黃冬亮

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 湖北武漢 430063）

1 引言

中低速磁浮作為近年來新型的軌道交通類型，以其噪聲低、轉(zhuǎn)彎半徑小、爬坡能力強(qiáng)、舒適度高等優(yōu)越性能，日益得到人們的關(guān)注，是未來軌道交通新的發(fā)展發(fā)向。接觸軌作為給磁浮列車［1-3］供電及唯一和磁浮列車有接觸的設(shè)備系統(tǒng)，是整個(gè)磁浮線路系統(tǒng)工程的重要部分，關(guān)系到列車取流的可靠性和安全性［4-6］。

磁浮線路采用特殊的軌道梁系統(tǒng)，接觸軌安裝在軌道梁上，其接觸軌類型、安裝方式、平面布置與軌道梁密切相關(guān)。而軌-靴受流系統(tǒng)需要通過理論仿真研究及調(diào)試檢測(cè)，才能驗(yàn)證能否滿足磁浮列車的取流需求。

2 磁浮技術(shù)特征

從二十世紀(jì)初人們就開始探索非接觸地面高速交通模式，其中電磁懸浮車和氣墊懸浮車成為科學(xué)家早期研究的兩類主要新型交通工具。20世紀(jì)70年代之后，氣墊懸浮技術(shù)逐漸被淘汰，而電磁懸浮技術(shù)逐漸成熟，成為未來地面高速交通的熱門技術(shù)。到目前為止，磁懸浮列車相繼出現(xiàn)了EMS、EDS和高溫超導(dǎo)磁懸浮等模式。磁懸浮列車技術(shù)的研究與開發(fā)主要集中在德國(guó)和日本。

前者致力于開發(fā)高速EMS磁浮列車，后者既著力開發(fā)高速EDS磁浮列車，也發(fā)展適合城市軌道交通的低速EMS磁浮列車。在其它國(guó)家如英國(guó)、美國(guó)、加拿大、俄羅斯、瑞士、中國(guó)、韓國(guó)等，磁懸浮列車技術(shù)也得到了發(fā)展，但有的得不到本國(guó)政府支持，有的起步較晚，還沒有取得如德國(guó)和日本一樣突出的成果。近幾年來，在德國(guó)和日本相繼開發(fā)出成熟的準(zhǔn)商業(yè)磁浮列車并大力推廣使用后，中國(guó)、韓國(guó)、瑞士以及巴西等國(guó)加大了對(duì)磁浮列車技術(shù)的研究，取得了一些實(shí)質(zhì)性的成果。

磁懸浮列車是現(xiàn)代高科技發(fā)展的產(chǎn)物，其原理是利用電磁力抵消地球引力，通過直線電機(jī)進(jìn)行牽引，使列車懸浮在軌道上運(yùn)行。其研究和制造涉及自動(dòng)控制、電力電子技術(shù)、直線推進(jìn)技術(shù)、機(jī)械設(shè)計(jì)制造、故障監(jiān)測(cè)與診斷等眾多學(xué)科，技術(shù)十分復(fù)雜，是一個(gè)國(guó)家科技實(shí)力和工業(yè)水平的重要標(biāo)志。它與普通輪軌列車相比，具有低噪聲、無污染、安全舒適和高速高效的特點(diǎn)，有著“零高度飛行器”的美譽(yù)，是一種具有廣闊前景的新型交通工具。磁懸浮列車按懸浮方式不同，一般分為推斥型和吸力型兩種，按運(yùn)行速度又有高速和中低速之分。

中低速磁浮系統(tǒng)一般采用短定子直線電機(jī)。短定子直線電機(jī)是將定子繞組安裝在車體的底部，通過向磁浮列車提供變壓變頻的電源，由車上的短定子產(chǎn)生行波磁場(chǎng)；軌道上安置結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單的長(zhǎng)轉(zhuǎn)子，這種結(jié)構(gòu)多用于直線異步牽引電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。列車通過受流靴供電，而高速受流困難使列車運(yùn)行速度、異步電機(jī)的功率因數(shù)及效率均受到限制，因此該系統(tǒng)僅用于中低速小功率短距離的電力牽引。

