中低速磁浮接触轨系统研究

黄冬亮

（中铁第四勘察设计院集团有限公司 湖北武汉 430063）

1 引言

中低速磁浮作为近年来新型的轨道交通类型，以其噪声低、转弯半径小、爬坡能力强、舒适度高等优越性能，日益得到人们的关注，是未来轨道交通新的发展发向。接触轨作为给磁浮列车［1-3］供电及唯一和磁浮列车有接触的设备系统，是整个磁浮线路系统工程的重要部分，关系到列车取流的可靠性和安全性［4-6］。

磁浮线路采用特殊的轨道梁系统，接触轨安装在轨道梁上，其接触轨类型、安装方式、平面布置与轨道梁密切相关。而轨-靴受流系统需要通过理论仿真研究及调试检测，才能验证能否满足磁浮列车的取流需求。

2 磁浮技术特征

从二十世纪初人们就开始探索非接触地面高速交通模式，其中电磁悬浮车和气垫悬浮车成为科学家早期研究的两类主要新型交通工具。20世纪70年代之后，气垫悬浮技术逐渐被淘汰，而电磁悬浮技术逐渐成熟，成为未来地面高速交通的热门技术。到目前为止，磁悬浮列车相继出现了EMS、EDS和高温超导磁悬浮等模式。磁悬浮列车技术的研究与开发主要集中在德国和日本。

前者致力于开发高速EMS磁浮列车，后者既着力开发高速EDS磁浮列车，也发展适合城市轨道交通的低速EMS磁浮列车。在其它国家如英国、美国、加拿大、俄罗斯、瑞士、中国、韩国等，磁悬浮列车技术也得到了发展，但有的得不到本国政府支持，有的起步较晚，还没有取得如德国和日本一样突出的成果。近几年来，在德国和日本相继开发出成熟的准商业磁浮列车并大力推广使用后，中国、韩国、瑞士以及巴西等国加大了对磁浮列车技术的研究，取得了一些实质性的成果。

磁悬浮列车是现代高科技发展的产物，其原理是利用电磁力抵消地球引力，通过直线电机进行牵引，使列车悬浮在轨道上运行。其研究和制造涉及自动控制、电力电子技术、直线推进技术、机械设计制造、故障监测与诊断等众多学科，技术十分复杂，是一个国家科技实力和工业水平的重要标志。它与普通轮轨列车相比，具有低噪声、无污染、安全舒适和高速高效的特点，有着“零高度飞行器”的美誉，是一种具有广阔前景的新型交通工具。磁悬浮列车按悬浮方式不同，一般分为推斥型和吸力型两种，按运行速度又有高速和中低速之分。

中低速磁浮系统一般采用短定子直线电机。短定子直线电机是将定子绕组安装在车体的底部，通过向磁浮列车提供变压变频的电源，由车上的短定子产生行波磁场；轨道上安置结构较为简单的长转子，这种结构多用于直线异步牵引电动机的驱动系统。列车通过受流靴供电，而高速受流困难使列车运行速度、异步电机的功率因数及效率均受到限制，因此该系统仅用于中低速小功率短距离的电力牵引。

3 接触轨受流方式及选型

3.1 受流方式

接触轨系统根据受流方式的不同可分为上部接触受流、下部接触受流和侧部接触受流3种方式。

磁浮列车为悬浮系统，走行时会发生横向、竖向位移。如果采用上部或者下部受流方式，伴随着列车的运行，受流靴也会产生离线或接触压力剧烈变化，导致靴轨烧蚀，增大运营维护工作量，降低使用寿命。上部或者下部受流一般用于轮轨系统接触轨受流方式下的轨道交通形式。

侧部接触受流方式结构简单、对车辆动态运行无干涉、供电可靠性高，并且在降低环境影响、限界等方面均满足要求。相比其它两种受流方式，对车辆系统影响小。

同时结合目前国内主流磁浮列车受流靴的工作形式，中低速磁浮线路宜采用侧部接触受流方式。

3.2 接触轨选型

侧部受流接触轨系统一般由正极接触轨和负极接触轨组成。作为一种较为新颖的受流方式，选择一种适合接触轨的结构形式尤为关键。

中低速磁浮正负极接触轨布置于轨道梁两侧，正极侧电压为DC1500 V，负极侧电压为0 V。三维布置如图1所示。

图1 正负极接触轨三维布置

接触轨形式根据其在轨道梁侧面布置的特点，主要采用高度较小的 C形［7］或工形［8］接触轨，其断面及主要尺寸如图2、图3所示。

图2 C形接触轨（单位：mm）

图3 工形接触轨（单位：mm）

C形轨高度一般为57～69 mm，工形轨高度为68 mm，主要适用于中低速磁浮轨道梁侧面安装空间较小的特点。

接触轨和受流靴接触面主要是钢带的有效受流面宽度，以上类型接触轨有效面宽度分别为100 mm、75 mm、74 mm。

国内磁浮车辆受流靴宽度一般为60mm，车辆在行驶状态的悬浮量为8mm，上下波动量不大于±5mm。

综合以上数据，3种类型接触轨均能达到受流靴在车辆运行时能在接触轨的有效受流面内，满足国内磁浮车辆的接触轨和受流靴的受流需求。

4 轨靴动态仿真分析

4.1 仿真主要内容及方法

磁浮车辆采用侧向受流方式，中低速磁浮设计时速一般不大于120 km。相比常规轨道交通而言，时速已较高，需要对接触轨-受流靴之间的动态接触运行进行仿真［9-11］研究。

