中低速磁浮道岔动载试验方法研究*

刘大玲

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,430063,武汉∥工程师)



中低速磁浮道岔动载试验方法研究*

刘大玲

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,430063,武汉∥工程师)

道岔系统是实现中低速磁浮列车换线的关键设备。道岔状态的好坏直接影响列车的运行安全性和旅客乘坐的舒适性。中低速磁浮采用的是主动悬浮控制技术,车辆、道岔和控制系统共同组成了一个自激振动系统,采用多重质量液体双调谐阻尼技术,可有效地抑制共振频率,但其减振作用对频率比较敏感。因此,在动载试验过程中,采用加速度传感器对车辆、道岔的共振信号进行采集以及频谱分析,并对道岔进行调整,确保共振频率和加速度达到设计标准。

中低速磁浮; 道岔; 动载试验

Author′s address China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.,Ltd.,430063,Wuhan,China

道岔系统是实现中低速磁浮列车换线的关键设备,列车到发、会让、车辆整修等,都必须依靠道岔实现。中低速磁浮道岔为三段定心式结构,换线时三段梁均沿着各自固定于地面的转动中心整体转动,实现换线作业,与轮轨系统的道岔有本质的区别。

中低速磁浮交通采用的是主动悬浮控制技术,对于其车辆和道岔,均是外部能量输入激励过程,这使其振动状态发生变化；而这些变化又会对悬浮间隙产生影响,因此车辆、道岔和控制系统共同组成了一个自激振动系统。这就是中低速磁浮交通最核心的“车辆-道岔振动”问题。

长沙中低速磁浮工程为国内第一条商业运营的中低速磁浮线路,其道岔设计时采用多重质量液体双调谐阻尼技术,可有效地抑制共振频率。但是，阻尼器的减振效果是针对一定的共振频率的,若共振频率偏离过大，则减振效果减弱。因此,中低速磁浮交通应确保“车辆-道岔振动”的共振频率。

1 道岔结构设计

中低速磁浮道岔的工作原理:曲柄驱动装置安装于道岔梁中心轴线的基础上,主梁侧面安装有导槽,曲柄拨动导槽实现道岔的转撤;转撤完成后,通过锁定装置进行精确定位,达到要求位置,并通过锁定装置实现道岔的锁定。长沙中低速磁浮道岔的线形指标见表1。中低速磁浮道岔系统组成如图1所示[1]。

表1 道岔线形指标 m

道岔梁结构断面均为双腹板梁形式,其主动梁、从动梁和垛梁的技术参数见表2。考虑到在满足梁的刚度前提下,各梁内应力幅值均比较小,因此道岔梁材质均采用Q235C级钢材。

图1 中低速磁浮道岔系统组成

表2 道岔梁技术参数 mm

2 道岔动力学分析

道岔梁间及与基础连接装置包括台车、锁定装置及角平分装置。其中：台车由车轮和导轨组成,用来支撑道岔的竖向荷载并使道岔梁能够绕转动中心转动,约束为Z方向;锁定装置用于道岔梁转辙后的定位和锁定,为电动推杆结构,约束为Y、Z两个方向;角平分装置采用双“Z”字型拉杆结构,约束为X、Y、Z三个方向。

结合道岔结构形式(见图2),主动梁支座1处为台车、锁定装置,因此,约束为Y、Z两个方向;支座2处为台车,约束为Z向;支座3处为角平分装置、锁定装置及台车,提供X、Y、Z三个方向约束;2#从动梁支座5处为竖向滑动支撑,约束为X、Y、Z三个方向;支座4处为角平分装置,约束为X、Y、Z三个方向;1#从动梁支座2处为锁定装置,约束为Y、Z两个方向;支座4处为角平分装置,约束为X、Y、Z三个方向对主动梁其在支座1的约束为Y和Z方向。

由于支座1、2、3 和4 均通过跨梁与基础连接,因此建模时需计算出跨梁刚度。以上4个支座在Z向的约束均按弹性支座输入。

计算分析采用ANSYS软件,建模采用shell63 单元。梁材料采用Q235C,其附加单位长度的质量为278 kg/m。列车单位长度的质量按照2 580 kg/m均匀布置。支座均考虑竖向弹性支座。 “车辆-道岔”共振频率如表3所示,共振振型如图3所示,应力云图如图4所示。

图2 道岔支座示意图

表3 “车辆-道岔”各阶振动频率

图3 道岔第4阶振型

图4 道岔应力云图

通过分析结果可以看出,有车状态下第一次竖直振动出现在第4阶,振动频率为18.46 Hz；根据应力云图,受力状态最差的为主动梁中部。道岔梁振动加速度目前无相应标准。由于为钢结构梁型,长沙磁浮线路的梁竖向振动加速度参照TB 10612—2014《高速铁路设计规范》,取值≤0.5g。

3 动载试验

道岔在生产车间先组装,完成3 000次连续转辙试验和静载试验[2],然后再到现场安装后进行动载试验。其中,动载试验最重要的两项指标是列车经过道岔时的共振频率及竖向加速度。根据结构设计,道岔变形最大的位置为主动梁中间支撑附近。因此,该位置为动载试验时的研究重点。

为测量列车的过道岔时的共振频率及竖向加速度,在道岔梁体布置了16个压电加速度传感器(灵敏度1 000 mV/g,频率范围-0.05～1 500 Hz(±10%))。其测点布置为：1～11为竖向振动测点,布置在道岔底板上表面中间位置,从左向右分别为垛梁跨中、从动梁1跨中和从动梁2跨中,以及主动梁的左端支座、第一跨1/4跨、第一跨跨中、第一跨3/4跨、中间支座、第二跨1/4跨、第二跨跨中和右端支座;12～16为横向振动测点,布置在道岔腹板1/2高度处,从左向右分别为主动梁的第一跨1/4跨、第一跨3/4跨、中间支座、第二跨1/4跨和第二跨跨中。

