長沙中低速磁浮工程的道岔設計與調試

曾國鋒 袁亦竑 吉 文 葉 豐 高定剛

(同濟大學磁浮交通工程技術研究中心,201804,上?！蔚谝蛔髡?副研究員)

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研究報告

長沙中低速磁浮工程的道岔設計與調試

曾國鋒 袁亦竑 吉 文 葉 豐 高定剛

(同濟大學磁浮交通工程技術研究中心,201804,上海∥第一作者,副研究員)

道岔是實現中低速磁浮列車換線的關鍵設備。以上海臨港中低速磁浮試驗線道岔為原型,結合長沙中低速磁浮項目的特殊需要,設計團隊完成了道岔的施工圖設計工作,并全過程配合制造、安裝和系統(tǒng)調試。介紹了長沙中低速磁浮項目中道岔的工程實踐,包括道岔的結構、驅動走行、鎖定和電氣控制系統(tǒng)的設計、驗證和調試,并對未來新建中低速磁浮項目道岔提出進一步優(yōu)化的設想。

長沙；中低速磁浮線; 道岔

Author′s address Maglev Transportation Engineering R & D Center,Tongji University,201804,Shanghai,China

長沙中低速磁浮線從長沙黃花機場到長沙高鐵南站,線路全長18.55 km,2014年5月開工建設,2015年12月26日投入試運行。2014年10月,同濟大學磁浮交通工程技術研究中心(以下簡稱“磁浮中心”)研究團隊承擔了長沙中低速磁浮項目道岔施工圖設計,并制造了一套電氣控制柜,用于道岔的廠內調試。磁浮中心對道岔的研究始于2005年底,2006年研制出了我國第一組三節(jié)段定心式中低速磁浮道岔,并系統(tǒng)地提出結構、機械和電氣系統(tǒng)設計要求和詳細的技術方案,解決了低速磁浮道岔線形、驅動原理、結構型式、驅動和走行系統(tǒng)、控制及其與運行控制系統(tǒng)接口等一系列技術難題。磁浮中心所開發(fā)的道岔長32.646 m,安裝在上海臨港中低速磁浮試驗線上。針對道岔性能的各項試驗和測試表明,該道岔已基本達到了工程應用的水平。

根據系統(tǒng)運行要求,長沙中低速磁浮項目共設置了9組道岔,其中,三開道岔2組,兩開道岔7組。經過單獨調試和系統(tǒng)聯調,目前，道岔工作可靠,列車通過性能良好。

1 總體設計

中低速磁浮道岔為三段定心式,是結構、機械和控制一體化的設備。道岔主要由垛梁、一段主動梁(跨中有豎向支承的雙跨連續(xù)鋼梁)、第一和第二兩段從動梁(簡支鋼梁),以及安裝于梁上翼緣的F軌組成。主梁和兩段從動梁都有一個固定于地面的轉動中心,故而得名三段定心式。由于道岔處于側線位時為折線形,為了減小相鄰梁段間的相對轉角以提高列車的通過性能,梁段之間設置了用于減小梁段間折角的角平分裝置(見圖1)。為了保證道岔轉轍到位后與岔后線路之間的連接精度,在道岔的活動端設置了可調節(jié)的過渡裝置。

道岔在驅動機構的作用下轉轍到位后,由鎖定系統(tǒng)可靠地鎖定于地面鎖銷座上,從而保證列車安全通過。道岔的轉轍精度、可靠性由控制系統(tǒng)保證?？刂葡到y(tǒng)根據上位信號系統(tǒng)的指令執(zhí)行轉轍動作,保證道岔精確到位和可靠鎖定,并將道岔當前狀態(tài)反饋給上位的信號系統(tǒng),從而保證列車的安全和正點運行。左開道岔總體布置如圖1所示。設計荷載及組合按照《長沙磁浮交通工程設計暫行規(guī)定》以及《鐵路橋涵設計基本規(guī)范》的相關要求執(zhí)行。

圖1 左開道岔總體布置圖

根據長沙中低速磁浮項目的特點,由總包單位牽頭,車輛、信號、道岔各專業(yè)經過反復討論確定了道岔的設計的主要要求指標(見表1)。設計荷載及組合按照《長沙磁浮交通工程設計暫行規(guī)定》以及《鐵路橋涵設計基本規(guī)范》的相關要求執(zhí)行。

