中低速磁浮交通軌道工程研究與設(shè)計

楊其振,劉道通,于春華

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司,天津 300251)

磁浮技術(shù)的研究源于德國,磁浮交通系統(tǒng)具有選線自由度大、噪聲小、振動低、舒適、維護(hù)少等特點。中低速磁懸浮列車最高車速 80～160 km/h,造價相對低廉,與輕軌、地鐵等傳統(tǒng)軌道交通具有互補性,發(fā)展前景看好。本文重點對中低速磁浮列車工作原理、軌道(含道岔)結(jié)構(gòu)以及軌道幾何狀態(tài)等問題進(jìn)行闡述。

1 國內(nèi)外中低速磁浮交通系統(tǒng)發(fā)展情況

1.1 國外中低速磁浮發(fā)展情況

國外中低速磁浮列車以日本的 HSST系統(tǒng)為典型代表。從 1974年到 1989年,HSST-01到HSST-05型車相繼投入試驗。1991年,日本在名古屋附近的大江,建成一條新的面向應(yīng)用的試驗線。2005年 3月,日本建設(shè)開通了中低速磁懸浮鐵路商業(yè)運行線——東部丘陵線(Linimo),該線長8.9km,連接名古屋一個地鐵車站和市郊的一個現(xiàn)代化居住區(qū),目前運行良好,起到了中低速磁浮交通系統(tǒng)的示范作用,有力地證實了其優(yōu)勢。

1.2 國內(nèi)中低速磁浮發(fā)展情況

早在 20世紀(jì) 70年代我國科技工作者對于磁浮交通系統(tǒng)的新技術(shù)的進(jìn)展就給予了關(guān)注,部分大學(xué)、研究機構(gòu)開展了基礎(chǔ)性研究。

1.2.1 國防科技大學(xué)研究情況

國防科技大學(xué)的磁浮技術(shù)研究工作始于 1980年。為使國防科技大學(xué)的磁浮技術(shù)走向應(yīng)用,國防科技大學(xué)于 2001年 5月在校園內(nèi)建成 1條長 204m的試驗線路。2008年 5月,北京控股公司在唐山車輛廠廠區(qū)內(nèi)修建的 1.5 km中低速磁浮試驗線建成,目前已投入試驗運行。

1.2.2 西南交通大學(xué)研究情況

西南交通大學(xué) 1986年開始研究磁浮列車技術(shù)。青城山磁浮試驗線 2006年 4月建成,長425m,最大坡度 2.0%,最小曲線半徑 250m。

1.2.3 上海磁浮交通公司研究情況

2007年,上海南匯臨港新城建成1條長 1.5 km的磁懸浮試驗示范線(含道岔),線路條件滿足列車 100 km/h的運行速度要求。

1.3 唐山中低速磁浮試驗線簡介

為形成我國中低速磁浮研發(fā)體系,并滿足“十一五”國家科技支撐計劃重點項目“中低速磁浮交通技術(shù)及工程化應(yīng)用研究”課題研究需求,鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司作為工程總體設(shè)計單位,配合北控中低速磁浮研發(fā)體系,于 2006年 ～2007年完成唐山中低速磁浮試驗線及其試驗基地設(shè)計工作。2009年 7月,試驗線正式投入試驗運行。

唐山中低速磁浮試驗線(以下簡稱唐山試驗線)位于唐山機車車輛廠內(nèi),全部為高架線路,正線全長1.547 km,平曲線最小半徑 100m(尾部設(shè) 1處半徑 50 m平曲線以備他用),最大坡度 70‰,試驗線設(shè)置磁浮單開道岔 1處(圖1)。

圖1 唐山中低速磁浮試驗線

2 中低速磁浮列車的懸浮、驅(qū)動及導(dǎo)向原理

列車采用環(huán)抱軌道形式。列車軌道梁兩側(cè)為懸空的倒 U形鐵磁性軌道,軌道上鋪設(shè)了鋁質(zhì)的反應(yīng)極板。倒 U形軌道上反應(yīng)板的正上方是安裝在車體上的直線電機定子,在倒 U形軌道的正下方是固定在車體上的懸浮導(dǎo)向磁鐵。磁浮列車懸浮結(jié)構(gòu)示意見圖2。

