直线电机运载系统轨道结构设计的探讨

杨慧敏

摘要:针对直线电机运载系统的特点,本文根据线电机运载系统对轨道结构的要求,对轨道结构中钢轨及扣件的选型、轨枕及道床的选型、道岔及其道床的设计、减振降噪措施等进行了初步的探讨,对直线电机运载系统的轨道结构设计具有一定的参考和实用价值。

关键词:直线电机轨道结构道岔减振降噪

0 引言

直线电机运载系统始于上个世纪80年代,采用直线电机进行牵引,适用于中等运量的城市轨道交通,使轨道交通系统向小型化发展。该系统特点如下:①车轮尺寸可缩小,车厢地板面降低,缩小车体断面尺寸,隧道断面可减小;②车辆不受轮轨之间粘着条件的限制,爬坡能力强;③采用径向架,可在曲线半径较小的线路上运行;④驱动系统没有旋转部分,运行噪声可维持在较低水平;⑤采用安全、可靠、低噪声的制动系统。

这些特点有利于有利于线路纵断面设计,减少隧道及高架的过渡段,减少拆迁工作量,降低工程造价。世界上建成运营的直线电机运载系统,有加拿大温哥华、马来西亚吉隆坡、日本东京和大阪等。我国目前正在尝试引进直线电机运载系统,广州市轨道交通4、5号线已确定采用直线电机运载系统。由于该系统的轨道结构与一般城市轨道交通的轨道结构有所不同,需要将反应板安装在轨道上,且由在车辆上的直线电机与在轨道的反应板之间产生的磁力牵引列车前进,因此,应根据直线电机运载系统的特点对轨道结构进行研究,以选择合理的轨道结构形式和参数。

1直线电机运载系统对轨道结构的要求

直线电机运载系统采用直线电机牵引,直线电机是一种直线感应电动机,结构相当于将旋转电机切割展开成直线状,定子(初级线圈)设置在车辆上、转子(次级线圈)设置在轨道上,车辆由设置在车辆上的直线电机与铺设在轨道中央的反应板之间产生的磁力推进。采用钢轮、钢轨作为车辆的支撑,直线电机运载系统对轨道的要求如下:①轨道中间有直线电机反应板,轨道应有安装反应板的条件;②直线电机与反应板之间的间隙要求较高,要求道床施工及反应板的安装精度均较高,应力求轨道的平顺;③当选用的线路曲线半径小、坡度大时,应加强轨道的稳定。

2 轨道结构设计

轨道结构的工程设计包括钢轨选型、扣件、轨下基础、道岔、无缝线路、减振降噪、其它相关设备(如车挡、防脱装置、线路标志等)。其中与直线电机运载系统相关的是钢轨选型、扣件、轨下基础、道岔及减振降噪的设计。

2.1 钢轨选型 一般情况下,直线电机系统的最高行车速度为100km/h,轴重为11t。根据近远期客流量推算线路年通过总重,参照国铁轨道配置标准,正线和辅助线均可采用50kg/m钢轨,可同时满足轨道结构的强度和稳定性。

若采用国铁现有60kg/m钢轨,则可显著地提高轨道强度,降低轨底变形和应力,并能延长轨道的大修周期,减少日常养护维修工作量。由于直线电机系统采用径向转向架车辆,车辆通过曲线时车轮轮缘方向与曲线方向始终一致,且轮轨接触关系有所改变,在曲线地段钢轨磨耗应有所减少,而铺设60kg/m钢轨比铺设50kg/m钢轨初期投资增加8万/单线公里,且在高架桥上铺设无缝线路时,60kg/m钢轨比铺设50kg/m钢轨温度力变化大5.8kN/℃,铺设50kg/m钢轨对桥墩较为有利。且在直线电机系统中有专门用于回流的第4轨,回流无需增加走行轨截面面积。国外的直线电机系统轨道(如加拿大、温哥华、多伦多)也多采用50kg/m钢轨(实际为UIC54kg/m钢轨,该钢轨国内也有生产)。但由于我国铁路推行重载运输方针,铁路钢轨系列朝着重轨方向发展,一般干线都已采用60kg/m轨型,50kg/m轨型货源日趋短缺,其材质也不会再做改进,可供选用的品种很少。与国家铁路相比,城市轨道交通用轨量毕竟较少,从商业角度考虑,小批量用轨的供应是有困难的。如果采用高度较高和断面较大的轨型,对降低噪声和防止杂散电流是有利的。因此,综合诸多因素考虑,采用60kg/m轨型比较妥当。