表1 長沙中低速磁浮項目道岔主要技術指標

作為商業(yè)運營項目,長沙中低速磁浮項目的應用環(huán)境和使用要求畢竟非試驗線可比,系統(tǒng)參數也與上海臨港試驗線存在較大的差別,因此,利用三維建模技術進行了重新設計,對機構動作、部件干涉性和列車限界進行了詳細的分析,尤其是對以下幾方面進行了全面的調整和優(yōu)化。

(1) 道岔梁。本次道岔設計工作開始時線路和結構已經進入施工圖設計階段,給道岔留下的建筑高度只有2.8 m。由于長沙中低速磁浮項目列車測速定位采用計數軌枕的虛擬計軸方式,因此需要在道岔上設置“虛擬”軌枕,且軌枕面以下200 mm范圍內不能有金屬物。為了避免因道岔建筑高度調整對整個線路軌道系統(tǒng)的影響,在設計過程中采取的方案是:保持主動梁高度不變,將端部從動梁支承降低200 mm,將從動梁加高200 mm,并相應地調整二者之間的支承和連桿裝置。經過對結構、機械和走行部進行全面的核算,確定該方案可行,這樣就“偷”出了虛擬軌枕所需的空間。

(2) 提高列車通過的平穩(wěn)性。由于道岔采用折線形式,角平分裝置和過渡裝置實際上就是搭接于相鄰梁段上的一小段F軌,不僅與相鄰梁段的剛度相比差異非常大,而且為了實現兩者之間的靈活轉動,它們與相鄰梁段之間的約束也很弱,因此,角平分裝置和過渡裝置成為道岔的薄弱環(huán)節(jié),會對列車懸浮控制穩(wěn)定性產生不利影響。道岔的活動端與垛梁之間的過渡裝置處于列車進出道岔的關鍵位置,因此在本設計中增加了豎向支撐(見圖2)。這樣既可以調整高度以適應線路高差,又能夠在調整后鎖定,有效防止了搭接設計可能導致的因軌道跳動造成的對懸浮穩(wěn)定性的影響。

圖2 道岔活動端過渡裝置優(yōu)化設計效果圖

(3) 提高轉轍效率。與試驗線不同,用于長沙中低速磁浮項目的道岔必須滿足15 s轉轍時間要求,否則就會對運輸組織造成影響。因此,在設計中對橫移電機和減速箱的設計參數、鎖銷電機推桿和鎖銷機構進行優(yōu)化,并通過反復比選確定了設備參數和型號。

(4) 與總體設計單位和信號系統(tǒng)供貨商密切配合,使控制系統(tǒng)的設計滿足信號系統(tǒng)的接口要求,明確雙方的通信方式和協議。

2 結構設計

道岔梁結構主要包括主動梁、從動梁、垛梁等部分。道岔鋼結構設計時,進行了多種荷載組合工況下的強度和剛度校核。計算表明,各梁段應力和變形均較小,道岔梁結構均采用Q235-C級鋼材。各梁段在各工況下的應力均較小。在最不利狀況下,考慮恒載(含支座沉降)+列車豎向動力作用+風力+溫度組合,主動梁最大應力75.781 MPa。表2為試驗時的主要荷載組合。表3為道岔梁的主要技術指標。圖3為道岔梁典型斷面。

表2 主要荷載組合

表3 道岔梁主要技術指標

圖3 道岔梁典型斷面

2015年8月,在道岔出廠前對首組道岔進行了靜載試驗,靜變形與設計值相吻合。2015年10月1日,對列車通過道岔時動態(tài)響應的測試表明,列車空載狀態(tài)下,主動梁跨中最大動變形僅0.7 mm,動力系數小于1.1,頻率為19 Hz。由于當時列車懸浮參數并未調試完成,因此，當列車通過主動梁時,存在個別點懸浮不穩(wěn)定的情況,梁的最大加速度達到5g。

為了試驗質量阻尼的效果,在主動梁兩跨中分別堆放了1.5 t沙袋,測得列車通過時主動梁最大加速度小于1g,效果顯著。目前,已更換為阻尼器裝置。

3 驅動和鎖定系統(tǒng)設計

道岔的轉轍時間直接影響列車到發(fā)車間隔,長沙中低速磁浮系統(tǒng)要求的轉轍時間為15 s。道岔的轉轍動作包括:接受信號—解鎖—橫移—鎖定—發(fā)出表示信號。