圖2 磁浮列車懸浮結(jié)構(gòu)簡圖

車體上的懸浮磁鐵通電時就會與鐵磁性軌道之間產(chǎn)生引力,使得車體向上抬起脫離軌道。

列車的牽引電機是短定子直線電機,電機初級也就是定子,是安裝在車體上的,牽引功率的轉(zhuǎn)換和控制是在車上實現(xiàn)的。車體上安裝直線電機的定子,其正下方的軌道上安裝有感應(yīng)板,當(dāng)定子通過三相電流后產(chǎn)生一個移動的磁場,這個磁場在感應(yīng)板上感應(yīng)出電流和感生磁場,兩個磁場相互作用就產(chǎn)生了推力。

列車的導(dǎo)向是自動的,不需要導(dǎo)向電磁鐵的主動控制,這是由于安裝在車體上的電磁鐵鐵芯和鐵磁性倒 U形軌道是正對的,如果兩者有一定的錯位,兩者間的磁力線就會產(chǎn)生一個反方向的橫向力,使得列車回到中心線。磁浮列車導(dǎo)向原理如圖3所示。

圖3 磁浮列車導(dǎo)向原理示意

3 軌道結(jié)構(gòu)組成及功能

軌道是中低速磁浮線路的重要技術(shù)裝備之一,是行車的基礎(chǔ)。軌道是列車懸浮、行駛和停放的設(shè)備,引導(dǎo)機車車輛運行,直接承受來自車輛的荷載,軌道必須堅固穩(wěn)定,并具有正確的幾何形位,以確保列車的安全運行。

軌道是由導(dǎo)軌、感應(yīng)板、軌枕、扣件、伸縮節(jié)、承軌臺、道岔及附屬設(shè)備組成。唐山試驗線軌道結(jié)構(gòu)橫斷面如圖4所示。

圖4 唐山試驗線軌道結(jié)構(gòu)橫斷面(單位:mm)

3.1 導(dǎo)軌及感應(yīng)板

唐山試驗線導(dǎo)軌采用低碳鋼制造,質(zhì)量127 kg/m,斷面為 F形,導(dǎo)軌上覆鋁制感應(yīng)板。導(dǎo)軌下表面有兩個磁極,起到懸浮作用;上表面是直線感應(yīng)電機,覆蓋有鋁板,外部垂直法蘭用于機械制動。

F形導(dǎo)軌用于制作中低速磁浮軌排,分為直線導(dǎo)軌、圓曲線導(dǎo)軌和緩和曲線導(dǎo)軌。

早期的一些試驗線工程,導(dǎo)軌采用機加工法制造,制造成本較高,生產(chǎn)周期長。唐山試驗線導(dǎo)軌實現(xiàn)了一次軋制成形,為以后中低速磁浮系統(tǒng)的工程化、產(chǎn)業(yè)化創(chuàng)造了有利條件(圖5)。

3.2 導(dǎo)軌軌縫、接頭及鋼枕

3.2.1 軌縫

導(dǎo)軌在軌溫變化時,沿線路方向熱脹冷縮,需在導(dǎo)軌接頭處預(yù)留軌縫。為滿足不同地段導(dǎo)軌熱脹冷縮及行車穩(wěn)定性的需要,唐山試驗線共設(shè)計了 3種形式的導(dǎo)軌接頭,即 JⅠ型、JⅡ型、JⅢ型導(dǎo)軌接頭,分別設(shè) 1個 、2個、4個軌縫 。

圖5 導(dǎo)軌橫截面

3.2.2 接頭

JⅠ型接頭:適應(yīng)軌排伸縮量在 10 mm以內(nèi)的接頭。兩軌排直接連接構(gòu)成 JⅠ型接頭;

JⅡ型接頭:適應(yīng)軌排伸縮量在 10～20 mm的接頭;

JⅢ型接頭:適應(yīng)軌排伸縮量 ＞20mm的接頭。

唐山試驗線高架橋主要采用 18、24m簡支梁,JⅠ型接頭設(shè)置于同一片梁上兩組軌排之間,JⅡ型接頭設(shè)于 18m跨徑簡支梁梁縫處,JⅢ型接頭設(shè)于 24m跨徑簡支梁梁縫處。唐山試驗線的試驗運行表明,這 3種接頭的設(shè)計是適用的,能滿足軌排熱脹冷縮需要,軌縫最大值也能保證行車穩(wěn)定。

