中低速磁悬浮设备限界研究

2011-09-03孙先锋薄海青

铁道标准设计 2011年9期

孙先锋，薄海青

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251)

1 概述

中低速磁悬浮列车是一种采用电磁悬浮、导向和驱动系统的列车。它爬坡能力强、能耗低、运行噪声小、安全舒适、污染少，并且主要采用高架方式，占用耕地少［1］。由于列车在牵引运行时与轨道之间无机械接触，从根本上克服了传统列车轮轨粘着限制，消除了机械噪声、轮轨滚动噪声，无机械磨损和相应的维护成本，为适应城市轨道交通的需要，走行机构可以通过半径100 m以下的曲线。所以，作为传统地铁的一种补充，中低速磁悬浮列车有望成为一种低噪声、中小运量的理想的城市公共交通工具。

2 车辆轮廓

在进行实际工程的限界设计时，车辆轮廓是制定各种限界的基础，本文所研究的磁悬浮车辆参数如下。

2.1 车辆主要参数

车体长度:头车15 000 mm，中间车14 000 mm车体宽度:3 000 mm

车体顶部距轨面高度:3 844 mm轨距:2 000 mm

等效车辆定距:8 210 mm地板面高度:997 mm

2.2 车辆轮廓坐标(表1)

3 车辆限界

3.1 车辆限界需考虑的因素［2～4］

(1)车辆的制造误差;

表1 车辆轮廓坐标值mm

(2)车辆的维修限度;

(3)悬浮架相对于轨道的最不利运行位置;

(4)悬浮架偏移引起的车体横向和竖向位移;

(5)车辆的空重车挠度及竖向位移;

(6)因车辆制造、载荷不对称等引起的偏斜;

(7)车体相对于轨道线路的最不利倾斜位置;

(8)轨道的垂向和横向几何偏差;

(9)车辆停站与运行时的竖向位移变化;

(10)最大侧风引起的车体倾斜。

3.2 车辆限界坐标［2］

以《地铁限界标准》(CJJ96—2003)为依据并结合磁悬浮车辆的特点进行磁悬浮车辆限界的分析与计算，适当圆整后的车辆限界坐标值如表2所示。

表2 车辆限界坐标值mm

4 设备限界

磁悬浮的特点主要有:(1)依靠电磁力承载。悬浮架与轨排之间有一定的悬浮间隙，区别于传统轮轨车的接触式承载;(2)依靠悬浮力分力导向。用磁极与磁铁错位时，悬浮电磁铁产生的悬浮力横向分量来导向，区别于传统轮轨车的接触式导向。

磁悬浮车辆的承载及导向原理与传统轮轨地铁车完全不同，在制定设备限界时不能完全按照地铁限界标准制定，特别是曲线地段设备限界加宽公式需重新按磁悬浮车辆转弯特点核算。由于目前没有专门制定磁悬浮设备限界的标准和规范，本文所叙述的关于设备限界的制定均是在参考了轮轨地铁车限界制定的规范和标准，并结合磁悬浮特点深入研究所得的结果。

4.1 直线地段设备限界［2，4，6］

直线地段设备限界与车辆限界之间应留安全间隙，需要考虑的是车体肩部横向间隙、车体肩部垂向间隙、车体下边梁横向间隙、车体下边梁向下间隙、车体顶部向上间隙(含竖曲线偏移量)。该安全间隙主要考虑车辆限界中未考虑的空簧漏气、过充等其他非正常原因引起的车辆额外偏斜。

《地铁设计规范》(GB50157—2003)和《地铁限界标准》(CJJ96—2003)均要求轮轨车直线地段设备限界与车辆限界之间留有安全间隙，车体肩部横向间距应为100 mm，边梁下端横向向外扩大30 mm，车体竖向加高60 mm，车体下边梁向下间距应为50 mm，车顶与车体肩部的过渡线应相距60～100 mm。

由于轮轨车与磁悬浮车辆在设备限界与车辆限界之间留有安全间隙的考虑因素基本一致，所以在直线地段设备限界的设计上可以参照地铁规范和标准。具体的设计取值是:在车辆限界的基础上车顶0'点向上扩大60 mm，车体肩部7'点向外扩大100 mm，0'点到7'点之间的过渡线外扩60～100 mm渐变;7'点到9'点的车体肩部均向外扩大100 mm;车体下边梁19'点向外向下分别扩大30 mm，9'点到19'点的过渡线外扩100～30 mm渐变。

经适当圆整后所得直线地段设备限界坐标值如表3所示。

表3 直线地段设备限界坐标值mm

4.2 曲线地段设备限界［1，2，5，6］

4.2.1 考虑因素

曲线地段设备限界的加高加宽要考虑以下两点:

(1)车体的最大外侧偏移量发生在车体的两端，最大内侧偏移量发生在车辆的中间位置;

(2)过超高或欠超高引起的设备限界加高或加宽。

4.2.2 计算公式

根据磁悬浮车辆特性，按照几何关系得到曲线地段设备限界加宽公式为曲线外侧:

曲线内侧:

式中 a——车辆定距，mm;

d——车体最外端与同侧转心距离，mm;

R——线路水平曲线半径，mm;

Ta——车体在水平曲线外侧最大偏移量，mm;

Ti——车体在水平曲线内侧最大偏移量，mm。

4.2.3 计算结果

依据上述公式对车体长度较大的头车进行加宽计算，结果如表4所示。

4.2.4 工程应用值

在工程设计中，为保证安全，加宽值小于50 mm时均取50 mm，经圆整后工程实际应用的曲线地段设备限界加宽值可取表5中数值。

表4 头车曲线地段设备限界加宽

表5 头车曲线设备限界加宽工程应用值

《地铁限界标准》第111页条文说明中阐述如下:由于以上参数在曲线外侧和曲线内侧的数值都不一样，因此设备限界在曲线地段总的加宽量在曲线外侧和曲线内侧也不相同，这样造成一个左右非对称的曲线设备限界。本标准考虑设备限界左右对称，可取内侧加宽量和外侧加宽量中较大值。

按照上述原则，目前国内地铁车辆限界均将曲线地段设备限界做成左右对称式。这是由于地铁车体长，转弯半径大，实际工程投资浪费不大。但磁悬浮车辆的一大特点就是转弯半径小，如若也全部做成左右对称式对工程投资浪费较大。基于此，笔者认为在磁悬浮曲线地段设备限界设计时，曲线半径≤100 m时可按表5中实际数值进行加宽，曲线半径≥200 m时可按外侧加宽值做成左右对称式。

4.2.5 200 m曲线半径曲线地段设备限界坐标值

以工程中常见的200 m曲线半径为例，其圆整后的曲线设备限界坐标值如表6所示。