高速磁浮線高速道岔驅動布置的研究

朱志偉

（上海磁浮交通發(fā)展有限公司，201204，上海∥工程師）

電機驅動、齒輪齒條傳動的高速磁浮線高速道岔由主梁、驅動走行和鎖銷系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)組成。如圖1所示，道岔主梁是一根長度為148.608 m可彈性側彎的鋼梁，由0號固定支點和1～8號活動支點支承；驅動走行和鎖銷系統(tǒng)設置在活動支點上。其中，驅動包含電機和齒輪齒條，走行包含走行輪和走行軌道。在電控系統(tǒng)指令下，鎖銷解鎖，各支點借助電機和齒輪齒條提供的動力沿著走行軌道向目標位置靠近；與此同時，彈性鋼梁發(fā)生側彎并在到達目標位置后由鎖銷鎖定。

高速道岔目標位置線形如圖2所示，其側線線形由“直線—回旋曲線—圓曲線—回旋曲線—直線”組成，支點0、2、6、8位置分別為直緩點、緩圓點、圓緩點和緩直點。

為保證道岔實現轉轍功能并確保道岔在目標位置時保持如圖2所示的線形，道岔各個活動支點均需設置走行和鎖銷機構，而驅動機構可以選擇性地布置。有驅動的支點稱為主動支點，無驅動的支點稱為從動支點。道岔轉轍過程中，各主動支點直接在電機和齒輪齒條作用下沿著走行軌道運行，從動支點則處于隨動狀態(tài)。由此可見，不同的驅動布置對主動支點到位時從動支點的位置偏差、道岔線形變化、轉轍過程的主梁應力和驅動力變化等均會產生不同的影響。而且，驅動的數量還影響道岔的制造和維護成本。本文研究的目的旨在確定轉轍性能優(yōu)、經濟性好的高速道岔驅動布置方案。

圖1 高速磁浮高速道岔三維模型

圖2 高速磁浮高速道岔的線形

1 高速道岔的模型和加載

圖1所示高速道岔的彈性鋼梁為箱型梁，其主梁高1.7m、寬1.2m。鋼梁在道岔轉轍過程中經受大的變形，因此，需要采用幾何非線性分析方法進行計算。用ANSYS軟件建立道岔有限元計算模型，在支點0施加x向、y向、z向位移約束和繞x軸的轉動約束，在支點1～8施加z向位移約束和繞x軸的轉動約束；先在主動支點加載多步y(tǒng)向位移載荷直至到達目標位置，再借助鎖銷使得所有支點到達目標位置。在具體加載時，將道岔轉轍過程分成16步，前15步為主動支點加載，第16步為利用鎖銷調節(jié)功能實現所有支點到位。

2 驅動布置方案研究

2.1 布置方案

根據高速磁浮線低速道岔經驗，為高速磁浮線高速道岔設計了如圖3所示的5種不同的驅動布置方案。

圖3 高速磁浮高速道岔驅動的布置

圖3中，方案1僅設3個必要的主動支點，方案2～4則分別在方案1的基礎增設主動支點5、6、7，方案5則在方案3的基礎上增設主動支點4。

2.2 各方案的對比分析

對圖3所示的不同道岔驅動布置方案下的轉轍過程線形變化和支點位置偏差、主梁應力變化和主動支點驅動力變化進行對比分析。

2.2.1 線形和位置偏差

在不同驅動布置方案下，道岔轉轍過程中的線形變化一致。線形變化的典型過程如圖4所示。

圖4 道岔線形變化的典型過程

由圖4可見，道岔轉轍過程中線形保持平滑。主動支點到位時，從動支點位置略微超出理論位置，需要通過鎖銷調節(jié)到位。不同的驅動布置方案下，主動支點到位時各從動支點位置偏差如圖5所示。

從圖5可以看出，方案1中各從動支點的位置偏差最大，最大偏差值達到165mm；方案2和方案4的從動支點位置偏差較大，最大偏差分別為20mm和32mm；方案3和方案5的從動支點位置偏差則明顯小于前述的三種方案，最大偏差分別僅為1.5mm和0.6mm。

圖5 各支點位置偏差

2.2.2 轉轍過程主梁應力分析

不同驅動布置方案下，道岔轉轍過程中的主梁應力變化趨勢一致。以方案3為例，主梁應力變化過程如圖6所示。

圖6 方案3主梁應力隨加載步驟的變化

從圖6可以看出，隨著道岔不斷向側線目標位置靠近，主梁應力呈逐步增加的趨勢。不同方案中，主梁最大應力基本一致，為45MPa左右，且均出現在支點6附近。

因受從動支點位置偏差的影響，道岔主梁在鎖銷鎖定前后的最大應力變化相差較大：方案1支點6位置的最大應力變化超過20MPa，方案2和4的最大應力變化不到9MPa，而方案3和5的最大應力變化不超過0.6MPa。

2.2.3 主動支點驅動力分析

道岔轉轍過程中，不同方案的驅動力變化趨勢也一致。以方案3為例，主動支點驅動力變化的過程如圖7所示。

圖7 方案3驅動力隨加載步驟的變化

由圖7可見，隨著道岔不斷向側線目標位置靠近，驅動力逐步增加。因驅動布置位置不同，驅動力大小也有明顯的差別：方案1的最大驅動力達到136kN，其它方案的最大驅動力則在60kN左右。

從上述的計算和分析可以看出：不同驅動方案下，道岔轉轍過程中的線形變化、主梁應力變化趨勢及其最大值、驅動力變化趨勢基本一致；而主動支點到位時從動支點的位置偏差、鎖銷鎖定前后主梁應力變化及各主動支點最大驅動力，則有明顯差別。方案1的位置偏差最大，應力變化和最大驅動力也最大；方案2和方案4其次；方案3和方案5則最小。與方案5相比，方案3的從動支點位置偏差僅比方案5大0.9mm，卻能減少一套驅動裝置以及相配套的編碼器、控制柜，可以降低道岔的制造和維護成本。

2.2.4 鎖銷桿受力和尺寸分析位置偏差對機械部件的影響主要在于鎖銷桿的受力和尺寸。通過計算，支點位置偏差為1.5mm時，鎖銷桿受力僅比0.6mm時增加2%。事實上，鎖銷設計允許的位置偏差大于2mm。因此，方案3和方案5的鎖銷設計均滿足設定的技術要求。

3 結語

通過運用幾何非線性分析對不同驅動布置方案下的高速磁浮高速道岔轉轍過程進行對比分析，可以得到以下結論：

（1）不同驅動方案下，道岔轉轍過程中的線形變化、主梁應力變化及驅動力變化的趨勢基本一致。

（2）不同驅動方案下，主動支點到位時從動支點的位置偏差、鎖銷鎖定前后主梁應力變化及主動支點最大驅動力均有明顯差別。方案1的位置偏差最大，應力變化和驅動力變化也最大；方案2和方案4其次；方案3和方案5則最小。

（3）方案3比方案5的從動支點位置偏差略大，但不影響鎖銷設計，且方案3因少1套驅動裝置可以降低道岔設備制造和維護成本。

因此，確定方案3為采用的驅動布置方案。

［1］吳祥明.磁浮列車［M］.上海：上海科學技術出版社，2003.

［2］張宏君.高速磁浮線路道岔鋼梁位移過程及其數值分析［J］.城市軌道交通研究，2010（7）：32.