周文

中國鐵建重工集團股份有限公司交通裝備研究設計院，長沙 410100

中低速磁浮交通列車運行時，懸浮于軌道上方約8 mm處，車軌無接觸，只受空氣阻力。與輪軌交通列車相比，磁浮交通列車黏著運行阻力要小得多，具有曲線通過性好、爬坡能力強、噪聲小等優(yōu)勢，可在我國很多城市推廣使用，特別是中小運量城市高架軌道線路、旅游景區(qū)交通線路等［1-3］。

我國首條中低速磁浮交通運營線長沙磁浮快線及北京S1線設計速度為100 km∕h，與地鐵運行速度相當。為滿足市郊乘客無須換乘直接到達城市中心區(qū)的出行需求，有必要研究時速更高的中速磁浮交通。目前，關于160 km∕h中速磁浮交通技術的研究已經(jīng)展開。中速磁浮交通既滿足市域和城際軌道交通較快速的運行需求，又滿足環(huán)境友好的市內(nèi)軌道交通的運行要求。

磁浮道岔是引導列車換線運行的線路設備，采用整體移梁節(jié)段式鋼梁結構。由于鋼梁結構自身阻尼比很低，在磁浮列車道岔耦合激勵下容易產(chǎn)生振動，上海高速磁浮、長沙磁浮快線在調(diào)試初期都曾出現(xiàn)振動過大的問題［4-5］。160 km∕h中速磁浮車岔耦合作用更強，磁浮道岔減振設計難度更大。本文通過分析磁浮道岔共振產(chǎn)生的原因，在長沙磁浮快線道岔的基礎上研究道岔減振設計方案，并建立有限元模型，對優(yōu)化后的中速磁浮道岔進行了靜強度分析、模態(tài)分析以及車輛道岔耦合振動分析。

1 道岔減振設計方案

160 km∕h中速磁浮技術基于100~120 km∕h中低速磁浮技術進行提速，列車驅動系統(tǒng)仍采用短定子直線電機，磁浮道岔結構形式仍為三段定心式。磁浮道岔系統(tǒng)組成如圖1所示。磁浮道岔自振特性是引起磁浮車輛道岔共振的重要原因之一。根據(jù)車軌耦合振動特性，磁浮車輛懸浮架和軌道梁發(fā)生劇烈耦合振動的原因是懸浮架自激振動激發(fā)了軌道梁固有頻率，使二者振動相耦合［6-7］。因此，優(yōu)化道岔系統(tǒng)自振特性是160 km∕h中速磁浮道岔減振設計的關鍵。

圖1 磁浮道岔系統(tǒng)

1.1 提高道岔結構剛度均勻化程度

為了減小列車側向過道岔時對中低速磁浮道岔的沖擊力，在鋼梁之間設有角平分裝置。長沙磁浮快線道岔角平分裝置由連接梁、虛擬軌和兩支短F形導軌通過扭剪螺栓組合而成，如圖2（a）所示。角平分裝置F形導軌搭接在道岔梁F形導軌上，連接梁、虛擬軌不直接承受荷載。由于角平分裝置質量輕、豎向剛度小，在車輛動態(tài)磁浮力作用下容易引起局部過大振動，進而引起整車出現(xiàn)過大振動。160 km∕h中速磁浮道岔將角平分裝置設計為短梁結構進行優(yōu)化，如圖2（b）所示。優(yōu)化后列車荷載作用在整個角平分裝置上，而不是角平分裝置與道岔梁F形導軌搭接處，使得角平分裝置整體剛度大大增加，進而提高道岔結構剛度均勻化程度。

圖2 角平分裝置優(yōu)化前后對比

1.2 增加道岔梁約束和阻力

中低速磁浮道岔由鎖定裝置對道岔梁進行限位，保證車輛通過道岔時的運行安全，如圖3所示。鎖定限位精度由直插銷與插銷座來保證，導向輪上端面與基座之間設有1 mm的間隙，以便鎖定解鎖過程中導向輪能自由轉動。中低速磁浮道岔從動梁通過支撐鉸支撐在主動梁上，滑塊與支撐座之間存在約1 mm的間隙（圖4），以便于從動梁與主動梁在道岔轉轍過程中能夠自由轉動。可見，道岔梁下方有臺車進行支撐，與臺車之間無間隙；而在上方存在前述兩種1 mm間隙，在磁浮列車激勵下，道岔容易產(chǎn)生振動。

圖3 中低速磁浮道岔鎖定裝置

圖4 優(yōu)化前的中低速磁浮道岔支撐鉸座

針對上述情況，從增加道岔梁約束和阻力方面對160 km∕h中速磁浮道岔進行下列優(yōu)化：①增加臺車限位裝置（圖5），使得道岔轉轍到位時能夠完全消除道岔梁由于導向輪上端面與基座之間的1 mm間隙而產(chǎn)生的向上活動空間；②臺車限位裝置設有橡膠墊板，為道岔提供減振阻力；③在滑塊與支撐座之間增設調(diào)整墊片，以消除二者的間隙（圖6），并確保從動梁與主動梁在道岔轉轍過程中的自由轉動。