3.2.3 鋼枕

鋼枕一般采用低碳鋼制造,橫斷面形式為“工”字形或矩形,制造時上部兩側(cè)預(yù)留與導(dǎo)軌連接螺栓孔,下部預(yù)留錨固螺栓安裝孔。

唐山試驗線采用“工”字形軌枕,日本東部丘陵線、上海試驗線采用矩形軌枕。工字形軌枕安裝、維護(hù)工作較為方便,但相關(guān)試驗數(shù)據(jù)表明,由于軌排的熱脹冷縮,工字形軌枕腹板承受彎矩較大。在以后的工程實踐中,尚應(yīng)結(jié)合進(jìn)一步的試驗研究確定軌枕斷面形式。

3.3 扣件

導(dǎo)軌與鋼枕通過螺栓連接,組成軌排,扣件將軌排固定在下部基礎(chǔ)上。

目前國內(nèi)外中低速磁浮的運營線及試驗線有:日本名古屋市愛知縣東部丘陵線、長沙國防科大試驗線、西南交大青城山試驗線、唐山試驗線、上海南匯臨港新城試驗線,結(jié)構(gòu)形式特點如表1所示。

表1 扣件結(jié)構(gòu)形式

由上述可知,除國防科大長沙試驗線外,其他現(xiàn)有中低速磁浮運營線、試驗線軌排扣件結(jié)構(gòu)形式較為一致,主要部件有彈性墊板、鐵墊板、鋪軌輔助螺栓、錨固螺栓,扣件與下部基礎(chǔ)采用混凝土 +螺栓套管的形式,其結(jié)構(gòu)形式類似城市軌道交通無砟軌道扣件結(jié)構(gòu)。

唐山試驗線路采用的扣件結(jié)構(gòu)形式如圖6所示。

圖6 唐山試驗線扣件

3.4 承軌臺

承軌臺處于下部基礎(chǔ)(橋梁、路基面等)與軌排之間,它承接由軌排及扣件傳遞來的各種作用力,再將其傳遞至下部基礎(chǔ)。

日本名古屋東部丘陵線、上海試驗線、青城山試驗線、唐山磁浮試驗線承軌臺均采用二次澆筑結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點是能夠保證軌排的鋪設(shè)精度,同時該結(jié)構(gòu)能滿足強度要求、施工簡便、造價低廉。

在現(xiàn)階段,承軌臺采用二次澆筑結(jié)構(gòu)是較為理想的一種方案。承軌臺內(nèi)預(yù)埋扣件錨固螺栓套管,內(nèi)布鋼筋。下部基礎(chǔ)施工時,預(yù)埋豎向鋼筋,加強承軌臺與下部基礎(chǔ)的聯(lián)結(jié)。

從唐山試驗線的工程實踐來看,由于二次澆筑的承軌臺尺寸較小(400mm×400mm×130mm),在我國北方冬季進(jìn)行鋪軌施工時,承軌臺混凝土養(yǎng)護(hù)期間保溫措施較為困難,在我國南方地區(qū)則不存在此問題。

4 道岔及車擋

4.1 道岔系統(tǒng)工作原理

中低速磁浮道岔采用三點定心原理設(shè)計,原理如圖7所示。

圖7 道岔三點定心原理示意

圖7中 L1、L2、L3為 3段道岔梁,每段道岔梁都有一個固定的轉(zhuǎn)動中心,分別為 O1、O2、O3,道岔梁可以繞其自由轉(zhuǎn)動;道岔梁的另一端稱為移動端。道岔梁L3為主動梁,在梁上適當(dāng)位置安裝了驅(qū)動機構(gòu),給主動梁提供一個橫向擺動的力,如圖7中的 F所示,從而使主動梁繞 O3點發(fā)生相應(yīng)的轉(zhuǎn)動;滑塊 B將主動梁 L3的橫向運動(位移)傳遞給從動梁 L2的移動端,從而使從動梁 L2繞 O2端發(fā)生轉(zhuǎn)動;進(jìn)而再通過滑塊A帶動第二從動梁 L1繞 O1端轉(zhuǎn)動。

通過上面的轉(zhuǎn)動,就能實現(xiàn)道岔的轉(zhuǎn)轍功能。

4.2 道岔結(jié)構(gòu)

磁浮道岔有單開、對開、三開等形式。單開道岔整機由 3段活動梁、2段垛梁、走行臺車、支撐底板、主梁橫向鎖定機構(gòu)、主梁豎向鎖定機構(gòu)、曲柄驅(qū)動機構(gòu)、道岔梁回轉(zhuǎn)定心機構(gòu)、軌道連接板、動力軌連接部分、控制系統(tǒng)等組成,這種形式的道岔已應(yīng)用多年,性能良好。

