中速磁浮道岔减振设计研究

周文

中国铁建重工集团股份有限公司交通装备研究设计院，长沙 410100

中低速磁浮交通列车运行时，悬浮于轨道上方约8 mm处，车轨无接触，只受空气阻力。与轮轨交通列车相比，磁浮交通列车黏着运行阻力要小得多，具有曲线通过性好、爬坡能力强、噪声小等优势，可在我国很多城市推广使用，特别是中小运量城市高架轨道线路、旅游景区交通线路等［1-3］。

我国首条中低速磁浮交通运营线长沙磁浮快线及北京S1线设计速度为100 km∕h，与地铁运行速度相当。为满足市郊乘客无须换乘直接到达城市中心区的出行需求，有必要研究时速更高的中速磁浮交通。目前，关于160 km∕h中速磁浮交通技术的研究已经展开。中速磁浮交通既满足市域和城际轨道交通较快速的运行需求，又满足环境友好的市内轨道交通的运行要求。

磁浮道岔是引导列车换线运行的线路设备，采用整体移梁节段式钢梁结构。由于钢梁结构自身阻尼比很低，在磁浮列车道岔耦合激励下容易产生振动，上海高速磁浮、长沙磁浮快线在调试初期都曾出现振动过大的问题［4-5］。160 km∕h中速磁浮车岔耦合作用更强，磁浮道岔减振设计难度更大。本文通过分析磁浮道岔共振产生的原因，在长沙磁浮快线道岔的基础上研究道岔减振设计方案，并建立有限元模型，对优化后的中速磁浮道岔进行了静强度分析、模态分析以及车辆道岔耦合振动分析。

1 道岔减振设计方案

160 km∕h中速磁浮技术基于100~120 km∕h中低速磁浮技术进行提速，列车驱动系统仍采用短定子直线电机，磁浮道岔结构形式仍为三段定心式。磁浮道岔系统组成如图1所示。磁浮道岔自振特性是引起磁浮车辆道岔共振的重要原因之一。根据车轨耦合振动特性，磁浮车辆悬浮架和轨道梁发生剧烈耦合振动的原因是悬浮架自激振动激发了轨道梁固有频率，使二者振动相耦合［6-7］。因此，优化道岔系统自振特性是160 km∕h中速磁浮道岔减振设计的关键。

图1 磁浮道岔系统

1.1 提高道岔结构刚度均匀化程度

为了减小列车侧向过道岔时对中低速磁浮道岔的冲击力，在钢梁之间设有角平分装置。长沙磁浮快线道岔角平分装置由连接梁、虚拟轨和两支短F形导轨通过扭剪螺栓组合而成，如图2（a）所示。角平分装置F形导轨搭接在道岔梁F形导轨上，连接梁、虚拟轨不直接承受荷载。由于角平分装置质量轻、竖向刚度小，在车辆动态磁浮力作用下容易引起局部过大振动，进而引起整车出现过大振动。160 km∕h中速磁浮道岔将角平分装置设计为短梁结构进行优化，如图2（b）所示。优化后列车荷载作用在整个角平分装置上，而不是角平分装置与道岔梁F形导轨搭接处，使得角平分装置整体刚度大大增加，进而提高道岔结构刚度均匀化程度。

图2 角平分装置优化前后对比

1.2 增加道岔梁约束和阻力

中低速磁浮道岔由锁定装置对道岔梁进行限位，保证车辆通过道岔时的运行安全，如图3所示。锁定限位精度由直插销与插销座来保证，导向轮上端面与基座之间设有1 mm的间隙，以便锁定解锁过程中导向轮能自由转动。中低速磁浮道岔从动梁通过支撑铰支撑在主动梁上，滑块与支撑座之间存在约1 mm的间隙（图4），以便于从动梁与主动梁在道岔转辙过程中能够自由转动。可见，道岔梁下方有台车进行支撑，与台车之间无间隙；而在上方存在前述两种1 mm间隙，在磁浮列车激励下，道岔容易产生振动。

图3 中低速磁浮道岔锁定装置

图4 优化前的中低速磁浮道岔支撑铰座

针对上述情况，从增加道岔梁约束和阻力方面对160 km∕h中速磁浮道岔进行下列优化：①增加台车限位装置（图5），使得道岔转辙到位时能够完全消除道岔梁由于导向轮上端面与基座之间的1 mm间隙而产生的向上活动空间；②台车限位装置设有橡胶垫板，为道岔提供减振阻力；③在滑块与支撑座之间增设调整垫片，以消除二者的间隙（图6），并确保从动梁与主动梁在道岔转辙过程中的自由转动。