利用有限元建立接触轨和受流靴的数值模型。使用ANSYS软件，模拟接触轨-受流靴模型的动态接触过程，为中低速磁浮工程的接触轨-受流靴提供设计理论依据。

4.2 模型建立

模拟仿真需要建立受流靴-接触轨耦合模型，还需要考虑轨面形状变化的影响，所以采用了面面耦合方式。

在受流靴模型中，需要包含受流靴靴头的形状特点，结合受流靴的实际结构形式，将其简化为质量单元。受流靴有限元模型如图4所示。

图4 受流靴有限元模型

接触轨建模中简化了轨的截面形状，将接触轨的截面简化为矩形，通过控制接触轨的厚度保证与原轨面在接触方向上具有相同的力学特性。接触轨有限元模型如图5所示。

图5 接触轨有限元模型

4.3 仿真结论

将受流靴模型与三维接触轨模型使用接触单元耦合，构成轨靴计算模型，用于轨靴相互作用的动力学分析。

基于以上模型进行的3.5 m支撑跨距、100 km/h的仿真车速，显示轨靴动态接触压力在80～160 N之间，如图6所示。

图6 3.5 m间距100 km/h车速接触压力仿真结果

仿真结果显示在采用本次研究的接触轨-受流靴组合下，对于100 km/h的仿真车速，轨靴接触运行良好，动态接触压力大于零，没有出现离线工况。

5 接触轨绝缘支撑安装

接触轨安装在轨道梁两侧，绝缘支撑及其结构通过螺栓与轨道梁侧面的预埋槽道相连。

接触轨绝缘支架为一种多维度大范围调节装置，工程适应性好。该装置结构紧凑，零部件少，安装空间小，一般安装空间为300～350 mm（DC1500 V供电电压）。在此安装空间内绝缘子依然可以以X轴为旋转轴进行俯仰角±6.5°的调节，因此可保证轨道梁在平面曲线区段F轨超高6°的情况下不需旋转梁体。

C形接触轨支撑夹持芯在螺栓通过位置开设弧形条孔，使其可绕X轴实现俯仰旋转调节。水平绝缘子下附件（夹持段）位于夹持芯中，可沿其轴线实现Y向线性调节和绕Y轴全周转动。整个水平绝缘支座支架安装于预埋槽道的混凝土基础面，可沿槽道铺设方向做大范围的线性调节（见图7）。

工形接触轨支撑安装X轴方向通过L形钢底座制造角度实现俯仰旋转调节；Y向线性调节通过绝缘子和L形钢底座之间的长孔进行调节，调节到位后固定（见图8）。

图7 C形接触轨绝缘支撑安装

图8 工形接触轨绝缘支撑安装

绝缘支撑装置主要技术参数见表1。

表1 绝缘支撑装置主要技术参数

6 接触轨平面布置

接触轨平面布置［12］影响因素：接触轨膨胀接头补偿间隙、环境温度、接触轨线性膨胀系数。

结合已有工程经验，以上几个因素取值如下：

接触轨膨胀接头间隙110 mm；环境温度最低-12℃，最高接触轨本体温度85℃；接触轨线性膨胀系数21×10-61/℃。

根据锚段长度计算方法：L＝膨胀接头补偿量/［（最高环境温度＋最大载流温升-最低环境温度）×材料线膨胀系数］，得出接触轨最大锚段计算长度为52 m。

中低速磁浮接触轨悬挂于轨道梁侧面，轨道梁的伸缩对接触轨布置影响较大，一般轨道梁长度在20～25 m之间，每片梁一端设固定点，一端设活动支点。为有效避免轨道梁伸缩对接触轨热胀冷缩的影响，选择将接触轨中心锚结设置于轨道梁的固定端。

结合锚段设置原则与磁浮工程预制轨道梁长度的配合，接触轨锚段长度一般选择两片梁长度。接触轨平面布置标准锚段见图9。

图9 接触轨标准锚段布置

7 结束语

本文研究了中低速磁浮工程侧部受流接触轨技术特点，结合实际运用提出一套适合于中低速磁浮车辆受流要求及可实施性的接触轨系统设计方案，对类似中低速磁悬浮工程侧向受流接触轨方案设计具有重要的借鉴和参考意义。