4.3 唐山試驗線單開道岔

4.3.1 道岔構(gòu)成及參數(shù)

唐山試驗線鋪設(shè)單開道岔 1組,供道岔試驗使用,也是試驗線通往未來車輛總裝庫的預(yù)留道岔。如圖8所示。

圖8 單開道岔示意

唐山試驗線單開道岔的主要參數(shù)如表2所示。

表2 單開道岔主要參數(shù)

4.3.2 道岔基礎(chǔ)設(shè)計

道岔部分的基礎(chǔ)形式應(yīng)具有足夠的承載力和剛度,防止道岔部分產(chǎn)生過大變形,影響道岔的正常工作。道岔基礎(chǔ)采用剛性基礎(chǔ),結(jié)合線路縱斷面布置,主要有兩種形式,一種為直接支承于地面的落地式基礎(chǔ),一種為支承于高架橋上的高架形式,橋面高程、寬度等布設(shè)需要考慮道岔安裝條件及運營維護(hù)條件。

唐山試驗線道岔設(shè)于一個整體的橋面上,施工時道岔設(shè)備與基礎(chǔ)連接采用支墩過渡的方式,支墩與上部預(yù)埋件連接采用多次澆筑的方式,以滿足施工精度和預(yù)埋件的安裝。支墩第一次澆筑時,固定預(yù)埋鋼板支撐腳,二次澆筑時,固定預(yù)埋鋼板的地腳螺栓和剪力釘。

道岔基礎(chǔ)不均勻沉降控制在 7～10mm。

4.4 車擋

在正線的起終點及車場線的終點設(shè)車擋,為保護(hù)車輛,正線、輔助線、試車線端部宜安裝液壓緩沖式車擋,車場線端頭可安裝液壓或固定式車擋。

唐山試驗線在正線的末端研究鋪設(shè)了液壓式車擋,按照目前中低速磁浮車輛設(shè)計參數(shù)及城軌項目設(shè)計經(jīng)驗,正線、輔助線、試車線列車撞擊車擋時車速按15 km/h進(jìn)行設(shè)計。

在停車庫內(nèi)設(shè)置了鋼架式車擋。列車在場段內(nèi)行駛速度較低,根據(jù)城軌項目設(shè)計經(jīng)驗,固定式車擋設(shè)計列車撞擊速度可按不大于 5 km/h設(shè)計,庫內(nèi)存車線車擋可按 3 km/h設(shè)計。

5 軌道幾何形位

軌道幾何形位是指軌道各部分的幾何形狀、相對位置和基本尺寸。軌道幾何形位正確與否,對機車車輛的安全運行、乘客的旅行舒適度、設(shè)備的使用壽命和養(yǎng)護(hù)費用起著決定性的作用。

在中低速磁浮交通領(lǐng)域,這方面的研究尚處于起步階段,缺乏相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),在進(jìn)行中低速磁浮工程化設(shè)計時,應(yīng)結(jié)合具體工程的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)開展專項研究,確定軌道幾何形位的設(shè)計、驗收、養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。

5.1 直線軌道的幾何形位(靜態(tài))

直線軌道的幾何形位主要包括軌距、水平、軌向、前后高低,其概念與輪軌系統(tǒng)基本相同,在此不再贅述。

軌距是指軌道兩側(cè)兩懸浮磁極面中心的距離。唐山磁浮試驗線軌距為2 000mm;日本名古屋東部丘陵線軌距為1 700mm;上海磁浮試驗線軌距為1 900mm。

中低速磁浮車輛通過曲線時,由于其轉(zhuǎn)向架設(shè)計的特性,曲線地段軌距無須調(diào)整。

唐山試驗線設(shè)計期間,由于缺乏相關(guān)技術(shù)資料及基礎(chǔ)研究,直線軌道幾何形位設(shè)計、驗收標(biāo)準(zhǔn)參照《地下鐵道工程施工及驗收規(guī)范》(GB50299—1999)執(zhí)行。在唐山試驗線竣工后,筆者參與了“十一五”國家科技支撐計劃重點項目“中低速磁浮交通技術(shù)及工程化應(yīng)用研究”課題研究,結(jié)合唐山試驗線運行試驗及國外相關(guān)試驗資料,重新制定了直線軌道幾何形位標(biāo)準(zhǔn)(表3)。

