于軌道上的直線電機(jī)轉(zhuǎn)子和固定于車輛上的定子間的氣隙高度要求很嚴(yán)格，所以應(yīng)改進(jìn)道岔的結(jié)構(gòu)型式，提高列車通過(guò)道岔的平順性。國(guó)外直線電機(jī)系統(tǒng)，國(guó)鐵高速鐵路采用了可動(dòng)心軌道岔，但對(duì)于小號(hào)數(shù)曲線尖軌道岔采用可動(dòng)心軌轍叉，則大大增加了道岔結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。研制開(kāi)發(fā)適合直線電機(jī)系統(tǒng)的小號(hào)數(shù)曲線尖軌道岔十分迫切。

道岔的道床面積寬、零部件多且在施工時(shí)能與鋼軌直接相聯(lián)，工況復(fù)雜，國(guó)內(nèi)普通地鐵的岔區(qū)一般采用短枕式道床。但在直線電機(jī)牽引系統(tǒng)中，岔區(qū)采用短軌式整體道床時(shí)，鋼軌和感應(yīng)板各自安裝于短軌枕和道床板上，鋼軌安裝基面和感應(yīng)板基面的高度差精度不易保持，且宜造成感應(yīng)板安裝基面的縱向(鋼軌方向)的不平順度，從而給車輛的正常運(yùn)營(yíng)帶來(lái)負(fù)面的影響。與短軌式整體道床比，長(zhǎng)枕式整體道床可保證反應(yīng)板與鋼軌的相對(duì)位置精度，更重要的是使用長(zhǎng)枕時(shí)可以在道岔交叉部附近安裝感應(yīng)板，充分發(fā)揮車輛過(guò)岔時(shí)的牽引性能。借鑒日本直線電機(jī)系統(tǒng)在岔區(qū)采用樹(shù)脂長(zhǎng)枕式整體道床的經(jīng)驗(yàn)，岔區(qū)宜采用樹(shù)脂長(zhǎng)枕式整體道床(如圖所示)。國(guó)內(nèi)也應(yīng)研究開(kāi)發(fā)適用于直線電機(jī)車輛在道岔區(qū)的其它道床及軌枕形式，以填補(bǔ)國(guó)內(nèi)在此方面技術(shù)上的空白。

2.5 減振降噪措施 直線電機(jī)系統(tǒng)作為城市現(xiàn)代化的交通運(yùn)輸工具，與其它軌道交通相比，它具有造價(jià)低、振動(dòng)小、噪聲低、爬坡能力強(qiáng)、牽引能力優(yōu)越、通過(guò)曲線半徑小、能耗低、污染小、安全性能好等諸多優(yōu)點(diǎn)，非常適合大中城市大中等運(yùn)量交通發(fā)展的要求。但是不容忽視的是，由于其坡度較大、曲線半徑較小，使得其運(yùn)營(yíng)條件相對(duì)苛刻，距離居民、辦公場(chǎng)所較近，因此對(duì)振動(dòng)與噪聲的要求也較高;如直線電機(jī)鐵路在市區(qū)內(nèi)離建筑物最短距離小到只有幾米，甚至緊挨建筑物，減振性能仍不容忽視。加拿大溫哥華直線電機(jī)地鐵采取了多種減振降噪措施。一般減振地段的主要措施有:①采用彈性分開(kāi)式扣件。②鋪設(shè)無(wú)縫線路結(jié)構(gòu)。③運(yùn)營(yíng)中加強(qiáng)定期養(yǎng)護(hù)維護(hù)工作，使輪軌間的接觸處于平順狀態(tài)，以降低輪軌間的沖擊振動(dòng)。

由于直線電機(jī)牽引系統(tǒng)對(duì)于轉(zhuǎn)向架上的直線電機(jī)與道床上的感應(yīng)板之間的間隙值要求較高，常規(guī)的軌道減振措施，如普通的軌道減振器扣件，彈性短軌枕等均不太適用于直線電機(jī)系統(tǒng)。中等減振地段可采用Edilon鋼軌埋置式板式軌道結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)有較好的隔聲和隔振效果，且這種類型的軌道結(jié)構(gòu)使用20年來(lái)，養(yǎng)護(hù)維修工作量相當(dāng)少。還可考慮研究開(kāi)發(fā)新型的彈性長(zhǎng)軌枕整體道床，通過(guò)彈性橡膠支承長(zhǎng)軌枕整體道床達(dá)到減振的目的。特殊減振地段可考慮采用浮置板軌道或Vanguard扣件等。

2.6 結(jié)論與建議 ①應(yīng)全面分析，綜合比較，采用經(jīng)濟(jì)合理的軌型。②對(duì)于減振型軌道結(jié)構(gòu)如彈性長(zhǎng)軌枕整體道床和浮置板軌道應(yīng)進(jìn)行全面研究、完善，開(kāi)發(fā)適合我國(guó)直線電機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)的道床型式和施工方案。③在現(xiàn)有扣件的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)新型的、經(jīng)濟(jì)的、適用于直線電機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)的扣件。④研制開(kāi)發(fā)適合直線電機(jī)系統(tǒng)的減振型小號(hào)碼道岔結(jié)構(gòu)。⑤研制開(kāi)發(fā)適合于岔區(qū)整體道床的樹(shù)脂長(zhǎng)軌枕。⑥直線電機(jī)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一是固定于軌道上的直線電機(jī)轉(zhuǎn)子和固定于車輛上的定子間的氣隙高度的控制技術(shù)，而諸多互相影響制約因素均對(duì)該氣隙高度產(chǎn)生互相疊加或者互相抵消的影響。設(shè)計(jì)中應(yīng)對(duì)各軌道部件所產(chǎn)生的影響程度有適當(dāng)?shù)膶?duì)策和綜合的考慮。⑦直線電機(jī)運(yùn)載系統(tǒng)不同于普通軌道交通，原地鐵軌道施工驗(yàn)收技術(shù)條件已不能滿足要求，國(guó)內(nèi)沒(méi)有相應(yīng)施工經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)開(kāi)展軌道系統(tǒng)集成及施工驗(yàn)收技術(shù)條件研究，提高對(duì)直線電機(jī)軌道系統(tǒng)的全面認(rèn)識(shí)和掌握。

直線電機(jī)運(yùn)載系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)是全新技術(shù)，與普通軌道交通有許多不同，對(duì)其軌道系統(tǒng)應(yīng)予以充分的重視，對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)做進(jìn)一步研究，并對(duì)設(shè)計(jì)的方案進(jìn)行試制試驗(yàn)工作，使直線電機(jī)運(yùn)載系統(tǒng)能成功應(yīng)用于國(guó)內(nèi)。