3 接觸軌受流方式及選型

3.1 受流方式

接觸軌系統(tǒng)根據(jù)受流方式的不同可分為上部接觸受流、下部接觸受流和側(cè)部接觸受流3種方式。

磁浮列車為懸浮系統(tǒng)，走行時(shí)會(huì)發(fā)生橫向、豎向位移。如果采用上部或者下部受流方式，伴隨著列車的運(yùn)行，受流靴也會(huì)產(chǎn)生離線或接觸壓力劇烈變化，導(dǎo)致靴軌燒蝕，增大運(yùn)營(yíng)維護(hù)工作量，降低使用壽命。上部或者下部受流一般用于輪軌系統(tǒng)接觸軌受流方式下的軌道交通形式。

側(cè)部接觸受流方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、對(duì)車輛動(dòng)態(tài)運(yùn)行無干涉、供電可靠性高，并且在降低環(huán)境影響、限界等方面均滿足要求。相比其它兩種受流方式，對(duì)車輛系統(tǒng)影響小。

同時(shí)結(jié)合目前國(guó)內(nèi)主流磁浮列車受流靴的工作形式，中低速磁浮線路宜采用側(cè)部接觸受流方式。

3.2 接觸軌選型

側(cè)部受流接觸軌系統(tǒng)一般由正極接觸軌和負(fù)極接觸軌組成。作為一種較為新穎的受流方式，選擇一種適合接觸軌的結(jié)構(gòu)形式尤為關(guān)鍵。

中低速磁浮正負(fù)極接觸軌布置于軌道梁兩側(cè)，正極側(cè)電壓為DC1500 V，負(fù)極側(cè)電壓為0 V。三維布置如圖1所示。

圖1 正負(fù)極接觸軌三維布置

接觸軌形式根據(jù)其在軌道梁側(cè)面布置的特點(diǎn)，主要采用高度較小的 C形［7］或工形［8］接觸軌，其斷面及主要尺寸如圖2、圖3所示。

圖2 C形接觸軌（單位：mm）

圖3 工形接觸軌（單位：mm）

C形軌高度一般為57～69 mm，工形軌高度為68 mm，主要適用于中低速磁浮軌道梁側(cè)面安裝空間較小的特點(diǎn)。

接觸軌和受流靴接觸面主要是鋼帶的有效受流面寬度，以上類型接觸軌有效面寬度分別為100 mm、75 mm、74 mm。

國(guó)內(nèi)磁浮車輛受流靴寬度一般為60mm，車輛在行駛狀態(tài)的懸浮量為8mm，上下波動(dòng)量不大于±5mm。

綜合以上數(shù)據(jù)，3種類型接觸軌均能達(dá)到受流靴在車輛運(yùn)行時(shí)能在接觸軌的有效受流面內(nèi)，滿足國(guó)內(nèi)磁浮車輛的接觸軌和受流靴的受流需求。

4 軌靴動(dòng)態(tài)仿真分析

4.1 仿真主要內(nèi)容及方法

磁浮車輛采用側(cè)向受流方式，中低速磁浮設(shè)計(jì)時(shí)速一般不大于120 km。相比常規(guī)軌道交通而言，時(shí)速已較高，需要對(duì)接觸軌-受流靴之間的動(dòng)態(tài)接觸運(yùn)行進(jìn)行仿真［9-11］研究。

利用有限元建立接觸軌和受流靴的數(shù)值模型。使用ANSYS軟件，模擬接觸軌-受流靴模型的動(dòng)態(tài)接觸過程，為中低速磁浮工程的接觸軌-受流靴提供設(shè)計(jì)理論依據(jù)。

4.2 模型建立

模擬仿真需要建立受流靴-接觸軌耦合模型，還需要考慮軌面形狀變化的影響，所以采用了面面耦合方式。

在受流靴模型中，需要包含受流靴靴頭的形狀特點(diǎn)，結(jié)合受流靴的實(shí)際結(jié)構(gòu)形式，將其簡(jiǎn)化為質(zhì)量單元。受流靴有限元模型如圖4所示。

圖4 受流靴有限元模型

接觸軌建模中簡(jiǎn)化了軌的截面形狀，將接觸軌的截面簡(jiǎn)化為矩形，通過控制接觸軌的厚度保證與原軌面在接觸方向上具有相同的力學(xué)特性。接觸軌有限元模型如圖5所示。

