160 km/h中速磁浮交通系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)問題*

梁 瀟 陳 峰 傅慶湘

(1.湖南磁浮技術(shù)研究中心有限公司,410013,長(zhǎng)沙； 2.長(zhǎng)沙理工大學(xué)土木工程學(xué)院，410144，長(zhǎng)沙//第一作者，高級(jí)工程師)

我國(guó)已建的長(zhǎng)沙磁浮線、北京S1線以及在建的清遠(yuǎn)磁浮線，都屬于中低速磁浮交通，最高運(yùn)行速度均為100 km/h。然而，我國(guó)的城市群和城際軌道交通已進(jìn)入了快速發(fā)展階段，部分城市需要建設(shè)運(yùn)行速度為160～200 km/h的中速磁浮線路。

中速磁浮交通系統(tǒng)的技術(shù)方案主要有三種：方案一，增大現(xiàn)有中低速磁浮列車直線電機(jī)和牽引變流器的功率，并進(jìn)行車體輕量化改良，從而實(shí)現(xiàn)直接提速；方案二，采用“長(zhǎng)定子永磁直線同步牽引+永磁電磁混合懸浮”的低速結(jié)構(gòu)進(jìn)行提速；方案三，對(duì)現(xiàn)有高速磁浮列車進(jìn)行降速簡(jiǎn)配。

方案一的技術(shù)繼承性好，與現(xiàn)有線路完全兼容，在現(xiàn)有技術(shù)上進(jìn)行升級(jí)，其造價(jià)和技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)較小。方案二不僅可使直線電機(jī)工作效率大幅提高，還具備進(jìn)一步提速的潛力；但該方案技術(shù)較復(fù)雜，尚處于研發(fā)階段，離工程化應(yīng)用有一定距離。方案三可以在上海高速磁浮系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)，但其采用的主動(dòng)導(dǎo)向增加了導(dǎo)向系統(tǒng)的質(zhì)量，而且系統(tǒng)復(fù)雜、造價(jià)較高。

綜上考慮，本文僅對(duì)方案一進(jìn)行探討。現(xiàn)以160 km/h中速磁浮交通系統(tǒng)的技術(shù)研發(fā)為背景，制定提速的技術(shù)路線，通過研究、試驗(yàn)、試制及測(cè)試，全面分析車輛、牽引、懸浮、供電及軌道等制約提速的子系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)。

1 提速的關(guān)鍵技術(shù)問題

1.1 車輛結(jié)構(gòu)

中速磁浮列車采用“既有中低速磁浮直接提速”設(shè)計(jì)思路，繼承現(xiàn)有中低速磁浮列車的技術(shù)[1]。為滿足速度要求，其懸浮架及車體等關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)需進(jìn)行強(qiáng)度加強(qiáng)設(shè)計(jì)及輕量化設(shè)計(jì)[2]。懸浮架采用鍛鋁成型設(shè)計(jì)，其托臂及防側(cè)滾結(jié)構(gòu)采用新型輕量化設(shè)計(jì)。中速磁浮列車的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，突破了牽引功率、懸浮能力、載客量及最高運(yùn)行速度的限制，實(shí)現(xiàn)了世界首列商用短定子磁浮列車平臺(tái)的搭建。

在車體部件輕量化設(shè)計(jì)中，車頭采用碳纖維材料設(shè)計(jì)，車體采用鋁合金框架與蜂窩復(fù)合材料相結(jié)合的設(shè)計(jì)。

優(yōu)化后的磁浮列車采用Mc(帶司機(jī)室的動(dòng)力車)+M(無(wú)司機(jī)室的動(dòng)力車)+Mc編組，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 優(yōu)化后的中速磁浮列車主要技術(shù)參數(shù)

1.2 牽引系統(tǒng)

提高牽引系統(tǒng)功率是中速磁浮系統(tǒng)提速的核心問題。目前，受懸浮架的限制，中低速磁浮列車直線電機(jī)的尺寸加長(zhǎng)空間有限。為滿足提速要求，在基本不增加列車質(zhì)量的前提下，對(duì)牽引直線電機(jī)和牽引變流器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使?fàn)恳β侍嵘?0%。改進(jìn)后的直線電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 優(yōu)化后的牽引直線電機(jī)結(jié)構(gòu)

