中低速磁浮道岔動(dòng)載試驗(yàn)方法研究*

劉大玲

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,430063,武漢∥工程師)

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中低速磁浮道岔動(dòng)載試驗(yàn)方法研究*

劉大玲

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,430063,武漢∥工程師)

道岔系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)中低速磁浮列車(chē)換線的關(guān)鍵設(shè)備。道岔狀態(tài)的好壞直接影響列車(chē)的運(yùn)行安全性和旅客乘坐的舒適性。中低速磁浮采用的是主動(dòng)懸浮控制技術(shù),車(chē)輛、道岔和控制系統(tǒng)共同組成了一個(gè)自激振動(dòng)系統(tǒng),采用多重質(zhì)量液體雙調(diào)諧阻尼技術(shù),可有效地抑制共振頻率,但其減振作用對(duì)頻率比較敏感。因此,在動(dòng)載試驗(yàn)過(guò)程中,采用加速度傳感器對(duì)車(chē)輛、道岔的共振信號(hào)進(jìn)行采集以及頻譜分析,并對(duì)道岔進(jìn)行調(diào)整,確保共振頻率和加速度達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

中低速磁浮; 道岔; 動(dòng)載試驗(yàn)

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

道岔系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)中低速磁浮列車(chē)換線的關(guān)鍵設(shè)備,列車(chē)到發(fā)、會(huì)讓、車(chē)輛整修等,都必須依靠道岔實(shí)現(xiàn)。中低速磁浮道岔為三段定心式結(jié)構(gòu),換線時(shí)三段梁均沿著各自固定于地面的轉(zhuǎn)動(dòng)中心整體轉(zhuǎn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)換線作業(yè),與輪軌系統(tǒng)的道岔有本質(zhì)的區(qū)別。

中低速磁浮交通采用的是主動(dòng)懸浮控制技術(shù),對(duì)于其車(chē)輛和道岔,均是外部能量輸入激勵(lì)過(guò)程,這使其振動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化；而這些變化又會(huì)對(duì)懸浮間隙產(chǎn)生影響,因此車(chē)輛、道岔和控制系統(tǒng)共同組成了一個(gè)自激振動(dòng)系統(tǒng)。這就是中低速磁浮交通最核心的“車(chē)輛-道岔振動(dòng)”問(wèn)題。

長(zhǎng)沙中低速磁浮工程為國(guó)內(nèi)第一條商業(yè)運(yùn)營(yíng)的中低速磁浮線路,其道岔設(shè)計(jì)時(shí)采用多重質(zhì)量液體雙調(diào)諧阻尼技術(shù),可有效地抑制共振頻率。但是，阻尼器的減振效果是針對(duì)一定的共振頻率的,若共振頻率偏離過(guò)大，則減振效果減弱。因此,中低速磁浮交通應(yīng)確?！败?chē)輛-道岔振動(dòng)”的共振頻率。

1 道岔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

中低速磁浮道岔的工作原理:曲柄驅(qū)動(dòng)裝置安裝于道岔梁中心軸線的基礎(chǔ)上,主梁側(cè)面安裝有導(dǎo)槽,曲柄撥動(dòng)導(dǎo)槽實(shí)現(xiàn)道岔的轉(zhuǎn)撤;轉(zhuǎn)撤完成后,通過(guò)鎖定裝置進(jìn)行精確定位,達(dá)到要求位置,并通過(guò)鎖定裝置實(shí)現(xiàn)道岔的鎖定。長(zhǎng)沙中低速磁浮道岔的線形指標(biāo)見(jiàn)表1。中低速磁浮道岔系統(tǒng)組成如圖1所示[1]。

表1 道岔線形指標(biāo) m

道岔梁結(jié)構(gòu)斷面均為雙腹板梁形式,其主動(dòng)梁、從動(dòng)梁和垛梁的技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2。考慮到在滿足梁的剛度前提下,各梁內(nèi)應(yīng)力幅值均比較小,因此道岔梁材質(zhì)均采用Q235C級(jí)鋼材。

圖1 中低速磁浮道岔系統(tǒng)組成

表2 道岔梁技術(shù)參數(shù) mm

2 道岔動(dòng)力學(xué)分析

道岔梁間及與基礎(chǔ)連接裝置包括臺(tái)車(chē)、鎖定裝置及角平分裝置。其中：臺(tái)車(chē)由車(chē)輪和導(dǎo)軌組成,用來(lái)支撐道岔的豎向荷載并使道岔梁能夠繞轉(zhuǎn)動(dòng)中心轉(zhuǎn)動(dòng),約束為Z方向;鎖定裝置用于道岔梁轉(zhuǎn)轍后的定位和鎖定,為電動(dòng)推桿結(jié)構(gòu),約束為Y、Z兩個(gè)方向;角平分裝置采用雙“Z”字型拉桿結(jié)構(gòu),約束為X、Y、Z三個(gè)方向。

