黃 靜
(中鐵二十三局集團軌道交通工程有限公司 上海 201399)
高速磁浮交通系統(tǒng)具有速度快、選線靈活的優(yōu)點,其磨損、維護成本以及對軌道的要求低于高速輪軌,但經(jīng)濟運行速度高于高速輪軌[1]。因此,高速磁浮交通系統(tǒng)具有彌補高速輪軌與航空之間速度空白的潛力,可有效填補300 km/h鐵路交通和800 km/h航空運輸之間的空白,尤其適合相距800~1 500 km大中城市之間的乘客出行[2]。通過高速磁浮交通,可對現(xiàn)行的鐵路和航空客流實現(xiàn)分流,從而改善和提高我國綜合交通系統(tǒng)的運輸質(zhì)量和效率,加強不同城市、不同區(qū)域之間經(jīng)濟、社會和文化聯(lián)系[3]。未來,高速磁浮交通可成為連接我國主要城市經(jīng)濟圈的重要紐帶,市場需求前景廣闊。因此,高速磁浮交通是一種面向未來、適合我國城際高速運輸體系的新型軌道交通工具,適用于我國人口密度大、地域廣闊的基本國情[4]。
由于超導(dǎo)材料具有直流零電阻的特性,在正常運行時,通流電流不會產(chǎn)生焦耳損耗,只有來自于定子諧波磁場會使超導(dǎo)動子磁體產(chǎn)生少量的交流損耗[5]。與常導(dǎo)磁浮系統(tǒng)相比,可以大幅減少電能損耗。同時高溫超導(dǎo)材料的電流密度比常導(dǎo)材料(如銅、鋁)高出一到兩個數(shù)量級,因此體積相同的情況下,磁體可以產(chǎn)生更強的磁場,提高直線電機的推力和懸浮系統(tǒng)的懸浮能力,有效降低對長定子磁場的要求,減小長定子的用線量,減少常導(dǎo)長定子的電阻損耗,降低整個磁懸浮系統(tǒng)的制造和運營成本[6-8]。此外,采用被動懸浮方式,懸浮間隙可以達(dá)到50~100 mm,懸浮系統(tǒng)更加簡單可靠。相對于常導(dǎo)系統(tǒng),高溫超導(dǎo)系統(tǒng)在速度、可靠性、安全等方面具有更大的優(yōu)勢[9-11]。并且,相對于日本山梨測試線采用的低溫超導(dǎo)車載磁體,高溫超導(dǎo)磁體可擺脫對液氦這一戰(zhàn)略資源的依賴。因此,基于二代高溫超導(dǎo)材料的車載磁體在實現(xiàn)懸浮和驅(qū)動方面的優(yōu)勢,加快高溫超導(dǎo)高速磁浮技術(shù)的基礎(chǔ)研究工作,是經(jīng)過一次具有高度創(chuàng)新性的有益嘗試[12]。
未來高速磁浮線路必將面臨更多復(fù)雜多變的線路條件,磁浮軌道梁作為高溫超導(dǎo)磁浮系統(tǒng)運行的載體,對其結(jié)構(gòu)型式展開應(yīng)用研究可為將來發(fā)展工程樣車系統(tǒng)奠定基礎(chǔ),對未來載人高速列車的發(fā)展具有重要的工程意義。因此,為了面向時速600 km以上超高速磁浮交通的工程應(yīng)用,多家單位聯(lián)合研制出一套高溫超導(dǎo)磁浮試驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)車輛運行在207 m的軌道上,軌道兩側(cè)安裝牽引線圈、懸浮線圈、反應(yīng)板(見圖1),并由軌道傳遞牽引力、制動力。所提出的高速磁浮軌道采用雙片倒“T”梁組合成“U”型結(jié)構(gòu)(見圖2),側(cè)壁用于安裝定子線圈,底面作為支撐輪的走行面。本文根據(jù)試驗線路的結(jié)構(gòu)布置形式、軌道功能要求以及其他專業(yè)對線路的條件要求,對倒“T”型磁浮軌道梁的預(yù)制生產(chǎn)技術(shù)展開研究,研究成果可為超導(dǎo)磁浮軌道梁設(shè)計提供參考。
圖1 軌道與車輛橫斷面
圖2 兩片軌道梁組合
車輛驅(qū)動采用高溫超導(dǎo)直線電機,軌道上布置三相無鐵心線圈和8字線圈,車輛上安裝高溫超導(dǎo)磁體。由于8字線圈只鋪設(shè)在懸浮區(qū)域(速度大于10 m/s),因此在軌道兩端都不鋪設(shè)8字線圈。制動反應(yīng)板與8字線圈安裝在同一安裝面。
