楊其振,劉道通,于春華

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司,天津 300251)

磁浮技術的研究源于德國,磁浮交通系統具有選線自由度大、噪聲小、振動低、舒適、維護少等特點。中低速磁懸浮列車最高車速 80～160 km/h,造價相對低廉,與輕軌、地鐵等傳統軌道交通具有互補性,發(fā)展前景看好。本文重點對中低速磁浮列車工作原理、軌道(含道岔)結構以及軌道幾何狀態(tài)等問題進行闡述。

1 國內外中低速磁浮交通系統發(fā)展情況

1.1 國外中低速磁浮發(fā)展情況

國外中低速磁浮列車以日本的 HSST系統為典型代表。從 1974年到 1989年,HSST-01到HSST-05型車相繼投入試驗。1991年,日本在名古屋附近的大江,建成一條新的面向應用的試驗線。2005年 3月,日本建設開通了中低速磁懸浮鐵路商業(yè)運行線——東部丘陵線(Linimo),該線長8.9km,連接名古屋一個地鐵車站和市郊的一個現代化居住區(qū),目前運行良好,起到了中低速磁浮交通系統的示范作用,有力地證實了其優(yōu)勢。

1.2 國內中低速磁浮發(fā)展情況

早在 20世紀 70年代我國科技工作者對于磁浮交通系統的新技術的進展就給予了關注,部分大學、研究機構開展了基礎性研究。

1.2.1 國防科技大學研究情況

國防科技大學的磁浮技術研究工作始于 1980年。為使國防科技大學的磁浮技術走向應用,國防科技大學于 2001年 5月在校園內建成 1條長 204m的試驗線路。2008年 5月,北京控股公司在唐山車輛廠廠區(qū)內修建的 1.5 km中低速磁浮試驗線建成,目前已投入試驗運行。

1.2.2 西南交通大學研究情況

西南交通大學 1986年開始研究磁浮列車技術。青城山磁浮試驗線 2006年 4月建成,長425m,最大坡度 2.0%,最小曲線半徑 250m。

1.2.3 上海磁浮交通公司研究情況

2007年,上海南匯臨港新城建成1條長 1.5 km的磁懸浮試驗示范線(含道岔),線路條件滿足列車 100 km/h的運行速度要求。

1.3 唐山中低速磁浮試驗線簡介

為形成我國中低速磁浮研發(fā)體系,并滿足“十一五”國家科技支撐計劃重點項目“中低速磁浮交通技術及工程化應用研究”課題研究需求,鐵道第三勘察設計院集團有限公司作為工程總體設計單位,配合北控中低速磁浮研發(fā)體系,于 2006年 ～2007年完成唐山中低速磁浮試驗線及其試驗基地設計工作。2009年 7月,試驗線正式投入試驗運行。

唐山中低速磁浮試驗線(以下簡稱唐山試驗線)位于唐山機車車輛廠內,全部為高架線路,正線全長1.547 km,平曲線最小半徑 100m(尾部設 1處半徑 50 m平曲線以備他用),最大坡度 70‰,試驗線設置磁浮單開道岔 1處(圖1)。

圖1 唐山中低速磁浮試驗線

2 中低速磁浮列車的懸浮、驅動及導向原理

列車采用環(huán)抱軌道形式。列車軌道梁兩側為懸空的倒 U形鐵磁性軌道,軌道上鋪設了鋁質的反應極板。倒 U形軌道上反應板的正上方是安裝在車體上的直線電機定子,在倒 U形軌道的正下方是固定在車體上的懸浮導向磁鐵。磁浮列車懸浮結構示意見圖2。

圖2 磁浮列車懸浮結構簡圖

車體上的懸浮磁鐵通電時就會與鐵磁性軌道之間產生引力,使得車體向上抬起脫離軌道。

列車的牽引電機是短定子直線電機,電機初級也就是定子,是安裝在車體上的,牽引功率的轉換和控制是在車上實現的。車體上安裝直線電機的定子,其正下方的軌道上安裝有感應板,當定子通過三相電流后產生一個移動的磁場,這個磁場在感應板上感應出電流和感生磁場,兩個磁場相互作用就產生了推力。

列車的導向是自動的,不需要導向電磁鐵的主動控制,這是由于安裝在車體上的電磁鐵鐵芯和鐵磁性倒 U形軌道是正對的,如果兩者有一定的錯位,兩者間的磁力線就會產生一個反方向的橫向力,使得列車回到中心線。磁浮列車導向原理如圖3所示。

