高溫超導(dǎo)電動(dòng)懸浮軌道結(jié)構(gòu)研究

譚 斌

（中鐵二十三局集團(tuán)軌道交通工程有限公司 上海 201300）

1 引言

隨著時(shí)代的發(fā)展，軌道交通已經(jīng)從蒸汽機(jī)、內(nèi)燃機(jī)以及火車(chē)頭時(shí)代逐漸演變到高鐵時(shí)代。為了進(jìn)一步提高車(chē)輛速度，提高車(chē)輛運(yùn)輸效率、效能以及運(yùn)輸品質(zhì)，磁浮技術(shù)引起了人們的關(guān)注。它突破了傳統(tǒng)的輪軌接觸，實(shí)現(xiàn)了列車(chē)與軌道之間的無(wú)接觸運(yùn)行，具有眾多優(yōu)勢(shì)，是目前唯一能達(dá)到500 km／h的地面客運(yùn)交通工具[1]，成為未來(lái)軌道交通的重要發(fā)展方向。

磁懸浮的基本原理是通過(guò)電磁感應(yīng)產(chǎn)生的電磁力與物體自身重力互相抵消，從而達(dá)到懸浮的目的，具備較強(qiáng)的可控性[2]。一般的磁懸浮方式包括電動(dòng)懸浮 EDS（Electrodynamic Suspension）、電磁懸浮EMS（Electromagnetic Suspension）和高溫超導(dǎo)釘扎磁懸浮 HTS Maglev（High-Temperature Super-con-ducting Maglev）[3]三種技術(shù)形式。

電動(dòng)懸浮系統(tǒng)基于動(dòng)生原理，當(dāng)導(dǎo)體切割磁場(chǎng)時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)便會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng)，進(jìn)而產(chǎn)生電磁力，電磁力與重力平衡時(shí)即達(dá)到懸浮狀態(tài)，也稱(chēng)磁斥式。電動(dòng)懸浮型系統(tǒng)中懸浮力、感應(yīng)磁場(chǎng)強(qiáng)度與相對(duì)速度呈正相關(guān)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)靜止懸浮。電動(dòng)懸浮技術(shù)發(fā)展較為成熟，日本山梨線所使用的懸浮技術(shù)即為電動(dòng)懸浮技術(shù)，目前已經(jīng)進(jìn)入準(zhǔn)商業(yè)化應(yīng)用階段。

電磁懸浮系統(tǒng)主要包括電磁鐵與導(dǎo)磁材料兩部分。導(dǎo)磁材料與電磁鐵之間會(huì)產(chǎn)生吸引力，借此可以實(shí)現(xiàn)懸浮，因此也稱(chēng)磁吸式。電磁懸浮技術(shù)發(fā)展較早，現(xiàn)已較為成熟，已實(shí)現(xiàn)了商業(yè)運(yùn)營(yíng)。我國(guó)上海高速磁浮線與長(zhǎng)沙機(jī)場(chǎng)磁浮快線都運(yùn)用電磁懸浮技術(shù)。

高溫超導(dǎo)釘扎磁懸浮系統(tǒng)基于感生原理，該技術(shù)目前還處于試驗(yàn)驗(yàn)證階段[4]。

為推動(dòng)我國(guó)磁浮技術(shù)全面發(fā)展，由中車(chē)長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司牽頭，聯(lián)合相關(guān)單位建設(shè)了國(guó)內(nèi)首條基于電動(dòng)懸浮原理的試驗(yàn)線路，其車(chē)載超導(dǎo)材料選用高溫超導(dǎo)材料。本文主要針對(duì)電動(dòng)懸浮技術(shù)開(kāi)展研究，通過(guò)對(duì)該試驗(yàn)線軌道結(jié)構(gòu)相關(guān)研究工作進(jìn)行概要總結(jié)，擬為后繼此類(lèi)磁浮軌道結(jié)構(gòu)研究提供參考。

2 電動(dòng)懸浮

美國(guó)科學(xué)家Powell等于1966年提出電動(dòng)懸浮的概念，其懸浮、導(dǎo)向和推進(jìn)全部通過(guò)車(chē)載磁體來(lái)實(shí)現(xiàn)，具有天然的穩(wěn)定性，其懸浮能力更強(qiáng)、對(duì)軌道結(jié)構(gòu)精度要求更低、更容易控制，并且安全系數(shù)高[5]。進(jìn)一步地將其與真空管道技術(shù)相結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)1 000 km以上的時(shí)速[6]，運(yùn)用前景廣闊。