道岔的驅動系統(tǒng)(見圖4a))主要由曲柄搖桿、減速電機、滑槽、臺車組成,依據道岔轉轍時間要求,橫移過程約為7 s;根據曲柄轉動角度,可求出轉速為0.449 rad/s。采用四極電機驅動,總減速比為336。該傳動比采用一個齒輪箱難以實現,故采用兩級減速箱實現總減速比的要求。一級減速比約為11,二級減速比約為30。

在計算電機功率時主要考慮走行臺車車輪的運行阻力、橫向風力和道岔梁慣性力的作用。通過計算,選用SEW減速器。為了保證電機有足夠的安全裕度,一級減速器選用規(guī)格為:功率11 kW,輸出轉速133 r/min,速比9.29,輸出扭矩為790 Nm,輸出端允許的徑向負載為14 600 N。二級減速器速比為32.36,額定輸出轉矩為54.2 kNm。

道岔的鎖定系統(tǒng)(見圖4b))利用主動梁兩端的兩套鎖銷裝置實現道岔梁的定位,其可靠性直接影響著列車的安全和平穩(wěn)運行,為了縮短轉轍時間,需盡可能提高鎖定的速度。根據鎖銷的行程和鎖定時間要求,選用功率為2.2 kW的Power Jacks電動推桿,其標稱速度為99.5 mm/s。經計算,電動推桿到位時間約為3.4 s,比上海臨港試驗線道岔鎖定和解鎖時間縮短了約1 s。

根據所選定的驅動和鎖定電機參數,道岔的動作時序如表4所示,總轉轍時間滿足系統(tǒng)要求。

表4 道岔動作時序分配表

圖4 驅動和鎖定裝置

4 電氣控制系統(tǒng)設計

電氣控制系統(tǒng)按照信號系統(tǒng)的指令完成道岔的轉轍控制,并診斷道岔狀態(tài),反饋故障信息。電氣控制系統(tǒng)采用單機獨立控制,每套設備均通過單獨的繼電接觸器控制方式控制道岔的轉轍過程。狀態(tài)監(jiān)測PLC(可編程邏輯控制器)采集信號,判斷故障,通過RS485總線與信號系統(tǒng)通信。

道岔有集中、本地兩種控制模式。本地控制模式需經信號系統(tǒng)授權,其又分為本地聯動、本地單動和本地手動控制。

在集中控制模式下,由信號系統(tǒng)控制實現道岔的轉轍。信號系統(tǒng)向道岔控制系統(tǒng)發(fā)出轉轍指令,道岔控制系統(tǒng)自動完成解鎖、橫移和鎖定,當轉轍到位后,向信號系統(tǒng)輸出位置表示信號。

在本地聯動或單動模式下,操作人員利用控制柜上的開關和按鈕發(fā)出指令,使道岔自動運轉或單步操作,并在到位后向上位信號系統(tǒng)反饋位置表示信號;本地手動控制一般僅用于道岔失電的緊急情況,用于維修和調試時,必須確保道岔電源處于切斷狀態(tài)。

道岔控制系統(tǒng)設計遵循以下原則:

(1) 遵循“故障—安全”原則,確保輸出信號的唯一性和正確性。

(2) 道岔控制電路對道岔控制動作進行實時監(jiān)測,檢測電路采用PLC及I/O(輸入/輸出)模塊,能夠記錄道岔所有操作。

(3) 道岔控制裝置具有完善的電氣安全保護功能,并設有故障顯示信號。

(4) 道岔控制裝置中的所有采樣點,均采用雙元件,確保道岔控制的安全可靠。

(5) 與信號系統(tǒng)之間設有可靠的授權、收權聯鎖電路,確保系統(tǒng)安全。

道岔控制系統(tǒng)的電氣設備主要由電源、傳動控制、狀態(tài)監(jiān)測、到位檢測及信號系統(tǒng)接口等組成。

(1) 電源。供電采用雙電源自動切換,需要提供一路正常的供電電源和一路應急供電電源。正常供電電源出現故障時,自動切換到應急供電電源。雙電源自動切換裝置輸出分為兩路,一路用于電機主回路,一路用于UPS(不間斷電源)。在臨時斷電時,UPS能夠保證繼電控制回路與PLC系統(tǒng)的正常運行,保證道岔系統(tǒng)與上位信號系統(tǒng)通信的通暢。繼電控制回路DC 24 V電源也采用雙電源并聯方式供電,通過直流冗余模塊給控制回路供電。當一路電源出現故障時,另外一路電源仍能保證控制回路正常工作。

