中低速磁浮線路軌道軌縫對車輛懸浮的影響研究*

吳志會 佟來生 羅華軍 張文躍 周 鶴

(中車株洲電力機車有限公司，412001，株洲∥第一作者，高級工程師)

在中低速磁浮線路中，考慮軌排制造及安裝的實際情況、軌道的熱脹冷縮和線路沉降等影響因素，軌排之間采用軌排接頭進行過渡連接。目前，國內的中低速磁浮軌排接頭主要有3種，根據線路情況，不同路段使用相應的軌排接頭：路基段一般采用JⅠ型接頭(單縫接頭)或JⅡ型接頭(雙縫接頭)；長大連續梁上需采用JⅢ型接頭，其中JⅢ型接頭相當于兩個JⅡ型接頭組合而成。中低速磁浮列車及軌道實景見圖1。軌排長度隨著環境溫度的變化而伸縮，造成軌縫大小發生變化，根據CJJ/T 262—2017《中低速磁浮交通設計規范》[1]，軌排鋪設時的預留軌縫值應根據軌排長度與鋼軌溫度經計算確定。鋪設軌排預留的軌縫，應滿足鎖定后的軌排在溫度最高時，軌端不頂緊受壓力；軌排溫度最低時，軌縫不宜增加過大，以滿足列車懸浮穩定性的要求。

圖1 中低速磁浮列車及軌道實景圖

本文首先分析了軌排接頭結構形成的軌縫對車輛懸浮傳感器檢測性能的影響，并對磁浮軌道的F軌開展了熱變形分析，最后基于提升車輛的懸浮穩定性并根據國內某磁浮試驗線的相關統計數據，針對中低速磁浮軌道設計提出了改善建議。

1 懸浮傳感器工作原理及其過軌縫過程分析

1.1 懸浮傳感器工作原理

懸浮傳感器是磁浮列車的核心部件，位于F型鋼軌的下凹面、電磁鐵的頂部[2]。為了保證懸浮傳感器信號的可靠性和容錯量，通常傳感器檢測部分由3個探頭組成，分別對應3個懸浮間隙檢測通道。在正常情況下，取3個探頭測量值的均值。當其中1個探頭檢測到信號相對其他2個探頭異常時，該信號將被“剔除”。控制系統采用另外2個探頭探測到間隙較小值。基于這樣的算法，間隙傳感器的3個探頭就必須保證至少2個探頭檢測到有效信號，才能保證處理后的間隙值是可靠的[3]。

1.2 懸浮傳感器過軌縫過程分析

在磁浮列車運行中，懸浮傳感器的探頭在距離軌縫還有一定距離時，傳感器的探測精度就已經開始下降，直到探頭過了軌縫后向前運行一段距離才能恢復探測精度。把從傳感器精度下降到影響間隙值檢測的這一段區域稱為探測失效區段。因懸浮傳感器通過JⅡ型雙縫接頭，包含了通過JⅠ型單縫接頭的所有階段，故據此分析懸浮傳感器通過JⅡ型接頭軌縫時的情況如圖2所示。

圖2 懸浮傳感器過JⅡ型接頭軌縫的過程示意圖

1)階段A為探頭1過第1個軌縫。該過程中，探頭1在距離軌縫邊沿為S時，其檢測到的間隙值突然增大，此時探頭1檢測到的間隙值已經失效，控制系統只采用探頭2和探頭3的信號均值。

2)階段B為探頭2通過第1個軌縫。該過程中，探頭2在距離軌縫邊沿為S時，其檢測到的間隙值突然增大，此時如果探頭1還在失效區內，則探頭1和探頭2檢測到的間隙值都是無效的，控制系統將采集不到有效的間隙值。

3)階段C為探頭3通過第1個軌縫。與階段B類似，可能出現探頭2和探頭3同時失效的情況。

4)階段D為探頭1通過第2個軌縫。該過程中，探頭1在距離軌縫邊沿為S時，檢測值開始失效，此時如果探頭3還在過第1個軌縫的失效區域內，則探頭1和探頭3檢測到的間隙值都是無效的，控制系統將采集不到有效的間隙值。

5)階段E和階段F分別為探頭2和探頭3通過第2個軌縫。與階段B和階段C類似，可能出現2個相鄰探頭同時失效的情況。

從上述分析可知，造成間隙傳感器2個探頭同時失效的情況有2種：①相鄰2個探頭在同1個軌縫處同時失效，如圖2中階段B、C、E、F所示；②前后兩個探頭在不同的軌縫處同時失效，如圖2中階段D。

2 軌縫對懸浮傳感器檢測性能的影響分析

本節主要分析懸浮傳感器過JⅠ型單軌縫接頭與JⅡ型雙軌縫接頭對其檢測性能的影響。

2.1 懸浮傳感器過JⅠ型單軌縫接頭分析

圖3為懸浮傳感器過JⅠ型接頭單軌縫示意圖。圖中d為軌縫值，φ為探頭直徑，L為探頭中心距。在φ、s、L已知的前提下，若傳感器不失效，則軌縫值需滿足下述條件：

圖3 懸浮傳感器過JⅠ型單軌縫接頭示意圖

d≤L-φ-2s

(1)

假設懸浮傳感器探頭φ=40 mm，L=90 mm，s=5 mm。按式(1)得d≤40 mm，即若軌縫值超過40 mm就可能導致懸浮傳感器的其中2個探頭同時失效，從而影響控制系統的穩定性。

2.2 懸浮傳感器過JⅡ型雙軌縫接頭分析

圖4為間隙傳感器過JⅡ型雙軌縫接頭示意圖。圖中Lb為雙縫連接板的長度，L1為前后2個探頭的外間距。在過雙軌縫時傳感器前后探頭不同時失效，則連接板長度須滿足下述條件：

