超高速低真空磁浮管道試驗(yàn)平臺(tái)建造關(guān)鍵技術(shù)研究

楊學(xué)昆

摘要 超高速低真空管道磁浮交通系統(tǒng)利用超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)減弱車軌振動(dòng)、消除車軌摩擦，通過(guò)建立低真空運(yùn)行環(huán)境大幅降低氣動(dòng)噪聲和空氣阻力，超導(dǎo)同步直線電機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了動(dòng)力系統(tǒng)外置獲得更大有效載荷及速度，可實(shí)現(xiàn)最高速度1 000 km/h的“近地飛行”。通過(guò)研究國(guó)內(nèi)外關(guān)于超高速低真空磁浮管道交通系統(tǒng)技術(shù)現(xiàn)狀為切入點(diǎn)，針對(duì)真空、管（隧）、強(qiáng)電磁環(huán)境的影響及橋梁帶來(lái)的低真空環(huán)境與車/管荷載的作用，開(kāi)展超高速低真空磁浮管道試驗(yàn)平臺(tái)建造技術(shù)攻關(guān)研究，為今后工程化試驗(yàn)線建設(shè)及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞 低真空;管梁;試驗(yàn)平臺(tái);真空度;電磁阻力

中圖分類號(hào) U237 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2022）07-0082-03

0 引言

我國(guó)高速鐵路建造技術(shù)日趨完善，但是由于建造方式受空氣阻力、噪聲、車軌摩擦、車軌振動(dòng)等技術(shù)因素影響，很難進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)新的突破。超高速低真空管道磁懸浮交通系統(tǒng)作為國(guó)際最先進(jìn)的地面交通技術(shù)，具有極強(qiáng)的產(chǎn)業(yè)帶動(dòng)性，在鋼鐵、基建等傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)上，還將帶動(dòng)電力電子、先進(jìn)制造、人工智能、大數(shù)據(jù)等一大批“高精尖”產(chǎn)業(yè)發(fā)展，為我國(guó)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展提供新動(dòng)能[1]。

1 國(guó)內(nèi)、外研究現(xiàn)狀

1.1 美國(guó)

2020年7月，美國(guó)運(yùn)輸部明確將超級(jí)高鐵有關(guān)計(jì)劃正式劃歸聯(lián)邦鐵路局管轄，并且認(rèn)同超級(jí)高鐵項(xiàng)目具有申請(qǐng)聯(lián)邦援助資金的資格。目前美國(guó)方面技術(shù)研發(fā)主要由Virgin Hyperloop One公司（簡(jiǎn)稱VHO）、Hyperloop Transportation Technologies（簡(jiǎn)稱Hyperloop TT）兩家公司主導(dǎo)，兩家公司均采用電動(dòng)磁懸浮制式作為主要技術(shù)途徑，受美國(guó)交通部支持，目前正在世界各地推動(dòng)真空工程線建設(shè)，并已與沙特、阿聯(lián)酋、印度等多國(guó)簽署合作協(xié)議。

1.2 日本

日本自1962年開(kāi)始研究超導(dǎo)磁懸浮鐵路，前期通過(guò)修建480 m長(zhǎng)的原理試驗(yàn)線驗(yàn)證了懸浮推進(jìn)原理，中期修建7 km宮崎試驗(yàn)線分別對(duì)倒T形軌和U形軌進(jìn)行了性能驗(yàn)證，對(duì)試驗(yàn)車進(jìn)行了載人舒適性、可靠性及安全性性能驗(yàn)證。后期修建了42.8 km山梨試驗(yàn)線，完成了編組列車的載人高速運(yùn)行試驗(yàn)（試驗(yàn)速度達(dá)到603 km/h），對(duì)列車的可靠性和耐久性進(jìn)行了驗(yàn)證，積累了大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為轉(zhuǎn)入商業(yè)運(yùn)營(yíng)奠定了基礎(chǔ)。

