懸掛式永磁懸浮單軌交通系統(tǒng)興國試驗(yàn)線總體設(shè)計(jì)

李曉飛 李際勝

(中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,天津 300308)

引言

自1901 年德國建成世界首條懸掛式單軌交通線路以來,懸掛式單軌交通已有120 多年的歷史,其輪軌接觸關(guān)系也從初期非對稱懸掛鋼輪鋼軌型、非對稱懸掛膠輪型,發(fā)展到當(dāng)前廣泛采用的對稱懸掛膠輪型[1-4]。

我國相繼建成四川成都中唐試驗(yàn)線、山東青島中車四方試驗(yàn)線、河南開封中建試驗(yàn)線、湖北武漢中鐵科工試驗(yàn)線等4 條懸掛式單軌交通工程試驗(yàn)線。 其走行部分結(jié)構(gòu)為:膠輪單軌走行部分下方設(shè)置有走行輪,走行輪與下部開口軌道梁底板頂面接觸,走行部兩側(cè)設(shè)置有導(dǎo)向輪,導(dǎo)向輪與軌道梁兩側(cè)腹板接觸。 走行輪作為傳遞驅(qū)動(dòng)力和列車荷載的重要部件,需要定期進(jìn)行更換。

為降低運(yùn)維成本,減小系統(tǒng)運(yùn)行阻力,同時(shí)拓展稀土永磁材料應(yīng)用范圍[5],將稀土永磁懸浮技術(shù)引入懸掛式單軌交通系統(tǒng),取消膠輪單軌的走行輪,將膠輪單軌走行輪與軌道梁的豎向接觸關(guān)系替代為豎向懸浮、非接觸關(guān)系,通過直線感應(yīng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)牽引。 永磁懸浮與中低速磁浮所采用的電磁懸浮技術(shù)的最大不同在于,永磁懸浮利用稀土永磁材料實(shí)現(xiàn) “零功率”懸浮,由于懸浮不耗能,牽引能耗較低[6]。

磁浮單軌與膠輪單軌的差異主要集中在永磁懸浮系統(tǒng),永磁懸浮和直線電機(jī)系統(tǒng)的引入,使軌道梁、道岔、工藝等呈現(xiàn)出了不同的特點(diǎn),根據(jù)工程試驗(yàn)線具體情況,重點(diǎn)對總體布局、懸浮導(dǎo)向及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、軌道梁及道岔、工藝等設(shè)計(jì)進(jìn)行闡述。

1 工程概況

懸掛式永磁懸浮單軌交通系統(tǒng)興國試驗(yàn)線(以下簡稱“興國試驗(yàn)線”)位于江西省贛州市興國縣。 線路南起興國西站,沿現(xiàn)狀站前大道東側(cè)向北走行接入靜調(diào)庫,全線均為高架線,見圖1。

圖1 懸掛式永磁懸浮單軌興國試驗(yàn)線

線路主線采用單線設(shè)計(jì)(車站范圍雙線),主線長0.8 km;全線共設(shè)車站1 座,靜調(diào)庫1 座,道岔1 組。

設(shè)計(jì)速度70 km/h,車輛采用2 輛編組,DC750V接觸軌供電[7]。

2 總體布局

興國試驗(yàn)線的基本功能是驗(yàn)證永磁懸浮核心系統(tǒng)的可靠性、有效性、可維護(hù)性、安全性,以及車輛、軌道梁橋及道岔等關(guān)鍵系統(tǒng)的技術(shù)適應(yīng)性。 根據(jù)試驗(yàn)線基本功能要求,如何選取總體布局,以減少用地及工程投資是試驗(yàn)線總體設(shè)計(jì)的重難點(diǎn)。

國內(nèi)已建成的4 條懸掛式單軌交通試驗(yàn)線均位于廠區(qū)內(nèi),受場地條件限制,線路長度一般較短,且最小曲線半徑一般設(shè)置于線路中部[8-12],對車輛運(yùn)行速度影響較大。 國內(nèi)建成試驗(yàn)線的概況及總體布局見表1。

