中低速磁浮接觸軌系統工程研究

彭 飛

（中鐵磁浮交通投資建設有限公司，湖北 武漢 430060）

0 引言

中低速磁浮交通具有爬坡能力強、轉彎半徑小、選線靈活、工程造價低、節能環保、安全性高以及運營檢修成本低等特點，受到國際交通界的廣泛關注，也是新型軌道交通研究創新和推廣應用的重要領域，具有較好的競爭優勢[1]。接觸軌系統作為磁浮列車的核心供電系統，是磁浮工程的關鍵組成部分，關乎到磁浮列車的行車安全與穩定性。中低速磁浮采用側部受流方式，接觸軌安裝在承軌梁的兩側，其中軌型的選擇、絕緣支架的設計、系統安裝的工藝與精度是整個系統可靠性的重要保障。該文依托清遠磁浮項目建設管理，對中低速磁浮工程接觸軌系統設計、選型、安裝等方面進行研究。

1 中低速磁浮技術的特點

目前國內開通運營的中低速磁浮線包括長沙磁浮快線、北京S1線、鳳凰磁浮旅游線，以及預計年底建成運行的清遠磁浮旅游線。我國目前運營的中低速磁浮線是采用車載懸浮（EMS）和短定子直線電機（LIM）牽引車輛運行的新型城市軌道交通系統，其主要特征在于采用電磁力實現無接觸的列車支承、導向、驅動和制動，從而消除運營磨耗，并通過車輛環扣軌道的構造形式避免磁浮列車脫軌。中低速磁浮車輛的橫向平衡力由懸浮吸力的水平分力提供，列車抱軌運行，不會脫軌，但是可能產生較大的橫向擺動。與普通輪軌相比，具有噪聲低、振動低、節能環保等特點，是城市中穿行的一道靚麗風景線。中低速磁浮系統通過在F軌上配置結構簡單的長轉子，并將短定子繞組穿裝在列車底面，利用接觸軌作為帶電軌與列車的受電靴接觸，給車輛提供穩定可靠的電能，使短定子產生行波磁場推動列車前行。接觸軌系統包括復合軌本體、中間接頭、膨脹接頭、中心錨結、電纜連接板、端部彎頭、分段絕緣器、道岔接頭、支架及附屬件，具有系統設計的多樣性、施工環境條件的苛刻性、工程運行的危險性等特點，是中低速磁浮工程實施的重難點之一。

2 接觸軌的選型

鋼鋁復合導電軌主要應用于城市軌道交通，傳統的導電軌是采用低碳鋼材料制造的，如北京地鐵和天津地鐵的第三軌采用的就是低碳鋼導電軌，其缺點是耗電量高，不宜大規模應用。目前中低速接觸軌應用于工程中的外形結構主要分為C型軌和工字軌[2]。C型接觸軌特點，C型軌由C型不銹鋼帶、不銹鋼條、鋁合金軌本體組成，鋼帶與軌本體之間采用鋼條為焊接，單根接觸軌長12m或15m，高度一般為57mm～69mm，接觸面寬度為100mm，具有良好的導電性、耐腐蝕性和綜合力學性能。工字型接觸軌特點，工字軌高度為68mm，接觸面寬度為74mm，工字軌受力后的變形集中在軌頂，由于其結構的穩定性，即使在變形后也不會影響到支撐的穩定性，表面是采取弧面的形式，減少接觸面積，從而減少滑動摩擦力，降低了靴軌磨耗，延長使用壽命。根據磁浮車輛受電靴寬度在60mm，考慮車輛懸浮量為8mm且波動量極小，通過數據分析對比，上述尺寸的C型接觸軌和工字型接觸軌符合中低速磁浮承軌梁兩側安裝空間受限特點，均能在車輛運行時保證接觸軌與受電靴在有效授流面內，滿足車輛的受流需求，同時各自優點明確，可針對不同環境運用在清遠磁浮工程中。

3 接觸軌與受流靴模擬仿真

3.1 仿真內容及主要方法

因清遠磁浮設計運行時速為120km/h，與傳統軌道交通相比，時速較高，需要對接觸軌—受流靴之間的動態接觸運行進行仿真研究。仿真受流器采用側向受流器，接觸軌采用鋁制基體、鋼制接觸軌面的結構，運用ANSYS軟件完成有限元模型建立和受流器/接觸軌耦合模型的計算，按照有限元方法建立受流靴/接觸軌的三維動力學模型建模，參數化受流靴/接觸軌的耦合動力學仿真模型，完成不同運行參數下受流靴/接觸軌的仿真分析。

3.2 模型建立

由于接觸軌受到不平順等因素的影響，不能以一維單元建模，本次仿真中采用ANSYS單元庫中的面—面接觸單元。受流靴的模型建立，考慮其實際結構可將其簡化為質量單元，接觸軌模型將軌截面的形狀簡化為矩形形式。受流器/接觸軌的耦合模型將受流靴模型與三維接觸軌模型使用接觸單元耦合，構成三維靴/軌計算模型，用于對靴

/軌相互作用的動力學分析[3]。

3.3 仿真計算與結果

分別將不同間距模型進行仿真，得到數據如圖1所示，采用數據統計正態分布算出其標準差、方差范圍見表1，對其接觸壓力穩定性進行分析。

表1 當車速為100km/h時，不同間距模型接觸壓力仿真結果統計值

通過仿真結果顯示在采用的接觸軌/受流器的組合下，對100km/h的仿真車速，支持結構間距取2.5m～3.5m適宜，在此條件下車輛受電穩定。通過模擬仿真以及數據分析為接觸軌系統結構間距設置提供了理論依據。