結(jié)合道岔結(jié)構(gòu)形式(見(jiàn)圖2),主動(dòng)梁支座1處為臺(tái)車(chē)、鎖定裝置,因此,約束為Y、Z兩個(gè)方向;支座2處為臺(tái)車(chē),約束為Z向;支座3處為角平分裝置、鎖定裝置及臺(tái)車(chē),提供X、Y、Z三個(gè)方向約束;2#從動(dòng)梁支座5處為豎向滑動(dòng)支撐,約束為X、Y、Z三個(gè)方向;支座4處為角平分裝置,約束為X、Y、Z三個(gè)方向;1#從動(dòng)梁支座2處為鎖定裝置,約束為Y、Z兩個(gè)方向;支座4處為角平分裝置,約束為X、Y、Z三個(gè)方向?qū)χ鲃?dòng)梁其在支座1的約束為Y和Z方向。

由于支座1、2、3 和4 均通過(guò)跨梁與基礎(chǔ)連接,因此建模時(shí)需計(jì)算出跨梁剛度。以上4個(gè)支座在Z向的約束均按彈性支座輸入。

計(jì)算分析采用ANSYS軟件,建模采用shell63 單元。梁材料采用Q235C,其附加單位長(zhǎng)度的質(zhì)量為278 kg/m。列車(chē)單位長(zhǎng)度的質(zhì)量按照2 580 kg/m均勻布置。支座均考慮豎向彈性支座。 “車(chē)輛-道岔”共振頻率如表3所示,共振振型如圖3所示,應(yīng)力云圖如圖4所示。

圖2 道岔支座示意圖

表3 “車(chē)輛-道岔”各階振動(dòng)頻率

圖3 道岔第4階振型

圖4 道岔應(yīng)力云圖

通過(guò)分析結(jié)果可以看出,有車(chē)狀態(tài)下第一次豎直振動(dòng)出現(xiàn)在第4階,振動(dòng)頻率為18.46 Hz；根據(jù)應(yīng)力云圖,受力狀態(tài)最差的為主動(dòng)梁中部。道岔梁振動(dòng)加速度目前無(wú)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。由于為鋼結(jié)構(gòu)梁型,長(zhǎng)沙磁浮線路的梁豎向振動(dòng)加速度參照TB 10612—2014《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》,取值≤0.5g。

3 動(dòng)載試驗(yàn)

道岔在生產(chǎn)車(chē)間先組裝,完成3 000次連續(xù)轉(zhuǎn)轍試驗(yàn)和靜載試驗(yàn)[2],然后再到現(xiàn)場(chǎng)安裝后進(jìn)行動(dòng)載試驗(yàn)。其中,動(dòng)載試驗(yàn)最重要的兩項(xiàng)指標(biāo)是列車(chē)經(jīng)過(guò)道岔時(shí)的共振頻率及豎向加速度。根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),道岔變形最大的位置為主動(dòng)梁中間支撐附近。因此,該位置為動(dòng)載試驗(yàn)時(shí)的研究重點(diǎn)。

為測(cè)量列車(chē)的過(guò)道岔時(shí)的共振頻率及豎向加速度,在道岔梁體布置了16個(gè)壓電加速度傳感器(靈敏度1 000 mV/g,頻率范圍-0.05～1 500 Hz(±10%))。其測(cè)點(diǎn)布置為：1～11為豎向振動(dòng)測(cè)點(diǎn),布置在道岔底板上表面中間位置,從左向右分別為垛梁跨中、從動(dòng)梁1跨中和從動(dòng)梁2跨中,以及主動(dòng)梁的左端支座、第一跨1/4跨、第一跨跨中、第一跨3/4跨、中間支座、第二跨1/4跨、第二跨跨中和右端支座;12～16為橫向振動(dòng)測(cè)點(diǎn),布置在道岔腹板1/2高度處,從左向右分別為主動(dòng)梁的第一跨1/4跨、第一跨3/4跨、中間支座、第二跨1/4跨和第二跨跨中。

對(duì)列車(chē)過(guò)岔時(shí)振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣,經(jīng)過(guò)時(shí)域分析和自譜分析,得到各測(cè)點(diǎn)的共振頻率和豎向加速度。主動(dòng)梁中間支撐8#測(cè)點(diǎn)時(shí)域分析和自譜分析如圖5、6所示。根據(jù)分析結(jié)果,共振頻率為16.25 Hz,加速度峰值為2.0g。道岔梁其他測(cè)點(diǎn)加速度峰值及頻率見(jiàn)表4。

圖5 8#測(cè)點(diǎn)時(shí)域分析

測(cè)試過(guò)程中,車(chē)輛經(jīng)過(guò)道岔時(shí),有明確的振動(dòng)現(xiàn)象,且從測(cè)試數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn):