1.3 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國(guó)相關(guān)研究單位從21世紀(jì)起開(kāi)始關(guān)注超高速低真空管道交通，在交通運(yùn)輸部指導(dǎo)下，通過(guò)二十年的技術(shù)引進(jìn)和自主創(chuàng)新，形成了一定技術(shù)基礎(chǔ)。2018年，相關(guān)單位設(shè)立了“低真空管（隧）道高速磁懸浮鐵路發(fā)展戰(zhàn)略研究”重大咨詢項(xiàng)目[2]。2019年國(guó)務(wù)院正式印發(fā)的《交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)綱要》中明確提出“合理統(tǒng)籌安排低真空管道高速列車等技術(shù)儲(chǔ)備研發(fā)”。從技術(shù)發(fā)展來(lái)看，利用管道結(jié)合真空技術(shù)能有效降低空氣阻力和噪聲，減小系統(tǒng)能耗，提升系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性，是發(fā)展600 km/h以上高速交通系統(tǒng)的有力手段。

考慮到載人運(yùn)營(yíng)需求，按照單線單管設(shè)計(jì)，管道直徑一般不小3 m，大于一般軌道交通梁高，因此管道有條件作為縱向受力構(gòu)件承受自重及車輛活載。管道內(nèi)部需形成U形構(gòu)造，U形腹板側(cè)面安裝電磁線圈與車載磁體相互感應(yīng)，實(shí)現(xiàn)懸浮及導(dǎo)向。設(shè)計(jì)確定將實(shí)現(xiàn)真空環(huán)境的密閉管道和承載列車荷載的梁部二者相結(jié)合的結(jié)構(gòu)形式是較為合理的選擇，這種結(jié)構(gòu)形式稱為“管梁” 。

2 真空試驗(yàn)平臺(tái)概述

中鐵六局集團(tuán)豐橋橋梁有限公司在北京市平谷區(qū)建設(shè)完成了全國(guó)第一個(gè)全尺寸超高速低真空管道磁浮交通系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)，試驗(yàn)平臺(tái)包括：21 m nu鋼-混管梁、6 m 鋼管梁、控制檢測(cè)室、真空泵房、管梁基礎(chǔ)及相關(guān)配套設(shè)施等六部分組成，試驗(yàn)平臺(tái)承擔(dān)著管道梁體主體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)施工方案驗(yàn)證、管道梁體力學(xué)性能、管道電磁環(huán)境、大體積真空環(huán)境建立、維持及監(jiān)測(cè)技術(shù)等一系列低真空管道關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題的驗(yàn)證和科研任務(wù)，如圖1。

3 結(jié)構(gòu)型式方案

針對(duì)高動(dòng)態(tài)荷載、溫度荷載等耦合荷載帶來(lái)的管梁設(shè)計(jì)問(wèn)題，需開(kāi)展“一體式管梁”和“分體式管梁”結(jié)構(gòu)論證方案研究，并完成多種荷載工況下的荷載及變形特性研究。

3.1 nu梁結(jié)構(gòu)

21 m鋼-混管梁采用分體式“nu”結(jié)構(gòu)。上半部采用外包鋼板焊接成“n”型結(jié)構(gòu)，下半部采用外包鋼板與預(yù)應(yīng)力混凝土“u”形疊合結(jié)構(gòu)，通過(guò)螺栓摩擦副、鋼板焊接以及密封材料將二者進(jìn)行連接成整體結(jié)構(gòu)共同受力，混凝土梁外包鋼板主要起真空密閉作用。鋼結(jié)構(gòu)材料采用Q355D鋼材，端部采用16 mm厚鋼板，跨中采用8 mm鋼板。梁體混凝土等級(jí)為C50，預(yù)應(yīng)力體系采用鐵路橋梁預(yù)應(yīng)力鋼絞線成品束，錨固體系采用自錨式拉絲體系。

3.2 全圓管梁結(jié)構(gòu)

6 m鋼-混管梁采用全圓鋼管構(gòu)造，管內(nèi)澆筑混凝土實(shí)現(xiàn)U形結(jié)構(gòu)。管梁梁長(zhǎng)6.4 m，內(nèi)徑6 m。鋼結(jié)構(gòu)材料采用Q355D鋼材，全部采用16 mm厚鋼板，梁體混凝土等級(jí)為C50，圓管內(nèi)混凝土采用非預(yù)應(yīng)力張拉體系。

