直線電機運載系統(tǒng)軌道結(jié)構(gòu)設計的探討

摘要:針對直線電機運載系統(tǒng)的特點，本文根據(jù)線電機運載系統(tǒng)對軌道結(jié)構(gòu)的要求，對軌道結(jié)構(gòu)中鋼軌及扣件的選型、軌枕及道床的選型、道岔及其道床的設計、減振降噪措施等進行了初步的探討，對直線電機運載系統(tǒng)的軌道結(jié)構(gòu)設計具有一定的參考和實用價值。

關鍵詞:直線電機軌道結(jié)構(gòu)道岔減振降噪

0 引言

直線電機運載系統(tǒng)始于上個世紀80年代，采用直線電機進行牽引，適用于中等運量的城市軌道交通，使軌道交通系統(tǒng)向小型化發(fā)展。該系統(tǒng)特點如下:①車輪尺寸可縮小，車廂地板面降低，縮小車體斷面尺寸，隧道斷面可減小;②車輛不受輪軌之間粘著條件的限制，爬坡能力強;③采用徑向架，可在曲線半徑較小的線路上運行;④驅(qū)動系統(tǒng)沒有旋轉(zhuǎn)部分，運行噪聲可維持在較低水平;⑤采用安全、可靠、低噪聲的制動系統(tǒng)。

這些特點有利于有利于線路縱斷面設計，減少隧道及高架的過渡段，減少拆遷工作量，降低工程造價。世界上建成運營的直線電機運載系統(tǒng)，有加拿大溫哥華、馬來西亞吉隆坡、日本東京和大阪等。我國目前正在嘗試引進直線電機運載系統(tǒng)，廣州市軌道交通4、5號線已確定采用直線電機運載系統(tǒng)。由于該系統(tǒng)的軌道結(jié)構(gòu)與一般城市軌道交通的軌道結(jié)構(gòu)有所不同，需要將反應板安裝在軌道上，且由在車輛上的直線電機與在軌道的反應板之間產(chǎn)生的磁力牽引列車前進，因此，應根據(jù)直線電機運載系統(tǒng)的特點對軌道結(jié)構(gòu)進行研究，以選擇合理的軌道結(jié)構(gòu)形式和參數(shù)。

1直線電機運載系統(tǒng)對軌道結(jié)構(gòu)的要求

直線電機運載系統(tǒng)采用直線電機牽引，直線電機是一種直線感應電動機，結(jié)構(gòu)相當于將旋轉(zhuǎn)電機切割展開成直線狀，定子(初級線圈)設置在車輛上、轉(zhuǎn)子(次級線圈)設置在軌道上，車輛由設置在車輛上的直線電機與鋪設在軌道中央的反應板之間產(chǎn)生的磁力推進。采用鋼輪、鋼軌作為車輛的支撐，直線電機運載系統(tǒng)對軌道的要求如下:①軌道中間有直線電機反應板，軌道應有安裝反應板的條件;②直線電機與反應板之間的間隙要求較高，要求道床施工及反應板的安裝精度均較高，應力求軌道的平順;③當選用的線路曲線半徑小、坡度大時，應加強軌道的穩(wěn)定。

2 軌道結(jié)構(gòu)設計

軌道結(jié)構(gòu)的工程設計包括鋼軌選型、扣件、軌下基礎、道岔、無縫線路、減振降噪、其它相關設備(如車擋、防脫裝置、線路標志等)。其中與直線電機運載系統(tǒng)相關的是鋼軌選型、扣件、軌下基礎、道岔及減振降噪的設計。

2.1 鋼軌選型 一般情況下，直線電機系統(tǒng)的最高行車速度為100km/h，軸重為11t。根據(jù)近遠期客流量推算線路年通過總重，參照國鐵軌道配置標準，正線和輔助線均可采用50kg/m鋼軌，可同時滿足軌道結(jié)構(gòu)的強度和穩(wěn)定性。

