中低速磁浮交通轨道工程研究与设计

杨其振,刘道通,于春华

(铁道第三勘察设计院集团有限公司,天津 300251)

磁浮技术的研究源于德国,磁浮交通系统具有选线自由度大、噪声小、振动低、舒适、维护少等特点。中低速磁悬浮列车最高车速 80～160 km/h,造价相对低廉,与轻轨、地铁等传统轨道交通具有互补性,发展前景看好。本文重点对中低速磁浮列车工作原理、轨道(含道岔)结构以及轨道几何状态等问题进行阐述。

1 国内外中低速磁浮交通系统发展情况

1.1 国外中低速磁浮发展情况

国外中低速磁浮列车以日本的 HSST系统为典型代表。从 1974年到 1989年,HSST-01到HSST-05型车相继投入试验。1991年,日本在名古屋附近的大江,建成一条新的面向应用的试验线。2005年 3月,日本建设开通了中低速磁悬浮铁路商业运行线——东部丘陵线(Linimo),该线长8.9km,连接名古屋一个地铁车站和市郊的一个现代化居住区,目前运行良好,起到了中低速磁浮交通系统的示范作用,有力地证实了其优势。

1.2 国内中低速磁浮发展情况

早在 20世纪 70年代我国科技工作者对于磁浮交通系统的新技术的进展就给予了关注,部分大学、研究机构开展了基础性研究。

1.2.1 国防科技大学研究情况

国防科技大学的磁浮技术研究工作始于 1980年。为使国防科技大学的磁浮技术走向应用,国防科技大学于 2001年 5月在校园内建成 1条长 204m的试验线路。2008年 5月,北京控股公司在唐山车辆厂厂区内修建的 1.5 km中低速磁浮试验线建成,目前已投入试验运行。

1.2.2 西南交通大学研究情况

西南交通大学 1986年开始研究磁浮列车技术。青城山磁浮试验线 2006年 4月建成,长425m,最大坡度 2.0%,最小曲线半径 250m。

1.2.3 上海磁浮交通公司研究情况

2007年,上海南汇临港新城建成1条长 1.5 km的磁悬浮试验示范线(含道岔),线路条件满足列车 100 km/h的运行速度要求。

1.3 唐山中低速磁浮试验线简介

为形成我国中低速磁浮研发体系,并满足“十一五”国家科技支撑计划重点项目“中低速磁浮交通技术及工程化应用研究”课题研究需求,铁道第三勘察设计院集团有限公司作为工程总体设计单位,配合北控中低速磁浮研发体系,于 2006年 ～2007年完成唐山中低速磁浮试验线及其试验基地设计工作。2009年 7月,试验线正式投入试验运行。

唐山中低速磁浮试验线(以下简称唐山试验线)位于唐山机车车辆厂内,全部为高架线路,正线全长1.547 km,平曲线最小半径 100m(尾部设 1处半径 50 m平曲线以备他用),最大坡度 70‰,试验线设置磁浮单开道岔 1处(图1)。

图1 唐山中低速磁浮试验线

2 中低速磁浮列车的悬浮、驱动及导向原理

列车采用环抱轨道形式。列车轨道梁两侧为悬空的倒 U形铁磁性轨道,轨道上铺设了铝质的反应极板。倒 U形轨道上反应板的正上方是安装在车体上的直线电机定子,在倒 U形轨道的正下方是固定在车体上的悬浮导向磁铁。磁浮列车悬浮结构示意见图2。

图2 磁浮列车悬浮结构简图

车体上的悬浮磁铁通电时就会与铁磁性轨道之间产生引力,使得车体向上抬起脱离轨道。

列车的牵引电机是短定子直线电机,电机初级也就是定子,是安装在车体上的,牵引功率的转换和控制是在车上实现的。车体上安装直线电机的定子,其正下方的轨道上安装有感应板,当定子通过三相电流后产生一个移动的磁场,这个磁场在感应板上感应出电流和感生磁场,两个磁场相互作用就产生了推力。

列车的导向是自动的,不需要导向电磁铁的主动控制,这是由于安装在车体上的电磁铁铁芯和铁磁性倒 U形轨道是正对的,如果两者有一定的错位,两者间的磁力线就会产生一个反方向的横向力,使得列车回到中心线。磁浮列车导向原理如图3所示。