表1 國內(nèi)建成試驗(yàn)線概況及總體布局

為滿足車輛、道岔等基本試驗(yàn)要求,結(jié)合興國試驗(yàn)線用地情況,基于盡量提高車輛最高試驗(yàn)速度、降低工程投資的前提,興國試驗(yàn)線設(shè)置車站1 座、靜調(diào)庫1座、道岔1 座;主線(區(qū)間)采用單線,車站范圍采用雙線,站前設(shè)置道岔1 組,以實(shí)現(xiàn)主線單線、車站雙線的轉(zhuǎn)換及道岔通過;線路起點(diǎn)設(shè)置車站,線路終點(diǎn)直接接入靜調(diào)庫,不再單獨(dú)設(shè)置出入線;最小半徑R-50 m 曲線設(shè)置于道岔后端,與道岔組成S 形曲線,減小了小半徑曲線對主線運(yùn)行速度的影響。 興國試驗(yàn)線總體布局見圖2。

圖2 興國工程試驗(yàn)線總體布局

3 懸浮系統(tǒng)及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

興國試驗(yàn)線采用永磁技術(shù)實(shí)現(xiàn)懸浮,采用導(dǎo)向輪進(jìn)行機(jī)械導(dǎo)向,通過直線感應(yīng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)牽引和電制動(dòng)。

3.1 永磁懸浮系統(tǒng)

永磁懸浮系統(tǒng)由安裝于車輛懸浮架上的車載磁組及安裝于軌道梁上的梁載磁軌構(gòu)成。 根據(jù)懸掛式單軌基本特征,采用斥力型懸浮設(shè)計(jì)。

在滿足懸浮力的前提下,如何選取磁軌材料、確定磁體排布,以減小磁軌尺寸及磁軌投資是永磁懸浮系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重難點(diǎn)。

稀土材料主要分為稀土鈷永磁材料和稀土硼永磁材料,為實(shí)現(xiàn)磁軌的小型化、輕量化,興國試驗(yàn)線磁體采用釹鐵硼永磁材料;為增強(qiáng)磁軌垂直方向上的場強(qiáng),用最少體量的磁體產(chǎn)生最強(qiáng)的磁場來滿足懸浮力的要求,并考慮降低磁體加工裝配難度,車載磁組及梁載磁軌均采用直線型Halbach 陣列。 Halbach 陣列的主要特征是在強(qiáng)磁場側(cè)呈現(xiàn)正弦分布且磁場強(qiáng)度疊加,而在弱磁場側(cè)基本相互抵消[13-16]。

根據(jù)前期研究成果,磁組/磁軌由磁體及鋁合金或不銹鋼底座組成,磁組/磁軌內(nèi)永磁體按四模塊排布,磁體寬150 mm,磁軌長600 ～1 200 mm。 興國工程試驗(yàn)線磁軌橫斷面見圖3。

圖3 興國工程試驗(yàn)線磁軌斷面

3.2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

直線感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)屬于非黏著驅(qū)動(dòng),與膠輪單軌相比,其爬坡能力更強(qiáng),但直線電機(jī)效率和功率因數(shù)較低,運(yùn)行電能耗較膠輪單軌大。

興國試驗(yàn)線運(yùn)行速度較低,從工程投資及運(yùn)行維護(hù)等方面考慮,采用了與中低速磁浮交通相同的短定子方案,直線電機(jī)初級安裝于車輛懸浮架上,次級感應(yīng)板安裝于軌道梁上,依靠初級和次級之間的移動(dòng)磁場產(chǎn)生的吸力或斥力實(shí)現(xiàn)牽引和制動(dòng)[17-19]。

由于感應(yīng)板布置在軌道梁內(nèi),無法像中低速磁浮系統(tǒng)將感應(yīng)板安裝于F 軌上,亦無法像城市軌道交通直線電機(jī)牽引系統(tǒng)布置大尺寸的感應(yīng)板,因此在滿足牽引力的前提下,如何縮小感應(yīng)板尺寸是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重難點(diǎn)。