車輛懸浮通過高溫超導(dǎo)磁體和8字線圈相互感應(yīng)實現(xiàn)。車輛底部設(shè)置支撐輪,用于車輛停車以及低速運行時的支撐;設(shè)置側(cè)向?qū)蜉啠糜谲囕v運行過程中出現(xiàn)故障時的橫向限位。線路結(jié)構(gòu)布置形式見圖3和圖4。
為了保證軌道滿足后續(xù)整車的接口要求,軌道橫向?qū)挾葢?yīng)能適應(yīng)整車的寬度。同時可以根據(jù)需要在已有200 m長度基礎(chǔ)上進行延長(只考慮軌道結(jié)構(gòu),不考慮8字線圈和直線電機長定子線圈),軌道接口可以滿足軌道延長要求。軌道強度應(yīng)能夠承載未來工程樣車的行駛,對軌道功能要求如下:
(1)軌道兩側(cè)安裝長定子直線電機的三相線圈以及8字懸浮/導(dǎo)向線圈,制動反應(yīng)板與8字線圈安裝在同一安裝面(見圖5)。
(2)軌道強度應(yīng)能承載后續(xù)研制整車重量(單車重量30~40 t,每延米重量約1.5 t)及運行要求。
(3)軌道長度范圍為直線段,不設(shè)置彎道或斜坡。
(4)考慮到地基沉降,軌道支座應(yīng)具有一定的垂向高度調(diào)節(jié)能力。
(5)應(yīng)在結(jié)構(gòu)上采取排雨水和雪水的措施。軌道表面不允許出現(xiàn)直徑>500 mm、深度>3 mm的積水區(qū)。
(6)軌道內(nèi)部金屬應(yīng)采用弱磁材料。軌道設(shè)置接地裝置,軌道內(nèi)的金屬材料可通過接地裝置可靠接地。
(7)軌道主體采用混凝土材料。
(8)如圖6所示,根據(jù)安裝接口要求,軌道上埋設(shè)安裝電機定子線圈、8字線圈、緊急制動反應(yīng)板、測速定位的結(jié)構(gòu)件。結(jié)構(gòu)件采用弱磁或不導(dǎo)磁材料。
圖6 結(jié)構(gòu)部件安裝部位(單位:mm)
(9)軌道設(shè)計應(yīng)充分考慮溫度差可能造成的軌道變形。
(10)軌道不設(shè)置道岔,試驗段軌道采用平直路段+凹陷路段+平直路段+檢修區(qū)組成,安裝部位根據(jù)試驗需要進行調(diào)整。
(1)振動:振幅X、Y 向為10 m/s,Z 向為20 m/s,最高頻率為150 Hz。
(2)沖擊:沖擊幅度150 m/s,沖擊時間為11 ms。
(3)軌距:2 240 mm。
(4)軌道總長度:207 m(包括7 m檢修區(qū))。
(5)軌道寬度:不超過4.5 m。
(6)軌道重量:單片軌道重量不超過10 t。
(7)單片軌道梁垂向變形不超過L/4 800(L為梁跨度)。
(8)軌道梁最大縫寬為50 mm。
(9)行走面最大縫寬為2 mm。
(10)為考察各項設(shè)備性能參數(shù)指標(biāo),線路不設(shè)置縱坡。
(1)利用車間現(xiàn)有10 t桁車對軌道梁進行安裝。
(2)利用全站儀對每片軌道梁進行精準(zhǔn)定位。
(3)取芯鉆孔機對鋪設(shè)地面進行現(xiàn)場鉆孔,鉆孔參數(shù)為?50×150 mm。
(4)強制攪拌機灌注砂漿。
(5)鋪設(shè)線路采用高鐵專用無紡布袋,以及低彈性模量砂漿,強度等級M20,彈性模量1.8 GPa。
(6)鋪設(shè)精度要求:承軌臺板縫允許誤差±1 mm;相鄰板縫高差±0.2 mm;線路前后高程差±5 mm。
如圖2所示,軌道梁采用倒T型結(jié)構(gòu),梁底用低彈性模量砂漿作為結(jié)構(gòu)墊層,通過摩擦力和四顆螺栓限制縱橫向位移。軌道梁為非預(yù)應(yīng)力預(yù)制結(jié)構(gòu),設(shè)計纖維混凝土強度等級為C80。