若采用國鐵現(xiàn)有60kg/m鋼軌，則可顯著地提高軌道強度，降低軌底變形和應力，并能延長軌道的大修周期，減少日常養(yǎng)護維修工作量。由于直線電機系統(tǒng)采用徑向轉(zhuǎn)向架車輛，車輛通過曲線時車輪輪緣方向與曲線方向始終一致，且輪軌接觸關系有所改變，在曲線地段鋼軌磨耗應有所減少，而鋪設60kg/m鋼軌比鋪設50kg/m鋼軌初期投資增加8萬/單線公里，且在高架橋上鋪設無縫線路時，60kg/m鋼軌比鋪設50kg/m鋼軌溫度力變化大5.8kN/℃，鋪設50kg/m鋼軌對橋墩較為有利。且在直線電機系統(tǒng)中有專門用于回流的第4軌，回流無需增加走行軌截面面積。國外的直線電機系統(tǒng)軌道(如加拿大、溫哥華、多倫多)也多采用50kg/m鋼軌(實際為UIC54kg/m鋼軌，該鋼軌國內(nèi)也有生產(chǎn))。但由于我國鐵路推行重載運輸方針，鐵路鋼軌系列朝著重軌方向發(fā)展，一般干線都已采用60kg/m軌型，50kg/m軌型貨源日趨短缺，其材質(zhì)也不會再做改進，可供選用的品種很少。與國家鐵路相比，城市軌道交通用軌量畢竟較少，從商業(yè)角度考慮，小批量用軌的供應是有困難的。如果采用高度較高和斷面較大的軌型，對降低噪聲和防止雜散電流是有利的。因此，綜合諸多因素考慮，采用60kg/m軌型比較妥當。

2.2 鋼軌扣件選型 鋼軌扣件是聯(lián)結(jié)鋼軌與軌下基礎的重要部件，反映了軌道結(jié)構(gòu)的主要技術特性，是保持軌道框架剛度和決定軌道維修養(yǎng)護工作量的重要環(huán)節(jié)之一。

鋼軌扣件由扣壓件、軌下墊層和聯(lián)結(jié)螺栓組成。為了體現(xiàn)軌道結(jié)構(gòu)應有的技術性能，要求鋼軌扣件具有一定的扣壓力、必要的彈性和相應的可調(diào)能力。對剛度較大的軌下基礎，還要求軌下墊板具有較好的彈性。在大坡道地段，既要求扣件提供較大的縱向阻力，以防止鋼軌爬行;又要求扣件的扣壓力不能過大，以控制無縫線路長軌條的縱向力向橋梁過量傳遞。兩者的要求是互相矛盾的，要求從技術上妥善加以解決。參照《地鐵設計規(guī)范》，針對不同的道床型式選可用不同的扣件型式，直線電機系統(tǒng)力求維修工作量小，故宜采用無擋肩彈性分開式無螺栓扣件。廣州地鐵四號線直線電機系統(tǒng)主要采用單趾彈簧扣件、國鐵彈條Ⅲ分開式扣件及小阻力扣件等(如圖1所示)。

2.3 軌枕及道床結(jié)構(gòu)選型 軌道道床結(jié)構(gòu)分碎石道床和整體道床兩大類。碎石道床的優(yōu)點是軌道彈性好、適應性強、減振效果好，易于調(diào)整軌道的水平和方向;無需配用結(jié)構(gòu)復雜的彈性分開式扣件;施工簡單、進度快、造價低。其缺點是養(yǎng)護維修中的起撥道、搗固道床的作業(yè)量大，更重要的是保持軌面的平順度將花費更大代價。

整體道床的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、軌面的平順性易于保持，軌道不易變形。表面整潔美觀，便于清掃，軌道維修工作量少，但是整體道床的初期投資大，且對整體道床的基礎結(jié)構(gòu)要求高，軌道的彈性和軌面標高調(diào)整均由結(jié)構(gòu)較復雜的彈性分開式扣件來提供。