在定員載荷(AW2)工況下，對(duì)直線電機(jī)的牽引性能進(jìn)行仿真分析發(fā)現(xiàn)：在列車運(yùn)行速度為0～70 km/h階段，列車的平均起動(dòng)加速度為0.75 m/s2；在列車運(yùn)行速度為0～160 km/h階段，列車的平均起動(dòng)加速度為0.4 m/s2；直線電機(jī)的最大制動(dòng)力為93 kN。AW2工況下DC 1 500 V中速磁浮列車牽引特性曲線如圖2所示。

圖2 中速磁浮列車牽引特性曲線

中速磁浮列車制動(dòng)方式有電制動(dòng)、液壓制動(dòng)及停放制動(dòng)3種。常用制動(dòng)優(yōu)先采用電制動(dòng)。常用制動(dòng)平均減速度為0.8 m/s2，緊急制動(dòng)平均減速度大于1.0 m/s2。其中，在AW2工況下，DC 1 500 V的磁浮列車電制動(dòng)特性曲線如圖3所示。

圖3 磁浮列車電制動(dòng)特性曲線

1.3 懸浮控制系統(tǒng)

懸浮控制系統(tǒng)同列車運(yùn)行安全性及乘客乘坐舒適度密切相關(guān)。磁浮列車的運(yùn)行速度越高，對(duì)懸浮系統(tǒng)的性能要求也越高。中速磁浮列車基本沿用既有的懸浮控制技術(shù)，其導(dǎo)向方案仍采用現(xiàn)有的懸浮力被動(dòng)導(dǎo)向+迫導(dǎo)向機(jī)構(gòu)輔助導(dǎo)向的方式，并針對(duì)存在的問題進(jìn)行研究改進(jìn)。

1.3.1 電磁鐵端部渦流效應(yīng)帶來的問題

列車速度與端部電磁鐵電流的關(guān)系如圖4所示。當(dāng)列車在高速運(yùn)行時(shí)，端部電磁鐵與鋼軌之間的渦流效應(yīng)會(huì)帶來與懸浮力相反的磁阻力，使正常的工作電流無(wú)法滿足懸浮能力需求。因此，端部電磁鐵的電流會(huì)增加，相應(yīng)增加的電磁力主要用于克服渦流效應(yīng)帶來的磁阻力。

圖4 列車速度與端部電磁鐵電流之間的關(guān)系

圖5 五線包電磁鐵方案模型

為了克服渦流效應(yīng)帶來的磁浮力減弱，應(yīng)增加懸浮電流。改進(jìn)方案如圖5所示，端部電磁鐵由四線包方案改為五線包方案。增加的第5個(gè)電磁鐵線包提供的懸浮力用以抵消渦流效應(yīng)帶來的磁力削弱，其余4個(gè)線包用以提供列車正常的懸浮力。

由五線包電磁鐵模塊提供的懸浮力仿真結(jié)果(見圖6)可見，五線包電磁鐵方案可滿足懸浮力需求。

圖6 五線包電磁鐵模塊提供的懸浮力

1.3.2 軌道鋪設(shè)精度與軌道不平順的影響

軌道鋪設(shè)精度主要影響線路的短波誤差。影響軌道鋪設(shè)精度的主要因素有軌縫高差、F軌形變等[3]。由于懸浮系統(tǒng)具有對(duì)間隙干擾低頻跟隨、高頻濾除的特性，故需在不同列車運(yùn)行速度段，具體分析軌縫高差和F軌形變對(duì)懸浮控制系統(tǒng)輸入信號(hào)頻率的影響，最終確定160 km/h中速磁浮列車對(duì)軌道鋪設(shè)精度的要求。

如圖7所示，懸浮控制采用PID(比例-積分-微分)反饋控制，采用每組電磁鐵獨(dú)立控制的方式。

圖7 單點(diǎn)懸浮系統(tǒng)PID反饋控制框圖

圖8 列車以不同速度行駛時(shí)隨機(jī)三角型不平順對(duì)懸浮間隙的影響

以隨機(jī)三角形不平順為例，車速v取10～160 km/h，不平順幅值aw取1.0～6.0 mm，隨機(jī)三角形不平順對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)影響的仿真結(jié)果如圖8～9所示。