2.2 钢轨扣件选型 钢轨扣件是联结钢轨与轨下基础的重要部件,反映了轨道结构的主要技术特性,是保持轨道框架刚度和决定轨道维修养护工作量的重要环节之一。

钢轨扣件由扣压件、轨下垫层和联结螺栓组成。为了体现轨道结构应有的技术性能,要求钢轨扣件具有一定的扣压力、必要的弹性和相应的可调能力。对刚度较大的轨下基础,还要求轨下垫板具有较好的弹性。在大坡道地段,既要求扣件提供较大的纵向阻力,以防止钢轨爬行;又要求扣件的扣压力不能过大,以控制无缝线路长轨条的纵向力向桥梁过量传递。两者的要求是互相矛盾的,要求从技术上妥善加以解决。参照《地铁设计规范》,针对不同的道床型式选可用不同的扣件型式,直线电机系统力求维修工作量小,故宜采用无挡肩弹性分开式无螺栓扣件。广州地铁四号线直线电机系统主要采用单趾弹簧扣件、国铁弹条Ⅲ分开式扣件及小阻力扣件等(如图1所示)。

2.3 轨枕及道床结构选型 轨道道床结构分碎石道床和整体道床两大类。碎石道床的优点是轨道弹性好、适应性强、减振效果好,易于调整轨道的水平和方向;无需配用结构复杂的弹性分开式扣件;施工简单、进度快、造价低。其缺点是养护维修中的起拨道、捣固道床的作业量大,更重要的是保持轨面的平顺度将花费更大代价。

整体道床的结构稳定、轨面的平顺性易于保持,轨道不易变形。表面整洁美观,便于清扫,轨道维修工作量少,但是整体道床的初期投资大,且对整体道床的基础结构要求高,轨道的弹性和轨面标高调整均由结构较复杂的弹性分开式扣件来提供。

地下线或者高架线宜采用整体道床,地面线不受轨道高度限制,养护条件相对较好宜采用碎石道床。

目前国内成功使用的地下线整体道床主要有上海地铁采用的长枕式整体道床(图2)和北京地铁、广州地铁采用的钢筋混凝土短轨枕式整体道床(图3)两种型式,两种结构均具有技术成熟、整体性强、结构简单、坚固耐用、施工简便、运营维修工作量小的优点,且经多年运营实践,使用效果良好。比较而言,短轨枕式整体道床的轨枕与道床联接可靠,且施工更方便,造价也略低于长枕式整体道床,是国内地铁常用的结构型式,与广州已建成地铁的道床型式一致。但是短枕式整体道床轨道结构用于直线电机轨道时,反应板的安装较为不便,若采用预埋件,则需要其在现场精确预埋,对施工精度要求较高,若采用后锚固技术,则安装工作量较大,进度慢且造价较高。因此应采用走行轨、第3轨、第4轨、感应板都同时高精度相对固定的技术方案,可采用长枕埋入式整体道床或板式轨道。

长枕埋入式整体道床可在长枕上设置预留安装钢轨、反应板的条件,把预制的混凝土枕用二次浇筑使混凝土枕与道床成为整体,将钢轨、反应板固定在长轨枕上。长枕式道床施工时,采用轨排架法施工,预埋螺栓(或孔)在工厂完成,容易达到施工精度,施工进度快,反应板安装调整方便,反应板与钢轨的相对位置精确度可以保证。曲线地段施工可以根据结构施工情况进行调整,技术成熟。缺点是轨道自重大,轨道减振性能较难实现。

将轨枕、道床合二为一的板式轨道,采用工厂预制轨道板,在每块板上设置3～4对扣件,并预埋反应板、第3、4轨固定元件。该方案轨道自重轻、整体性好、施工周期短。减振性能容易实现,通过轨道板下增设橡胶垫板即可实现。但该方案对工厂预制要求较高,特别是曲线地段,国外均在道床板上实现超高,这就要求在工厂预制的轨道板跟现场的位置对号入座。考虑到板式道床轨道结构高度较低,施工进度快,便于反应板的安装,曲线超高在道床板上实现,利于桥梁施工,高架线宜采用板式道床形式。