為節(jié)省軌道梁內(nèi)部的有限空間,興國試驗(yàn)線感應(yīng)板采用了帽子式,感應(yīng)板由鋁蓋、鐵芯、鋁蓋緊固件等組成,并將鐵心與軌道梁直接進(jìn)行連接,興國工程試驗(yàn)線感應(yīng)板橫斷面見圖4。

圖4 興國工程試驗(yàn)線感應(yīng)板斷面

城市軌道交通直線電機(jī)牽引系統(tǒng)感應(yīng)板的技術(shù)參數(shù)對比見表2。

表2 直線電機(jī)感應(yīng)板技術(shù)參數(shù)對比

4 軌道梁橋

軌道梁橋是軌道梁、橋墩、基礎(chǔ)及墩梁懸掛系統(tǒng)組成的橋梁體系。 磁浮單軌及膠輪單軌的差異主要體現(xiàn)在荷載分布類型及軌道梁的設(shè)計(jì)。

膠輪單軌的車輛荷載通過走行輪傳遞到軌道梁,屬于集中荷載;磁浮單軌的車輛荷載通過車載矩形磁組面?zhèn)鬟f到車載磁軌及軌道梁,屬于均布荷載。

根據(jù)車輛行走的特點(diǎn),軌道梁采用下部開口的鋼箱結(jié)構(gòu),為滿足永磁懸浮及直線電機(jī)系統(tǒng)的布置要求,軌道梁中部增加中蓋板。 在軌道梁底板及中蓋板分別設(shè)置梁載磁軌和直線電機(jī)感應(yīng)板。 根據(jù)懸浮架及設(shè)備布置要求,軌道梁內(nèi)部凈尺寸為1 200 mm×1 250 mm(寬度×高度),為使軌道梁具有足夠的豎向、橫向和抗扭剛度,并保證其穩(wěn)定性,在軌道梁內(nèi)設(shè)置環(huán)向加勁肋,寬150 mm,縱向間距1 200 mm,在梁端附近根據(jù)梁長調(diào)整間距,在軌道梁底設(shè)置縱向加勁肋,高90 mm;在中蓋板下設(shè)置橫向加勁肋,加勁肋預(yù)留孔洞,可作為管線敷設(shè)路徑。 興國試驗(yàn)線軌道梁橫斷面見圖5。

圖5 興國試驗(yàn)線軌道梁斷面(單位:mm)

軌道梁橋標(biāo)準(zhǔn)跨徑采用25 m 簡支梁,曲線地段及跨越障礙物地段,跨徑采用16 ～30 m。 由于線路敷設(shè)于站前大道,景觀要求較高,一般地段橋墩采用鋼結(jié)構(gòu),當(dāng)線路高程較高時(shí),為節(jié)省工程投資,橋墩采用“鋼結(jié)構(gòu)+混凝土”混合結(jié)構(gòu)。 在雙線及預(yù)留雙線段采用Y 形墩,在道岔梁兩側(cè)采用門式墩。 橋墩與軌道梁采用了構(gòu)造簡單、施工簡便、造價(jià)更低的銷軸連接方式。 興國試驗(yàn)線軌道梁橋Y 形墩見圖6。

圖6 興國試驗(yàn)線軌道梁Y 形墩

磁浮單軌及膠輪單軌軌道梁的對比,見表3。

表3 磁浮單軌與膠輪單軌的軌道梁差異對比_______

5 道岔系統(tǒng)

道岔系統(tǒng)是列車換線及安全運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)備。 道岔幾何線形主要取決于道岔前長、后長、道岔號(hào)數(shù)、導(dǎo)曲線半徑及線間距等因素。 為減少占地范圍,興國試驗(yàn)線采用4 號(hào)小號(hào)碼道岔,道岔側(cè)股曲線采用“純圓曲線+相切直線”的形式,導(dǎo)曲線半徑50 m。 相較于中唐試驗(yàn)線、四方試驗(yàn)線等,5 m 平行線間距單渡線減少占地寬度5～17 m。 興國試驗(yàn)線4 號(hào)道岔幾何線形見圖7。

