中速磁浮道岔減振設(shè)計(jì)研究

周文

中國(guó)鐵建重工集團(tuán)股份有限公司交通裝備研究設(shè)計(jì)院，長(zhǎng)沙 410100

中低速磁浮交通列車(chē)運(yùn)行時(shí)，懸浮于軌道上方約8 mm處，車(chē)軌無(wú)接觸，只受空氣阻力。與輪軌交通列車(chē)相比，磁浮交通列車(chē)黏著運(yùn)行阻力要小得多，具有曲線(xiàn)通過(guò)性好、爬坡能力強(qiáng)、噪聲小等優(yōu)勢(shì)，可在我國(guó)很多城市推廣使用，特別是中小運(yùn)量城市高架軌道線(xiàn)路、旅游景區(qū)交通線(xiàn)路等［1-3］。

我國(guó)首條中低速磁浮交通運(yùn)營(yíng)線(xiàn)長(zhǎng)沙磁浮快線(xiàn)及北京S1線(xiàn)設(shè)計(jì)速度為100 km∕h，與地鐵運(yùn)行速度相當(dāng)。為滿(mǎn)足市郊乘客無(wú)須換乘直接到達(dá)城市中心區(qū)的出行需求，有必要研究時(shí)速更高的中速磁浮交通。目前，關(guān)于160 km∕h中速磁浮交通技術(shù)的研究已經(jīng)展開(kāi)。中速磁浮交通既滿(mǎn)足市域和城際軌道交通較快速的運(yùn)行需求，又滿(mǎn)足環(huán)境友好的市內(nèi)軌道交通的運(yùn)行要求。

磁浮道岔是引導(dǎo)列車(chē)換線(xiàn)運(yùn)行的線(xiàn)路設(shè)備，采用整體移梁節(jié)段式鋼梁結(jié)構(gòu)。由于鋼梁結(jié)構(gòu)自身阻尼比很低，在磁浮列車(chē)道岔耦合激勵(lì)下容易產(chǎn)生振動(dòng)，上海高速磁浮、長(zhǎng)沙磁浮快線(xiàn)在調(diào)試初期都曾出現(xiàn)振動(dòng)過(guò)大的問(wèn)題［4-5］。160 km∕h中速磁浮車(chē)岔耦合作用更強(qiáng)，磁浮道岔減振設(shè)計(jì)難度更大。本文通過(guò)分析磁浮道岔共振產(chǎn)生的原因，在長(zhǎng)沙磁浮快線(xiàn)道岔的基礎(chǔ)上研究道岔減振設(shè)計(jì)方案，并建立有限元模型，對(duì)優(yōu)化后的中速磁浮道岔進(jìn)行了靜強(qiáng)度分析、模態(tài)分析以及車(chē)輛道岔耦合振動(dòng)分析。

1 道岔減振設(shè)計(jì)方案

160 km∕h中速磁浮技術(shù)基于100~120 km∕h中低速磁浮技術(shù)進(jìn)行提速，列車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)仍采用短定子直線(xiàn)電機(jī)，磁浮道岔結(jié)構(gòu)形式仍為三段定心式。磁浮道岔系統(tǒng)組成如圖1所示。磁浮道岔自振特性是引起磁浮車(chē)輛道岔共振的重要原因之一。根據(jù)車(chē)軌耦合振動(dòng)特性，磁浮車(chē)輛懸浮架和軌道梁發(fā)生劇烈耦合振動(dòng)的原因是懸浮架自激振動(dòng)激發(fā)了軌道梁固有頻率，使二者振動(dòng)相耦合［6-7］。因此，優(yōu)化道岔系統(tǒng)自振特性是160 km∕h中速磁浮道岔減振設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

圖1 磁浮道岔系統(tǒng)

1.1 提高道岔結(jié)構(gòu)剛度均勻化程度

為了減小列車(chē)側(cè)向過(guò)道岔時(shí)對(duì)中低速磁浮道岔的沖擊力，在鋼梁之間設(shè)有角平分裝置。長(zhǎng)沙磁浮快線(xiàn)道岔角平分裝置由連接梁、虛擬軌和兩支短F形導(dǎo)軌通過(guò)扭剪螺栓組合而成，如圖2（a）所示。角平分裝置F形導(dǎo)軌搭接在道岔梁F形導(dǎo)軌上，連接梁、虛擬軌不直接承受荷載。由于角平分裝置質(zhì)量輕、豎向剛度小，在車(chē)輛動(dòng)態(tài)磁浮力作用下容易引起局部過(guò)大振動(dòng)，進(jìn)而引起整車(chē)出現(xiàn)過(guò)大振動(dòng)。160 km∕h中速磁浮道岔將角平分裝置設(shè)計(jì)為短梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，如圖2（b）所示。優(yōu)化后列車(chē)荷載作用在整個(gè)角平分裝置上，而不是角平分裝置與道岔梁F形導(dǎo)軌搭接處，使得角平分裝置整體剛度大大增加，進(jìn)而提高道岔結(jié)構(gòu)剛度均勻化程度。