在電動(dòng)懸浮這一大類(lèi)路線中，目前世界上又分為基于永磁體、低溫超導(dǎo)磁體和高溫超導(dǎo)磁體三類(lèi)車(chē)載磁體的子路線。超導(dǎo)磁體相對(duì)于永磁體，可以提供數(shù)倍的磁動(dòng)勢(shì)和磁場(chǎng)，一方面使得滿(mǎn)足同樣懸浮力的條件下可大幅減小前進(jìn)阻力，另一方面可以給軌道驅(qū)動(dòng)定子提供更大的磁負(fù)荷，從而降低定子的建造成本。高溫超導(dǎo)磁體相對(duì)于低溫超導(dǎo)磁體，可在更高的溫度工作，從而擺脫對(duì)液氦這一戰(zhàn)略稀缺資源的依賴(lài)。目前日本鐵道總研、韓國(guó)鐵道技術(shù)研究所均在開(kāi)發(fā)基于高溫超導(dǎo)磁體的電動(dòng)懸浮系統(tǒng)。

2．1 電動(dòng)懸浮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理

電動(dòng)懸浮系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一般采用直線電機(jī)系統(tǒng)，但懸浮導(dǎo)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)則有多種不同的選擇，根據(jù)磁體作用于軌道的形式，分為線圈型和導(dǎo)電板型[7]。

2．1．1 軌道線圈型結(jié)構(gòu)

該種結(jié)構(gòu)下的感應(yīng)線圈沿軌道連續(xù)鋪設(shè)，根據(jù)線圈布置形式的區(qū)別，還可以分為零磁通電動(dòng)懸浮結(jié)構(gòu)與感應(yīng)線圈電動(dòng)懸浮結(jié)構(gòu)兩種不同的技術(shù)路線。

（1）零磁通電動(dòng)懸浮結(jié)構(gòu)

零磁通電動(dòng)懸浮結(jié)構(gòu)中，線圈水平安裝于兩側(cè)，用來(lái)提供懸浮力；車(chē)體下方安裝雙邊定子結(jié)構(gòu)直線電機(jī)，用來(lái)提供導(dǎo)向力和牽引力，軌道一般采用T型，如圖1所示。

（2）感應(yīng)線圈電動(dòng)懸浮結(jié)構(gòu)

軌道一般為U型結(jié)構(gòu)，軌道側(cè)壁上安裝“8”字型零磁通線圈，用來(lái)提供懸浮力和導(dǎo)向力；定子線圈也豎直安裝在軌道側(cè)壁上，用來(lái)產(chǎn)生牽引力，如圖2所示。日本電動(dòng)磁浮列車(chē)采用的就是感應(yīng)線圈電動(dòng)懸浮結(jié)構(gòu)。

圖2 感應(yīng)線圈電動(dòng)懸浮結(jié)構(gòu)

2．1．2 軌道導(dǎo)電板型

在軌道導(dǎo)電板型結(jié)構(gòu)中，使用導(dǎo)電板代替線圈型電動(dòng)懸浮結(jié)構(gòu)中的線圈，其軌道一般采用T型，如圖3所示。因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在高速?gòu)椛涞溶娛骂I(lǐng)域應(yīng)用較多。

圖3 軌道導(dǎo)電板型電動(dòng)懸浮結(jié)構(gòu)

2．2 電動(dòng)懸浮軌道結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀

從20世紀(jì)60年代開(kāi)始，美國(guó)、日本、韓國(guó)等開(kāi)始進(jìn)行電動(dòng)懸浮研究工作，其中日本研究得更為透徹，已經(jīng)進(jìn)入準(zhǔn)商業(yè)運(yùn)營(yíng)階段，其在建的中央新干線計(jì)劃于2027年投入運(yùn)營(yíng)。因本試驗(yàn)線采用感應(yīng)線圈電動(dòng)懸浮結(jié)構(gòu)，因此重點(diǎn)對(duì)日本相關(guān)情況進(jìn)行了調(diào)研。

2．2．1 軌道結(jié)構(gòu)型式

20世紀(jì)70年代至80年代，為配合ML-500型列車(chē)的研發(fā)，研究人員在倒T型軌道兩側(cè)安裝了液氦低溫容器，并在其中設(shè)置了超導(dǎo)線圈[8]，實(shí)現(xiàn)了較為穩(wěn)定的懸浮控制。1980年，采用U型導(dǎo)軌對(duì)宮崎試驗(yàn)線全線進(jìn)行了改造。U型軌道兩側(cè)分層安裝了“8”字線圈與直線同步電機(jī)定子線圈，分別用來(lái)實(shí)現(xiàn)懸浮、導(dǎo)向和驅(qū)動(dòng)。在隨后的山梨試驗(yàn)線、中央新干線都采用了U型軌道[9]。線圈的固定方式有四種，如圖4所示。

