中低速磁浮接觸軌系統研究

黃冬亮

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司 湖北武漢 430063）

1 引言

中低速磁浮作為近年來新型的軌道交通類型，以其噪聲低、轉彎半徑小、爬坡能力強、舒適度高等優越性能，日益得到人們的關注，是未來軌道交通新的發展發向。接觸軌作為給磁浮列車［1-3］供電及唯一和磁浮列車有接觸的設備系統，是整個磁浮線路系統工程的重要部分，關系到列車取流的可靠性和安全性［4-6］。

磁浮線路采用特殊的軌道梁系統，接觸軌安裝在軌道梁上，其接觸軌類型、安裝方式、平面布置與軌道梁密切相關。而軌-靴受流系統需要通過理論仿真研究及調試檢測，才能驗證能否滿足磁浮列車的取流需求。

2 磁浮技術特征

從二十世紀初人們就開始探索非接觸地面高速交通模式，其中電磁懸浮車和氣墊懸浮車成為科學家早期研究的兩類主要新型交通工具。20世紀70年代之后，氣墊懸浮技術逐漸被淘汰，而電磁懸浮技術逐漸成熟，成為未來地面高速交通的熱門技術。到目前為止，磁懸浮列車相繼出現了EMS、EDS和高溫超導磁懸浮等模式。磁懸浮列車技術的研究與開發主要集中在德國和日本。

前者致力于開發高速EMS磁浮列車，后者既著力開發高速EDS磁浮列車，也發展適合城市軌道交通的低速EMS磁浮列車。在其它國家如英國、美國、加拿大、俄羅斯、瑞士、中國、韓國等，磁懸浮列車技術也得到了發展，但有的得不到本國政府支持，有的起步較晚，還沒有取得如德國和日本一樣突出的成果。近幾年來，在德國和日本相繼開發出成熟的準商業磁浮列車并大力推廣使用后，中國、韓國、瑞士以及巴西等國加大了對磁浮列車技術的研究，取得了一些實質性的成果。

磁懸浮列車是現代高科技發展的產物，其原理是利用電磁力抵消地球引力，通過直線電機進行牽引，使列車懸浮在軌道上運行。其研究和制造涉及自動控制、電力電子技術、直線推進技術、機械設計制造、故障監測與診斷等眾多學科，技術十分復雜，是一個國家科技實力和工業水平的重要標志。它與普通輪軌列車相比，具有低噪聲、無污染、安全舒適和高速高效的特點，有著“零高度飛行器”的美譽，是一種具有廣闊前景的新型交通工具。磁懸浮列車按懸浮方式不同，一般分為推斥型和吸力型兩種，按運行速度又有高速和中低速之分。

中低速磁浮系統一般采用短定子直線電機。短定子直線電機是將定子繞組安裝在車體的底部，通過向磁浮列車提供變壓變頻的電源，由車上的短定子產生行波磁場；軌道上安置結構較為簡單的長轉子，這種結構多用于直線異步牽引電動機的驅動系統。列車通過受流靴供電，而高速受流困難使列車運行速度、異步電機的功率因數及效率均受到限制，因此該系統僅用于中低速小功率短距離的電力牽引。

3 接觸軌受流方式及選型

3.1 受流方式

接觸軌系統根據受流方式的不同可分為上部接觸受流、下部接觸受流和側部接觸受流3種方式。

磁浮列車為懸浮系統，走行時會發生橫向、豎向位移。如果采用上部或者下部受流方式，伴隨著列車的運行，受流靴也會產生離線或接觸壓力劇烈變化，導致靴軌燒蝕，增大運營維護工作量，降低使用壽命。上部或者下部受流一般用于輪軌系統接觸軌受流方式下的軌道交通形式。

側部接觸受流方式結構簡單、對車輛動態運行無干涉、供電可靠性高，并且在降低環境影響、限界等方面均滿足要求。相比其它兩種受流方式，對車輛系統影響小。

同時結合目前國內主流磁浮列車受流靴的工作形式，中低速磁浮線路宜采用側部接觸受流方式。

3.2 接觸軌選型

側部受流接觸軌系統一般由正極接觸軌和負極接觸軌組成。作為一種較為新穎的受流方式，選擇一種適合接觸軌的結構形式尤為關鍵。

中低速磁浮正負極接觸軌布置于軌道梁兩側，正極側電壓為DC1500 V，負極側電壓為0 V。三維布置如圖1所示。

圖1 正負極接觸軌三維布置

接觸軌形式根據其在軌道梁側面布置的特點，主要采用高度較小的 C形［7］或工形［8］接觸軌，其斷面及主要尺寸如圖2、圖3所示。

圖2 C形接觸軌（單位：mm）

圖3 工形接觸軌（單位：mm）

C形軌高度一般為57～69 mm，工形軌高度為68 mm，主要適用于中低速磁浮軌道梁側面安裝空間較小的特點。

接觸軌和受流靴接觸面主要是鋼帶的有效受流面寬度，以上類型接觸軌有效面寬度分別為100 mm、75 mm、74 mm。

國內磁浮車輛受流靴寬度一般為60mm，車輛在行駛狀態的懸浮量為8mm，上下波動量不大于±5mm。

綜合以上數據，3種類型接觸軌均能達到受流靴在車輛運行時能在接觸軌的有效受流面內，滿足國內磁浮車輛的接觸軌和受流靴的受流需求。

4 軌靴動態仿真分析

4.1 仿真主要內容及方法

磁浮車輛采用側向受流方式，中低速磁浮設計時速一般不大于120 km。相比常規軌道交通而言，時速已較高，需要對接觸軌-受流靴之間的動態接觸運行進行仿真［9-11］研究。

