中低速磁浮线路轨道轨缝对车辆悬浮的影响研究*

吴志会 佟来生 罗华军 张文跃 周 鹤

(中车株洲电力机车有限公司，412001，株洲∥第一作者，高级工程师)

在中低速磁浮线路中，考虑轨排制造及安装的实际情况、轨道的热胀冷缩和线路沉降等影响因素，轨排之间采用轨排接头进行过渡连接。目前，国内的中低速磁浮轨排接头主要有3种，根据线路情况，不同路段使用相应的轨排接头：路基段一般采用JⅠ型接头(单缝接头)或JⅡ型接头(双缝接头)；长大连续梁上需采用JⅢ型接头，其中JⅢ型接头相当于两个JⅡ型接头组合而成。中低速磁浮列车及轨道实景见图1。轨排长度随着环境温度的变化而伸缩，造成轨缝大小发生变化，根据CJJ/T 262—2017《中低速磁浮交通设计规范》[1]，轨排铺设时的预留轨缝值应根据轨排长度与钢轨温度经计算确定。铺设轨排预留的轨缝，应满足锁定后的轨排在温度最高时，轨端不顶紧受压力；轨排温度最低时，轨缝不宜增加过大，以满足列车悬浮稳定性的要求。

图1 中低速磁浮列车及轨道实景图

本文首先分析了轨排接头结构形成的轨缝对车辆悬浮传感器检测性能的影响，并对磁浮轨道的F轨开展了热变形分析，最后基于提升车辆的悬浮稳定性并根据国内某磁浮试验线的相关统计数据，针对中低速磁浮轨道设计提出了改善建议。

1 悬浮传感器工作原理及其过轨缝过程分析

1.1 悬浮传感器工作原理

悬浮传感器是磁浮列车的核心部件，位于F型钢轨的下凹面、电磁铁的顶部[2]。为了保证悬浮传感器信号的可靠性和容错量，通常传感器检测部分由3个探头组成，分别对应3个悬浮间隙检测通道。在正常情况下，取3个探头测量值的均值。当其中1个探头检测到信号相对其他2个探头异常时，该信号将被“剔除”。控制系统采用另外2个探头探测到间隙较小值。基于这样的算法，间隙传感器的3个探头就必须保证至少2个探头检测到有效信号，才能保证处理后的间隙值是可靠的[3]。

1.2 悬浮传感器过轨缝过程分析

在磁浮列车运行中，悬浮传感器的探头在距离轨缝还有一定距离时，传感器的探测精度就已经开始下降，直到探头过了轨缝后向前运行一段距离才能恢复探测精度。把从传感器精度下降到影响间隙值检测的这一段区域称为探测失效区段。因悬浮传感器通过JⅡ型双缝接头，包含了通过JⅠ型单缝接头的所有阶段，故据此分析悬浮传感器通过JⅡ型接头轨缝时的情况如图2所示。

图2 悬浮传感器过JⅡ型接头轨缝的过程示意图

1)阶段A为探头1过第1个轨缝。该过程中，探头1在距离轨缝边沿为S时，其检测到的间隙值突然增大，此时探头1检测到的间隙值已经失效，控制系统只采用探头2和探头3的信号均值。

2)阶段B为探头2通过第1个轨缝。该过程中，探头2在距离轨缝边沿为S时，其检测到的间隙值突然增大，此时如果探头1还在失效区内，则探头1和探头2检测到的间隙值都是无效的，控制系统将采集不到有效的间隙值。

3)阶段C为探头3通过第1个轨缝。与阶段B类似，可能出现探头2和探头3同时失效的情况。

4)阶段D为探头1通过第2个轨缝。该过程中，探头1在距离轨缝边沿为S时，检测值开始失效，此时如果探头3还在过第1个轨缝的失效区域内，则探头1和探头3检测到的间隙值都是无效的，控制系统将采集不到有效的间隙值。

5)阶段E和阶段F分别为探头2和探头3通过第2个轨缝。与阶段B和阶段C类似，可能出现2个相邻探头同时失效的情况。

从上述分析可知，造成间隙传感器2个探头同时失效的情况有2种：①相邻2个探头在同1个轨缝处同时失效，如图2中阶段B、C、E、F所示；②前后两个探头在不同的轨缝处同时失效，如图2中阶段D。

2 轨缝对悬浮传感器检测性能的影响分析

本节主要分析悬浮传感器过JⅠ型单轨缝接头与JⅡ型双轨缝接头对其检测性能的影响。

2.1 悬浮传感器过JⅠ型单轨缝接头分析

图3为悬浮传感器过JⅠ型接头单轨缝示意图。图中d为轨缝值，φ为探头直径，L为探头中心距。在φ、s、L已知的前提下，若传感器不失效，则轨缝值需满足下述条件：

图3 悬浮传感器过JⅠ型单轨缝接头示意图

d≤L-φ-2s

(1)

假设悬浮传感器探头φ=40 mm，L=90 mm，s=5 mm。按式(1)得d≤40 mm，即若轨缝值超过40 mm就可能导致悬浮传感器的其中2个探头同时失效，从而影响控制系统的稳定性。

2.2 悬浮传感器过JⅡ型双轨缝接头分析

图4为间隙传感器过JⅡ型双轨缝接头示意图。图中Lb为双缝连接板的长度，L1为前后2个探头的外间距。在过双轨缝时传感器前后探头不同时失效，则连接板长度须满足下述条件：