從圖8～9中可以看出，隨機(jī)三角型軌道不平順對(duì)懸浮系統(tǒng)間隙和電流的影響隨著aw與v的增大而增大。

圖9 列車以不同速度行駛時(shí)隨機(jī)三角型不平順對(duì)電流的影響

設(shè)定aw=4.0 mm，v=160 km/h時(shí)系統(tǒng)各狀態(tài)變量的曲線圖如圖10所示。

圖10 aw=4 mm，v=160 km/h時(shí)系統(tǒng)狀態(tài)變化圖

根據(jù)仿真分析，雖然軌道長(zhǎng)波不平順對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)的影響隨著aw與v的增加而增大，但是各種情況下的間隙最大波動(dòng)均在2.4 mm之內(nèi)，小于允許值2.5 mm。相比軌道短波不平順和錯(cuò)臺(tái)影響，軌道長(zhǎng)波不平順對(duì)中低速磁浮列車的運(yùn)行影響較小。通過分析，短波隨機(jī)不平順和兩段軌排之間的錯(cuò)臺(tái)對(duì)懸浮系統(tǒng)的間隙和電流波動(dòng)有直接影響；對(duì)于軌道短波隨機(jī)不平順，列車的行駛速度也是影響列車懸浮系統(tǒng)間隙和電流狀態(tài)的重要因素。因此需要按照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)格控制軌排鋪設(shè)精度。

1.3.3 提升懸浮系統(tǒng)部件的可靠性

為研究中速磁浮列車懸浮系統(tǒng)的可靠性，針對(duì)長(zhǎng)沙磁浮快線懸浮斬波器IGBT (絕緣柵雙極型晶體管)模塊的壽命預(yù)測(cè)，建立電熱耦合模型，使用解析的模型和基于能量的物理模型分別對(duì)IGBT 模塊的壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)。

在實(shí)際工作中，IGBT的結(jié)溫(IGBT芯片穩(wěn)定工作時(shí)的最高溫度)是隨著載荷的實(shí)時(shí)變化而變化的。這將在器件內(nèi)部以及各部分材料之間產(chǎn)生熱機(jī)械應(yīng)力。Miner理論表明，應(yīng)力作用對(duì)器件造成的損傷，經(jīng)過長(zhǎng)期積累，會(huì)最終導(dǎo)致器件疲勞失效，因此，結(jié)溫預(yù)測(cè)是壽命預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)。

懸浮斬波器IGBT結(jié)溫試驗(yàn)平臺(tái)如圖11所示。首先，使用懸浮斬波器測(cè)試板輸出占空比可調(diào)的PWM(脈寬調(diào)制)波控制信號(hào)，經(jīng)斬波器接負(fù)載電磁鐵；然后，在散熱片上開槽并鋪設(shè)熱電偶以測(cè)量溫度，通過溫度變送器將0～200 ℃溫度相應(yīng)轉(zhuǎn)化為0～5 V 的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)；最后，將數(shù)據(jù)采集卡和虛擬示波器(Labview)連接，以實(shí)時(shí)觀察。

圖11 IGBT殼溫測(cè)量試驗(yàn)平臺(tái)

現(xiàn)使用能量法計(jì)算懸浮斬波器IGBT 模塊的壽命。對(duì)于全天運(yùn)行的懸浮斬波器結(jié)溫曲線，得到對(duì)應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖12所示?？梢?，應(yīng)力-應(yīng)變曲線主要由2 個(gè)大面積和很多小面積的遲滯回線構(gòu)成；其中最大面積的遲滯回線對(duì)應(yīng)的是一天的工況，次大面積的遲滯回線對(duì)應(yīng)的是早上的一次測(cè)試運(yùn)行；很多小面積的遲滯回線對(duì)應(yīng)運(yùn)行過程中的結(jié)溫波動(dòng)。

圖12 全天運(yùn)行的IGBT模塊應(yīng)力-應(yīng)變圖

對(duì)全天運(yùn)行的IGBT模塊應(yīng)力-應(yīng)變曲線構(gòu)成的閉合圖形進(jìn)行面積累加，其數(shù)值為143.789 2。由此可計(jì)算其壽命為23.03 年。

通過計(jì)算可知，通過能量法預(yù)測(cè)得到的懸浮斬波器IGBT 模塊壽命更符合實(shí)際。這是因?yàn)槟芰糠ú粌H考慮了焊料所經(jīng)歷的彈性和塑性形變，而且考慮了焊料依賴于時(shí)間的蠕變特性。

1.4 靴軌關(guān)系

中低速磁浮采用第三接觸軌供電[4]，列車最高運(yùn)行速度為120 km/h。提速到160 km/h后，列車能否繼續(xù)穩(wěn)定受流，以及列車受流器經(jīng)過接觸軌伸縮縫碰撞產(chǎn)生的噪聲能否滿足環(huán)保要求，是提速的核心問題。