圖2 角平分裝置優(yōu)化前后對(duì)比

1.2 增加道岔梁約束和阻力

中低速磁浮道岔由鎖定裝置對(duì)道岔梁進(jìn)行限位，保證車(chē)輛通過(guò)道岔時(shí)的運(yùn)行安全，如圖3所示。鎖定限位精度由直插銷(xiāo)與插銷(xiāo)座來(lái)保證，導(dǎo)向輪上端面與基座之間設(shè)有1 mm的間隙，以便鎖定解鎖過(guò)程中導(dǎo)向輪能自由轉(zhuǎn)動(dòng)。中低速磁浮道岔從動(dòng)梁通過(guò)支撐鉸支撐在主動(dòng)梁上，滑塊與支撐座之間存在約1 mm的間隙（圖4），以便于從動(dòng)梁與主動(dòng)梁在道岔轉(zhuǎn)轍過(guò)程中能夠自由轉(zhuǎn)動(dòng)?？梢?jiàn)，道岔梁下方有臺(tái)車(chē)進(jìn)行支撐，與臺(tái)車(chē)之間無(wú)間隙；而在上方存在前述兩種1 mm間隙，在磁浮列車(chē)激勵(lì)下，道岔容易產(chǎn)生振動(dòng)。

圖3 中低速磁浮道岔鎖定裝置

圖4 優(yōu)化前的中低速磁浮道岔支撐鉸座

針對(duì)上述情況，從增加道岔梁約束和阻力方面對(duì)160 km∕h中速磁浮道岔進(jìn)行下列優(yōu)化：①增加臺(tái)車(chē)限位裝置（圖5），使得道岔轉(zhuǎn)轍到位時(shí)能夠完全消除道岔梁由于導(dǎo)向輪上端面與基座之間的1 mm間隙而產(chǎn)生的向上活動(dòng)空間；②臺(tái)車(chē)限位裝置設(shè)有橡膠墊板，為道岔提供減振阻力；③在滑塊與支撐座之間增設(shè)調(diào)整墊片，以消除二者的間隙（圖6），并確保從動(dòng)梁與主動(dòng)梁在道岔轉(zhuǎn)轍過(guò)程中的自由轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖5 臺(tái)車(chē)限位裝置三維圖

圖6 優(yōu)化后的支撐鉸座

1.3 改變道岔梁自振特性

長(zhǎng)沙磁浮快線(xiàn)道岔通過(guò)安裝豎向質(zhì)量液體雙調(diào)諧阻尼器解決車(chē)岔共振問(wèn)題［4］。未安裝阻尼器時(shí)，道岔梁的主振動(dòng)頻率為17.875 Hz，與磁浮車(chē)輛自振頻率比較接近，故調(diào)試初期產(chǎn)生了較大共振。因此，可以對(duì)道岔梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，在不使用阻尼器條件下，使道岔梁的豎向自振頻率避開(kāi)車(chē)輛的自振頻率，從而降低道岔制造及運(yùn)營(yíng)維修成本。

道岔梁結(jié)構(gòu)具體優(yōu)化方案為：梁高由1.4 m增加到1.8 m，梁的腹板厚度由16 mm改為20 mm；主動(dòng)梁由3臺(tái)車(chē)支撐改為2臺(tái)車(chē)支撐。

2 有限元分析

為了驗(yàn)證道岔梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案的減振效果，利用有限元軟件，采用尺寸為20 mm的實(shí)體單元建立有限元模型，通過(guò)數(shù)值模擬，對(duì)優(yōu)化后的中速磁浮道岔進(jìn)行靜強(qiáng)度分析、模態(tài)分析以及車(chē)輛道岔耦合振動(dòng)分析。材料計(jì)算參數(shù)為：彈性模量210 GPa，泊松比0.3，密度7 850 kg∕m3。

2.1 靜強(qiáng)度分析

在約束位置施加位移約束，對(duì)道岔梁施加1.25倍的額定荷載，計(jì)算主動(dòng)梁的豎向變形和主動(dòng)梁彎曲應(yīng)力。計(jì)算結(jié)果顯示，主動(dòng)梁最大豎向撓度出現(xiàn)在跨中處，幅值為3.89 mm，與廠(chǎng)內(nèi)靜荷載（荷載形式與幅值均相同）試驗(yàn)得到的跨中撓度4.30 mm接近，并滿(mǎn)足撓度不大于L∕3 800（L為梁跨度；本道岔計(jì)算結(jié)果為4.78 mm）的限值要求［8］。