圖4 懸浮傳感器過J Ⅱ型雙軌縫接頭示意圖

Lb≥L1+2s

(2)

假設懸浮傳感器的L1=220 mm，s=5 mm。通過式(2)可得Lb≥230 mm，即雙軌縫連接板的長度若小于230 mm就可能導致懸浮傳感器的2個探頭同時失效。

探頭每通過1個軌縫時，都將產生1個異常信號；當通過雙軌縫時，懸浮傳感器在極短的時間內產生2次沖擊，如圖5所示。通過雙軌縫時，每個探頭通道檢測到的信號出現了2次波動。在避免同一傳感器的2個探頭不會同時失效的前提下，若連接板長度越短，懸浮系統受到2次連續沖擊的時間越短，同樣不利于懸浮系統的適應性調整。因此，雙軌縫接頭中的連接板長度越長越好，建議JⅡ型接頭中間連接板的長度，一般路段按不小于500 mm設計，困難路段按不小于300 mm設計。

圖5 過雙軌縫時懸浮傳感器檢測信號波形圖

對懸浮系統而言，軌縫間隙越小越好，連接板越長越好。但現實狀態是軌道由于安裝和冷熱變形等問題，軌縫值很容易超過設計值，將會對懸浮傳感器的檢測性能有一定影響，甚至引發懸浮傳感器失效從而導致車輛的懸浮失穩現象。

3 F軌熱變形分析

本節首先通過理論分析計算了10 m長的F軌在自由狀態下的熱變形，再分析了F軌在約束狀況下因溫升作用產生的熱變形。

3.1 F軌自由伸縮量理論計算

F軌在不受任何阻礙的伸縮叫自由伸縮。在均勻溫度場中自由脹縮情況下，溫度變化為ΔT時，利用式(3)可以計算F軌的自由伸縮量：

ΔlT=αlΔT

(3)

式中：

ΔlT——F軌由于溫度變化產生的自由伸縮量，mm；

α——F軌熱漲系數，取12.5×10-6mm/(m℃)；

l——F軌長度，mm；

ΔT——溫度變化量，℃。

表1列出了10 m長F軌在不同溫度范圍下的自由伸縮量。

表1 10 m定長F軌在不同溫度范圍下的自由伸縮量

考慮磁浮線路大多為高架線路，軌排是完全暴露的，因此夏季軌排的實際溫度遠高于環境溫度。F軌的實測溫度超過60 ℃，甚至更高。根據表1，溫度范圍若取為-10～60 ℃，則對應的F軌伸縮量為8.75 mm，考慮到軌排是相向伸縮，相鄰軌排之間的最大伸縮量為17.5 mm。但在實際線路中，由于F軌是處于受約束狀態，同等溫差下的變形量應小于自由狀態的伸縮量。

3.2 F軌熱變形有限元分析

磁浮軌道的F軌由于受約束作用，在熱脹冷縮的過程中會產生相應的變形與應力。本節主要對F軌進行熱變形的有限元分析。F軌螺栓孔位置采用固定約束，溫升值為70℃。

F軌因熱脹冷縮的縱向變形直接影響軌縫值的變化，F軌的縱向熱變形圖分析結果見圖6。從圖6中可以看出，F軌兩端產生的最大變形為2 mm，即F軌的縱向伸縮量最大值為4 mm。從有限元分析結果可以看出，在同等溫差下，受全約束狀態的F軌變形量要遠小于其自由狀態下的變形量。

圖6 F軌縱向熱變形圖

綜合理論計算與有限元分析結果可知，實際線路中的F軌既不可能處于自由狀態，也不可能處于全約束狀態，即實際路線中F軌的縱向伸縮量介于2種分析結果之間。軌排是鋪設在混凝土梁之上的，梁的熱脹冷縮及車輛載荷作用也會影響軌縫值的變化。根據相關文獻分析結果，中低速磁浮軌道在溫度與車輛載荷的作用下，其軌縫的變化范圍在±5 mm以內[4]。

4 國內某磁浮試驗線上軌縫分布統計

國內某磁浮試驗線路上軌排連接采用了JⅠ型接頭(單縫接頭)和JⅡ型接頭(雙縫接頭)。該試驗線上所有縫隙值的某次測量結果見圖7～9。

圖7 沿線單軌縫縫隙分布圖

圖8 沿線雙軌縫縫隙分布圖

圖9 全線軌縫值統計分布圖

從圖7～9可以看出，該磁浮試驗線上的軌縫值主要在20 mm上下波動。根據CJJ/T 262—2017《中低速磁浮交通設計規范》，建議預留的軌縫值宜按16 mm取值，實際試驗線上90%的軌縫值超過了16 mm，實際工程中軌縫值設置相對偏大。

5 結語

通過分析軌縫對懸浮傳感器檢測的影響和F軌在溫升作用下的熱變形，基于影響懸浮傳感器檢測精度的因素，總結主要結論如下：

1)軌縫設計。結合軌縫與懸浮傳感器的影響關系，建議軌縫按照標準建議值16 mm設計，既可保證軌排熱脹冷縮要求，又能滿足車輛懸浮傳感器的檢測要求。同時，應嚴格控制線路中最大軌縫值不能超過40 mm，避免懸浮傳感器出現2路探頭檢測失效的情況，從而影響懸浮控制的穩定性。

2)軌道接頭結構。JⅡ型和JⅢ型接頭中的連接板長度應能保證懸浮傳感器前后2個探頭不會同時失效，但懸浮傳感器在過雙縫的時候，連接板的長度會影響懸浮傳感器連續受激勵時間，從而影響控制系統辨識。建議JⅡ型接頭設計時適當增大中間連接板的長度，一般路段按不小于500 mm設計，困難路段按不小于300 mm設計。