2.4 道岔及其道床 由于直线电机系统采用了径向转向架,道岔的导曲线半径将可以减少,可采用小号数曲线尖轨道岔,如温哥华正线采用6号、8号道岔,肯士顿试验线采用了5号道岔。但直线电机系统对轨面的平顺度,及固定于轨道上的直线电机转子和固定于车辆上的定子间的气隙高度要求很严格,所以应改进道岔的结构型式,提高列车通过道岔的平顺性。国外直线电机系统,国铁高速铁路采用了可动心轨道岔,但对于小号数曲线尖轨道岔采用可动心轨辙叉,则大大增加了道岔结构的复杂性。研制开发适合直线电机系统的小号数曲线尖轨道岔十分迫切。

道岔的道床面积宽、零部件多且在施工时能与钢轨直接相联,工况复杂,国内普通地铁的岔区一般采用短枕式道床。但在直线电机牵引系统中,岔区采用短轨式整体道床时,钢轨和感应板各自安装于短轨枕和道床板上,钢轨安装基面和感应板基面的高度差精度不易保持,且宜造成感应板安装基面的纵向(钢轨方向)的不平顺度,从而给车辆的正常运营带来负面的影响。与短轨式整体道床比,长枕式整体道床可保证反应板与钢轨的相对位置精度,更重要的是使用长枕时可以在道岔交叉部附近安装感应板,充分发挥车辆过岔时的牵引性能。借鉴日本直线电机系统在岔区采用树脂长枕式整体道床的经验,岔区宜采用树脂长枕式整体道床(如图所示)。国内也应研究开发适用于直线电机车辆在道岔区的其它道床及轨枕形式,以填补国内在此方面技术上的空白。

2.5 减振降噪措施 直线电机系统作为城市现代化的交通运输工具,与其它轨道交通相比,它具有造价低、振动小、噪声低、爬坡能力强、牵引能力优越、通过曲线半径小、能耗低、污染小、安全性能好等诸多优点,非常适合大中城市大中等运量交通发展的要求。但是不容忽视的是,由于其坡度较大、曲线半径较小,使得其运营条件相对苛刻,距离居民、办公场所较近,因此对振动与噪声的要求也较高;如直线电机铁路在市区内离建筑物最短距离小到只有几米,甚至紧挨建筑物,减振性能仍不容忽视。加拿大温哥华直线电机地铁采取了多种减振降噪措施。一般减振地段的主要措施有:①采用弹性分开式扣件。②铺设无缝线路结构。③运营中加强定期养护维护工作,使轮轨间的接触处于平顺状态,以降低轮轨间的冲击振动。

由于直线电机牵引系统对于转向架上的直线电机与道床上的感应板之间的间隙值要求较高,常规的轨道减振措施,如普通的轨道减振器扣件,弹性短轨枕等均不太适用于直线电机系统。中等减振地段可采用Edilon钢轨埋置式板式轨道结构,该结构有较好的隔声和隔振效果,且这种类型的轨道结构使用20年来,养护维修工作量相当少。还可考虑研究开发新型的弹性长轨枕整体道床,通过弹性橡胶支承长轨枕整体道床达到减振的目的。特殊减振地段可考虑采用浮置板轨道或Vanguard扣件等。

2.6 结论与建议 ①应全面分析,综合比较,采用经济合理的轨型。②对于减振型轨道结构如弹性长轨枕整体道床和浮置板轨道应进行全面研究、完善,开发适合我国直线电机运输系统的道床型式和施工方案。③在现有扣件的基础上开发新型的、经济的、适用于直线电机运输系统的扣件。④研制开发适合直线电机系统的减振型小号码道岔结构。⑤研制开发适合于岔区整体道床的树脂长轨枕。⑥直线电机系统的关键技术之一是固定于轨道上的直线电机转子和固定于车辆上的定子间的气隙高度的控制技术,而诸多互相影响制约因素均对该气隙高度产生互相叠加或者互相抵消的影响。设计中应对各轨道部件所产生的影响程度有适当的对策和综合的考虑。⑦直线电机运载系统不同于普通轨道交通,原地铁轨道施工验收技术条件已不能满足要求,国内没有相应施工经验,应开展轨道系统集成及施工验收技术条件研究,提高对直线电机轨道系统的全面认识和掌握。

直线电机运载系统在国内是全新技术,与普通轨道交通有许多不同,对其轨道系统应予以充分的重视,对轨道结构的设计应做进一步研究,并对设计的方案进行试制试验工作,使直线电机运载系统能成功应用于国内。