图3 磁浮列车导向原理示意

3 轨道结构组成及功能

轨道是中低速磁浮线路的重要技术装备之一,是行车的基础。轨道是列车悬浮、行驶和停放的设备,引导机车车辆运行,直接承受来自车辆的荷载,轨道必须坚固稳定,并具有正确的几何形位,以确保列车的安全运行。

轨道是由导轨、感应板、轨枕、扣件、伸缩节、承轨台、道岔及附属设备组成。唐山试验线轨道结构横断面如图4所示。

图4 唐山试验线轨道结构横断面(单位:mm)

3.1 导轨及感应板

唐山试验线导轨采用低碳钢制造,质量127 kg/m,断面为 F形,导轨上覆铝制感应板。导轨下表面有两个磁极,起到悬浮作用;上表面是直线感应电机,覆盖有铝板,外部垂直法兰用于机械制动。

F形导轨用于制作中低速磁浮轨排,分为直线导轨、圆曲线导轨和缓和曲线导轨。

早期的一些试验线工程,导轨采用机加工法制造,制造成本较高,生产周期长。唐山试验线导轨实现了一次轧制成形,为以后中低速磁浮系统的工程化、产业化创造了有利条件(图5)。

3.2 导轨轨缝、接头及钢枕

3.2.1 轨缝

导轨在轨温变化时,沿线路方向热胀冷缩,需在导轨接头处预留轨缝。为满足不同地段导轨热胀冷缩及行车稳定性的需要,唐山试验线共设计了 3种形式的导轨接头,即 JⅠ型、JⅡ型、JⅢ型导轨接头,分别设 1个 、2个、4个轨缝 。

图5 导轨横截面

3.2.2 接头

JⅠ型接头:适应轨排伸缩量在 10 mm以内的接头。两轨排直接连接构成 JⅠ型接头;

JⅡ型接头:适应轨排伸缩量在 10～20 mm的接头;

JⅢ型接头:适应轨排伸缩量 ＞20mm的接头。

唐山试验线高架桥主要采用 18、24m简支梁,JⅠ型接头设置于同一片梁上两组轨排之间,JⅡ型接头设于 18m跨径简支梁梁缝处,JⅢ型接头设于 24m跨径简支梁梁缝处。唐山试验线的试验运行表明,这 3种接头的设计是适用的,能满足轨排热胀冷缩需要,轨缝最大值也能保证行车稳定。

3.2.3 钢枕

钢枕一般采用低碳钢制造,横断面形式为“工”字形或矩形,制造时上部两侧预留与导轨连接螺栓孔,下部预留锚固螺栓安装孔。

唐山试验线采用“工”字形轨枕,日本东部丘陵线、上海试验线采用矩形轨枕。工字形轨枕安装、维护工作较为方便,但相关试验数据表明,由于轨排的热胀冷缩,工字形轨枕腹板承受弯矩较大。在以后的工程实践中,尚应结合进一步的试验研究确定轨枕断面形式。

3.3 扣件

导轨与钢枕通过螺栓连接,组成轨排,扣件将轨排固定在下部基础上。

目前国内外中低速磁浮的运营线及试验线有:日本名古屋市爱知县东部丘陵线、长沙国防科大试验线、西南交大青城山试验线、唐山试验线、上海南汇临港新城试验线,结构形式特点如表1所示。

表1 扣件结构形式

由上述可知,除国防科大长沙试验线外,其他现有中低速磁浮运营线、试验线轨排扣件结构形式较为一致,主要部件有弹性垫板、铁垫板、铺轨辅助螺栓、锚固螺栓,扣件与下部基础采用混凝土 +螺栓套管的形式,其结构形式类似城市轨道交通无砟轨道扣件结构。

唐山试验线路采用的扣件结构形式如图6所示。

图6 唐山试验线扣件

3.4 承轨台

承轨台处于下部基础(桥梁、路基面等)与轨排之间,它承接由轨排及扣件传递来的各种作用力,再将其传递至下部基础。

日本名古屋东部丘陵线、上海试验线、青城山试验线、唐山磁浮试验线承轨台均采用二次浇筑结构,这种结构的主要优点是能够保证轨排的铺设精度,同时该结构能满足强度要求、施工简便、造价低廉。