圖7 興國試驗(yàn)線4 號(hào)道岔幾何線形(單位:mm)

為降低轉(zhuǎn)轍時(shí)間,在懸掛式單軌交通領(lǐng)域采用單回轉(zhuǎn)點(diǎn)替換梁式道岔,道岔作用時(shí)間不大于25 s。

6 靜調(diào)庫

興國試驗(yàn)線在線路終點(diǎn)處設(shè)置簡易靜調(diào)庫1 座,由線路終點(diǎn)直接接入。 靜調(diào)庫長約36 m,寬15.9 m,高16.3 m,主要配備2 臺(tái)10 t 起重機(jī)和靜調(diào)臺(tái)架,主要承擔(dān)工程化樣車組裝及上下線、工程化樣車靜調(diào)及臨修、材料堆放等任務(wù)。

磁浮單軌懸浮架安裝有車載磁組,如何實(shí)現(xiàn)車輛上、下線和懸浮架進(jìn)出軌道梁是工藝設(shè)計(jì)的重難點(diǎn)。

參考膠輪單軌上下線主要流程,結(jié)合磁浮單軌技術(shù)特點(diǎn),確定興國試驗(yàn)線車輛上線主要流程如下:①車體、懸浮架汽運(yùn)入庫;②懸浮架安裝車載磁組;③打開靜調(diào)臺(tái)架二層平臺(tái)并確認(rèn)到位;④使用2 臺(tái)10 t 起重機(jī)將車體調(diào)運(yùn)至軌道小車;并推送至靜調(diào)臺(tái)架下方預(yù)定位置;⑤使用起重機(jī)將懸浮架起吊至靜調(diào)臺(tái)架二層平臺(tái)、車體上方的預(yù)定位置;⑥完成機(jī)械裝置及電氣連接;⑦開閉靜調(diào)臺(tái)架二層平臺(tái),并使車輛懸浮架的走行輪落于靜調(diào)臺(tái)架二層平臺(tái)上;⑧重復(fù)上述流程,完成第二節(jié)車輛上線并完成編組。 車輛下線流程與上線流程相反。

膠輪單軌走行輪與軌道梁接觸面具有較大的摩檫力,車輛走行機(jī)構(gòu)可以通過無頂板的U 形結(jié)構(gòu)進(jìn)出軌道梁;為降低非封閉環(huán)境磁性材料對近距離接觸金屬構(gòu)件磁化的風(fēng)險(xiǎn),保證庫內(nèi)檢修工作的安全,檢修平臺(tái)不設(shè)置磁性軌道,為此在車輛懸浮架底部設(shè)置了走行輪,以實(shí)現(xiàn)車輛在有、無梁載磁軌之間的順利過渡。

7 結(jié)語

懸掛式永磁懸浮單軌交通系統(tǒng)是我國自主研發(fā)、具有完全知識(shí)產(chǎn)權(quán)的軌道交通制式,豐富導(dǎo)向運(yùn)輸系統(tǒng)譜系及中低運(yùn)量軌道制式。 興國試驗(yàn)線重點(diǎn)對懸浮導(dǎo)向及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、軌道梁及道岔、工藝等進(jìn)行研究和驗(yàn)證,在滿足試驗(yàn)線基本要求的前提下,合理的總體布局在最大程度上減少用地及工程投資,永磁懸浮等核心系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)線車輛穩(wěn)定的懸浮導(dǎo)向和驅(qū)動(dòng),軌道梁橋、道岔及工藝等關(guān)鍵系統(tǒng)設(shè)計(jì)為試驗(yàn)線的安全運(yùn)行奠定了基礎(chǔ)。 興國試驗(yàn)線的建設(shè)解決懸掛式永磁懸浮單軌交通系統(tǒng)工程化過程中的一系列問題,并在工程總體設(shè)計(jì)、系統(tǒng)集成、裝備研發(fā)等方面積累了經(jīng)驗(yàn),這對懸掛式永磁懸浮單軌交通系統(tǒng)商業(yè)運(yùn)用及產(chǎn)業(yè)化具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。