4 建造步驟

4.1 nu梁施工步驟

工廠加工u型節(jié)段 → 在橋位處焊接成整體 → 調(diào)整設(shè)計(jì)高程 → 氦氣檢漏 →在外包鋼板內(nèi)綁扎鋼筋 → 安裝預(yù)應(yīng)力管道 → 設(shè)置預(yù)埋件 → 灌注混凝土 → 養(yǎng)護(hù) → 張拉預(yù)應(yīng)力鋼束 → 壓漿、封端 → 安裝n型鋼管 → 焊接封頭 → 灌注環(huán)氧樹(shù)脂膠密封 → 安裝逃生艙門 →? 開(kāi)展試驗(yàn)。

4.2 全圓管梁施工步驟

制作鋼管節(jié)段并焊接成管梁 → 將管梁吊至橋位處 → 調(diào)整設(shè)計(jì)高程 → 氦氣檢漏 → 在管梁內(nèi)部綁扎鋼筋 → 安裝模板 → 設(shè)置預(yù)埋件 → 灌注混凝土 → 養(yǎng)護(hù) → 安裝封頭 → 開(kāi)展試驗(yàn)。

5 建造關(guān)鍵技術(shù)要求

低真空區(qū)域控制范圍為103～102 Pa，如何保證試驗(yàn)平臺(tái)在建造完成后能夠具有穩(wěn)定的密封性能，并保證長(zhǎng)期維持低真空度是建造過(guò)程中關(guān)鍵技術(shù)之一。通過(guò)試驗(yàn)多種低磁導(dǎo)率材料并優(yōu)化設(shè)計(jì)、研究、建造，使之匹配可以達(dá)到車體懸浮姿態(tài)要求是另一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。綜上，試驗(yàn)平臺(tái)建造的核心詞就是“真空度控制”和“低磁導(dǎo)率控制”。

5.1 外包鋼板焊接

u型鋼板長(zhǎng)度分為十二段下料切孔，尺寸壓型分別為 2件（14 mm*2 680 mm）、 10件（6 mm*2 500 mm），轉(zhuǎn)機(jī)加開(kāi)單V坡口，寬度對(duì)接焊縫偏離中心200 mm處分成兩段下料，注意開(kāi)孔位置，開(kāi)單V坡口對(duì)接，要求熔透焊。數(shù)控切割或者等離子切割下料，下料開(kāi)坡口后壓彎成型，坡口預(yù)制采用銑邊機(jī)加工，按圖紙尺寸在平臺(tái)上對(duì)接成型2段，錯(cuò)開(kāi)拼接焊縫，點(diǎn)焊半米字拉筋支撐。嚴(yán)格控制外包鋼板拼接公差、長(zhǎng)度尺寸、直線度及平面度和平行度公差（參照長(zhǎng)度尺寸公差B級(jí)和直線度等公差F級(jí)標(biāo)準(zhǔn)），特規(guī)定u梁長(zhǎng)度尺寸不大于12 mm，直線度和平面度及平行度不大于12 mm，如圖2。

5.2 氦氣檢漏

氦質(zhì)譜檢漏法是利用氦質(zhì)譜檢漏儀的氦分壓力測(cè)量原理，實(shí)現(xiàn)被檢件的氦泄漏量測(cè)量。外包鋼板最終確定采用真空法氦質(zhì)譜檢漏方案。采用真空法檢漏時(shí)，需要利用輔助真空泵或檢漏儀對(duì)外包鋼板焊縫處內(nèi)部密封室抽真空，采用氦罩的方法在外表面施加氦氣，當(dāng)外包鋼板表面有漏孔時(shí)，氦氣就會(huì)通過(guò)漏孔進(jìn)入焊接點(diǎn)內(nèi)部，再進(jìn)入氦質(zhì)譜檢漏儀，從而實(shí)現(xiàn)泄漏量測(cè)量。最終外包鋼板焊縫總漏率的測(cè)量結(jié)果表明，總漏率滿足設(shè)計(jì)要求，圖3為氦氣檢漏示例。

