中低速磁懸浮設備限界研究

孫先鋒，薄海青

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300251)

1 概述

中低速磁懸浮列車是一種采用電磁懸浮、導向和驅動系統(tǒng)的列車。它爬坡能力強、能耗低、運行噪聲小、安全舒適、污染少，并且主要采用高架方式，占用耕地少［1］。由于列車在牽引運行時與軌道之間無機械接觸，從根本上克服了傳統(tǒng)列車輪軌粘著限制，消除了機械噪聲、輪軌滾動噪聲，無機械磨損和相應的維護成本，為適應城市軌道交通的需要，走行機構可以通過半徑100 m以下的曲線。所以，作為傳統(tǒng)地鐵的一種補充，中低速磁懸浮列車有望成為一種低噪聲、中小運量的理想的城市公共交通工具。

2 車輛輪廓

在進行實際工程的限界設計時，車輛輪廓是制定各種限界的基礎，本文所研究的磁懸浮車輛參數(shù)如下。

2.1 車輛主要參數(shù)

車體長度:頭車15 000 mm，中間車14 000 mm車體寬度:3 000 mm

車體頂部距軌面高度:3 844 mm軌距:2 000 mm

等效車輛定距:8 210 mm地板面高度:997 mm

2.2 車輛輪廓坐標(表1)

3 車輛限界

3.1 車輛限界需考慮的因素［2～4］

(1)車輛的制造誤差;

表1 車輛輪廓坐標值mm

(2)車輛的維修限度;

(3)懸浮架相對于軌道的最不利運行位置;

(4)懸浮架偏移引起的車體橫向和豎向位移;

(5)車輛的空重車撓度及豎向位移;

(6)因車輛制造、載荷不對稱等引起的偏斜;

(7)車體相對于軌道線路的最不利傾斜位置;

(8)軌道的垂向和橫向幾何偏差;

(9)車輛停站與運行時的豎向位移變化;

(10)最大側風引起的車體傾斜。

3.2 車輛限界坐標［2］

以《地鐵限界標準》(CJJ96—2003)為依據(jù)并結合磁懸浮車輛的特點進行磁懸浮車輛限界的分析與計算，適當圓整后的車輛限界坐標值如表2所示。

表2 車輛限界坐標值mm

4 設備限界

磁懸浮的特點主要有:(1)依靠電磁力承載。懸浮架與軌排之間有一定的懸浮間隙，區(qū)別于傳統(tǒng)輪軌車的接觸式承載;(2)依靠懸浮力分力導向。用磁極與磁鐵錯位時，懸浮電磁鐵產(chǎn)生的懸浮力橫向分量來導向，區(qū)別于傳統(tǒng)輪軌車的接觸式導向。

磁懸浮車輛的承載及導向原理與傳統(tǒng)輪軌地鐵車完全不同，在制定設備限界時不能完全按照地鐵限界標準制定，特別是曲線地段設備限界加寬公式需重新按磁懸浮車輛轉彎特點核算。由于目前沒有專門制定磁懸浮設備限界的標準和規(guī)范，本文所敘述的關于設備限界的制定均是在參考了輪軌地鐵車限界制定的規(guī)范和標準，并結合磁懸浮特點深入研究所得的結果。

4.1 直線地段設備限界［2，4，6］

直線地段設備限界與車輛限界之間應留安全間隙，需要考慮的是車體肩部橫向間隙、車體肩部垂向間隙、車體下邊梁橫向間隙、車體下邊梁向下間隙、車體頂部向上間隙(含豎曲線偏移量)。該安全間隙主要考慮車輛限界中未考慮的空簧漏氣、過充等其他非正常原因引起的車輛額外偏斜。

《地鐵設計規(guī)范》(GB50157—2003)和《地鐵限界標準》(CJJ96—2003)均要求輪軌車直線地段設備限界與車輛限界之間留有安全間隙，車體肩部橫向間距應為100 mm，邊梁下端橫向向外擴大30 mm，車體豎向加高60 mm，車體下邊梁向下間距應為50 mm，車頂與車體肩部的過渡線應相距60～100 mm。