圖4 日本常用的四種軌道結(jié)構(gòu)型式

（1）梁法

軌道梁采用混凝土結(jié)構(gòu)，外觀為矩形梁，線圈安裝在軌道梁側(cè)面，如圖4a所示。從結(jié)構(gòu)上講，箱體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，在地面沉降后可以對(duì)軌道梁進(jìn)行整體調(diào)整，進(jìn)而維持軌道精度。

（2）面板法

主體結(jié)構(gòu)為一個(gè)含有軌道的U型梁，線圈和導(dǎo)向軌通過(guò)封裝殼板用螺栓安裝在軌道梁上，如圖4b所示。

（3）直接附著法

線圈通過(guò)螺栓直接安裝在現(xiàn)澆梁側(cè)壁上，如圖4c所示。這種方法較為經(jīng)濟(jì)，但對(duì)現(xiàn)澆部分精度要求較高，且后期沉降后不便于調(diào)整。

（4）倒 T型法

采用具有自穩(wěn)能力的倒T型截面軌道梁，如圖4d所示，便于施工與后期調(diào)整，可以降低成本[10]。

2．2．2 軌道結(jié)構(gòu)精度要求

因不存在脫軌問(wèn)題，電動(dòng)懸浮系統(tǒng)對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的精度要求主要從乘坐舒適度方面提出[11]。日本磁浮試驗(yàn)線路對(duì)軌道結(jié)構(gòu)精度要求如表1所示。

表1 日本軌道結(jié)構(gòu)施工精度要求

由表1可以看出，其精度要求比國(guó)內(nèi)中低速磁浮軌道結(jié)構(gòu)要求低。

2．2．3 弱磁性材料應(yīng)用

因電動(dòng)懸浮原理的需要，對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的磁阻力有特殊要求。市川篤司等對(duì)此進(jìn)行了深入研究[12]，建議在超導(dǎo)體1.5 m范圍內(nèi)采用低磁性或非磁性材料，并對(duì)奧氏體高錳鋼的應(yīng)用進(jìn)行了探索。Tatsuya Tamagaki等采用超高強(qiáng)纖維混凝土開(kāi)發(fā)了新型軌道梁[13]，其混凝土強(qiáng)度高達(dá)150 MPa，相比采用C60混凝土的同樣結(jié)構(gòu)軌道梁，梁本身重量減少42%，成本更優(yōu)。

3 試驗(yàn)線概況

本試驗(yàn)段為國(guó)內(nèi)首條感應(yīng)線圈電動(dòng)懸浮試驗(yàn)線，軌道梁安裝長(zhǎng)度200 m。試驗(yàn)車(chē)輛最高速度15 m／s。車(chē)輛在0～15 m／s速度段的平均加速度為2.5 m／s2，渦流制動(dòng)平均減速度4.84 m／s2。

4 高溫超導(dǎo)電動(dòng)懸浮軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4．1 軌道結(jié)構(gòu)主要功能要求

（1）兩側(cè)用于安裝長(zhǎng)定子直線電機(jī)的三相線圈，以及“8”字懸?。瘜?dǎo)向線圈。

（2）能承載后續(xù)研制整車(chē)重量（單車(chē)重量30～40 t，每延米重量約1.5 t）及運(yùn)行要求。

（3）只設(shè)直線段。

（4）具有一定的垂向高度調(diào)節(jié)能力。

4．2 軌道結(jié)構(gòu)安裝精度要求

（1）線圈安裝接口平面度公差：±2 mm／3 m。

（2）線圈定位孔尺寸公差：±0.5 mm。

（3）行走面接口處高度公差：±0.5 mm。

（4）導(dǎo)向面接口公差：±0.5 mm。

可以看出，軌道精度比日本線路要求更高，是出于減少軌道結(jié)構(gòu)給系統(tǒng)帶來(lái)的不確定影響考慮。

4．3 軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為滿(mǎn)足上述功能需要，試驗(yàn)段采用倒T型軌道梁。軌道結(jié)構(gòu)由鋼筋混凝土底座、低彈性模量砂漿袋、軌道梁和定位螺栓組成。試驗(yàn)段安裝在現(xiàn)有車(chē)間地面上，如圖5所示。與日本倒T型結(jié)構(gòu)相比主要?jiǎng)?chuàng)新在于將行走面與側(cè)墻進(jìn)行一體化預(yù)制，不但提高了各功能面的施工精度，而且軌道梁穩(wěn)定性也有所提高。