对列车过岔时振动数据进行采样,经过时域分析和自谱分析,得到各测点的共振频率和竖向加速度。主动梁中间支撑8#测点时域分析和自谱分析如图5、6所示。根据分析结果,共振频率为16.25 Hz,加速度峰值为2.0g。道岔梁其他测点加速度峰值及频率见表4。

图5 8#测点时域分析

测试过程中,车辆经过道岔时,有明确的振动现象,且从测试数据发现:

(1) 道岔频率为16.25 Hz,低于设计值18.46 Hz,道岔的支撑有部分未压实;

(2) 8#测点作为中间支撑点,其振动响应与第一跨跨中和第二跨跨中响应基本接近,说明8#支点支撑不足。

图6 8#测点自谱分析

表4 道岔梁加速度峰值及频率汇总表

用塞尺对道岔各连接处进行检查,发现中间支撑连接处有一定的间隙。初步确定在间隙处增加2 mm钢板垫片进行紧固。增加2 mm钢板垫片后道岔梁加速度峰值及频率见表5。

表5 增加2 mm钢板垫片后道岔梁加速度峰值及频率汇总表

从表5可以看出,道岔中间支撑增加2 mm钢板垫片后,频率为16.56 Hz,增加了0.31 Hz,加速度峰值也有所降低,表明主动梁的中间支撑作用增加,调整方向正确。后续增加不同厚度钢板垫片工况下道岔梁加速度峰值及频率见表6。图7为道岔主动梁各特征点竖向加速度峰值。

表6 增加不同厚度钢板垫片工况下道岔梁加速度峰值及频率汇总表

图7 增加不同厚度钢板垫片工况下道岔主动梁各特征点竖向加速度峰值

从表5、6以及图7可见:通过三次逐级增加垫片抬高主动梁中部的标高,达到了以下两个方面的改善效果:

(1) 主动梁上各测点的垂向振动加速度峰值逐级减小,当抬高主动梁中部的标高(垫高)达3.5 mm时,可使主动梁上各测点加速度峰值低于0.5g,达到规范要求。

(2) 主动梁上各测点垂向振动的一阶主频逐级增大,表明通过增加垫片的方式可以有效增加道岔中间的支撑强度。

4 结语

结合中低速磁浮三段式道岔梁型的设计以及有限元分析,确定车辆与道岔的共振频率。通过对道岔动态试验调试,将道岔-车辆共振频率及竖向加速度调整在设计规范标准内,成功通过验收。

本文提出的中低速磁浮道岔运载试验方法已成功运用在长沙中低速磁浮工程中。该线自2016年5月6日正式运营以来,全线道岔转辙超过10万次,运营统计故障约20次,可靠性大于99.98%。该项动载试验在长沙中低速磁浮工程中积累了丰富的应用经验,可为后续类似工程提供技术指导。

[1] 湖南磁浮交通发展股份有限公司.长沙磁浮交通工程设计暂行规定:Q/HNCFGS 001—2015[S].长沙:湖南磁浮交通发展股份有限公司,2015.

[2] 中华人民共和国住房和城乡建设部.中低速磁浮交通道岔系统设备技术条件:CJ 412—2012[S].北京:中国标准出版社,2013.

[3] 湖南磁浮交通发展股份有限公司.长沙磁浮交通工程验收规范:Q/HNCFGS 002—2015[S].长沙:湖南磁浮交通发展股份有限公司,2015.

[4] 赵斌山,周吉荣.中低速磁浮与轮轨交通信号系统的差异[J].铁道通信信号,2016(6):97-99.

[5] 鱼丽丽.中低速磁浮道岔角平分装置的设计优化[J].现代城市轨道交通,2012(2):31-32.

[6] 袁青平,王俊杰,王财华,等.中低速磁浮交通道岔系统工程设计[J].都市快轨交通,2009(1):67-70.

[7] 张学山.中低速磁浮车辆车体结构研究[J].铁道车辆,2016(3):25-28.

[8] 齐然,罗京.中低速磁浮列车悬浮控制系统研究 [J].电力机车与城轨车辆,2016(3):29-32.

[9] 李小珍,洪沁烨,耿杰.中低速磁浮列车-轨道梁竖向耦合模型与验证[J].铁道工程学报,2015(9):103-108.

[10] 单春胜.中低速磁浮列车-桥梁系统竖向耦合振动研究[D].成都:西南交通大学,2014.

Experimental Study on Dynamic Load Test of Medium and Low-speed Maglev Switch System

LIU Daling

Switch system is a key equipment for line change on the medium and low-speed maglev track,the state of switch will directly influence the safety of train running and passenger comfort. The medium and low-speed maglev adopts active suspension control technology,vehicle,switch and control system, they jointly form a self-excited vibration system. In this system, the multiple quality of liquid double tuned damping technique can effectively suppress the resonance frequency, but the operation is relatively sensitive to the frequency of vibration. Therefore,in the process of dynamic load test, acceleration sensor is used to collect the the vehicle and switch resonance signals for spectrum analysis, so as to meet the design standards by adjusting the resonant frequency and acceleration switch.

medium and low-speed maglev; switch system; dynamic load test

*中铁第四勘察设计院集团有限公司科技研究开发计划项目(2015K49)

U 213.6+8∶U 237.2

10.16037/j.1007-869x.2017.05.019

2017-01-20)