图4 悬浮传感器过J Ⅱ型双轨缝接头示意图

Lb≥L1+2s

(2)

假设悬浮传感器的L1=220 mm，s=5 mm。通过式(2)可得Lb≥230 mm，即双轨缝连接板的长度若小于230 mm就可能导致悬浮传感器的2个探头同时失效。

探头每通过1个轨缝时，都将产生1个异常信号；当通过双轨缝时，悬浮传感器在极短的时间内产生2次冲击，如图5所示。通过双轨缝时，每个探头通道检测到的信号出现了2次波动。在避免同一传感器的2个探头不会同时失效的前提下，若连接板长度越短，悬浮系统受到2次连续冲击的时间越短，同样不利于悬浮系统的适应性调整。因此，双轨缝接头中的连接板长度越长越好，建议JⅡ型接头中间连接板的长度，一般路段按不小于500 mm设计，困难路段按不小于300 mm设计。

图5 过双轨缝时悬浮传感器检测信号波形图

对悬浮系统而言，轨缝间隙越小越好，连接板越长越好。但现实状态是轨道由于安装和冷热变形等问题，轨缝值很容易超过设计值，将会对悬浮传感器的检测性能有一定影响，甚至引发悬浮传感器失效从而导致车辆的悬浮失稳现象。

3 F轨热变形分析

本节首先通过理论分析计算了10 m长的F轨在自由状态下的热变形，再分析了F轨在约束状况下因温升作用产生的热变形。

3.1 F轨自由伸缩量理论计算

F轨在不受任何阻碍的伸缩叫自由伸缩。在均匀温度场中自由胀缩情况下，温度变化为ΔT时，利用式(3)可以计算F轨的自由伸缩量：

ΔlT=αlΔT

(3)

式中：

ΔlT——F轨由于温度变化产生的自由伸缩量，mm；

α——F轨热涨系数，取12.5×10-6mm/(m℃)；

l——F轨长度，mm；

ΔT——温度变化量，℃。

表1列出了10 m长F轨在不同温度范围下的自由伸缩量。

表1 10 m定长F轨在不同温度范围下的自由伸缩量

考虑磁浮线路大多为高架线路，轨排是完全暴露的，因此夏季轨排的实际温度远高于环境温度。F轨的实测温度超过60 ℃，甚至更高。根据表1，温度范围若取为-10～60 ℃，则对应的F轨伸缩量为8.75 mm，考虑到轨排是相向伸缩，相邻轨排之间的最大伸缩量为17.5 mm。但在实际线路中，由于F轨是处于受约束状态，同等温差下的变形量应小于自由状态的伸缩量。

3.2 F轨热变形有限元分析

磁浮轨道的F轨由于受约束作用，在热胀冷缩的过程中会产生相应的变形与应力。本节主要对F轨进行热变形的有限元分析。F轨螺栓孔位置采用固定约束，温升值为70℃。

F轨因热胀冷缩的纵向变形直接影响轨缝值的变化，F轨的纵向热变形图分析结果见图6。从图6中可以看出，F轨两端产生的最大变形为2 mm，即F轨的纵向伸缩量最大值为4 mm。从有限元分析结果可以看出，在同等温差下，受全约束状态的F轨变形量要远小于其自由状态下的变形量。

图6 F轨纵向热变形图

综合理论计算与有限元分析结果可知，实际线路中的F轨既不可能处于自由状态，也不可能处于全约束状态，即实际路线中F轨的纵向伸缩量介于2种分析结果之间。轨排是铺设在混凝土梁之上的，梁的热胀冷缩及车辆载荷作用也会影响轨缝值的变化。根据相关文献分析结果，中低速磁浮轨道在温度与车辆载荷的作用下，其轨缝的变化范围在±5 mm以内[4]。

4 国内某磁浮试验线上轨缝分布统计

国内某磁浮试验线路上轨排连接采用了JⅠ型接头(单缝接头)和JⅡ型接头(双缝接头)。该试验线上所有缝隙值的某次测量结果见图7～9。

图7 沿线单轨缝缝隙分布图

图8 沿线双轨缝缝隙分布图

图9 全线轨缝值统计分布图

从图7～9可以看出，该磁浮试验线上的轨缝值主要在20 mm上下波动。根据CJJ/T 262—2017《中低速磁浮交通设计规范》，建议预留的轨缝值宜按16 mm取值，实际试验线上90%的轨缝值超过了16 mm，实际工程中轨缝值设置相对偏大。

5 结语

通过分析轨缝对悬浮传感器检测的影响和F轨在温升作用下的热变形，基于影响悬浮传感器检测精度的因素，总结主要结论如下：

1)轨缝设计。结合轨缝与悬浮传感器的影响关系，建议轨缝按照标准建议值16 mm设计，既可保证轨排热胀冷缩要求，又能满足车辆悬浮传感器的检测要求。同时，应严格控制线路中最大轨缝值不能超过40 mm，避免悬浮传感器出现2路探头检测失效的情况，从而影响悬浮控制的稳定性。

2)轨道接头结构。JⅡ型和JⅢ型接头中的连接板长度应能保证悬浮传感器前后2个探头不会同时失效，但悬浮传感器在过双缝的时候，连接板的长度会影响悬浮传感器连续受激励时间，从而影响控制系统辨识。建议JⅡ型接头设计时适当增大中间连接板的长度，一般路段按不小于500 mm设计，困难路段按不小于300 mm设计。