地下線或者高架線宜采用整體道床，地面線不受軌道高度限制，養(yǎng)護條件相對較好宜采用碎石道床。

目前國內(nèi)成功使用的地下線整體道床主要有上海地鐵采用的長枕式整體道床(圖2)和北京地鐵、廣州地鐵采用的鋼筋混凝土短軌枕式整體道床(圖3)兩種型式，兩種結(jié)構(gòu)均具有技術成熟、整體性強、結(jié)構(gòu)簡單、堅固耐用、施工簡便、運營維修工作量小的優(yōu)點，且經(jīng)多年運營實踐，使用效果良好。比較而言，短軌枕式整體道床的軌枕與道床聯(lián)接可靠，且施工更方便，造價也略低于長枕式整體道床，是國內(nèi)地鐵常用的結(jié)構(gòu)型式，與廣州已建成地鐵的道床型式一致。但是短枕式整體道床軌道結(jié)構(gòu)用于直線電機軌道時，反應板的安裝較為不便，若采用預埋件，則需要其在現(xiàn)場精確預埋，對施工精度要求較高，若采用后錨固技術，則安裝工作量較大，進度慢且造價較高。因此應采用走行軌、第3軌、第4軌、感應板都同時高精度相對固定的技術方案，可采用長枕埋入式整體道床或板式軌道。

長枕埋入式整體道床可在長枕上設置預留安裝鋼軌、反應板的條件，把預制的混凝土枕用二次澆筑使混凝土枕與道床成為整體，將鋼軌、反應板固定在長軌枕上。長枕式道床施工時，采用軌排架法施工，預埋螺栓(或孔)在工廠完成，容易達到施工精度，施工進度快，反應板安裝調(diào)整方便，反應板與鋼軌的相對位置精確度可以保證。曲線地段施工可以根據(jù)結(jié)構(gòu)施工情況進行調(diào)整，技術成熟。缺點是軌道自重大，軌道減振性能較難實現(xiàn)。

將軌枕、道床合二為一的板式軌道，采用工廠預制軌道板，在每塊板上設置3～4對扣件，并預埋反應板、第3、4軌固定元件。該方案軌道自重輕、整體性好、施工周期短。減振性能容易實現(xiàn)，通過軌道板下增設橡膠墊板即可實現(xiàn)。但該方案對工廠預制要求較高，特別是曲線地段，國外均在道床板上實現(xiàn)超高，這就要求在工廠預制的軌道板跟現(xiàn)場的位置對號入座。考慮到板式道床軌道結(jié)構(gòu)高度較低，施工進度快，便于反應板的安裝，曲線超高在道床板上實現(xiàn)，利于橋梁施工，高架線宜采用板式道床形式。

2.4 道岔及其道床 由于直線電機系統(tǒng)采用了徑向轉(zhuǎn)向架，道岔的導曲線半徑將可以減少，可采用小號數(shù)曲線尖軌道岔，如溫哥華正線采用6號、8號道岔，肯士頓試驗線采用了5號道岔。但直線電機系統(tǒng)對軌面的平順度，及固定于軌道上的直線電機轉(zhuǎn)子和固定于車輛上的定子間的氣隙高度要求很嚴格，所以應改進道岔的結(jié)構(gòu)型式，提高列車通過道岔的平順性。國外直線電機系統(tǒng)，國鐵高速鐵路采用了可動心軌道岔，但對于小號數(shù)曲線尖軌道岔采用可動心軌轍叉，則大大增加了道岔結(jié)構(gòu)的復雜性。研制開發(fā)適合直線電機系統(tǒng)的小號數(shù)曲線尖軌道岔十分迫切。

道岔的道床面積寬、零部件多且在施工時能與鋼軌直接相聯(lián)，工況復雜，國內(nèi)普通地鐵的岔區(qū)一般采用短枕式道床。但在直線電機牽引系統(tǒng)中，岔區(qū)采用短軌式整體道床時，鋼軌和感應板各自安裝于短軌枕和道床板上，鋼軌安裝基面和感應板基面的高度差精度不易保持，且宜造成感應板安裝基面的縱向(鋼軌方向)的不平順度，從而給車輛的正常運營帶來負面的影響。與短軌式整體道床比，長枕式整體道床可保證反應板與鋼軌的相對位置精度，更重要的是使用長枕時可以在道岔交叉部附近安裝感應板，充分發(fā)揮車輛過岔時的牽引性能。借鑒日本直線電機系統(tǒng)在岔區(qū)采用樹脂長枕式整體道床的經(jīng)驗，岔區(qū)宜采用樹脂長枕式整體道床(如圖所示)。國內(nèi)也應研究開發(fā)適用于直線電機車輛在道岔區(qū)的其它道床及軌枕形式，以填補國內(nèi)在此方面技術上的空白。