圖5 接觸軌有限元模型

4.3 仿真結(jié)論

將受流靴模型與三維接觸軌模型使用接觸單元耦合，構(gòu)成軌靴計(jì)算模型，用于軌靴相互作用的動(dòng)力學(xué)分析。

基于以上模型進(jìn)行的3.5 m支撐跨距、100 km/h的仿真車速，顯示軌靴動(dòng)態(tài)接觸壓力在80～160 N之間，如圖6所示。

圖6 3.5 m間距100 km/h車速接觸壓力仿真結(jié)果

仿真結(jié)果顯示在采用本次研究的接觸軌-受流靴組合下，對(duì)于100 km/h的仿真車速，軌靴接觸運(yùn)行良好，動(dòng)態(tài)接觸壓力大于零，沒有出現(xiàn)離線工況。

5 接觸軌絕緣支撐安裝

接觸軌安裝在軌道梁兩側(cè)，絕緣支撐及其結(jié)構(gòu)通過螺栓與軌道梁側(cè)面的預(yù)埋槽道相連。

接觸軌絕緣支架為一種多維度大范圍調(diào)節(jié)裝置，工程適應(yīng)性好。該裝置結(jié)構(gòu)緊湊，零部件少，安裝空間小，一般安裝空間為300～350 mm（DC1500 V供電電壓）。在此安裝空間內(nèi)絕緣子依然可以以X軸為旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行俯仰角±6.5°的調(diào)節(jié)，因此可保證軌道梁在平面曲線區(qū)段F軌超高6°的情況下不需旋轉(zhuǎn)梁體。

C形接觸軌支撐夾持芯在螺栓通過位置開設(shè)弧形條孔，使其可繞X軸實(shí)現(xiàn)俯仰旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)。水平絕緣子下附件（夾持段）位于夾持芯中，可沿其軸線實(shí)現(xiàn)Y向線性調(diào)節(jié)和繞Y軸全周轉(zhuǎn)動(dòng)。整個(gè)水平絕緣支座支架安裝于預(yù)埋槽道的混凝土基礎(chǔ)面，可沿槽道鋪設(shè)方向做大范圍的線性調(diào)節(jié)（見圖7）。

工形接觸軌支撐安裝X軸方向通過L形鋼底座制造角度實(shí)現(xiàn)俯仰旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)；Y向線性調(diào)節(jié)通過絕緣子和L形鋼底座之間的長(zhǎng)孔進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)到位后固定（見圖8）。

圖7 C形接觸軌絕緣支撐安裝

圖8 工形接觸軌絕緣支撐安裝

絕緣支撐裝置主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 絕緣支撐裝置主要技術(shù)參數(shù)

6 接觸軌平面布置

接觸軌平面布置［12］影響因素：接觸軌膨脹接頭補(bǔ)償間隙、環(huán)境溫度、接觸軌線性膨脹系數(shù)。

結(jié)合已有工程經(jīng)驗(yàn)，以上幾個(gè)因素取值如下：

接觸軌膨脹接頭間隙110 mm；環(huán)境溫度最低-12℃，最高接觸軌本體溫度85℃；接觸軌線性膨脹系數(shù)21×10-61/℃。

根據(jù)錨段長(zhǎng)度計(jì)算方法：L＝膨脹接頭補(bǔ)償量/［（最高環(huán)境溫度＋最大載流溫升-最低環(huán)境溫度）×材料線膨脹系數(shù)］，得出接觸軌最大錨段計(jì)算長(zhǎng)度為52 m。

中低速磁浮接觸軌懸掛于軌道梁側(cè)面，軌道梁的伸縮對(duì)接觸軌布置影響較大，一般軌道梁長(zhǎng)度在20～25 m之間，每片梁一端設(shè)固定點(diǎn)，一端設(shè)活動(dòng)支點(diǎn)。為有效避免軌道梁伸縮對(duì)接觸軌熱脹冷縮的影響，選擇將接觸軌中心錨結(jié)設(shè)置于軌道梁的固定端。

結(jié)合錨段設(shè)置原則與磁浮工程預(yù)制軌道梁長(zhǎng)度的配合，接觸軌錨段長(zhǎng)度一般選擇兩片梁長(zhǎng)度。接觸軌平面布置標(biāo)準(zhǔn)錨段見圖9。

圖9 接觸軌標(biāo)準(zhǔn)錨段布置

7 結(jié)束語

本文研究了中低速磁浮工程側(cè)部受流接觸軌技術(shù)特點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際運(yùn)用提出一套適合于中低速磁浮車輛受流要求及可實(shí)施性的接觸軌系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，對(duì)類似中低速磁懸浮工程側(cè)向受流接觸軌方案設(shè)計(jì)具有重要的借鑒和參考意義。