圖3 磁浮列車導向原理示意

3 軌道結構組成及功能

軌道是中低速磁浮線路的重要技術裝備之一,是行車的基礎。軌道是列車懸浮、行駛和停放的設備,引導機車車輛運行,直接承受來自車輛的荷載,軌道必須堅固穩(wěn)定,并具有正確的幾何形位,以確保列車的安全運行。

軌道是由導軌、感應板、軌枕、扣件、伸縮節(jié)、承軌臺、道岔及附屬設備組成。唐山試驗線軌道結構橫斷面如圖4所示。

圖4 唐山試驗線軌道結構橫斷面(單位:mm)

3.1 導軌及感應板

唐山試驗線導軌采用低碳鋼制造,質量127 kg/m,斷面為 F形,導軌上覆鋁制感應板。導軌下表面有兩個磁極,起到懸浮作用;上表面是直線感應電機,覆蓋有鋁板,外部垂直法蘭用于機械制動。

F形導軌用于制作中低速磁浮軌排,分為直線導軌、圓曲線導軌和緩和曲線導軌。

早期的一些試驗線工程,導軌采用機加工法制造,制造成本較高,生產周期長。唐山試驗線導軌實現了一次軋制成形,為以后中低速磁浮系統的工程化、產業(yè)化創(chuàng)造了有利條件(圖5)。

3.2 導軌軌縫、接頭及鋼枕

3.2.1 軌縫

導軌在軌溫變化時,沿線路方向熱脹冷縮,需在導軌接頭處預留軌縫。為滿足不同地段導軌熱脹冷縮及行車穩(wěn)定性的需要,唐山試驗線共設計了 3種形式的導軌接頭,即 JⅠ型、JⅡ型、JⅢ型導軌接頭,分別設 1個 、2個、4個軌縫 。

圖5 導軌橫截面

3.2.2 接頭

JⅠ型接頭:適應軌排伸縮量在 10 mm以內的接頭。兩軌排直接連接構成 JⅠ型接頭;

JⅡ型接頭:適應軌排伸縮量在 10～20 mm的接頭;

JⅢ型接頭:適應軌排伸縮量 ＞20mm的接頭。

唐山試驗線高架橋主要采用 18、24m簡支梁,JⅠ型接頭設置于同一片梁上兩組軌排之間,JⅡ型接頭設于 18m跨徑簡支梁梁縫處,JⅢ型接頭設于 24m跨徑簡支梁梁縫處。唐山試驗線的試驗運行表明,這 3種接頭的設計是適用的,能滿足軌排熱脹冷縮需要,軌縫最大值也能保證行車穩(wěn)定。

3.2.3 鋼枕

鋼枕一般采用低碳鋼制造,橫斷面形式為“工”字形或矩形,制造時上部兩側預留與導軌連接螺栓孔,下部預留錨固螺栓安裝孔。

唐山試驗線采用“工”字形軌枕,日本東部丘陵線、上海試驗線采用矩形軌枕。工字形軌枕安裝、維護工作較為方便,但相關試驗數據表明,由于軌排的熱脹冷縮,工字形軌枕腹板承受彎矩較大。在以后的工程實踐中,尚應結合進一步的試驗研究確定軌枕斷面形式。

3.3 扣件

導軌與鋼枕通過螺栓連接,組成軌排,扣件將軌排固定在下部基礎上。

目前國內外中低速磁浮的運營線及試驗線有:日本名古屋市愛知縣東部丘陵線、長沙國防科大試驗線、西南交大青城山試驗線、唐山試驗線、上海南匯臨港新城試驗線,結構形式特點如表1所示。

表1 扣件結構形式

由上述可知,除國防科大長沙試驗線外,其他現有中低速磁浮運營線、試驗線軌排扣件結構形式較為一致,主要部件有彈性墊板、鐵墊板、鋪軌輔助螺栓、錨固螺栓,扣件與下部基礎采用混凝土 +螺栓套管的形式,其結構形式類似城市軌道交通無砟軌道扣件結構。

唐山試驗線路采用的扣件結構形式如圖6所示。

圖6 唐山試驗線扣件

3.4 承軌臺

承軌臺處于下部基礎(橋梁、路基面等)與軌排之間,它承接由軌排及扣件傳遞來的各種作用力,再將其傳遞至下部基礎。

日本名古屋東部丘陵線、上海試驗線、青城山試驗線、唐山磁浮試驗線承軌臺均采用二次澆筑結構,這種結構的主要優(yōu)點是能夠保證軌排的鋪設精度,同時該結構能滿足強度要求、施工簡便、造價低廉。