在现阶段,承轨台采用二次浇筑结构是较为理想的一种方案。承轨台内预埋扣件锚固螺栓套管,内布钢筋。下部基础施工时,预埋竖向钢筋,加强承轨台与下部基础的联结。

从唐山试验线的工程实践来看,由于二次浇筑的承轨台尺寸较小(400mm×400mm×130mm),在我国北方冬季进行铺轨施工时,承轨台混凝土养护期间保温措施较为困难,在我国南方地区则不存在此问题。

4 道岔及车挡

4.1 道岔系统工作原理

中低速磁浮道岔采用三点定心原理设计,原理如图7所示。

图7 道岔三点定心原理示意

图7中 L1、L2、L3为 3段道岔梁,每段道岔梁都有一个固定的转动中心,分别为 O1、O2、O3,道岔梁可以绕其自由转动;道岔梁的另一端称为移动端。道岔梁L3为主动梁,在梁上适当位置安装了驱动机构,给主动梁提供一个横向摆动的力,如图7中的 F所示,从而使主动梁绕 O3点发生相应的转动;滑块 B将主动梁 L3的横向运动(位移)传递给从动梁 L2的移动端,从而使从动梁 L2绕 O2端发生转动;进而再通过滑块A带动第二从动梁 L1绕 O1端转动。

通过上面的转动,就能实现道岔的转辙功能。

4.2 道岔结构

磁浮道岔有单开、对开、三开等形式。单开道岔整机由 3段活动梁、2段垛梁、走行台车、支撑底板、主梁横向锁定机构、主梁竖向锁定机构、曲柄驱动机构、道岔梁回转定心机构、轨道连接板、动力轨连接部分、控制系统等组成,这种形式的道岔已应用多年,性能良好。

4.3 唐山试验线单开道岔

4.3.1 道岔构成及参数

唐山试验线铺设单开道岔 1组,供道岔试验使用,也是试验线通往未来车辆总装库的预留道岔。如图8所示。

图8 单开道岔示意

唐山试验线单开道岔的主要参数如表2所示。

表2 单开道岔主要参数

4.3.2 道岔基础设计

道岔部分的基础形式应具有足够的承载力和刚度,防止道岔部分产生过大变形,影响道岔的正常工作。道岔基础采用刚性基础,结合线路纵断面布置,主要有两种形式,一种为直接支承于地面的落地式基础,一种为支承于高架桥上的高架形式,桥面高程、宽度等布设需要考虑道岔安装条件及运营维护条件。

唐山试验线道岔设于一个整体的桥面上,施工时道岔设备与基础连接采用支墩过渡的方式,支墩与上部预埋件连接采用多次浇筑的方式,以满足施工精度和预埋件的安装。支墩第一次浇筑时,固定预埋钢板支撑脚,二次浇筑时,固定预埋钢板的地脚螺栓和剪力钉。

道岔基础不均匀沉降控制在 7～10mm。

4.4 车挡

在正线的起终点及车场线的终点设车挡,为保护车辆,正线、辅助线、试车线端部宜安装液压缓冲式车挡,车场线端头可安装液压或固定式车挡。

唐山试验线在正线的末端研究铺设了液压式车挡,按照目前中低速磁浮车辆设计参数及城轨项目设计经验,正线、辅助线、试车线列车撞击车挡时车速按15 km/h进行设计。

在停车库内设置了钢架式车挡。列车在场段内行驶速度较低,根据城轨项目设计经验,固定式车挡设计列车撞击速度可按不大于 5 km/h设计,库内存车线车挡可按 3 km/h设计。

5 轨道几何形位

轨道几何形位是指轨道各部分的几何形状、相对位置和基本尺寸。轨道几何形位正确与否,对机车车辆的安全运行、乘客的旅行舒适度、设备的使用寿命和养护费用起着决定性的作用。

在中低速磁浮交通领域,这方面的研究尚处于起步阶段,缺乏相关技术标准,在进行中低速磁浮工程化设计时,应结合具体工程的设计标准开展专项研究,确定轨道几何形位的设计、验收、养护标准。

5.1 直线轨道的几何形位(静态)