(1)軌道梁混凝土強度等級為C80,計算軸心抗壓強度fc=27.5 MPa,抗拉強度ft=2.04 MPa,彈性模量Ec=38 GPa。
(2)混凝土電通量指標(biāo)小于1 000 c。
(3)混凝土含氣量應(yīng)小于4%。
(4)混凝土強度檢驗方法應(yīng)符合?普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)?(GB/T 50081—2019)。
磁浮軌道梁采用玄武巖復(fù)合筋作為結(jié)構(gòu)筋,其力學(xué)性能應(yīng)符合?公路工程玄武巖纖維及其制品第4部分:玄武巖纖維復(fù)合筋?(JT/T 776.4—2010)要求。復(fù)合筋間距允許誤差±5 mm。
玄武巖復(fù)合筋應(yīng)采用塑料纖維絲綁扎,嚴(yán)禁采用帶磁性的鋼絲綁扎。
如圖7所示,軌道梁預(yù)埋件工程涉及PVC管、尼龍?zhí)坠?、不銹鋼無磁性預(yù)埋套筒。尼龍?zhí)坠懿捎镁埘0凡牧?,抗拔力不小?0 kN。線圈安裝預(yù)埋螺母由電氣生產(chǎn)單位提供。每片軌道梁含定位管4個、安裝調(diào)整預(yù)埋螺母4個、M18×80螺母64顆;M12×60螺母32顆、M10×20螺母12顆、M6×20螺母32顆;?80 PVC管15根,彎頭15個;?60 PVC管3根。
圖7 預(yù)埋件布置示意
軌道梁模板由專業(yè)模板生產(chǎn)廠家設(shè)計、制作。采用先焊接成型、后整體銑床進行加工,平整度達(dá)到±1 mm/3 m,見圖8。
圖8 軌道梁模具(單位:mm)
(1)模具應(yīng)有足夠的強度、剛度,在混凝土自重及附著式振搗力作用下變形量滿足安裝精度要求。
(2)合模后模具各處不得有漏漿點。
(3)模板通過調(diào)節(jié)塊調(diào)整,達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)段、過渡段、凹陷段梁型生產(chǎn)需要。
(1)混凝土坍落度應(yīng)與振搗力和振動時間匹配,避免離析、纖維分離、氣泡等現(xiàn)象產(chǎn)生。
(2)復(fù)合筋混凝土保護層厚度30 mm,允許誤差±5 mm。
(3)軌道梁底部與砂漿接觸面應(yīng)保持±3 mm的粗糙度。
蒸汽養(yǎng)護前的靜停時間不低于混凝土終凝時間,并不少于3 h。靜停環(huán)境溫度為5℃ ~30℃,升溫時間不少于2 h,升溫速率≤15℃。恒溫溫度小于45℃,恒溫時間不少于8 h;降溫速率≤10℃,降溫時間不少于2 h。
(1)脫模時混凝土強度不低于35 MPa。
(2)脫模時環(huán)境溫度與構(gòu)件表面的溫度差不得大于20℃。
(1)梁體內(nèi)外溫度與環(huán)境溫度相同時應(yīng)進行噴水養(yǎng)護,保持濕度不小于95%。
(2)養(yǎng)護時間不少于7 d,并達(dá)到設(shè)計混凝土強度等級。
(3)軌道梁進入存放區(qū)后,繼續(xù)對軌道梁進行蒸汽養(yǎng)護2 d。
本文通過對高速磁浮軌道梁結(jié)構(gòu)型式、預(yù)制生產(chǎn)材料和工藝的探索,初步研制出適用于高溫超導(dǎo)磁浮的倒T型軌道梁,實現(xiàn)了雙片倒“T”梁組合成“U”型結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用。
本項目中,試驗磁浮軌道不采用架空線路,地面施工完成地基后,直接在軌道梁上鋪設(shè)長定子繞組、8字線圈、鋁感應(yīng)板、支撐輪行走面等部件。軌道梁采用玄武巖鋼筋以及無磁性高強混凝土預(yù)制而成。后續(xù),為獲得更小磁阻,同時降低生產(chǎn)成本,軌道梁的生產(chǎn)制造可嘗試采用其他纖維復(fù)合筋,也可進一步開發(fā)磁導(dǎo)率小于1的鋼筋材料。同時梁體施工安裝精度的控制問題也需要深度研究。