高速磁浮交通軌道結(jié)構(gòu)組成及其功能分析

徐浩 蔡文鋒 胡連軍

高速磁浮交通是未來的重要發(fā)展方向，高速磁浮軌道結(jié)構(gòu)是高速磁浮交通系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分。高速磁浮交通軌道結(jié)構(gòu)選型及設(shè)計需要滿足高速磁浮交通對其的功能要求，高速磁浮軌道交通對軌道結(jié)構(gòu)的功能要求決定軌道結(jié)構(gòu)的組成。為指導(dǎo)高速磁浮交通軌道結(jié)構(gòu)選型與設(shè)計，通過研究高速磁浮交通對軌道結(jié)構(gòu)的功能要求，系統(tǒng)分析了國內(nèi)外高速磁浮交通軌道結(jié)構(gòu)組成及其功能定位，提出了高速磁浮軌道結(jié)構(gòu)選型建議，可為高速磁浮交通軌道結(jié)構(gòu)選型、結(jié)構(gòu)設(shè)計等提供依據(jù)。

高速磁??； 軌道結(jié)構(gòu)； 功能分析； 結(jié)構(gòu)選型

U237 A

［定稿日期］2022-02-17

［基金項目］中國中鐵股份有限公司科技開發(fā)計劃（項目編號：2018-專項-02），中鐵二院科技開發(fā)計劃（項目編號：KYY2019031（19-22））

［作者簡介］徐浩（1989—），男，博士，高級工程師，研究方向為高速重載軌道結(jié)構(gòu)及動力學(xué)。

高速磁浮軌道交通，是一種利用電磁力實現(xiàn)無接觸懸浮和導(dǎo)向運行、利用長定子同步電機實現(xiàn)高速牽引的高速軌道交通系統(tǒng)，屬世界軌道交通的前沿技術(shù)。自1922年電磁懸浮原理被提出以后，各國對高速磁懸浮交通進行了嘗試，經(jīng)過100多年的發(fā)展，高速磁懸浮技術(shù)逐步實現(xiàn)了原理、試驗到商業(yè)運營的過程，如德國的埃姆斯蘭試驗線、日本的山梨試驗線、中國的上海高速磁浮示范線和中車四方磁浮試驗線等［1-4］。隨著滬杭、昆大、海南高速磁浮線的規(guī)劃以及國家“十四五鐵路科技創(chuàng)新規(guī)劃”提出的開展600 km/h級高速磁浮系統(tǒng)的技術(shù)儲備研發(fā)，高速磁浮軌道交通必然進入快速發(fā)展時期。

目前高速磁浮交通，主要有常導(dǎo)電磁懸浮、永磁電動懸浮、低溫超導(dǎo)電動懸浮、高溫超導(dǎo)電磁懸浮，不同的磁懸浮技術(shù)所采用的軌道結(jié)構(gòu)也不相同。盡管國內(nèi)外對高速磁浮軌道交通開展了大量研究，由于一般認為高速磁浮軌道交通無獨立的軌道結(jié)構(gòu)［5］，因此高速磁浮交通軌道結(jié)構(gòu)的研究較少，主要集中在高速磁浮交通軌道梁設(shè)計、車橋耦合動力響應(yīng)或試驗測試方面的研究［6-11］。隨著我國600? km/h高速磁浮交通的發(fā)展和磁浮列車下線，有必要針對高速磁浮軌道結(jié)構(gòu)開展研究。本文通過研究高速磁浮交通對軌道結(jié)構(gòu)的功能要求，對比分析國內(nèi)外高速磁浮交通軌道結(jié)構(gòu)的組成及功能，從而為我國高速磁浮交通軌道結(jié)構(gòu)選型和設(shè)計提供指導(dǎo)。

1 高速磁浮對軌道結(jié)構(gòu)的要求

高速磁浮交通具有高速度、環(huán)保、能耗低、安全可靠等顯著特點，為滿足高速磁浮交通高速、安全、舒適的運營要求，高速磁浮交通要求支撐高速磁浮列車的軌道結(jié)構(gòu)具有高平順性和高穩(wěn)定性要求。

1.1 高平順性要求

高平順的核心是高速磁浮軌道結(jié)構(gòu)能保持良好的幾何狀態(tài)，其具體要求如下。

1.1.1 采用高精度和高可靠性的軌道部件

高速磁浮交通軌道結(jié)構(gòu)主要由軌道功能件和軌道梁組成，軌道梁除了承受高速磁浮列車傳遞下來的荷載外，還引導(dǎo)高速磁浮列車向前運行；軌道功能件安裝在軌道梁上，直接承受高速磁浮列車荷載。因此，高速磁浮軌道梁的高精度和高可靠，是軌道功能件幾何形位保持的基礎(chǔ)。

