曾國(guó)鋒 袁亦竑 吉 文 葉 豐 高定剛

(同濟(jì)大學(xué)磁浮交通工程技術(shù)研究中心,201804,上海∥第一作者,副研究員)

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研究報(bào)告

長(zhǎng)沙中低速磁浮工程的道岔設(shè)計(jì)與調(diào)試

曾國(guó)鋒 袁亦竑 吉 文 葉 豐 高定剛

(同濟(jì)大學(xué)磁浮交通工程技術(shù)研究中心,201804,上海∥第一作者,副研究員)

道岔是實(shí)現(xiàn)中低速磁浮列車換線的關(guān)鍵設(shè)備。以上海臨港中低速磁浮試驗(yàn)線道岔為原型,結(jié)合長(zhǎng)沙中低速磁浮項(xiàng)目的特殊需要,設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)完成了道岔的施工圖設(shè)計(jì)工作,并全過程配合制造、安裝和系統(tǒng)調(diào)試。介紹了長(zhǎng)沙中低速磁浮項(xiàng)目中道岔的工程實(shí)踐,包括道岔的結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)走行、鎖定和電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、驗(yàn)證和調(diào)試,并對(duì)未來新建中低速磁浮項(xiàng)目道岔提出進(jìn)一步優(yōu)化的設(shè)想。

長(zhǎng)沙；中低速磁浮線; 道岔

Author′s address Maglev Transportation Engineering R & D Center,Tongji University,201804,Shanghai,China

長(zhǎng)沙中低速磁浮線從長(zhǎng)沙黃花機(jī)場(chǎng)到長(zhǎng)沙高鐵南站,線路全長(zhǎng)18.55 km,2014年5月開工建設(shè),2015年12月26日投入試運(yùn)行。2014年10月,同濟(jì)大學(xué)磁浮交通工程技術(shù)研究中心(以下簡(jiǎn)稱“磁浮中心”)研究團(tuán)隊(duì)承擔(dān)了長(zhǎng)沙中低速磁浮項(xiàng)目道岔施工圖設(shè)計(jì),并制造了一套電氣控制柜,用于道岔的廠內(nèi)調(diào)試。磁浮中心對(duì)道岔的研究始于2005年底,2006年研制出了我國(guó)第一組三節(jié)段定心式中低速磁浮道岔,并系統(tǒng)地提出結(jié)構(gòu)、機(jī)械和電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求和詳細(xì)的技術(shù)方案,解決了低速磁浮道岔線形、驅(qū)動(dòng)原理、結(jié)構(gòu)型式、驅(qū)動(dòng)和走行系統(tǒng)、控制及其與運(yùn)行控制系統(tǒng)接口等一系列技術(shù)難題。磁浮中心所開發(fā)的道岔長(zhǎng)32.646 m,安裝在上海臨港中低速磁浮試驗(yàn)線上。針對(duì)道岔性能的各項(xiàng)試驗(yàn)和測(cè)試表明,該道岔已基本達(dá)到了工程應(yīng)用的水平。

根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行要求,長(zhǎng)沙中低速磁浮項(xiàng)目共設(shè)置了9組道岔,其中,三開道岔2組,兩開道岔7組。經(jīng)過單獨(dú)調(diào)試和系統(tǒng)聯(lián)調(diào),目前，道岔工作可靠,列車通過性能良好。

1 總體設(shè)計(jì)

中低速磁浮道岔為三段定心式,是結(jié)構(gòu)、機(jī)械和控制一體化的設(shè)備。道岔主要由垛梁、一段主動(dòng)梁(跨中有豎向支承的雙跨連續(xù)鋼梁)、第一和第二兩段從動(dòng)梁(簡(jiǎn)支鋼梁),以及安裝于梁上翼緣的F軌組成。主梁和兩段從動(dòng)梁都有一個(gè)固定于地面的轉(zhuǎn)動(dòng)中心,故而得名三段定心式。由于道岔處于側(cè)線位時(shí)為折線形,為了減小相鄰梁段間的相對(duì)轉(zhuǎn)角以提高列車的通過性能,梁段之間設(shè)置了用于減小梁段間折角的角平分裝置(見圖1)。為了保證道岔轉(zhuǎn)轍到位后與岔后線路之間的連接精度,在道岔的活動(dòng)端設(shè)置了可調(diào)節(jié)的過渡裝置。