圖5 軌道結(jié)構(gòu)

4．4 軌道梁設(shè)計(jì)

軌道結(jié)構(gòu)的主要部件為軌道梁，考慮線圈尺寸、現(xiàn)場(chǎng)施工條件等因素，單片軌道梁長(zhǎng)度取為5.710 m，設(shè)計(jì)重量為9.25 t，設(shè)計(jì)混凝土體積為3.7 m3。軌道梁型式如圖6所示。

圖6 軌道梁

4．5 軌道梁材料選用

（1）混凝土：C80聚丙烯纖維混凝土。

（2）受力筋：通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)，綜合考慮力學(xué)性能、固有頻率、加工性能、磁阻力、成本等因素，選擇玄武巖纖維筋方案。

（3）預(yù)埋件：弱磁性不銹鋼。

4．6 軌道梁理論計(jì)算與力學(xué)試驗(yàn)

對(duì)軌道梁力學(xué)性能進(jìn)行理論計(jì)算，并通過(guò)沖擊試驗(yàn)、靜載試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，數(shù)據(jù)顯示各項(xiàng)指標(biāo)符合設(shè)計(jì)要求。

5 軌道結(jié)構(gòu)施工工藝與裝備研究

5．1 軌道梁預(yù)制工藝研究

為便于脫模，采用倒立方式進(jìn)行預(yù)制。相比于傳統(tǒng)混凝土構(gòu)件預(yù)制工藝，重點(diǎn)針對(duì)C80聚丙烯纖維混凝土配合比設(shè)計(jì)與質(zhì)量控制、玄武巖纖維筋籠成型與吊裝、高精度模板合模質(zhì)量控制、高強(qiáng)纖維混凝土振搗質(zhì)量控制、高精度同步脫模技術(shù)、翻身過(guò)程中的成品保護(hù)、高精度型腔面修補(bǔ)技術(shù)等重難點(diǎn)進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)研究，均取得良好效果。

5．2 軌道梁預(yù)制裝備研究

（1）高精度鋼模

模具采用端模包側(cè)模的結(jié)構(gòu)形式，其中一塊側(cè)模采用固定方式，并與底模連成一體，見(jiàn)圖7?；顒?dòng)側(cè)模為“8”字線圈安裝面，該部分要求最高，在對(duì)側(cè)模構(gòu)件進(jìn)行時(shí)效處理后，采用數(shù)控加工機(jī)床對(duì)型腔面進(jìn)行高精度成型加工。為保證脫模精度，采用液壓同步脫模裝置，并設(shè)置導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。為保證成型精度，僅在固定側(cè)模上安裝附著式振動(dòng)器。預(yù)埋件采用螺栓與鋼模進(jìn)行固定。

圖7 軌道梁鋼模

（2）其他主要工裝

為保證玄武巖纖維筋籠成型質(zhì)量，制作綁扎胎具；同時(shí)為做好脫模、翻身、吊裝等過(guò)程中對(duì)軌道梁的成品保護(hù)工作，制作了專(zhuān)用吊具。

5．3 軌道梁安裝工藝研究

軌道梁安裝工藝借鑒高鐵軌道板施工技術(shù)，具體流程如圖8所示。

圖8 軌道梁安裝工藝流程

5．4 軌道梁安裝裝備研究

為保證軌道梁精調(diào)精度并提高施工效率，開(kāi)發(fā)了軌道梁運(yùn)輸、精調(diào)一體化設(shè)備，應(yīng)用效果良好。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)調(diào)研與理論計(jì)算，提出了新型的高溫超導(dǎo)電動(dòng)懸浮軌道結(jié)構(gòu)。其軌道梁采用C80聚丙烯纖維混凝土，并布置玄武巖纖維筋來(lái)提升其力學(xué)性能，同時(shí)采用先進(jìn)的施工工藝保證軌道梁的預(yù)制與安裝精度。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了軌道結(jié)構(gòu)的相關(guān)性能，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，為進(jìn)一步推動(dòng)高溫超導(dǎo)電動(dòng)懸浮技術(shù)工程化應(yīng)用提供了參考。

目前試驗(yàn)線正在進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，下一步將根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)軌道結(jié)構(gòu)、線圈固定接口、新材料應(yīng)用、自動(dòng)化施工等方面開(kāi)展更深入研究，以早日達(dá)到工程化應(yīng)用條件。