(2) 傳動控制。電機控制的主回路傳動系統(tǒng)由斷路器、正反轉接觸器、熱繼電器組成。在電機過載或短路時,熱繼電器及斷路器起到相應的過載保護和短路保護功能。為了提高系統(tǒng)可靠性,各電機的供電主回路均采用冗余設計。

(3) 狀態(tài)監(jiān)測。電機斷路器合閘信號、供電正常信號、熱繼狀態(tài)及行程開關檢測的狀態(tài)信息等都通過數字量輸入模板采集到PLC系統(tǒng)內,由PLC綜合判斷、診斷,給出故障信息并發(fā)給信號系統(tǒng)。

(4) 到位檢測。利用行程開關進行道岔動作到位檢測。全部行程開關均采用雙重檢測元件,常開常閉全部為雙觸點檢測并參與聯鎖控制。

(5) 與信號系統(tǒng)接口。道岔系統(tǒng)與上位信號系統(tǒng)的接口有兩種方式?？刂泼畹膫鬏敳捎脽o源接點硬線連接方式,包括定位操縱給定信號、反位操縱給定信號、電源鎖定信號、現地控制信號。道岔反饋信息包括操作模式、現地控制請求、故障狀態(tài)及行程開關的狀態(tài)信號。采用安全型繼電接口電路,接口雙方均應對無源接點、雙斷回路進行設計。為提高接口的安全性和可靠性,關鍵信號接口電路采用必要的安全冗余措施。監(jiān)測PLC則通過總線方式將設備和元件的狀態(tài)傳遞給信號系統(tǒng)。

5 調試與聯調

磁浮中心協助制訂了調試和聯調方案,并有專業(yè)工程師現場全過程配合調試工作。道岔的調試過程包括單調和聯調(集中控制、監(jiān)測系統(tǒng))。磁浮中心設計的監(jiān)測軟件在道岔的調試過程起到了非常重要的作用。為了檢驗道岔動作控制的可靠性,對首組道岔進行了3 000次連續(xù)轉轍試驗。磁浮中心制造的電柜于2015年8月初運抵長沙工廠,用于廠內調試。試驗表明,道岔轉轍、鎖定和動作控制系統(tǒng)性能可靠,轉轍時間達到了設計目標。

6 結語

截至目前的各項性能試驗和調試情況表明,長沙中低速磁浮線道岔的設計滿足系統(tǒng)要求，道岔的轉轍和鎖定可靠,轉轍時間及承載能力滿足要求,列車通過平穩(wěn)。通過本次面向工程應用開展的道岔設計現場調試中積累的經驗,對未來新建中低速磁浮項目的道岔工程具有重要的指導意義。

由于長沙中低速磁浮項目工期緊張,在調試過程中雖然通過安裝阻尼器改善了列車通過性能。但仍有必要在深入研究列車懸浮系統(tǒng)控制-反饋機理的基礎上,綜合考慮由于軌道不平順、剛度突變等因素對懸浮控制系統(tǒng)的擾動及其在不同控制回路之間、懸浮磁鐵之間的傳遞和相互影響,從而真正解決列車過岔的振動問題。此外,根據在配合道岔安裝和調試的過程中獲得的經驗,磁浮中心設計團隊認為仍有必要在后續(xù)過程中進一步提高工藝性能。例如，盡可能降低對現場安裝的要求,增加確定不同梁段之間、上下部結構之間關系的安裝基準和鎖銷定位基準,不僅能夠提高現場安裝效率,保證安裝精度,還將為工程驗收中的復檢提供條件。

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Design and Debugging of Guideway Switch for Medium and Low-speed Maglev in Changsha CityZENG Guofeng, YUAN Yihong, JI Wen, YE Feng, GAO Dinggang

Guideway switch is the key equipment in the track system of medium and low-speed maglev for line change. Based on the prototype guideway switch developed for the low-speed maglev test line in Shanghai Lingang Area, and according to the special requirements of Changsha project, the design team has completed the design of guideway switch construction drawing, provided technical support during the process of manufacture, installation and united system debugging. In this article, the project engineering is introduced, including the structure scheme of guideway switch, the driving and shifting system, the control and interfaces with the operation control system. Further optimization of the guideway switch in future construction of low speed maglev project is also put forward.

Changsha; medium and low-speed maglev; guideway switch

U 213.6: U237

10.16037/j.1007-869x.2016.05.010

2016-02-12)