朱志偉

（上海磁浮交通發(fā)展有限公司，201204，上?！喂こ處煟?/p>

電機(jī)驅(qū)動(dòng)、齒輪齒條傳動(dòng)的高速磁浮線高速道岔由主梁、驅(qū)動(dòng)走行和鎖銷系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)組成。如圖1所示，道岔主梁是一根長度為148.608 m可彈性側(cè)彎的鋼梁，由0號(hào)固定支點(diǎn)和1～8號(hào)活動(dòng)支點(diǎn)支承；驅(qū)動(dòng)走行和鎖銷系統(tǒng)設(shè)置在活動(dòng)支點(diǎn)上。其中，驅(qū)動(dòng)包含電機(jī)和齒輪齒條，走行包含走行輪和走行軌道。在電控系統(tǒng)指令下，鎖銷解鎖，各支點(diǎn)借助電機(jī)和齒輪齒條提供的動(dòng)力沿著走行軌道向目標(biāo)位置靠近；與此同時(shí)，彈性鋼梁發(fā)生側(cè)彎并在到達(dá)目標(biāo)位置后由鎖銷鎖定。

高速道岔目標(biāo)位置線形如圖2所示，其側(cè)線線形由“直線—回旋曲線—圓曲線—回旋曲線—直線”組成，支點(diǎn)0、2、6、8位置分別為直緩點(diǎn)、緩圓點(diǎn)、圓緩點(diǎn)和緩直點(diǎn)。

為保證道岔實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)轍功能并確保道岔在目標(biāo)位置時(shí)保持如圖2所示的線形，道岔各個(gè)活動(dòng)支點(diǎn)均需設(shè)置走行和鎖銷機(jī)構(gòu)，而驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可以選擇性地布置。有驅(qū)動(dòng)的支點(diǎn)稱為主動(dòng)支點(diǎn)，無驅(qū)動(dòng)的支點(diǎn)稱為從動(dòng)支點(diǎn)。道岔轉(zhuǎn)轍過程中，各主動(dòng)支點(diǎn)直接在電機(jī)和齒輪齒條作用下沿著走行軌道運(yùn)行，從動(dòng)支點(diǎn)則處于隨動(dòng)狀態(tài)。由此可見，不同的驅(qū)動(dòng)布置對(duì)主動(dòng)支點(diǎn)到位時(shí)從動(dòng)支點(diǎn)的位置偏差、道岔線形變化、轉(zhuǎn)轍過程的主梁應(yīng)力和驅(qū)動(dòng)力變化等均會(huì)產(chǎn)生不同的影響。而且，驅(qū)動(dòng)的數(shù)量還影響道岔的制造和維護(hù)成本。本文研究的目的旨在確定轉(zhuǎn)轍性能優(yōu)、經(jīng)濟(jì)性好的高速道岔驅(qū)動(dòng)布置方案。

圖1 高速磁浮高速道岔三維模型

圖2 高速磁浮高速道岔的線形

1 高速道岔的模型和加載

圖1所示高速道岔的彈性鋼梁為箱型梁，其主梁高1.7m、寬1.2m。鋼梁在道岔轉(zhuǎn)轍過程中經(jīng)受大的變形，因此，需要采用幾何非線性分析方法進(jìn)行計(jì)算。用ANSYS軟件建立道岔有限元計(jì)算模型，在支點(diǎn)0施加x向、y向、z向位移約束和繞x軸的轉(zhuǎn)動(dòng)約束，在支點(diǎn)1～8施加z向位移約束和繞x軸的轉(zhuǎn)動(dòng)約束；先在主動(dòng)支點(diǎn)加載多步y(tǒng)向位移載荷直至到達(dá)目標(biāo)位置，再借助鎖銷使得所有支點(diǎn)到達(dá)目標(biāo)位置。在具體加載時(shí)，將道岔轉(zhuǎn)轍過程分成16步，前15步為主動(dòng)支點(diǎn)加載，第16步為利用鎖銷調(diào)節(jié)功能實(shí)現(xiàn)所有支點(diǎn)到位。

2 驅(qū)動(dòng)布置方案研究

2.1 布置方案

根據(jù)高速磁浮線低速道岔經(jīng)驗(yàn)，為高速磁浮線高速道岔設(shè)計(jì)了如圖3所示的5種不同的驅(qū)動(dòng)布置方案。

圖3 高速磁浮高速道岔驅(qū)動(dòng)的布置

圖3中，方案1僅設(shè)3個(gè)必要的主動(dòng)支點(diǎn)，方案2～4則分別在方案1的基礎(chǔ)增設(shè)主動(dòng)支點(diǎn)5、6、7，方案5則在方案3的基礎(chǔ)上增設(shè)主動(dòng)支點(diǎn)4。

2.2 各方案的對(duì)比分析

對(duì)圖3所示的不同道岔驅(qū)動(dòng)布置方案下的轉(zhuǎn)轍過程線形變化和支點(diǎn)位置偏差、主梁應(yīng)力變化和主動(dòng)支點(diǎn)驅(qū)動(dòng)力變化進(jìn)行對(duì)比分析。

2.2.1 線形和位置偏差

在不同驅(qū)動(dòng)布置方案下，道岔轉(zhuǎn)轍過程中的線形變化一致。線形變化的典型過程如圖4所示。

圖4 道岔線形變化的典型過程

由圖4可見，道岔轉(zhuǎn)轍過程中線形保持平滑。主動(dòng)支點(diǎn)到位時(shí)，從動(dòng)支點(diǎn)位置略微超出理論位置，需要通過鎖銷調(diào)節(jié)到位。不同的驅(qū)動(dòng)布置方案下，主動(dòng)支點(diǎn)到位時(shí)各從動(dòng)支點(diǎn)位置偏差如圖5所示。