道岔在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用下轉(zhuǎn)轍到位后,由鎖定系統(tǒng)可靠地鎖定于地面鎖銷座上,從而保證列車安全通過。道岔的轉(zhuǎn)轍精度、可靠性由控制系統(tǒng)保證?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)上位信號(hào)系統(tǒng)的指令執(zhí)行轉(zhuǎn)轍動(dòng)作,保證道岔精確到位和可靠鎖定,并將道岔當(dāng)前狀態(tài)反饋給上位的信號(hào)系統(tǒng),從而保證列車的安全和正點(diǎn)運(yùn)行。左開道岔總體布置如圖1所示。設(shè)計(jì)荷載及組合按照《長(zhǎng)沙磁浮交通工程設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》以及《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》的相關(guān)要求執(zhí)行。

圖1 左開道岔總體布置圖

根據(jù)長(zhǎng)沙中低速磁浮項(xiàng)目的特點(diǎn),由總包單位牽頭,車輛、信號(hào)、道岔各專業(yè)經(jīng)過反復(fù)討論確定了道岔的設(shè)計(jì)的主要要求指標(biāo)(見表1)。設(shè)計(jì)荷載及組合按照《長(zhǎng)沙磁浮交通工程設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》以及《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》的相關(guān)要求執(zhí)行。

表1 長(zhǎng)沙中低速磁浮項(xiàng)目道岔主要技術(shù)指標(biāo)

作為商業(yè)運(yùn)營(yíng)項(xiàng)目,長(zhǎng)沙中低速磁浮項(xiàng)目的應(yīng)用環(huán)境和使用要求畢竟非試驗(yàn)線可比,系統(tǒng)參數(shù)也與上海臨港試驗(yàn)線存在較大的差別,因此,利用三維建模技術(shù)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì),對(duì)機(jī)構(gòu)動(dòng)作、部件干涉性和列車限界進(jìn)行了詳細(xì)的分析,尤其是對(duì)以下幾方面進(jìn)行了全面的調(diào)整和優(yōu)化。

(1) 道岔梁。本次道岔設(shè)計(jì)工作開始時(shí)線路和結(jié)構(gòu)已經(jīng)進(jìn)入施工圖設(shè)計(jì)階段,給道岔留下的建筑高度只有2.8 m。由于長(zhǎng)沙中低速磁浮項(xiàng)目列車測(cè)速定位采用計(jì)數(shù)軌枕的虛擬計(jì)軸方式,因此需要在道岔上設(shè)置“虛擬”軌枕,且軌枕面以下200 mm范圍內(nèi)不能有金屬物。為了避免因道岔建筑高度調(diào)整對(duì)整個(gè)線路軌道系統(tǒng)的影響,在設(shè)計(jì)過程中采取的方案是:保持主動(dòng)梁高度不變,將端部從動(dòng)梁支承降低200 mm,將從動(dòng)梁加高200 mm,并相應(yīng)地調(diào)整二者之間的支承和連桿裝置。經(jīng)過對(duì)結(jié)構(gòu)、機(jī)械和走行部進(jìn)行全面的核算,確定該方案可行,這樣就“偷”出了虛擬軌枕所需的空間。