5.3 低磁導(dǎo)率材料應(yīng)用

按照低磁導(dǎo)率設(shè)計(jì)在u型結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)布置了917低磁鋼筋，917低磁鋼筋彈性模量應(yīng)不小于180 GPa，屈服強(qiáng)度不應(yīng)小于335 MPa，應(yīng)滿足《45Mn17A13低磁鋼型鋼》（GJB93—90）中相對(duì)磁導(dǎo)率的指標(biāo)要求;除最外側(cè)鋼筋外，其余位置不同鋼筋處均需采用熱縮套管進(jìn)行絕緣處理，熱縮套管長(zhǎng)度不應(yīng)小于2d且不應(yīng)大于3d（d是鋼筋直徑），絕緣電阻試驗(yàn)應(yīng)符合GB/T1410中相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求;在線圈板中采用GFRP玻璃纖維筋，具有質(zhì)量輕、耐腐蝕、抗老化、絕緣性能好等特點(diǎn)，具有可有效降低磁導(dǎo)率的優(yōu)勢(shì)。GFRP材料性能需滿足《纖維增強(qiáng)復(fù)合材料筋混凝土橋梁技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（CJJ/T 280—2018）要求，同時(shí)還應(yīng)滿足《結(jié)構(gòu)工程用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料筋》（GB/T 26743—2011）的相關(guān)要求。

5.4 鋼筋混凝土線圈板的預(yù)制與安裝精調(diào)

預(yù)制線圈板采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，通過(guò)預(yù)埋孔位固定電磁線圈，由于電磁線圈的精準(zhǔn)定位決定了車體的運(yùn)行姿態(tài)，所以其位置的精度控制尤為重要。通過(guò)對(duì)預(yù)制線圈板的模型設(shè)計(jì)制作、鋼筋絕緣處理、安裝精調(diào)裝置設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行完善預(yù)制安裝方案，在建造過(guò)程中提高預(yù)制線圈板的預(yù)制和安裝精度（六個(gè)方向安裝精度均控制在±1 mm范圍）。為達(dá)到建立磁浮環(huán)境的電機(jī)模組提供支撐平臺(tái)的目的，最終本試驗(yàn)平臺(tái)安裝了5塊線圈板，均通過(guò)了精準(zhǔn)測(cè)量和安裝驗(yàn)證，證明了建造過(guò)程工藝控制的可行性，電磁線圈板安裝精調(diào)如圖4。

5.5 低真空環(huán)境的建立

試驗(yàn)平臺(tái)由兩臺(tái)羅茨泵、一臺(tái)螺桿泵、熱交換器以及水壓控制器、電器控制柜等設(shè)備組成真空泵機(jī)組，能夠滿足真空環(huán)境的建立和維持要求。從大氣壓到500 Pa僅需4 h，壓升率不超過(guò)10 Pa/h，試驗(yàn)時(shí)真空度最低可達(dá)100 Pa。采用傳感器（萊寶精度為0.2%）布置在真空管道內(nèi)部，監(jiān)測(cè)管梁內(nèi)的溫度、噪聲、真空度，安裝攝像頭對(duì)管梁內(nèi)部進(jìn)行視頻監(jiān)測(cè)，通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示與存儲(chǔ)實(shí)現(xiàn)管梁真空度全面監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析工作。

6 結(jié)語(yǔ)

試驗(yàn)平臺(tái)的竣工完成，標(biāo)志著超高速低真空磁浮交通系統(tǒng)由研發(fā)設(shè)計(jì)向工程實(shí)踐應(yīng)用已邁出了關(guān)鍵的第一步。試驗(yàn)平臺(tái)具備支撐大型真空管道系統(tǒng)密封、溫度變形補(bǔ)償、電氣設(shè)備真空適應(yīng)性等技術(shù)課題攻關(guān)驗(yàn)證，通過(guò)相關(guān)試驗(yàn)測(cè)試表明已經(jīng)能夠攻克大尺寸管梁密封、大尺寸薄壁管道變形控制等核心技術(shù)，后續(xù)還能為各領(lǐng)域提供真空測(cè)試環(huán)境及驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。由于此項(xiàng)建造技術(shù)研究在國(guó)內(nèi)尚屬首例，過(guò)程中仍存在著部分技術(shù)課題需要攻關(guān)和驗(yàn)證工作，今后會(huì)在低真空環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)性能、梁間密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及建造、管梁運(yùn)架技術(shù)、大型高可靠真空系統(tǒng)及設(shè)備等方面進(jìn)一步探索和研究。

參考文獻(xiàn)

[1]趙大亮， 劉書斌， 王冰. 低真空管道高速磁浮鐵路橋梁結(jié)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)的探討[J]. 機(jī)車電傳動(dòng)， 2020（6）： 38-41.

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