在現階段,承軌臺采用二次澆筑結構是較為理想的一種方案。承軌臺內預埋扣件錨固螺栓套管,內布鋼筋。下部基礎施工時,預埋豎向鋼筋,加強承軌臺與下部基礎的聯結。

從唐山試驗線的工程實踐來看,由于二次澆筑的承軌臺尺寸較小(400mm×400mm×130mm),在我國北方冬季進行鋪軌施工時,承軌臺混凝土養(yǎng)護期間保溫措施較為困難,在我國南方地區(qū)則不存在此問題。

4 道岔及車擋

4.1 道岔系統工作原理

中低速磁浮道岔采用三點定心原理設計,原理如圖7所示。

圖7 道岔三點定心原理示意

圖7中 L1、L2、L3為 3段道岔梁,每段道岔梁都有一個固定的轉動中心,分別為 O1、O2、O3,道岔梁可以繞其自由轉動;道岔梁的另一端稱為移動端。道岔梁L3為主動梁,在梁上適當位置安裝了驅動機構,給主動梁提供一個橫向擺動的力,如圖7中的 F所示,從而使主動梁繞 O3點發(fā)生相應的轉動;滑塊 B將主動梁 L3的橫向運動(位移)傳遞給從動梁 L2的移動端,從而使從動梁 L2繞 O2端發(fā)生轉動;進而再通過滑塊A帶動第二從動梁 L1繞 O1端轉動。

通過上面的轉動,就能實現道岔的轉轍功能。

4.2 道岔結構

磁浮道岔有單開、對開、三開等形式。單開道岔整機由 3段活動梁、2段垛梁、走行臺車、支撐底板、主梁橫向鎖定機構、主梁豎向鎖定機構、曲柄驅動機構、道岔梁回轉定心機構、軌道連接板、動力軌連接部分、控制系統等組成,這種形式的道岔已應用多年,性能良好。

4.3 唐山試驗線單開道岔

4.3.1 道岔構成及參數

唐山試驗線鋪設單開道岔 1組,供道岔試驗使用,也是試驗線通往未來車輛總裝庫的預留道岔。如圖8所示。

圖8 單開道岔示意

唐山試驗線單開道岔的主要參數如表2所示。

表2 單開道岔主要參數

4.3.2 道岔基礎設計

道岔部分的基礎形式應具有足夠的承載力和剛度,防止道岔部分產生過大變形,影響道岔的正常工作。道岔基礎采用剛性基礎,結合線路縱斷面布置,主要有兩種形式,一種為直接支承于地面的落地式基礎,一種為支承于高架橋上的高架形式,橋面高程、寬度等布設需要考慮道岔安裝條件及運營維護條件。

唐山試驗線道岔設于一個整體的橋面上,施工時道岔設備與基礎連接采用支墩過渡的方式,支墩與上部預埋件連接采用多次澆筑的方式,以滿足施工精度和預埋件的安裝。支墩第一次澆筑時,固定預埋鋼板支撐腳,二次澆筑時,固定預埋鋼板的地腳螺栓和剪力釘。

道岔基礎不均勻沉降控制在 7～10mm。

4.4 車擋

在正線的起終點及車場線的終點設車擋,為保護車輛,正線、輔助線、試車線端部宜安裝液壓緩沖式車擋,車場線端頭可安裝液壓或固定式車擋。

唐山試驗線在正線的末端研究鋪設了液壓式車擋,按照目前中低速磁浮車輛設計參數及城軌項目設計經驗,正線、輔助線、試車線列車撞擊車擋時車速按15 km/h進行設計。

在停車庫內設置了鋼架式車擋。列車在場段內行駛速度較低,根據城軌項目設計經驗,固定式車擋設計列車撞擊速度可按不大于 5 km/h設計,庫內存車線車擋可按 3 km/h設計。

5 軌道幾何形位

軌道幾何形位是指軌道各部分的幾何形狀、相對位置和基本尺寸。軌道幾何形位正確與否,對機車車輛的安全運行、乘客的旅行舒適度、設備的使用壽命和養(yǎng)護費用起著決定性的作用。

在中低速磁浮交通領域,這方面的研究尚處于起步階段,缺乏相關技術標準,在進行中低速磁浮工程化設計時,應結合具體工程的設計標準開展專項研究,確定軌道幾何形位的設計、驗收、養(yǎng)護標準。

5.1 直線軌道的幾何形位(靜態(tài))