(2) 提高列車通過的平穩(wěn)性。由于道岔采用折線形式,角平分裝置和過渡裝置實(shí)際上就是搭接于相鄰梁段上的一小段F軌,不僅與相鄰梁段的剛度相比差異非常大,而且為了實(shí)現(xiàn)兩者之間的靈活轉(zhuǎn)動(dòng),它們與相鄰梁段之間的約束也很弱,因此,角平分裝置和過渡裝置成為道岔的薄弱環(huán)節(jié),會(huì)對(duì)列車懸浮控制穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。道岔的活動(dòng)端與垛梁之間的過渡裝置處于列車進(jìn)出道岔的關(guān)鍵位置,因此在本設(shè)計(jì)中增加了豎向支撐(見圖2)。這樣既可以調(diào)整高度以適應(yīng)線路高差,又能夠在調(diào)整后鎖定,有效防止了搭接設(shè)計(jì)可能導(dǎo)致的因軌道跳動(dòng)造成的對(duì)懸浮穩(wěn)定性的影響。

圖2 道岔活動(dòng)端過渡裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)效果圖

(3) 提高轉(zhuǎn)轍效率。與試驗(yàn)線不同,用于長(zhǎng)沙中低速磁浮項(xiàng)目的道岔必須滿足15 s轉(zhuǎn)轍時(shí)間要求,否則就會(huì)對(duì)運(yùn)輸組織造成影響。因此,在設(shè)計(jì)中對(duì)橫移電機(jī)和減速箱的設(shè)計(jì)參數(shù)、鎖銷電機(jī)推桿和鎖銷機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,并通過反復(fù)比選確定了設(shè)備參數(shù)和型號(hào)。

(4) 與總體設(shè)計(jì)單位和信號(hào)系統(tǒng)供貨商密切配合,使控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)滿足信號(hào)系統(tǒng)的接口要求,明確雙方的通信方式和協(xié)議。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

道岔梁結(jié)構(gòu)主要包括主動(dòng)梁、從動(dòng)梁、垛梁等部分。道岔鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),進(jìn)行了多種荷載組合工況下的強(qiáng)度和剛度校核。計(jì)算表明,各梁段應(yīng)力和變形均較小,道岔梁結(jié)構(gòu)均采用Q235-C級(jí)鋼材。各梁段在各工況下的應(yīng)力均較小。在最不利狀況下,考慮恒載(含支座沉降)+列車豎向動(dòng)力作用+風(fēng)力+溫度組合,主動(dòng)梁最大應(yīng)力75.781 MPa。表2為試驗(yàn)時(shí)的主要荷載組合。表3為道岔梁的主要技術(shù)指標(biāo)。圖3為道岔梁典型斷面。

表2 主要荷載組合

表3 道岔梁主要技術(shù)指標(biāo)

圖3 道岔梁典型斷面

2015年8月,在道岔出廠前對(duì)首組道岔進(jìn)行了靜載試驗(yàn),靜變形與設(shè)計(jì)值相吻合。2015年10月1日,對(duì)列車通過道岔時(shí)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的測(cè)試表明,列車空載狀態(tài)下,主動(dòng)梁跨中最大動(dòng)變形僅0.7 mm,動(dòng)力系數(shù)小于1.1,頻率為19 Hz。由于當(dāng)時(shí)列車懸浮參數(shù)并未調(diào)試完成,因此，當(dāng)列車通過主動(dòng)梁時(shí),存在個(gè)別點(diǎn)懸浮不穩(wěn)定的情況,梁的最大加速度達(dá)到5g。

為了試驗(yàn)質(zhì)量阻尼的效果,在主動(dòng)梁兩跨中分別堆放了1.5 t沙袋,測(cè)得列車通過時(shí)主動(dòng)梁最大加速度小于1g,效果顯著。目前,已更換為阻尼器裝置。

3 驅(qū)動(dòng)和鎖定系統(tǒng)設(shè)計(jì)

道岔的轉(zhuǎn)轍時(shí)間直接影響列車到發(fā)車間隔,長(zhǎng)沙中低速磁浮系統(tǒng)要求的轉(zhuǎn)轍時(shí)間為15 s。道岔的轉(zhuǎn)轍動(dòng)作包括:接受信號(hào)—解鎖—橫移—鎖定—發(fā)出表示信號(hào)。