(1) 道岔頻率為16.25 Hz,低于設(shè)計(jì)值18.46 Hz,道岔的支撐有部分未壓實(shí);

(2) 8#測(cè)點(diǎn)作為中間支撐點(diǎn),其振動(dòng)響應(yīng)與第一跨跨中和第二跨跨中響應(yīng)基本接近,說(shuō)明8#支點(diǎn)支撐不足。

圖6 8#測(cè)點(diǎn)自譜分析

表4 道岔梁加速度峰值及頻率匯總表

用塞尺對(duì)道岔各連接處進(jìn)行檢查,發(fā)現(xiàn)中間支撐連接處有一定的間隙。初步確定在間隙處增加2 mm鋼板墊片進(jìn)行緊固。增加2 mm鋼板墊片后道岔梁加速度峰值及頻率見(jiàn)表5。

表5 增加2 mm鋼板墊片后道岔梁加速度峰值及頻率匯總表

從表5可以看出,道岔中間支撐增加2 mm鋼板墊片后,頻率為16.56 Hz,增加了0.31 Hz,加速度峰值也有所降低,表明主動(dòng)梁的中間支撐作用增加,調(diào)整方向正確。后續(xù)增加不同厚度鋼板墊片工況下道岔梁加速度峰值及頻率見(jiàn)表6。圖7為道岔主動(dòng)梁各特征點(diǎn)豎向加速度峰值。

表6 增加不同厚度鋼板墊片工況下道岔梁加速度峰值及頻率匯總表

圖7 增加不同厚度鋼板墊片工況下道岔主動(dòng)梁各特征點(diǎn)豎向加速度峰值

從表5、6以及圖7可見(jiàn):通過(guò)三次逐級(jí)增加墊片抬高主動(dòng)梁中部的標(biāo)高,達(dá)到了以下兩個(gè)方面的改善效果:

(1) 主動(dòng)梁上各測(cè)點(diǎn)的垂向振動(dòng)加速度峰值逐級(jí)減小,當(dāng)抬高主動(dòng)梁中部的標(biāo)高(墊高)達(dá)3.5 mm時(shí),可使主動(dòng)梁上各測(cè)點(diǎn)加速度峰值低于0.5g,達(dá)到規(guī)范要求。

(2) 主動(dòng)梁上各測(cè)點(diǎn)垂向振動(dòng)的一階主頻逐級(jí)增大,表明通過(guò)增加墊片的方式可以有效增加道岔中間的支撐強(qiáng)度。

4 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合中低速磁浮三段式道岔梁型的設(shè)計(jì)以及有限元分析,確定車(chē)輛與道岔的共振頻率。通過(guò)對(duì)道岔動(dòng)態(tài)試驗(yàn)調(diào)試,將道岔-車(chē)輛共振頻率及豎向加速度調(diào)整在設(shè)計(jì)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)內(nèi),成功通過(guò)驗(yàn)收。

本文提出的中低速磁浮道岔運(yùn)載試驗(yàn)方法已成功運(yùn)用在長(zhǎng)沙中低速磁浮工程中。該線自2016年5月6日正式運(yùn)營(yíng)以來(lái),全線道岔轉(zhuǎn)轍超過(guò)10萬(wàn)次,運(yùn)營(yíng)統(tǒng)計(jì)故障約20次,可靠性大于99.98%。該項(xiàng)動(dòng)載試驗(yàn)在長(zhǎng)沙中低速磁浮工程中積累了豐富的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),可為后續(xù)類似工程提供技術(shù)指導(dǎo)。

[1] 湖南磁浮交通發(fā)展股份有限公司.長(zhǎng)沙磁浮交通工程設(shè)計(jì)暫行規(guī)定:Q/HNCFGS 001—2015[S].長(zhǎng)沙:湖南磁浮交通發(fā)展股份有限公司,2015.

[2] 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.中低速磁浮交通道岔系統(tǒng)設(shè)備技術(shù)條件:CJ 412—2012[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2013.

[3] 湖南磁浮交通發(fā)展股份有限公司.長(zhǎng)沙磁浮交通工程驗(yàn)收規(guī)范:Q/HNCFGS 002—2015[S].長(zhǎng)沙:湖南磁浮交通發(fā)展股份有限公司,2015.

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[6] 袁青平,王俊杰,王財(cái)華,等.中低速磁浮交通道岔系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)[J].都市快軌交通,2009(1):67-70.

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[8] 齊然,羅京.中低速磁浮列車(chē)懸浮控制系統(tǒng)研究 [J].電力機(jī)車(chē)與城軌車(chē)輛,2016(3):29-32.

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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

*中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司科技研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2015K49)

U 213.6+8∶U 237.2

10.16037/j.1007-869x.2017.05.019

2017-01-20)