图5 台车限位装置三维图

图6 优化后的支撑铰座

1.3 改变道岔梁自振特性

长沙磁浮快线道岔通过安装竖向质量液体双调谐阻尼器解决车岔共振问题［4］。未安装阻尼器时，道岔梁的主振动频率为17.875 Hz，与磁浮车辆自振频率比较接近，故调试初期产生了较大共振。因此，可以对道岔梁结构进行优化，在不使用阻尼器条件下，使道岔梁的竖向自振频率避开车辆的自振频率，从而降低道岔制造及运营维修成本。

道岔梁结构具体优化方案为：梁高由1.4 m增加到1.8 m，梁的腹板厚度由16 mm改为20 mm；主动梁由3台车支撑改为2台车支撑。

2 有限元分析

为了验证道岔梁结构优化方案的减振效果，利用有限元软件，采用尺寸为20 mm的实体单元建立有限元模型，通过数值模拟，对优化后的中速磁浮道岔进行静强度分析、模态分析以及车辆道岔耦合振动分析。材料计算参数为：弹性模量210 GPa，泊松比0.3，密度7 850 kg∕m3。

2.1 静强度分析

在约束位置施加位移约束，对道岔梁施加1.25倍的额定荷载，计算主动梁的竖向变形和主动梁弯曲应力。计算结果显示，主动梁最大竖向挠度出现在跨中处，幅值为3.89 mm，与厂内静荷载（荷载形式与幅值均相同）试验得到的跨中挠度4.30 mm接近，并满足挠度不大于L∕3 800（L为梁跨度；本道岔计算结果为4.78 mm）的限值要求［8］。

2.2 模态分析

主动梁约束模态下前6阶频率见表1，振型见图7。可知：主动梁横向刚度小，第1阶模态振型为横向弯曲，频率为7.97 Hz；车辆道岔共振竖向振动模态出现在第2阶，频率为12.36 Hz，有效地避开了车辆激振频率，避免了磁浮车辆过道岔时产生共振。

表1 主动梁约束模态

图7 主动梁约束模态振型

2.3 车辆道岔耦合振动分析

对道岔主动梁的梁单元模型进行模态分析，得到道岔主动梁的子结构文件和模态计算结果文件，通过多体动力学软件与有限元接口程序生成弹性体输入文件，生成用于动力学仿真计算的磁浮车辆-道岔主动梁刚柔耦合分析模型，如图8所示。

图8 磁浮车辆-道岔主动梁刚柔耦合分析模型

计算磁浮车辆各运行速度级下车辆道岔耦合振动时道岔主动梁中心的动力响应，结果见图9。

图9 不同车速下主动梁中心动力响应

由图9可知：磁浮车辆的运行速度对道岔主动梁的垂向位移影响不大，最大垂向位移不到2.50 mm，远小于道岔主动梁4.78 mm的垂向挠度要求，满足道岔主动梁的挠度设计要求，并且留有充足的余量；磁浮车辆的运行速度对道岔主动梁中心的垂向振动加速度的影响比较大，尤其是在100 km∕h速度左右范围内存在共振现象，振动加速度最大值接近0.5 m∕s2，但远小于铁路桥梁设计标准中3.5 m∕s2的要求［9］。

3 结论

本文通过分析中速磁浮道岔容易产生车辆道岔共振的原因，提出了160 km∕h中速磁浮道岔减振设计方案。通过提高角平分装置竖向刚度来提高道岔结构刚度均匀化程度；通过设置台车限位结构、消除道岔梁支撑铰座滑块与支撑座间的间隙及锁定装置导向轮与基座间的间隙来增加道岔梁约束和阻力；通过调整道岔梁的截面形式和支撑数量来改变道岔梁的自振特性。建立实体有限元模型，对优化后的中速磁浮道岔进行静强度分析、模态分析以及车辆道岔耦合振动分析。得到以下结论：

1）通过增加梁高和腹板厚度，并将主动梁3台车支撑减少为2台车，使得道岔主动梁的竖向1阶自振频率降低到12.36 Hz，有效避开了车辆自振频率和磁浮调整频率，达到了优化设计要求。

2）磁浮车辆道岔耦合振动分析表明，优化后磁浮车辆以不高于160 km∕h通过道岔时，道岔梁垂向振动加速度小于0.5 m∕s2，满足标准要求，减振效果良好。