道岔的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(見圖4a))主要由曲柄搖桿、減速電機(jī)、滑槽、臺(tái)車組成,依據(jù)道岔轉(zhuǎn)轍時(shí)間要求,橫移過程約為7 s;根據(jù)曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)角度,可求出轉(zhuǎn)速為0.449 rad/s。采用四極電機(jī)驅(qū)動(dòng),總減速比為336。該傳動(dòng)比采用一個(gè)齒輪箱難以實(shí)現(xiàn),故采用兩級(jí)減速箱實(shí)現(xiàn)總減速比的要求。一級(jí)減速比約為11,二級(jí)減速比約為30。

在計(jì)算電機(jī)功率時(shí)主要考慮走行臺(tái)車車輪的運(yùn)行阻力、橫向風(fēng)力和道岔梁慣性力的作用。通過計(jì)算,選用SEW減速器。為了保證電機(jī)有足夠的安全裕度,一級(jí)減速器選用規(guī)格為:功率11 kW,輸出轉(zhuǎn)速133 r/min,速比9.29,輸出扭矩為790 Nm,輸出端允許的徑向負(fù)載為14 600 N。二級(jí)減速器速比為32.36,額定輸出轉(zhuǎn)矩為54.2 kNm。

道岔的鎖定系統(tǒng)(見圖4b))利用主動(dòng)梁兩端的兩套鎖銷裝置實(shí)現(xiàn)道岔梁的定位,其可靠性直接影響著列車的安全和平穩(wěn)運(yùn)行,為了縮短轉(zhuǎn)轍時(shí)間,需盡可能提高鎖定的速度。根據(jù)鎖銷的行程和鎖定時(shí)間要求,選用功率為2.2 kW的Power Jacks電動(dòng)推桿,其標(biāo)稱速度為99.5 mm/s。經(jīng)計(jì)算,電動(dòng)推桿到位時(shí)間約為3.4 s,比上海臨港試驗(yàn)線道岔鎖定和解鎖時(shí)間縮短了約1 s。

根據(jù)所選定的驅(qū)動(dòng)和鎖定電機(jī)參數(shù),道岔的動(dòng)作時(shí)序如表4所示,總轉(zhuǎn)轍時(shí)間滿足系統(tǒng)要求。

表4 道岔動(dòng)作時(shí)序分配表

圖4 驅(qū)動(dòng)和鎖定裝置

4 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電氣控制系統(tǒng)按照信號(hào)系統(tǒng)的指令完成道岔的轉(zhuǎn)轍控制,并診斷道岔狀態(tài),反饋故障信息。電氣控制系統(tǒng)采用單機(jī)獨(dú)立控制,每套設(shè)備均通過單獨(dú)的繼電接觸器控制方式控制道岔的轉(zhuǎn)轍過程。狀態(tài)監(jiān)測(cè)PLC(可編程邏輯控制器)采集信號(hào),判斷故障,通過RS485總線與信號(hào)系統(tǒng)通信。

道岔有集中、本地兩種控制模式。本地控制模式需經(jīng)信號(hào)系統(tǒng)授權(quán),其又分為本地聯(lián)動(dòng)、本地單動(dòng)和本地手動(dòng)控制。

在集中控制模式下,由信號(hào)系統(tǒng)控制實(shí)現(xiàn)道岔的轉(zhuǎn)轍。信號(hào)系統(tǒng)向道岔控制系統(tǒng)發(fā)出轉(zhuǎn)轍指令,道岔控制系統(tǒng)自動(dòng)完成解鎖、橫移和鎖定,當(dāng)轉(zhuǎn)轍到位后,向信號(hào)系統(tǒng)輸出位置表示信號(hào)。

在本地聯(lián)動(dòng)或單動(dòng)模式下,操作人員利用控制柜上的開關(guān)和按鈕發(fā)出指令,使道岔自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)或單步操作,并在到位后向上位信號(hào)系統(tǒng)反饋位置表示信號(hào);本地手動(dòng)控制一般僅用于道岔失電的緊急情況,用于維修和調(diào)試時(shí),必須確保道岔電源處于切斷狀態(tài)。