利用有限元建立接觸軌和受流靴的數值模型。使用ANSYS軟件，模擬接觸軌-受流靴模型的動態接觸過程，為中低速磁浮工程的接觸軌-受流靴提供設計理論依據。

4.2 模型建立

模擬仿真需要建立受流靴-接觸軌耦合模型，還需要考慮軌面形狀變化的影響，所以采用了面面耦合方式。

在受流靴模型中，需要包含受流靴靴頭的形狀特點，結合受流靴的實際結構形式，將其簡化為質量單元。受流靴有限元模型如圖4所示。

圖4 受流靴有限元模型

接觸軌建模中簡化了軌的截面形狀，將接觸軌的截面簡化為矩形，通過控制接觸軌的厚度保證與原軌面在接觸方向上具有相同的力學特性。接觸軌有限元模型如圖5所示。

圖5 接觸軌有限元模型

4.3 仿真結論

將受流靴模型與三維接觸軌模型使用接觸單元耦合，構成軌靴計算模型，用于軌靴相互作用的動力學分析。

基于以上模型進行的3.5 m支撐跨距、100 km/h的仿真車速，顯示軌靴動態接觸壓力在80～160 N之間，如圖6所示。

圖6 3.5 m間距100 km/h車速接觸壓力仿真結果

仿真結果顯示在采用本次研究的接觸軌-受流靴組合下，對于100 km/h的仿真車速，軌靴接觸運行良好，動態接觸壓力大于零，沒有出現離線工況。

5 接觸軌絕緣支撐安裝

接觸軌安裝在軌道梁兩側，絕緣支撐及其結構通過螺栓與軌道梁側面的預埋槽道相連。

接觸軌絕緣支架為一種多維度大范圍調節裝置，工程適應性好。該裝置結構緊湊，零部件少，安裝空間小，一般安裝空間為300～350 mm（DC1500 V供電電壓）。在此安裝空間內絕緣子依然可以以X軸為旋轉軸進行俯仰角±6.5°的調節，因此可保證軌道梁在平面曲線區段F軌超高6°的情況下不需旋轉梁體。

C形接觸軌支撐夾持芯在螺栓通過位置開設弧形條孔，使其可繞X軸實現俯仰旋轉調節。水平絕緣子下附件（夾持段）位于夾持芯中，可沿其軸線實現Y向線性調節和繞Y軸全周轉動。整個水平絕緣支座支架安裝于預埋槽道的混凝土基礎面，可沿槽道鋪設方向做大范圍的線性調節（見圖7）。

工形接觸軌支撐安裝X軸方向通過L形鋼底座制造角度實現俯仰旋轉調節；Y向線性調節通過絕緣子和L形鋼底座之間的長孔進行調節，調節到位后固定（見圖8）。

圖7 C形接觸軌絕緣支撐安裝

圖8 工形接觸軌絕緣支撐安裝

絕緣支撐裝置主要技術參數見表1。

表1 絕緣支撐裝置主要技術參數

6 接觸軌平面布置

接觸軌平面布置［12］影響因素：接觸軌膨脹接頭補償間隙、環境溫度、接觸軌線性膨脹系數。

結合已有工程經驗，以上幾個因素取值如下：

接觸軌膨脹接頭間隙110 mm；環境溫度最低-12℃，最高接觸軌本體溫度85℃；接觸軌線性膨脹系數21×10-61/℃。

根據錨段長度計算方法：L＝膨脹接頭補償量/［（最高環境溫度＋最大載流溫升-最低環境溫度）×材料線膨脹系數］，得出接觸軌最大錨段計算長度為52 m。

中低速磁浮接觸軌懸掛于軌道梁側面，軌道梁的伸縮對接觸軌布置影響較大，一般軌道梁長度在20～25 m之間，每片梁一端設固定點，一端設活動支點。為有效避免軌道梁伸縮對接觸軌熱脹冷縮的影響，選擇將接觸軌中心錨結設置于軌道梁的固定端。

結合錨段設置原則與磁浮工程預制軌道梁長度的配合，接觸軌錨段長度一般選擇兩片梁長度。接觸軌平面布置標準錨段見圖9。

圖9 接觸軌標準錨段布置

7 結束語

本文研究了中低速磁浮工程側部受流接觸軌技術特點，結合實際運用提出一套適合于中低速磁浮車輛受流要求及可實施性的接觸軌系統設計方案，對類似中低速磁懸浮工程側向受流接觸軌方案設計具有重要的借鑒和參考意義。