由于輪軌車與磁懸浮車輛在設備限界與車輛限界之間留有安全間隙的考慮因素基本一致，所以在直線地段設備限界的設計上可以參照地鐵規(guī)范和標準。具體的設計取值是:在車輛限界的基礎上車頂0'點向上擴大60 mm，車體肩部7'點向外擴大100 mm，0'點到7'點之間的過渡線外擴60～100 mm漸變;7'點到9'點的車體肩部均向外擴大100 mm;車體下邊梁19'點向外向下分別擴大30 mm，9'點到19'點的過渡線外擴100～30 mm漸變。

經(jīng)適當圓整后所得直線地段設備限界坐標值如表3所示。

表3 直線地段設備限界坐標值mm

4.2 曲線地段設備限界［1，2，5，6］

4.2.1 考慮因素

曲線地段設備限界的加高加寬要考慮以下兩點:

(1)車體的最大外側偏移量發(fā)生在車體的兩端，最大內(nèi)側偏移量發(fā)生在車輛的中間位置;

(2)過超高或欠超高引起的設備限界加高或加寬。

4.2.2 計算公式

根據(jù)磁懸浮車輛特性，按照幾何關系得到曲線地段設備限界加寬公式為曲線外側:

曲線內(nèi)側:

式中 a——車輛定距，mm;

d——車體最外端與同側轉心距離，mm;

R——線路水平曲線半徑，mm;

Ta——車體在水平曲線外側最大偏移量，mm;

Ti——車體在水平曲線內(nèi)側最大偏移量，mm。

4.2.3 計算結果

依據(jù)上述公式對車體長度較大的頭車進行加寬計算，結果如表4所示。

4.2.4 工程應用值

在工程設計中，為保證安全，加寬值小于50 mm時均取50 mm，經(jīng)圓整后工程實際應用的曲線地段設備限界加寬值可取表5中數(shù)值。

表4 頭車曲線地段設備限界加寬

表5 頭車曲線設備限界加寬工程應用值

《地鐵限界標準》第111頁條文說明中闡述如下:由于以上參數(shù)在曲線外側和曲線內(nèi)側的數(shù)值都不一樣，因此設備限界在曲線地段總的加寬量在曲線外側和曲線內(nèi)側也不相同，這樣造成一個左右非對稱的曲線設備限界。本標準考慮設備限界左右對稱，可取內(nèi)側加寬量和外側加寬量中較大值。

按照上述原則，目前國內(nèi)地鐵車輛限界均將曲線地段設備限界做成左右對稱式。這是由于地鐵車體長，轉彎半徑大，實際工程投資浪費不大。但磁懸浮車輛的一大特點就是轉彎半徑小，如若也全部做成左右對稱式對工程投資浪費較大。基于此，筆者認為在磁懸浮曲線地段設備限界設計時，曲線半徑≤100 m時可按表5中實際數(shù)值進行加寬，曲線半徑≥200 m時可按外側加寬值做成左右對稱式。

4.2.5 200 m曲線半徑曲線地段設備限界坐標值

以工程中常見的200 m曲線半徑為例，其圓整后的曲線設備限界坐標值如表6所示。

5 附圖

車輛輪廓、車輛限界和設備限界(包括直線地段設備限界和200 m曲線地段設備限界)如圖1所示。

圖1 車輛輪廓、車輛限界和設備限界

6 結論

鑒于目前還沒有針對磁懸浮列車的限界標準和規(guī)范，本文在參考了傳統(tǒng)地鐵車的限界標準和規(guī)范，并結合磁懸浮列車自身特點，從工程設計的角度深入研究了制定磁懸浮設備限界的方法，為今后磁懸浮工程的實施提供了參考。

［1］梁海清.中低速磁浮交通限界研究［D］.成都:西南交通大學，2008.

［2］中華人民共和國建設部.CJJ 96—2003 地鐵限界標準［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2003.

［3］梁海清，陸海英.低速磁浮車輛限界計算探討［J］.內(nèi)燃機車，2008(10).

［4］張斌，潘玲.城軌交通車輛限界和設備限界計算［J］.現(xiàn)代城市軌道交通，2007(3).

［5］倪昌.曲線地段設備限界的計算原理［J］.都市快軌交通，2004(4).

［6］北京城建設計研究總院.GB 50157—2003 地鐵設計規(guī)范［S］.北京:中國計劃出版社，2003.