道岔控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)遵循以下原則:

(1) 遵循“故障—安全”原則,確保輸出信號(hào)的唯一性和正確性。

(2) 道岔控制電路對(duì)道岔控制動(dòng)作進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),檢測(cè)電路采用PLC及I/O(輸入/輸出)模塊,能夠記錄道岔所有操作。

(3) 道岔控制裝置具有完善的電氣安全保護(hù)功能,并設(shè)有故障顯示信號(hào)。

(4) 道岔控制裝置中的所有采樣點(diǎn),均采用雙元件,確保道岔控制的安全可靠。

(5) 與信號(hào)系統(tǒng)之間設(shè)有可靠的授權(quán)、收權(quán)聯(lián)鎖電路,確保系統(tǒng)安全。

道岔控制系統(tǒng)的電氣設(shè)備主要由電源、傳動(dòng)控制、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、到位檢測(cè)及信號(hào)系統(tǒng)接口等組成。

(1) 電源。供電采用雙電源自動(dòng)切換,需要提供一路正常的供電電源和一路應(yīng)急供電電源。正常供電電源出現(xiàn)故障時(shí),自動(dòng)切換到應(yīng)急供電電源。雙電源自動(dòng)切換裝置輸出分為兩路,一路用于電機(jī)主回路,一路用于UPS(不間斷電源)。在臨時(shí)斷電時(shí),UPS能夠保證繼電控制回路與PLC系統(tǒng)的正常運(yùn)行,保證道岔系統(tǒng)與上位信號(hào)系統(tǒng)通信的通暢。繼電控制回路DC 24 V電源也采用雙電源并聯(lián)方式供電,通過直流冗余模塊給控制回路供電。當(dāng)一路電源出現(xiàn)故障時(shí),另外一路電源仍能保證控制回路正常工作。

(2) 傳動(dòng)控制。電機(jī)控制的主回路傳動(dòng)系統(tǒng)由斷路器、正反轉(zhuǎn)接觸器、熱繼電器組成。在電機(jī)過載或短路時(shí),熱繼電器及斷路器起到相應(yīng)的過載保護(hù)和短路保護(hù)功能。為了提高系統(tǒng)可靠性,各電機(jī)的供電主回路均采用冗余設(shè)計(jì)。

(3) 狀態(tài)監(jiān)測(cè)。電機(jī)斷路器合閘信號(hào)、供電正常信號(hào)、熱繼狀態(tài)及行程開關(guān)檢測(cè)的狀態(tài)信息等都通過數(shù)字量輸入模板采集到PLC系統(tǒng)內(nèi),由PLC綜合判斷、診斷,給出故障信息并發(fā)給信號(hào)系統(tǒng)。

(4) 到位檢測(cè)。利用行程開關(guān)進(jìn)行道岔動(dòng)作到位檢測(cè)。全部行程開關(guān)均采用雙重檢測(cè)元件,常開常閉全部為雙觸點(diǎn)檢測(cè)并參與聯(lián)鎖控制。

(5) 與信號(hào)系統(tǒng)接口。道岔系統(tǒng)與上位信號(hào)系統(tǒng)的接口有兩種方式?？刂泼畹膫鬏敳捎脽o源接點(diǎn)硬線連接方式,包括定位操縱給定信號(hào)、反位操縱給定信號(hào)、電源鎖定信號(hào)、現(xiàn)地控制信號(hào)。道岔反饋信息包括操作模式、現(xiàn)地控制請(qǐng)求、故障狀態(tài)及行程開關(guān)的狀態(tài)信號(hào)。采用安全型繼電接口電路,接口雙方均應(yīng)對(duì)無源接點(diǎn)、雙斷回路進(jìn)行設(shè)計(jì)。為提高接口的安全性和可靠性,關(guān)鍵信號(hào)接口電路采用必要的安全冗余措施。監(jiān)測(cè)PLC則通過總線方式將設(shè)備和元件的狀態(tài)傳遞給信號(hào)系統(tǒng)。

