悬挂式永磁悬浮单轨交通系统兴国试验线总体设计

李晓飞 李际胜

(中铁第六勘察设计院集团有限公司,天津 300308)

引言

自1901 年德国建成世界首条悬挂式单轨交通线路以来,悬挂式单轨交通已有120 多年的历史,其轮轨接触关系也从初期非对称悬挂钢轮钢轨型、非对称悬挂胶轮型,发展到当前广泛采用的对称悬挂胶轮型[1-4]。

我国相继建成四川成都中唐试验线、山东青岛中车四方试验线、河南开封中建试验线、湖北武汉中铁科工试验线等4 条悬挂式单轨交通工程试验线。 其走行部分结构为:胶轮单轨走行部分下方设置有走行轮,走行轮与下部开口轨道梁底板顶面接触,走行部两侧设置有导向轮,导向轮与轨道梁两侧腹板接触。 走行轮作为传递驱动力和列车荷载的重要部件,需要定期进行更换。

为降低运维成本,减小系统运行阻力,同时拓展稀土永磁材料应用范围[5],将稀土永磁悬浮技术引入悬挂式单轨交通系统,取消胶轮单轨的走行轮,将胶轮单轨走行轮与轨道梁的竖向接触关系替代为竖向悬浮、非接触关系,通过直线感应电机实现牵引。 永磁悬浮与中低速磁浮所采用的电磁悬浮技术的最大不同在于,永磁悬浮利用稀土永磁材料实现 “零功率”悬浮,由于悬浮不耗能,牵引能耗较低[6]。

磁浮单轨与胶轮单轨的差异主要集中在永磁悬浮系统,永磁悬浮和直线电机系统的引入,使轨道梁、道岔、工艺等呈现出了不同的特点,根据工程试验线具体情况,重点对总体布局、悬浮导向及驱动系统、轨道梁及道岔、工艺等设计进行阐述。

1 工程概况

悬挂式永磁悬浮单轨交通系统兴国试验线(以下简称“兴国试验线”)位于江西省赣州市兴国县。 线路南起兴国西站,沿现状站前大道东侧向北走行接入静调库,全线均为高架线,见图1。

图1 悬挂式永磁悬浮单轨兴国试验线

线路主线采用单线设计(车站范围双线),主线长0.8 km;全线共设车站1 座,静调库1 座,道岔1 组。

设计速度70 km/h,车辆采用2 辆编组,DC750V接触轨供电[7]。

2 总体布局

兴国试验线的基本功能是验证永磁悬浮核心系统的可靠性、有效性、可维护性、安全性,以及车辆、轨道梁桥及道岔等关键系统的技术适应性。 根据试验线基本功能要求,如何选取总体布局,以减少用地及工程投资是试验线总体设计的重难点。

国内已建成的4 条悬挂式单轨交通试验线均位于厂区内,受场地条件限制,线路长度一般较短,且最小曲线半径一般设置于线路中部[8-12],对车辆运行速度影响较大。 国内建成试验线的概况及总体布局见表1。

表1 国内建成试验线概况及总体布局

为满足车辆、道岔等基本试验要求,结合兴国试验线用地情况,基于尽量提高车辆最高试验速度、降低工程投资的前提,兴国试验线设置车站1 座、静调库1座、道岔1 座;主线(区间)采用单线,车站范围采用双线,站前设置道岔1 组,以实现主线单线、车站双线的转换及道岔通过;线路起点设置车站,线路终点直接接入静调库,不再单独设置出入线;最小半径R-50 m 曲线设置于道岔后端,与道岔组成S 形曲线,减小了小半径曲线对主线运行速度的影响。 兴国试验线总体布局见图2。

图2 兴国工程试验线总体布局

3 悬浮系统及驱动系统

兴国试验线采用永磁技术实现悬浮,采用导向轮进行机械导向,通过直线感应电机实现牵引和电制动。

3.1 永磁悬浮系统

永磁悬浮系统由安装于车辆悬浮架上的车载磁组及安装于轨道梁上的梁载磁轨构成。 根据悬挂式单轨基本特征,采用斥力型悬浮设计。

在满足悬浮力的前提下,如何选取磁轨材料、确定磁体排布,以减小磁轨尺寸及磁轨投资是永磁悬浮系统设计的重难点。

稀土材料主要分为稀土钴永磁材料和稀土硼永磁材料,为实现磁轨的小型化、轻量化,兴国试验线磁体采用钕铁硼永磁材料;为增强磁轨垂直方向上的场强,用最少体量的磁体产生最强的磁场来满足悬浮力的要求,并考虑降低磁体加工装配难度,车载磁组及梁载磁轨均采用直线型Halbach 阵列。 Halbach 阵列的主要特征是在强磁场侧呈现正弦分布且磁场强度叠加,而在弱磁场侧基本相互抵消[13-16]。

根据前期研究成果,磁组/磁轨由磁体及铝合金或不锈钢底座组成,磁组/磁轨内永磁体按四模块排布,磁体宽150 mm,磁轨长600 ～1 200 mm。 兴国工程试验线磁轨横断面见图3。

图3 兴国工程试验线磁轨断面

3.2 驱动系统

直线感应电机驱动属于非黏着驱动,与胶轮单轨相比,其爬坡能力更强,但直线电机效率和功率因数较低,运行电能耗较胶轮单轨大。

兴国试验线运行速度较低,从工程投资及运行维护等方面考虑,采用了与中低速磁浮交通相同的短定子方案,直线电机初级安装于车辆悬浮架上,次级感应板安装于轨道梁上,依靠初级和次级之间的移动磁场产生的吸力或斥力实现牵引和制动[17-19]。