從圖5可以看出，方案1中各從動(dòng)支點(diǎn)的位置偏差最大，最大偏差值達(dá)到165mm；方案2和方案4的從動(dòng)支點(diǎn)位置偏差較大，最大偏差分別為20mm和32mm；方案3和方案5的從動(dòng)支點(diǎn)位置偏差則明顯小于前述的三種方案，最大偏差分別僅為1.5mm和0.6mm。

圖5 各支點(diǎn)位置偏差

2.2.2 轉(zhuǎn)轍過程主梁應(yīng)力分析

不同驅(qū)動(dòng)布置方案下，道岔轉(zhuǎn)轍過程中的主梁應(yīng)力變化趨勢(shì)一致。以方案3為例，主梁應(yīng)力變化過程如圖6所示。

圖6 方案3主梁應(yīng)力隨加載步驟的變化

從圖6可以看出，隨著道岔不斷向側(cè)線目標(biāo)位置靠近，主梁應(yīng)力呈逐步增加的趨勢(shì)。不同方案中，主梁最大應(yīng)力基本一致，為45MPa左右，且均出現(xiàn)在支點(diǎn)6附近。

因受從動(dòng)支點(diǎn)位置偏差的影響，道岔主梁在鎖銷鎖定前后的最大應(yīng)力變化相差較大：方案1支點(diǎn)6位置的最大應(yīng)力變化超過20MPa，方案2和4的最大應(yīng)力變化不到9MPa，而方案3和5的最大應(yīng)力變化不超過0.6MPa。

2.2.3 主動(dòng)支點(diǎn)驅(qū)動(dòng)力分析

道岔轉(zhuǎn)轍過程中，不同方案的驅(qū)動(dòng)力變化趨勢(shì)也一致。以方案3為例，主動(dòng)支點(diǎn)驅(qū)動(dòng)力變化的過程如圖7所示。

圖7 方案3驅(qū)動(dòng)力隨加載步驟的變化

由圖7可見，隨著道岔不斷向側(cè)線目標(biāo)位置靠近，驅(qū)動(dòng)力逐步增加。因驅(qū)動(dòng)布置位置不同，驅(qū)動(dòng)力大小也有明顯的差別：方案1的最大驅(qū)動(dòng)力達(dá)到136kN，其它方案的最大驅(qū)動(dòng)力則在60kN左右。

從上述的計(jì)算和分析可以看出：不同驅(qū)動(dòng)方案下，道岔轉(zhuǎn)轍過程中的線形變化、主梁應(yīng)力變化趨勢(shì)及其最大值、驅(qū)動(dòng)力變化趨勢(shì)基本一致；而主動(dòng)支點(diǎn)到位時(shí)從動(dòng)支點(diǎn)的位置偏差、鎖銷鎖定前后主梁應(yīng)力變化及各主動(dòng)支點(diǎn)最大驅(qū)動(dòng)力，則有明顯差別。方案1的位置偏差最大，應(yīng)力變化和最大驅(qū)動(dòng)力也最大；方案2和方案4其次；方案3和方案5則最小。與方案5相比，方案3的從動(dòng)支點(diǎn)位置偏差僅比方案5大0.9mm，卻能減少一套驅(qū)動(dòng)裝置以及相配套的編碼器、控制柜，可以降低道岔的制造和維護(hù)成本。

2.2.4 鎖銷桿受力和尺寸分析位置偏差對(duì)機(jī)械部件的影響主要在于鎖銷桿的受力和尺寸。通過計(jì)算，支點(diǎn)位置偏差為1.5mm時(shí)，鎖銷桿受力僅比0.6mm時(shí)增加2%。事實(shí)上，鎖銷設(shè)計(jì)允許的位置偏差大于2mm。因此，方案3和方案5的鎖銷設(shè)計(jì)均滿足設(shè)定的技術(shù)要求。

3 結(jié)語

通過運(yùn)用幾何非線性分析對(duì)不同驅(qū)動(dòng)布置方案下的高速磁浮高速道岔轉(zhuǎn)轍過程進(jìn)行對(duì)比分析，可以得到以下結(jié)論：

（1）不同驅(qū)動(dòng)方案下，道岔轉(zhuǎn)轍過程中的線形變化、主梁應(yīng)力變化及驅(qū)動(dòng)力變化的趨勢(shì)基本一致。

（2）不同驅(qū)動(dòng)方案下，主動(dòng)支點(diǎn)到位時(shí)從動(dòng)支點(diǎn)的位置偏差、鎖銷鎖定前后主梁應(yīng)力變化及主動(dòng)支點(diǎn)最大驅(qū)動(dòng)力均有明顯差別。方案1的位置偏差最大，應(yīng)力變化和驅(qū)動(dòng)力變化也最大；方案2和方案4其次；方案3和方案5則最小。

（3）方案3比方案5的從動(dòng)支點(diǎn)位置偏差略大，但不影響鎖銷設(shè)計(jì)，且方案3因少1套驅(qū)動(dòng)裝置可以降低道岔設(shè)備制造和維護(hù)成本。

因此，確定方案3為采用的驅(qū)動(dòng)布置方案。

［1］吳祥明.磁浮列車［M］.上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2003.

［2］張宏君.高速磁浮線路道岔鋼梁位移過程及其數(shù)值分析［J］.城市軌道交通研究，2010（7）：32.