為提高中速磁浮列車的靴軌配合性能，受流器與接觸軌進(jìn)行了技術(shù)改進(jìn)，如圖13所示。

圖13 受流器與接觸軌的技術(shù)改進(jìn)

1.4.1 靴軌關(guān)系動(dòng)態(tài)試驗(yàn)

為探究中速磁浮列車受流器與接觸軌之間的相互作用關(guān)系，在試驗(yàn)線上開展了靴軌關(guān)系動(dòng)態(tài)試驗(yàn)。靴軌關(guān)系試驗(yàn)的主要參數(shù)包括靴軌接觸壓力、受流器碳滑板垂向加速度及列車運(yùn)行速度等。靴軌關(guān)系耦合模型見圖14，仿真結(jié)果見圖15。

從圖15可以看出，隨著列車運(yùn)行速度的提高，受流器與接觸軌之間的耦合振動(dòng)明顯加劇。經(jīng)分析，無(wú)縫膨脹接頭可大大降低受流器的沖擊振動(dòng)。這表明接觸軌平順度及接頭的銜接性能對(duì)靴軌耦合振動(dòng)響應(yīng)影響十分重要。

圖14 靴軌耦合模型示意圖

圖15 靴軌耦合振動(dòng)加速度及列車速度曲線

1.4.2 中速磁浮新型接觸軌

中速磁浮交通主要采用新研發(fā)的工型接觸軌和C型接觸軌。

1) C型接觸軌。C型接觸軌能利用可自由伸縮的膨脹接頭和填縫滑塊，自動(dòng)填補(bǔ)熱脹冷縮變形引起的接縫，可明顯減小靴軌沖擊振動(dòng)。本研究針對(duì)時(shí)速140～200 km中速磁浮列車開展了靴軌耦合彈射試驗(yàn)，采集了中速條件下靴軌耦合過程中的噪聲和振動(dòng)加速度。試驗(yàn)結(jié)果顯示，受流器經(jīng)過接頭時(shí)耦合噪聲明顯降低，且振動(dòng)加速度不超過±20g(g為重力加速度)，驗(yàn)證了新型接觸軌的可靠性。

2) 工字型接觸軌。工型接觸軌裝置包括軌體、絕緣支撐座、膨脹接頭及分段絕緣器等部件。本研究針對(duì)時(shí)速160 km中速磁浮列車開展了靴軌耦合轉(zhuǎn)盤試驗(yàn)，采集靴軌耦合振動(dòng)加速度及燃弧。試驗(yàn)結(jié)果顯示，振動(dòng)加速度變化范圍為±20g，燃弧率不超過0.09%?？梢姡滦椭兴俳佑|軌比中低速接觸軌有明顯改進(jìn)，試驗(yàn)驗(yàn)證了其可靠性。

1.5 車橋耦合問題

當(dāng)運(yùn)行時(shí)速提高到160 km后，磁浮列車對(duì)軌道梁的動(dòng)力沖擊會(huì)加大。因此，需研究未經(jīng)改造的中低速磁浮軌道梁能否滿足列車提速的要求。

1.5.1 車橋耦合動(dòng)力學(xué)仿真模型

磁浮交通車橋動(dòng)力仿真分析模型包含橋梁模型、車輛模型和懸浮控制器模型。首先，利用有限元軟件建立簡(jiǎn)支梁橋有限元模型，利用多體動(dòng)力學(xué)軟件建立3節(jié)整車磁浮車輛模型，利用MATLAB/Simulink軟件建立懸浮控制器模型；最后將橋梁模型和懸浮控制模型導(dǎo)入多體動(dòng)力學(xué)軟件中，從而實(shí)現(xiàn)車橋相互作用。因國(guó)內(nèi)尚未形成中低速磁浮系統(tǒng)軌道不平順譜，故本文參考了我國(guó)高速鐵路軌道不平順譜。其幅值約為4 mm，波長(zhǎng)范圍為1～150 m。

1.5.2 箱型軌道梁和梁上承軌梁的動(dòng)力學(xué)性能

1.5.2.1 箱型軌道梁動(dòng)力學(xué)性能

箱型軌道梁在中低速磁浮商業(yè)線和試驗(yàn)線中被廣泛應(yīng)用，其具有建筑結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體量小、施工快捷等優(yōu)勢(shì)。本文以長(zhǎng)沙磁浮快線采用的單箱單室等高度簡(jiǎn)支箱梁為例進(jìn)行分析，其跨中橫斷面見圖16。箱梁跨徑取25 m，混凝土標(biāo)號(hào)為C50。單線軌道梁頂寬1.3 m，高2.1 m。