圖5 臺車限位裝置三維圖

圖6 優(yōu)化后的支撐鉸座

1.3 改變道岔梁自振特性

長沙磁浮快線道岔通過安裝豎向質量液體雙調(diào)諧阻尼器解決車岔共振問題［4］。未安裝阻尼器時，道岔梁的主振動頻率為17.875 Hz，與磁浮車輛自振頻率比較接近，故調(diào)試初期產(chǎn)生了較大共振。因此，可以對道岔梁結構進行優(yōu)化，在不使用阻尼器條件下，使道岔梁的豎向自振頻率避開車輛的自振頻率，從而降低道岔制造及運營維修成本。

道岔梁結構具體優(yōu)化方案為：梁高由1.4 m增加到1.8 m，梁的腹板厚度由16 mm改為20 mm；主動梁由3臺車支撐改為2臺車支撐。

2 有限元分析

為了驗證道岔梁結構優(yōu)化方案的減振效果，利用有限元軟件，采用尺寸為20 mm的實體單元建立有限元模型，通過數(shù)值模擬，對優(yōu)化后的中速磁浮道岔進行靜強度分析、模態(tài)分析以及車輛道岔耦合振動分析。材料計算參數(shù)為：彈性模量210 GPa，泊松比0.3，密度7 850 kg∕m3。

2.1 靜強度分析

在約束位置施加位移約束，對道岔梁施加1.25倍的額定荷載，計算主動梁的豎向變形和主動梁彎曲應力。計算結果顯示，主動梁最大豎向撓度出現(xiàn)在跨中處，幅值為3.89 mm，與廠內(nèi)靜荷載（荷載形式與幅值均相同）試驗得到的跨中撓度4.30 mm接近，并滿足撓度不大于L∕3 800（L為梁跨度；本道岔計算結果為4.78 mm）的限值要求［8］。

2.2 模態(tài)分析

主動梁約束模態(tài)下前6階頻率見表1，振型見圖7?？芍褐鲃恿簷M向剛度小，第1階模態(tài)振型為橫向彎曲，頻率為7.97 Hz；車輛道岔共振豎向振動模態(tài)出現(xiàn)在第2階，頻率為12.36 Hz，有效地避開了車輛激振頻率，避免了磁浮車輛過道岔時產(chǎn)生共振。

表1 主動梁約束模態(tài)

圖7 主動梁約束模態(tài)振型

2.3 車輛道岔耦合振動分析

對道岔主動梁的梁單元模型進行模態(tài)分析，得到道岔主動梁的子結構文件和模態(tài)計算結果文件，通過多體動力學軟件與有限元接口程序生成彈性體輸入文件，生成用于動力學仿真計算的磁浮車輛-道岔主動梁剛柔耦合分析模型，如圖8所示。

圖8 磁浮車輛-道岔主動梁剛柔耦合分析模型

計算磁浮車輛各運行速度級下車輛道岔耦合振動時道岔主動梁中心的動力響應，結果見圖9。

圖9 不同車速下主動梁中心動力響應

由圖9可知：磁浮車輛的運行速度對道岔主動梁的垂向位移影響不大，最大垂向位移不到2.50 mm，遠小于道岔主動梁4.78 mm的垂向撓度要求，滿足道岔主動梁的撓度設計要求，并且留有充足的余量；磁浮車輛的運行速度對道岔主動梁中心的垂向振動加速度的影響比較大，尤其是在100 km∕h速度左右范圍內(nèi)存在共振現(xiàn)象，振動加速度最大值接近0.5 m∕s2，但遠小于鐵路橋梁設計標準中3.5 m∕s2的要求［9］。

3 結論

本文通過分析中速磁浮道岔容易產(chǎn)生車輛道岔共振的原因，提出了160 km∕h中速磁浮道岔減振設計方案。通過提高角平分裝置豎向剛度來提高道岔結構剛度均勻化程度；通過設置臺車限位結構、消除道岔梁支撐鉸座滑塊與支撐座間的間隙及鎖定裝置導向輪與基座間的間隙來增加道岔梁約束和阻力；通過調(diào)整道岔梁的截面形式和支撐數(shù)量來改變道岔梁的自振特性。建立實體有限元模型，對優(yōu)化后的中速磁浮道岔進行靜強度分析、模態(tài)分析以及車輛道岔耦合振動分析。得到以下結論：

1）通過增加梁高和腹板厚度，并將主動梁3臺車支撐減少為2臺車，使得道岔主動梁的豎向1階自振頻率降低到12.36 Hz，有效避開了車輛自振頻率和磁浮調(diào)整頻率，達到了優(yōu)化設計要求。

2）磁浮車輛道岔耦合振動分析表明，優(yōu)化后磁浮車輛以不高于160 km∕h通過道岔時，道岔梁垂向振動加速度小于0.5 m∕s2，滿足標準要求，減振效果良好。