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。為指導高速磁浮交通軌道結(jié)構(gòu)選型與設計，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。

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，主要有常導電磁懸浮、永磁電動懸浮、低溫超導電動懸浮、高溫超導電磁懸浮，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計、車橋耦合動力響應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)選型和設計提供指導。

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。

1.1.2 鋪設高精度

高速磁浮軌道結(jié)構(gòu)鋪設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)應滿足幾點要求：

（1）高速磁浮軌道結(jié)構(gòu)部件應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，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)在選型和設計之前，應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)主要針對目前應用的德國、上海采用的常導高速磁浮軌道結(jié)構(gòu)和日本試驗線上的低溫超導高速磁浮軌道結(jié)構(gòu)分析其結(jié)構(gòu)組成與功能。

2.1 常導高速磁浮軌道結(jié)構(gòu)

常導高速磁浮軌道結(jié)構(gòu)由功能件和軌道梁組成，如圖1所示。

常導高速磁浮軌道結(jié)構(gòu)采用“梁軌一體式”設計［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，同時功能件還起到磁浮列車導向和驅(qū)動的功能。功能件主要由頂部滑行板、側(cè)面導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，導向磁鐵極靴或制動磁鐵極靴接觸導向板，滑行板承受機械支承力和摩阻力。

2.1.2 側(cè)面導向板

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

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軌梁，主要是引導列車前進方向，同時承受列車荷載并將之傳遞至墩臺基礎，并且在其上部兩側(cè)預留安裝功能件的連接件。

常導高速磁浮系統(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，導向間隙為8～10 mm，由于常導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 低溫超導高速磁浮軌道結(jié)構(gòu)

日本低溫超導高速磁浮軌道結(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，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)動的超導直線電機定子繞組及用于懸浮和導向的 “8” 字形零磁通線圈，從而起到懸浮和導向的功能。軌道側(cè)壁上的懸浮線圈和導向線圈通過產(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，需要導向車輪與側(cè)壁接觸實現(xiàn)強迫導向，側(cè)壁梁上需設置導向面，該導向面設置在繞組上面。

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；低溫超導高速磁浮軌道結(jié)構(gòu)加工和鋪設精度要求低，后期調(diào)整、養(yǎng)護維修工作量少。

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

（3）針對常導高速磁浮軌道結(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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