直線軌道的幾何形位主要包括軌距、水平、軌向、前后高低,其概念與輪軌系統基本相同,在此不再贅述。

軌距是指軌道兩側兩懸浮磁極面中心的距離。唐山磁浮試驗線軌距為2 000mm;日本名古屋東部丘陵線軌距為1 700mm;上海磁浮試驗線軌距為1 900mm。

中低速磁浮車輛通過曲線時,由于其轉向架設計的特性,曲線地段軌距無須調整。

唐山試驗線設計期間,由于缺乏相關技術資料及基礎研究,直線軌道幾何形位設計、驗收標準參照《地下鐵道工程施工及驗收規(guī)范》(GB50299—1999)執(zhí)行。在唐山試驗線竣工后,筆者參與了“十一五”國家科技支撐計劃重點項目“中低速磁浮交通技術及工程化應用研究”課題研究,結合唐山試驗線運行試驗及國外相關試驗資料,重新制定了直線軌道幾何形位標準(表3)。

表3 軌道幾何形位允許偏差值(施工驗收)mm

5.2 曲線軌道外軌超高

5.2.1 外軌超高的作用

車輛在曲線上行駛時,由于離心力作用,將車輛推向外股鋼軌,加大了外軌的壓力,使旅客產生不適,同時轉向架內外側與導軌間垂向磁力不均,其偏差過大時可能會導致懸浮控制失穩(wěn)。因此,需要把曲線外軌適當抬高,使機車車輛的自身重力產生一個向心的水平分力,以抵消慣性離心力,達到內外側導軌受力均勻,滿足乘客舒適度要求,提高行車穩(wěn)定性及安全性。

5.2.2 外軌超高計算及超高設置方法

(1)外軌超高計算

軌道曲線超高按以下公式計算

式中 h——超高值,mm;

D——軌距,mm;

Vc——列車通過速度,km/h;

g——重力加速度,9.81m/s2;

R——曲線半徑,m。

(2)外軌超高最大允許值

最大超高值是根據行車速度、車輛性能、軌道結構穩(wěn)定性和乘客舒適度確定的?，F階段,外軌超高最大允許值主要由車輛懸浮起落功能限制。

列車在曲線段線路停車時,如超高值設置過大,車輛轉向架上電磁鐵與導軌磁極間磁力偏離垂向過多,列車將無法浮起。

根據現階段車輛性能要求,唐山試驗線軌面與水平面夾角不得大于 6°,當軌距為2 000mm時,其對應的超高值為 209mm。

⑶欠超高及過超高

當設置的超高不足時,存在未被平衡的橫向加速度,影響旅客的乘坐舒適度。根據鐵路及城市軌道交通系統的相關經驗,一般可允許有 0.4m/s2的未被平衡橫向加速度、軌面與水平面夾角 2°19′,此時乘客稍有感覺,不影響舒適度。

當軌距為 2 000mm時,允許的欠超高為 81mm。

過超高值尚需通過相關試驗進一步研究確定。

⑷外軌超高設置方法

外軌超高設置方法有外軌抬高一半超高值、內軌降低一半超高值,或者外軌抬高超高值兩種方法。

采用第一種方法設置超高時,軌道中心線與線路中心線一致,超高順坡段坡度較小,超高過渡段行車較為平穩(wěn),在隧道內設置時,可較少增加隧道曲線地段的建筑限界,節(jié)省軌道投資。因此,在不增加工程實施及養(yǎng)護難度的前提下,優(yōu)先采用第一種設置方法,也可采用第二種設置方法。

6 結語

中低速磁浮交通系統是一種新興的城市軌道交通系統,線路適應性強、環(huán)保、乘坐舒適,我國已在核心技術方面實現重大突破,具有獨立自主知識產權,可實現工程國產化,具有十分廣闊的應用前景,北京、深圳已開展相關工程的前期工作。

軌道結構設計以理論研究為基礎,借鑒日本運營線路工程經驗,總結分析國內各試驗線數年來試驗情況,形成了相應的設計原則、技術標準和各階段主要設計內容。唐山試驗線的實踐表明,軌道結構設計能滿足中低速磁浮軌道交通工程的整體需求,是安全可靠的。

近年來,筆者參與了唐山中低速磁浮試驗的工程設計、中低速磁浮設計暫行規(guī)范編制(北京控股磁懸浮技術發(fā)展有限公司企業(yè)規(guī)范)、中低速磁浮線路工程優(yōu)化設計和測試研究(國家“十一五”課題《中低速磁懸浮交通技術及工程化應用研究》之子課題,2009年完成,2010年 3月通過驗收)等工作,負責其中軌道系統部分。本文總結了筆者參與上述各項中低速磁浮有關工作的經驗,對于軌道系統的構成及設計要點進行了簡要的分析,可為類似工程提供參考。

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