圖16 長(zhǎng)沙磁浮快線軌道梁跨中橫斷面圖

在仿真模型中，列車分別以120 km/h、140 km/h、160 km/h和180 km/h的速度通過簡(jiǎn)支梁橋，計(jì)算橋梁跨中的垂向位移和振動(dòng)加速度。各速度工況下的橋梁和車輛動(dòng)力響應(yīng)仿真數(shù)據(jù)如表2所示。

橋梁響應(yīng)方面：根據(jù)DBJ 43/T 007—2017《湖南省中低速磁浮交通設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》,簡(jiǎn)支梁撓度最高為L(zhǎng)/4 600(L為跨度)[5]，即25 m跨度對(duì)應(yīng)的最大撓度值為5.4 mm。根據(jù)TB 10002—2017《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》，橋梁垂向振動(dòng)加速度應(yīng)小于4.9 m/s2。經(jīng)仿真計(jì)算，箱型軌道梁的最大垂向位移為4.35 mm，最大振動(dòng)加速度為1.006 m/s2，均出現(xiàn)在180 km/h工況下，滿足規(guī)范要求。

表2 不同列車速度的箱型軌道梁和車輛動(dòng)力響應(yīng)情況

車輛響應(yīng)方面：懸浮間隙在180 km/h工況下的波動(dòng)范圍最大。最大懸浮間隙為6.657 mm，小于額定值8.000 mm，懸浮控制效果良好。GB 5599—1985《鐵道車輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定和試驗(yàn)鑒定規(guī)范》要求車體垂向加速度應(yīng)小于2.45 m/s2[7]。根據(jù)仿真結(jié)果，各工況下的車體加速度均遠(yuǎn)小于規(guī)范限值，說明車輛動(dòng)力響應(yīng)狀態(tài)良好。

1.5.2.2 梁上承軌梁動(dòng)力學(xué)性能

梁上承軌梁方案(見圖17)的下部為單箱單室等高度簡(jiǎn)支箱梁，上部為單箱單室等高度小型承軌梁，跨度取25 m，混凝土標(biāo)號(hào)為C50。單線梁頂寬5.00 m、高1.80 m，承軌梁頂寬1.32 m、高0.64 m。

圖17 梁上承軌梁方案跨中橫斷面圖

經(jīng)仿真計(jì)算，各速度工況下的的梁上承軌梁和車輛動(dòng)力響應(yīng)數(shù)據(jù)如表3所示。

橋梁響應(yīng)方面：梁上承軌梁的最大垂向位移為1.733 mm，最大振動(dòng)加速度為0.649 m/s2，均出現(xiàn)在180 km/h工況下?？梢?，其橋梁響應(yīng)情況優(yōu)于箱型軌道梁，滿足規(guī)范要求。

表3 不同列車速度時(shí)的梁上承軌梁和車輛動(dòng)力響應(yīng)情況

車輛響應(yīng)方面：懸浮間隙在180 km/h工況下波動(dòng)范圍最大，最大懸浮間隙為7.324 mm，懸浮控制效果良好。根據(jù)仿真結(jié)果，各工況下的車體加速度均遠(yuǎn)小于規(guī)范限值，說明車輛動(dòng)力響應(yīng)良好。

2 結(jié)論

1) 總體來說，目前常導(dǎo)短定子制式的中低速磁浮系統(tǒng)，尚有一定的提速空間，最高運(yùn)行速度提升至 160 km/h 在技術(shù)上是可行的。

2) 制約提速的關(guān)鍵問題主要是列車的牽引能力、懸浮穩(wěn)定性，以及車軌耦合關(guān)系、靴軌耦合關(guān)系等。仿真計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果表明，本文所述的新中速磁浮交通系統(tǒng)能滿足 160 km/h 穩(wěn)定運(yùn)行要求。

3) 對(duì)箱型軌道梁結(jié)構(gòu)的研究表明，現(xiàn)有中低速磁浮軌道梁結(jié)構(gòu)在力學(xué)性能方面還有富余，仍有優(yōu)化設(shè)計(jì)空間。

新型中速磁浮列車將在既有的長(zhǎng)沙磁浮快線進(jìn)行速度考核測(cè)試，以進(jìn)一步驗(yàn)證其性能。