1.1.2 鋪設(shè)高精度

高速磁浮軌道結(jié)構(gòu)鋪設(shè)高精度是保證軌道高平順的首要條件，若高速磁浮軌道結(jié)構(gòu)在鋪設(shè)階段出現(xiàn)了初始不平順，隨著高速磁浮軌道結(jié)構(gòu)的服役時間增加，軌道初始不平順將逐漸發(fā)展甚至惡化［12］。高速磁浮軌道結(jié)構(gòu)一旦出現(xiàn)鋪設(shè)精度的不平順，不僅對后期運營影響很大，需要付出更多的維修工作量，有時還很難從根本上予以解決。高速磁浮交通軌道結(jié)構(gòu)的鋪設(shè)精度主要體現(xiàn)在軌道功能件，因此高速磁浮交通對軌道功能件的鋪設(shè)精度誤差需要控制在毫米范圍內(nèi)。

1.1.3 運營中不平順高精度

為保證高速行車的舒適性和穩(wěn)定性，必須控制高速磁浮交通軌道功能件的功能面不平順度的限值，主要包括長波和短波誤差。

1.2 高穩(wěn)定性要求

高速磁浮軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性是指高速磁浮軌道在其長期服役過程中保持軌道平順性、完整性和結(jié)構(gòu)功能的能力，即在高速磁浮軌道結(jié)構(gòu)的服役壽命內(nèi)能做到少維修甚至免維修。由于目前高速磁浮軌道結(jié)構(gòu)一般采用預(yù)制構(gòu)件，除采用橋梁支座調(diào)整外，無其他調(diào)整措施，因此高速磁浮軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性一旦不能保證，一方面維修調(diào)整困難，另一方面也影響線路的正常運營和使用率。為保證高速磁浮軌道結(jié)構(gòu)的高穩(wěn)定性，高速磁浮軌道結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足幾點要求：

（1）高速磁浮軌道結(jié)構(gòu)部件應(yīng)嚴格控制幾何尺寸公差，滿足高精度和高可靠性的要求，在軌道各部件安裝組合后也能滿足精度和可靠性要求，從而滿足高速磁浮交通的高速度、高安全和高舒適性要求。

（2）運營過程中高速磁浮軌道結(jié)構(gòu)的過大變形不僅影響軌道的平順性，還會造成軌道部件受力過大，從而影響軌道各部件的耐久性，降低軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，因此要求高速磁浮軌道結(jié)構(gòu)在列車、溫度等多場耦合荷載作用下的變形應(yīng)滿足相關(guān)要求。

1.3 軌道結(jié)構(gòu)功能要求

高速磁浮交通軌道結(jié)構(gòu)作為實現(xiàn)磁浮列車支承、導(dǎo)向和牽引功能的主要結(jié)構(gòu)，同時為了保證高速磁浮列車安全、平穩(wěn)運營，軌道結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足幾點功能要求：

（1）承力和傳力要求。作用在軌道結(jié)構(gòu)上的磁浮列車荷載、溫度荷載等，需從軌道結(jié)構(gòu)功能件傳遞至軌道梁，再傳遞至下部基礎(chǔ)，要求軌道結(jié)構(gòu)的傳力路徑明確、可靠。

（2）變形與變形協(xié)調(diào)要求。高速磁浮軌道結(jié)構(gòu)在滿足荷載的承力、傳力功能時，必須能保持軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，在整個軌道結(jié)構(gòu)的服役壽命期內(nèi)保持線路的高平順性和高可靠性，不致產(chǎn)生過大的變形及其累積。

目前高速磁浮軌道結(jié)構(gòu)的幾何形位保持主要依靠軌道結(jié)構(gòu)部件制作精度和安裝精度，后期調(diào)整困難，且無法恢復(fù)至初始狀態(tài)，因此需要提出適用于高速磁浮交通且具備調(diào)整幾何形位能力的高速磁浮軌道結(jié)構(gòu)。

（3）保持功能的能力要求。高速磁浮軌道結(jié)構(gòu)制造精度極高，且后期不具備調(diào)整功能，一旦損毀，修復(fù)困難，因此要求高速磁浮軌道結(jié)構(gòu)具有長時間保持功能的能力，即對高速磁浮軌道結(jié)構(gòu)耐久性、可靠性有較高的要求。

（4）特殊功能要求。對于特殊地段或特殊環(huán)境下的高速磁浮軌道結(jié)構(gòu)，需要有針對性地改進或優(yōu)化措施，比如在沉降較大的地方，采用可調(diào)支座。

2 軌道結(jié)構(gòu)組成及其功能分析

高速磁浮軌道結(jié)構(gòu)在選型和設(shè)計之前，應(yīng)進行高速磁浮軌道結(jié)構(gòu)組成及其功能分析，即清楚不同高速磁浮軌道結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)組成以及各部件的功能與實現(xiàn)路徑。本節(jié)主要針對目前應(yīng)用的德國、上海采用的常導(dǎo)高速磁浮軌道結(jié)構(gòu)和日本試驗線上的低溫超導(dǎo)高速磁浮軌道結(jié)構(gòu)分析其結(jié)構(gòu)組成與功能。

2.1 常導(dǎo)高速磁浮軌道結(jié)構(gòu)