2.2 模態(tài)分析

主動(dòng)梁約束模態(tài)下前6階頻率見(jiàn)表1，振型見(jiàn)圖7?？芍褐鲃?dòng)梁橫向剛度小，第1階模態(tài)振型為橫向彎曲，頻率為7.97 Hz；車(chē)輛道岔共振豎向振動(dòng)模態(tài)出現(xiàn)在第2階，頻率為12.36 Hz，有效地避開(kāi)了車(chē)輛激振頻率，避免了磁浮車(chē)輛過(guò)道岔時(shí)產(chǎn)生共振。

表1 主動(dòng)梁約束模態(tài)

圖7 主動(dòng)梁約束模態(tài)振型

2.3 車(chē)輛道岔耦合振動(dòng)分析

對(duì)道岔主動(dòng)梁的梁?jiǎn)卧Ｐ瓦M(jìn)行模態(tài)分析，得到道岔主動(dòng)梁的子結(jié)構(gòu)文件和模態(tài)計(jì)算結(jié)果文件，通過(guò)多體動(dòng)力學(xué)軟件與有限元接口程序生成彈性體輸入文件，生成用于動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算的磁浮車(chē)輛-道岔主動(dòng)梁剛?cè)狁詈戏治瞿Ｐ停鐖D8所示。

圖8 磁浮車(chē)輛-道岔主動(dòng)梁剛?cè)狁詈戏治瞿Ｐ?/p>

計(jì)算磁浮車(chē)輛各運(yùn)行速度級(jí)下車(chē)輛道岔耦合振動(dòng)時(shí)道岔主動(dòng)梁中心的動(dòng)力響應(yīng)，結(jié)果見(jiàn)圖9。

圖9 不同車(chē)速下主動(dòng)梁中心動(dòng)力響應(yīng)

由圖9可知：磁浮車(chē)輛的運(yùn)行速度對(duì)道岔主動(dòng)梁的垂向位移影響不大，最大垂向位移不到2.50 mm，遠(yuǎn)小于道岔主動(dòng)梁4.78 mm的垂向撓度要求，滿(mǎn)足道岔主動(dòng)梁的撓度設(shè)計(jì)要求，并且留有充足的余量；磁浮車(chē)輛的運(yùn)行速度對(duì)道岔主動(dòng)梁中心的垂向振動(dòng)加速度的影響比較大，尤其是在100 km∕h速度左右范圍內(nèi)存在共振現(xiàn)象，振動(dòng)加速度最大值接近0.5 m∕s2，但遠(yuǎn)小于鐵路橋梁設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中3.5 m∕s2的要求［9］。

3 結(jié)論

本文通過(guò)分析中速磁浮道岔容易產(chǎn)生車(chē)輛道岔共振的原因，提出了160 km∕h中速磁浮道岔減振設(shè)計(jì)方案。通過(guò)提高角平分裝置豎向剛度來(lái)提高道岔結(jié)構(gòu)剛度均勻化程度；通過(guò)設(shè)置臺(tái)車(chē)限位結(jié)構(gòu)、消除道岔梁支撐鉸座滑塊與支撐座間的間隙及鎖定裝置導(dǎo)向輪與基座間的間隙來(lái)增加道岔梁約束和阻力；通過(guò)調(diào)整道岔梁的截面形式和支撐數(shù)量來(lái)改變道岔梁的自振特性。建立實(shí)體有限元模型，對(duì)優(yōu)化后的中速磁浮道岔進(jìn)行靜強(qiáng)度分析、模態(tài)分析以及車(chē)輛道岔耦合振動(dòng)分析。得到以下結(jié)論：

1）通過(guò)增加梁高和腹板厚度，并將主動(dòng)梁3臺(tái)車(chē)支撐減少為2臺(tái)車(chē)，使得道岔主動(dòng)梁的豎向1階自振頻率降低到12.36 Hz，有效避開(kāi)了車(chē)輛自振頻率和磁浮調(diào)整頻率，達(dá)到了優(yōu)化設(shè)計(jì)要求。

2）磁浮車(chē)輛道岔耦合振動(dòng)分析表明，優(yōu)化后磁浮車(chē)輛以不高于160 km∕h通過(guò)道岔時(shí)，道岔梁垂向振動(dòng)加速度小于0.5 m∕s2，滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求，減振效果良好。