5 調(diào)試與聯(lián)調(diào)

磁浮中心協(xié)助制訂了調(diào)試和聯(lián)調(diào)方案,并有專業(yè)工程師現(xiàn)場(chǎng)全過程配合調(diào)試工作。道岔的調(diào)試過程包括單調(diào)和聯(lián)調(diào)(集中控制、監(jiān)測(cè)系統(tǒng))。磁浮中心設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)軟件在道岔的調(diào)試過程起到了非常重要的作用。為了檢驗(yàn)道岔動(dòng)作控制的可靠性,對(duì)首組道岔進(jìn)行了3 000次連續(xù)轉(zhuǎn)轍試驗(yàn)。磁浮中心制造的電柜于2015年8月初運(yùn)抵長(zhǎng)沙工廠,用于廠內(nèi)調(diào)試。試驗(yàn)表明,道岔轉(zhuǎn)轍、鎖定和動(dòng)作控制系統(tǒng)性能可靠,轉(zhuǎn)轍時(shí)間達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。

6 結(jié)語

截至目前的各項(xiàng)性能試驗(yàn)和調(diào)試情況表明,長(zhǎng)沙中低速磁浮線道岔的設(shè)計(jì)滿足系統(tǒng)要求，道岔的轉(zhuǎn)轍和鎖定可靠,轉(zhuǎn)轍時(shí)間及承載能力滿足要求,列車通過平穩(wěn)。通過本次面向工程應(yīng)用開展的道岔設(shè)計(jì)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試中積累的經(jīng)驗(yàn),對(duì)未來新建中低速磁浮項(xiàng)目的道岔工程具有重要的指導(dǎo)意義。

由于長(zhǎng)沙中低速磁浮項(xiàng)目工期緊張,在調(diào)試過程中雖然通過安裝阻尼器改善了列車通過性能。但仍有必要在深入研究列車懸浮系統(tǒng)控制-反饋機(jī)理的基礎(chǔ)上,綜合考慮由于軌道不平順、剛度突變等因素對(duì)懸浮控制系統(tǒng)的擾動(dòng)及其在不同控制回路之間、懸浮磁鐵之間的傳遞和相互影響,從而真正解決列車過岔的振動(dòng)問題。此外,根據(jù)在配合道岔安裝和調(diào)試的過程中獲得的經(jīng)驗(yàn),磁浮中心設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)認(rèn)為仍有必要在后續(xù)過程中進(jìn)一步提高工藝性能。例如，盡可能降低對(duì)現(xiàn)場(chǎng)安裝的要求,增加確定不同梁段之間、上下部結(jié)構(gòu)之間關(guān)系的安裝基準(zhǔn)和鎖銷定位基準(zhǔn),不僅能夠提高現(xiàn)場(chǎng)安裝效率,保證安裝精度,還將為工程驗(yàn)收中的復(fù)檢提供條件。

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Design and Debugging of Guideway Switch for Medium and Low-speed Maglev in Changsha CityZENG Guofeng, YUAN Yihong, JI Wen, YE Feng, GAO Dinggang

Guideway switch is the key equipment in the track system of medium and low-speed maglev for line change. Based on the prototype guideway switch developed for the low-speed maglev test line in Shanghai Lingang Area, and according to the special requirements of Changsha project, the design team has completed the design of guideway switch construction drawing, provided technical support during the process of manufacture, installation and united system debugging. In this article, the project engineering is introduced, including the structure scheme of guideway switch, the driving and shifting system, the control and interfaces with the operation control system. Further optimization of the guideway switch in future construction of low speed maglev project is also put forward.

Changsha; medium and low-speed maglev; guideway switch

U 213.6: U237

10.16037/j.1007-869x.2016.05.010

2016-02-12)