常導(dǎo)高速磁浮軌道結(jié)構(gòu)由功能件和軌道梁組成，如圖1所示。

常導(dǎo)高速磁浮軌道結(jié)構(gòu)采用“梁軌一體式”設(shè)計［5］，功能件為承力傳力、穩(wěn)定線路空間幾何形位的主要部件。功能件直接承受磁浮列車產(chǎn)生的荷載，通過軌道梁傳遞至下部基礎(chǔ)，同時功能件還起到磁浮列車導(dǎo)向和驅(qū)動的功能。功能件主要由頂部滑行板、側(cè)面導(dǎo)向板和定子固定件組成，功能件的各組成部件及軌道梁的功能。

2.1.1 頂部滑行板

頂部滑行板在列車停止狀態(tài)時對列車起支撐作用，在列車運行過程中，當懸浮架中2個懸浮控制電路出現(xiàn)故障或列車安全制動時，磁浮列車將通過滑撬降落在滑行板上，導(dǎo)向磁鐵極靴或制動磁鐵極靴接觸導(dǎo)向板，滑行板承受機械支承力和摩阻力。

2.1.2 側(cè)面導(dǎo)向板

側(cè)面導(dǎo)向板使用軟磁結(jié)構(gòu)鋼，也稱為磁性導(dǎo)向板。在磁浮列車正常運行時，與列車上的導(dǎo)向電磁鐵相互作用完成列車導(dǎo)向功能。

2.1.3 定子固定件

定子固定件用于安裝直線電機定子鐵芯，從而保證列車的懸浮。

2.1.4 軌道梁

用于安裝功能件的軌道梁也稱為導(dǎo)軌梁，主要是引導(dǎo)列車前進方向，同時承受列車荷載并將之傳遞至墩臺基礎(chǔ)，并且在其上部兩側(cè)預(yù)留安裝功能件的連接件。

常導(dǎo)高速磁浮系統(tǒng)，車輛采用“抱軌”的運行方式，高速磁浮軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)懸浮間隙為8～13 mm，導(dǎo)向間隙為8～10 mm，由于常導(dǎo)高速磁浮的懸浮間隙較小，要求軌道梁的制造精度、變形與變位控制均為毫米級誤差，因此常導(dǎo)高速磁浮軌道結(jié)構(gòu)后期調(diào)整、養(yǎng)護維修困難。

2.2 低溫超導(dǎo)高速磁浮軌道結(jié)構(gòu)

日本低溫超導(dǎo)高速磁浮軌道結(jié)構(gòu)的“U”字形軌道如圖2所示，主要由軌道、軌道側(cè)壁等組成。

“U”字形軌道結(jié)構(gòu)將磁浮列車荷載傳遞至下部基礎(chǔ)，而“U”字形軌道結(jié)構(gòu)的底平面供列車行駛，底平面上的2個凸臺稱為走行路或車輪支承面，當磁浮列車啟動加速度到120～150 km/h之前利用車輪支承面行駛，之后，磁浮列車懸浮行駛。

在軌道側(cè)壁上安裝有用于驅(qū)動的超導(dǎo)直線電機定子繞組及用于懸浮和導(dǎo)向的 “8” 字形零磁通線圈，從而起到懸浮和導(dǎo)向的功能。軌道側(cè)壁上的懸浮線圈和導(dǎo)向線圈通過產(chǎn)生吸引力和排斥力，使高速磁浮列車保持在線路中心，如圖3所示。在低速行駛時，需要導(dǎo)向車輪與側(cè)壁接觸實現(xiàn)強迫導(dǎo)向，側(cè)壁梁上需設(shè)置導(dǎo)向面，該導(dǎo)向面設(shè)置在繞組上面。

由于磁浮列車高速運行時車側(cè)壁與U形槽內(nèi)側(cè)壁8字形線圈表面的距離為10 cm，車底部與U形槽底板的間距大于10 cm，故低溫超導(dǎo)高速磁浮軌道部件的加工和安裝精度要求均低于懸浮間隙僅10 mm左右的常導(dǎo)高速磁浮系統(tǒng)，后期調(diào)整、養(yǎng)護維修工作量小。

3 結(jié)論與展望

通過研究高速磁浮軌道交通對高速磁浮軌道結(jié)構(gòu)的要求，對比分析不同高速磁浮軌道結(jié)構(gòu)的組成及其功能，得到幾點結(jié)論：

（1）常導(dǎo)高速磁浮軌道結(jié)構(gòu)制造精度要求高，后期調(diào)整、養(yǎng)護維修困難；低溫超導(dǎo)高速磁浮軌道結(jié)構(gòu)加工和鋪設(shè)精度要求低，后期調(diào)整、養(yǎng)護維修工作量少。

（2）常導(dǎo)高速磁浮軌道結(jié)構(gòu)目前已有實際應(yīng)用，低溫超導(dǎo)高速磁浮軌道結(jié)構(gòu)目前正處于試驗階段，因此高速磁浮軌道結(jié)構(gòu)應(yīng)優(yōu)先選用常導(dǎo)高速磁浮軌道結(jié)構(gòu)。

（3）針對常導(dǎo)高速磁浮軌道結(jié)構(gòu)制造精度要求高、工程投入大的問題，在后期研究中可以考慮引入調(diào)整結(jié)構(gòu)，從而降低軌道梁的加工制造精度，降低工程造價。

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