表3 軌道幾何形位允許偏差值(施工驗收)mm

5.2 曲線軌道外軌超高

5.2.1 外軌超高的作用

車輛在曲線上行駛時,由于離心力作用,將車輛推向外股鋼軌,加大了外軌的壓力,使旅客產(chǎn)生不適,同時轉(zhuǎn)向架內(nèi)外側(cè)與導(dǎo)軌間垂向磁力不均,其偏差過大時可能會導(dǎo)致懸浮控制失穩(wěn)。因此,需要把曲線外軌適當(dāng)抬高,使機車車輛的自身重力產(chǎn)生一個向心的水平分力,以抵消慣性離心力,達(dá)到內(nèi)外側(cè)導(dǎo)軌受力均勻,滿足乘客舒適度要求,提高行車穩(wěn)定性及安全性。

5.2.2 外軌超高計算及超高設(shè)置方法

(1)外軌超高計算

軌道曲線超高按以下公式計算

式中 h——超高值,mm;

D——軌距,mm;

Vc——列車通過速度,km/h;

g——重力加速度,9.81m/s2;

R——曲線半徑,m。

(2)外軌超高最大允許值

最大超高值是根據(jù)行車速度、車輛性能、軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和乘客舒適度確定的?，F(xiàn)階段,外軌超高最大允許值主要由車輛懸浮起落功能限制。

列車在曲線段線路停車時,如超高值設(shè)置過大,車輛轉(zhuǎn)向架上電磁鐵與導(dǎo)軌磁極間磁力偏離垂向過多,列車將無法浮起。

根據(jù)現(xiàn)階段車輛性能要求,唐山試驗線軌面與水平面夾角不得大于 6°,當(dāng)軌距為2 000mm時,其對應(yīng)的超高值為 209mm。

⑶欠超高及過超高

當(dāng)設(shè)置的超高不足時,存在未被平衡的橫向加速度,影響旅客的乘坐舒適度。根據(jù)鐵路及城市軌道交通系統(tǒng)的相關(guān)經(jīng)驗,一般可允許有 0.4m/s2的未被平衡橫向加速度、軌面與水平面夾角 2°19′,此時乘客稍有感覺,不影響舒適度。

當(dāng)軌距為 2 000mm時,允許的欠超高為 81mm。

過超高值尚需通過相關(guān)試驗進(jìn)一步研究確定。

⑷外軌超高設(shè)置方法

外軌超高設(shè)置方法有外軌抬高一半超高值、內(nèi)軌降低一半超高值,或者外軌抬高超高值兩種方法。

采用第一種方法設(shè)置超高時,軌道中心線與線路中心線一致,超高順坡段坡度較小,超高過渡段行車較為平穩(wěn),在隧道內(nèi)設(shè)置時,可較少增加隧道曲線地段的建筑限界,節(jié)省軌道投資。因此,在不增加工程實施及養(yǎng)護(hù)難度的前提下,優(yōu)先采用第一種設(shè)置方法,也可采用第二種設(shè)置方法。

6 結(jié)語

中低速磁浮交通系統(tǒng)是一種新興的城市軌道交通系統(tǒng),線路適應(yīng)性強、環(huán)保、乘坐舒適,我國已在核心技術(shù)方面實現(xiàn)重大突破,具有獨立自主知識產(chǎn)權(quán),可實現(xiàn)工程國產(chǎn)化,具有十分廣闊的應(yīng)用前景,北京、深圳已開展相關(guān)工程的前期工作。

軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計以理論研究為基礎(chǔ),借鑒日本運營線路工程經(jīng)驗,總結(jié)分析國內(nèi)各試驗線數(shù)年來試驗情況,形成了相應(yīng)的設(shè)計原則、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和各階段主要設(shè)計內(nèi)容。唐山試驗線的實踐表明,軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計能滿足中低速磁浮軌道交通工程的整體需求,是安全可靠的。

近年來,筆者參與了唐山中低速磁浮試驗的工程設(shè)計、中低速磁浮設(shè)計暫行規(guī)范編制(北京控股磁懸浮技術(shù)發(fā)展有限公司企業(yè)規(guī)范)、中低速磁浮線路工程優(yōu)化設(shè)計和測試研究(國家“十一五”課題《中低速磁懸浮交通技術(shù)及工程化應(yīng)用研究》之子課題,2009年完成,2010年 3月通過驗收)等工作,負(fù)責(zé)其中軌道系統(tǒng)部分。本文總結(jié)了筆者參與上述各項中低速磁浮有關(guān)工作的經(jīng)驗,對于軌道系統(tǒng)的構(gòu)成及設(shè)計要點進(jìn)行了簡要的分析,可為類似工程提供參考。

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