2.5 減振降噪措施 直線電機系統(tǒng)作為城市現(xiàn)代化的交通運輸工具，與其它軌道交通相比，它具有造價低、振動小、噪聲低、爬坡能力強、牽引能力優(yōu)越、通過曲線半徑小、能耗低、污染小、安全性能好等諸多優(yōu)點，非常適合大中城市大中等運量交通發(fā)展的要求。但是不容忽視的是，由于其坡度較大、曲線半徑較小，使得其運營條件相對苛刻，距離居民、辦公場所較近，因此對振動與噪聲的要求也較高;如直線電機鐵路在市區(qū)內(nèi)離建筑物最短距離小到只有幾米，甚至緊挨建筑物，減振性能仍不容忽視。加拿大溫哥華直線電機地鐵采取了多種減振降噪措施。一般減振地段的主要措施有:①采用彈性分開式扣件。②鋪設無縫線路結(jié)構(gòu)。③運營中加強定期養(yǎng)護維護工作，使輪軌間的接觸處于平順狀態(tài)，以降低輪軌間的沖擊振動。

由于直線電機牽引系統(tǒng)對于轉(zhuǎn)向架上的直線電機與道床上的感應板之間的間隙值要求較高，常規(guī)的軌道減振措施，如普通的軌道減振器扣件，彈性短軌枕等均不太適用于直線電機系統(tǒng)。中等減振地段可采用Edilon鋼軌埋置式板式軌道結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)有較好的隔聲和隔振效果，且這種類型的軌道結(jié)構(gòu)使用20年來，養(yǎng)護維修工作量相當少。還可考慮研究開發(fā)新型的彈性長軌枕整體道床，通過彈性橡膠支承長軌枕整體道床達到減振的目的。特殊減振地段可考慮采用浮置板軌道或Vanguard扣件等。

2.6 結(jié)論與建議 ①應全面分析，綜合比較，采用經(jīng)濟合理的軌型。②對于減振型軌道結(jié)構(gòu)如彈性長軌枕整體道床和浮置板軌道應進行全面研究、完善，開發(fā)適合我國直線電機運輸系統(tǒng)的道床型式和施工方案。③在現(xiàn)有扣件的基礎上開發(fā)新型的、經(jīng)濟的、適用于直線電機運輸系統(tǒng)的扣件。④研制開發(fā)適合直線電機系統(tǒng)的減振型小號碼道岔結(jié)構(gòu)。⑤研制開發(fā)適合于岔區(qū)整體道床的樹脂長軌枕。⑥直線電機系統(tǒng)的關鍵技術之一是固定于軌道上的直線電機轉(zhuǎn)子和固定于車輛上的定子間的氣隙高度的控制技術，而諸多互相影響制約因素均對該氣隙高度產(chǎn)生互相疊加或者互相抵消的影響。設計中應對各軌道部件所產(chǎn)生的影響程度有適當?shù)膶Σ吆途C合的考慮。⑦直線電機運載系統(tǒng)不同于普通軌道交通，原地鐵軌道施工驗收技術條件已不能滿足要求，國內(nèi)沒有相應施工經(jīng)驗，應開展軌道系統(tǒng)集成及施工驗收技術條件研究，提高對直線電機軌道系統(tǒng)的全面認識和掌握。

直線電機運載系統(tǒng)在國內(nèi)是全新技術，與普通軌道交通有許多不同，對其軌道系統(tǒng)應予以充分的重視，對軌道結(jié)構(gòu)的設計應做進一步研究，并對設計的方案進行試制試驗工作，使直線電機運載系統(tǒng)能成功應用于國內(nèi)。