4 絕緣支架的設計措施

在中低速磁浮線路中，車輛取電采用固定在承軌梁側部的接觸軌受流方式，由于承軌梁等線下施工中會產生累計誤差，接觸軌的安裝是以F軌面為基準，因此在垂直水平方向須有一定程度的調節量，同時還需要調節俯仰角來滿足在曲線段接觸軌與F軌面的相對位置關系，滿足安裝精度要求[4-6]，因此如何從設計上保障絕緣支架調節量是接觸軌系統安裝調整的關鍵因素，絕緣支架包括支架底座、調節螺栓、滑體、絕緣子和卡爪組成，主要技術參數見表2。

表2 絕緣支架技術參數表

為更好滿足工程施工以及運營檢修需求，支架的設計措施主要考慮以下3個方面：1）支架應采用高強度鋁合金整體擠壓，滿足質量輕、三維調整方便快捷的特征，支架夾持芯在螺栓通過位置開設弧形條孔，使其可在安裝空間內繞X軸實現俯仰±6.5°旋轉調節，調節螺栓如圖2所示。2）水平絕緣子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，需要上調時將下方螺母松開，緊固上螺母，調到合適角度后再將下方螺母預緊，反之亦然。3）線性調節量與角度調節設計上互相獨立的，安裝過程中互不影響，水平絕緣支架安裝于使用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。通過對絕緣支架調節量采取的設計措施，使其易于安裝調整、整體輕量化、結構簡單，給施工安裝與運營維修提供了較大的安全便利條件。

5 接觸軌安裝措施

5.1 工裝器具的改良

接觸軌的安裝精度是以F軌道基準為參照，接觸軌安裝參數應滿足：接觸軌中心線距F軌走行面垂直距離（Z方向）650±2mm；接觸軌授流面與F軌中心線距離（Y方向）950±2mm；接觸軌授流面與F軌滑行面的角度（α）90±0.9°。通過對接觸軌施工過程中影響精度的因素進行要因分析，發現工裝的精度不足、操作不便是影響進度的主要因素，因此根據接觸軌安裝的技術參數要求對接觸軌測量安裝工裝、進行進一步的優化改良，使其滿足安裝精度需求。通過整體精簡優化工裝[7]，將安裝、檢測、測量工裝集成為一把工器具 ，將接觸軌測量角度精度標準提高到±0.03°，檢測工裝對導高、拉出值測量精度等參數測量尺改進為游標卡尺，精度為0.02mm，提高了測量讀數精讀和施工操作便利性，解決了接觸軌工裝角度測量精度不足的問題，避免了多環節冗雜作業對安裝精度帶來的不利影響；經現場使用滿足導高距離F軌滑行面650±2mm，拉出值距離F軌中心線950±2mm以及角度與F軌軌面90°±0.9°的精度要求。

5.2 膨脹接頭工藝的改進

膨脹接頭主要施工工藝：將膨脹接頭與鋼鋁復合軌對接好，微調膨脹接頭，使其與相鄰接觸軌平齊，當對接面密貼、平順后，緊固接頭連接螺栓，用數字溫度計測出的接觸軌表面溫度，記錄該溫度值；根據膨脹接頭溫度補償表查出所需補償值并記錄，按補償值調整膨脹接頭，并使用木塊和臨時夾具固定，清潔并涂電力導電脂后，將膨脹接頭的活動端與鋼鋁復合軌對接安裝；在與膨脹接頭最近的絕緣支架上用臨時固定夾具對膨脹接頭進行固定，以維持膨脹接頭現有補償狀態，防止在接下來安裝鋼鋁復合軌時膨脹接頭的補償間隙值發生變化，待下一個錨段的接觸軌安裝完畢后，將臨時固定夾具移至中錨位置固定，保證膨脹接頭的正常伸縮。安裝過程中由于膨脹接頭內滑芯在未通電前不能接近滿腔，導致接頭中間會產生晃動。以型腔尺寸70mm為例：鋁合金膨脹系數24×10-6/℃；鋁合金溫差100℃滑芯膨脹量為24×10-6×100×70=0.17mm；磁浮軌內腔尺寸減少0.17mm；根據以上分析，溫度對膨脹接頭的影響微乎其微，可忽略溫度變化對膨脹接頭的影響。

為解決膨脹接頭中間晃動問題，使用螺栓副調整鎖緊+中間螺栓鎖緊加強的方法，將中間部分增加兩個?14mm的通孔（圖3），膨脹接頭滑芯箭頭標識區域為螺紋孔加工位置，在螺栓對應位置，增加深度為30mm的螺紋孔盲孔，配合螺栓副的安裝。膨脹接頭中間部分增加兩條螺栓副，首先在兩條螺栓初步預緊的狀態下進行精調，當平面度滿足要求后，再將螺栓擰緊（為防止松動，螺栓涂抹螺紋鎖固膠），最后將中間部位的螺栓擰緊加強固定，使膨脹接頭中間部分無晃動，授流面平齊，加強了穩定性，解決了安裝過程中晃動的問題。

6 結語

隨著國家軌道交通系統市場多元化發展，以中低速磁浮工程為代表的新型軌道交通項目市場廣闊。通過研究中低速磁浮交通的技術特征、接觸軌系統的特點，結合清遠磁浮項目建設從接觸軌選型、接觸軌與受電靴模擬仿真、絕緣支架設計措施、接觸軌系統安裝措施提升方面對接觸軌系統發表了一些建議，為中低速磁浮接觸軌系統工程提供借鑒。