由于感应板布置在轨道梁内,无法像中低速磁浮系统将感应板安装于F 轨上,亦无法像城市轨道交通直线电机牵引系统布置大尺寸的感应板,因此在满足牵引力的前提下,如何缩小感应板尺寸是驱动系统设计的重难点。

为节省轨道梁内部的有限空间,兴国试验线感应板采用了帽子式,感应板由铝盖、铁芯、铝盖紧固件等组成,并将铁心与轨道梁直接进行连接,兴国工程试验线感应板横断面见图4。

图4 兴国工程试验线感应板断面

城市轨道交通直线电机牵引系统感应板的技术参数对比见表2。

表2 直线电机感应板技术参数对比

4 轨道梁桥

轨道梁桥是轨道梁、桥墩、基础及墩梁悬挂系统组成的桥梁体系。 磁浮单轨及胶轮单轨的差异主要体现在荷载分布类型及轨道梁的设计。

胶轮单轨的车辆荷载通过走行轮传递到轨道梁,属于集中荷载;磁浮单轨的车辆荷载通过车载矩形磁组面传递到车载磁轨及轨道梁,属于均布荷载。

根据车辆行走的特点,轨道梁采用下部开口的钢箱结构,为满足永磁悬浮及直线电机系统的布置要求,轨道梁中部增加中盖板。 在轨道梁底板及中盖板分别设置梁载磁轨和直线电机感应板。 根据悬浮架及设备布置要求,轨道梁内部净尺寸为1 200 mm×1 250 mm(宽度×高度),为使轨道梁具有足够的竖向、横向和抗扭刚度,并保证其稳定性,在轨道梁内设置环向加劲肋,宽150 mm,纵向间距1 200 mm,在梁端附近根据梁长调整间距,在轨道梁底设置纵向加劲肋,高90 mm;在中盖板下设置横向加劲肋,加劲肋预留孔洞,可作为管线敷设路径。 兴国试验线轨道梁横断面见图5。

图5 兴国试验线轨道梁断面(单位:mm)

轨道梁桥标准跨径采用25 m 简支梁,曲线地段及跨越障碍物地段,跨径采用16 ～30 m。 由于线路敷设于站前大道,景观要求较高,一般地段桥墩采用钢结构,当线路高程较高时,为节省工程投资,桥墩采用“钢结构+混凝土”混合结构。 在双线及预留双线段采用Y 形墩,在道岔梁两侧采用门式墩。 桥墩与轨道梁采用了构造简单、施工简便、造价更低的销轴连接方式。 兴国试验线轨道梁桥Y 形墩见图6。

图6 兴国试验线轨道梁Y 形墩

磁浮单轨及胶轮单轨轨道梁的对比,见表3。

表3 磁浮单轨与胶轮单轨的轨道梁差异对比_______

5 道岔系统

道岔系统是列车换线及安全运行的关键设备。 道岔几何线形主要取决于道岔前长、后长、道岔号数、导曲线半径及线间距等因素。 为减少占地范围,兴国试验线采用4 号小号码道岔,道岔侧股曲线采用“纯圆曲线+相切直线”的形式,导曲线半径50 m。 相较于中唐试验线、四方试验线等,5 m 平行线间距单渡线减少占地宽度5～17 m。 兴国试验线4 号道岔几何线形见图7。

图7 兴国试验线4 号道岔几何线形(单位:mm)

为降低转辙时间,在悬挂式单轨交通领域采用单回转点替换梁式道岔,道岔作用时间不大于25 s。

6 静调库

兴国试验线在线路终点处设置简易静调库1 座,由线路终点直接接入。 静调库长约36 m,宽15.9 m,高16.3 m,主要配备2 台10 t 起重机和静调台架,主要承担工程化样车组装及上下线、工程化样车静调及临修、材料堆放等任务。

磁浮单轨悬浮架安装有车载磁组,如何实现车辆上、下线和悬浮架进出轨道梁是工艺设计的重难点。

参考胶轮单轨上下线主要流程,结合磁浮单轨技术特点,确定兴国试验线车辆上线主要流程如下:①车体、悬浮架汽运入库;②悬浮架安装车载磁组;③打开静调台架二层平台并确认到位;④使用2 台10 t 起重机将车体调运至轨道小车;并推送至静调台架下方预定位置;⑤使用起重机将悬浮架起吊至静调台架二层平台、车体上方的预定位置;⑥完成机械装置及电气连接;⑦开闭静调台架二层平台,并使车辆悬浮架的走行轮落于静调台架二层平台上;⑧重复上述流程,完成第二节车辆上线并完成编组。 车辆下线流程与上线流程相反。

胶轮单轨走行轮与轨道梁接触面具有较大的摩檫力,车辆走行机构可以通过无顶板的U 形结构进出轨道梁;为降低非封闭环境磁性材料对近距离接触金属构件磁化的风险,保证库内检修工作的安全,检修平台不设置磁性轨道,为此在车辆悬浮架底部设置了走行轮,以实现车辆在有、无梁载磁轨之间的顺利过渡。

7 结语

悬挂式永磁悬浮单轨交通系统是我国自主研发、具有完全知识产权的轨道交通制式,丰富导向运输系统谱系及中低运量轨道制式。 兴国试验线重点对悬浮导向及驱动系统、轨道梁及道岔、工艺等进行研究和验证,在满足试验线基本要求的前提下,合理的总体布局在最大程度上减少用地及工程投资,永磁悬浮等核心系统的创新设计实现试验线车辆稳定的悬浮导向和驱动,轨道梁桥、道岔及工艺等关键系统设计为试验线的安全运行奠定了基础。 兴国试验线的建设解决悬挂式永磁悬浮单轨交通系统工程化过程中的一系列问题,并在工程总体设计、系统集成、装备研发等方面积累了经验,这对悬挂式永磁悬浮单轨交通系统商业运用及产业化具有重要的现实意义。