直线轨道的几何形位主要包括轨距、水平、轨向、前后高低,其概念与轮轨系统基本相同,在此不再赘述。

轨距是指轨道两侧两悬浮磁极面中心的距离。唐山磁浮试验线轨距为2 000mm;日本名古屋东部丘陵线轨距为1 700mm;上海磁浮试验线轨距为1 900mm。

中低速磁浮车辆通过曲线时,由于其转向架设计的特性,曲线地段轨距无须调整。

唐山试验线设计期间,由于缺乏相关技术资料及基础研究,直线轨道几何形位设计、验收标准参照《地下铁道工程施工及验收规范》(GB50299—1999)执行。在唐山试验线竣工后,笔者参与了“十一五”国家科技支撑计划重点项目“中低速磁浮交通技术及工程化应用研究”课题研究,结合唐山试验线运行试验及国外相关试验资料,重新制定了直线轨道几何形位标准(表3)。

表3 轨道几何形位允许偏差值(施工验收)mm

5.2 曲线轨道外轨超高

5.2.1 外轨超高的作用

车辆在曲线上行驶时,由于离心力作用,将车辆推向外股钢轨,加大了外轨的压力,使旅客产生不适,同时转向架内外侧与导轨间垂向磁力不均,其偏差过大时可能会导致悬浮控制失稳。因此,需要把曲线外轨适当抬高,使机车车辆的自身重力产生一个向心的水平分力,以抵消惯性离心力,达到内外侧导轨受力均匀,满足乘客舒适度要求,提高行车稳定性及安全性。

5.2.2 外轨超高计算及超高设置方法

(1)外轨超高计算

轨道曲线超高按以下公式计算

式中 h——超高值,mm;

D——轨距,mm;

Vc——列车通过速度,km/h;

g——重力加速度,9.81m/s2;

R——曲线半径,m。

(2)外轨超高最大允许值

最大超高值是根据行车速度、车辆性能、轨道结构稳定性和乘客舒适度确定的。现阶段,外轨超高最大允许值主要由车辆悬浮起落功能限制。

列车在曲线段线路停车时,如超高值设置过大,车辆转向架上电磁铁与导轨磁极间磁力偏离垂向过多,列车将无法浮起。

根据现阶段车辆性能要求,唐山试验线轨面与水平面夹角不得大于 6°,当轨距为2 000mm时,其对应的超高值为 209mm。

⑶欠超高及过超高

当设置的超高不足时,存在未被平衡的横向加速度,影响旅客的乘坐舒适度。根据铁路及城市轨道交通系统的相关经验,一般可允许有 0.4m/s2的未被平衡横向加速度、轨面与水平面夹角 2°19′,此时乘客稍有感觉,不影响舒适度。

当轨距为 2 000mm时,允许的欠超高为 81mm。

过超高值尚需通过相关试验进一步研究确定。

⑷外轨超高设置方法

外轨超高设置方法有外轨抬高一半超高值、内轨降低一半超高值,或者外轨抬高超高值两种方法。

采用第一种方法设置超高时,轨道中心线与线路中心线一致,超高顺坡段坡度较小,超高过渡段行车较为平稳,在隧道内设置时,可较少增加隧道曲线地段的建筑限界,节省轨道投资。因此,在不增加工程实施及养护难度的前提下,优先采用第一种设置方法,也可采用第二种设置方法。

6 结语

中低速磁浮交通系统是一种新兴的城市轨道交通系统,线路适应性强、环保、乘坐舒适,我国已在核心技术方面实现重大突破,具有独立自主知识产权,可实现工程国产化,具有十分广阔的应用前景,北京、深圳已开展相关工程的前期工作。

轨道结构设计以理论研究为基础,借鉴日本运营线路工程经验,总结分析国内各试验线数年来试验情况,形成了相应的设计原则、技术标准和各阶段主要设计内容。唐山试验线的实践表明,轨道结构设计能满足中低速磁浮轨道交通工程的整体需求,是安全可靠的。

近年来,笔者参与了唐山中低速磁浮试验的工程设计、中低速磁浮设计暂行规范编制(北京控股磁悬浮技术发展有限公司企业规范)、中低速磁浮线路工程优化设计和测试研究(国家“十一五”课题《中低速磁悬浮交通技术及工程化应用研究》之子课题,2009年完成,2010年 3月通过验收)等工作,负责其中轨道系统部分。本文总结了笔者参与上述各项中低速磁浮有关工作的经验,对于轨道系统的构成及设计要点进行了简要的分析,可为类似工程提供参考。

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