中低速磁浮道岔動載試驗方法研究*

劉大玲

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司,430063,武漢∥工程師)

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中低速磁浮道岔動載試驗方法研究*

劉大玲

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司,430063,武漢∥工程師)

道岔系統是實現中低速磁浮列車換線的關鍵設備。道岔狀態的好壞直接影響列車的運行安全性和旅客乘坐的舒適性。中低速磁浮采用的是主動懸浮控制技術,車輛、道岔和控制系統共同組成了一個自激振動系統,采用多重質量液體雙調諧阻尼技術,可有效地抑制共振頻率,但其減振作用對頻率比較敏感。因此,在動載試驗過程中,采用加速度傳感器對車輛、道岔的共振信號進行采集以及頻譜分析,并對道岔進行調整,確保共振頻率和加速度達到設計標準。

中低速磁浮; 道岔; 動載試驗

Author′s address China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.,Ltd.,430063,Wuhan,China

道岔系統是實現中低速磁浮列車換線的關鍵設備,列車到發、會讓、車輛整修等,都必須依靠道岔實現。中低速磁浮道岔為三段定心式結構,換線時三段梁均沿著各自固定于地面的轉動中心整體轉動,實現換線作業,與輪軌系統的道岔有本質的區別。

中低速磁浮交通采用的是主動懸浮控制技術,對于其車輛和道岔,均是外部能量輸入激勵過程,這使其振動狀態發生變化；而這些變化又會對懸浮間隙產生影響,因此車輛、道岔和控制系統共同組成了一個自激振動系統。這就是中低速磁浮交通最核心的“車輛-道岔振動”問題。

長沙中低速磁浮工程為國內第一條商業運營的中低速磁浮線路,其道岔設計時采用多重質量液體雙調諧阻尼技術,可有效地抑制共振頻率。但是，阻尼器的減振效果是針對一定的共振頻率的,若共振頻率偏離過大，則減振效果減弱。因此,中低速磁浮交通應確保“車輛-道岔振動”的共振頻率。

1 道岔結構設計

中低速磁浮道岔的工作原理:曲柄驅動裝置安裝于道岔梁中心軸線的基礎上,主梁側面安裝有導槽,曲柄撥動導槽實現道岔的轉撤;轉撤完成后,通過鎖定裝置進行精確定位,達到要求位置,并通過鎖定裝置實現道岔的鎖定。長沙中低速磁浮道岔的線形指標見表1。中低速磁浮道岔系統組成如圖1所示[1]。

表1 道岔線形指標 m

道岔梁結構斷面均為雙腹板梁形式,其主動梁、從動梁和垛梁的技術參數見表2。考慮到在滿足梁的剛度前提下,各梁內應力幅值均比較小,因此道岔梁材質均采用Q235C級鋼材。

圖1 中低速磁浮道岔系統組成

表2 道岔梁技術參數 mm

2 道岔動力學分析

道岔梁間及與基礎連接裝置包括臺車、鎖定裝置及角平分裝置。其中：臺車由車輪和導軌組成,用來支撐道岔的豎向荷載并使道岔梁能夠繞轉動中心轉動,約束為Z方向;鎖定裝置用于道岔梁轉轍后的定位和鎖定,為電動推桿結構,約束為Y、Z兩個方向;角平分裝置采用雙“Z”字型拉桿結構,約束為X、Y、Z三個方向。

結合道岔結構形式(見圖2),主動梁支座1處為臺車、鎖定裝置,因此,約束為Y、Z兩個方向;支座2處為臺車,約束為Z向;支座3處為角平分裝置、鎖定裝置及臺車,提供X、Y、Z三個方向約束;2#從動梁支座5處為豎向滑動支撐,約束為X、Y、Z三個方向;支座4處為角平分裝置,約束為X、Y、Z三個方向;1#從動梁支座2處為鎖定裝置,約束為Y、Z兩個方向;支座4處為角平分裝置,約束為X、Y、Z三個方向對主動梁其在支座1的約束為Y和Z方向。

由于支座1、2、3 和4 均通過跨梁與基礎連接,因此建模時需計算出跨梁剛度。以上4個支座在Z向的約束均按彈性支座輸入。

計算分析采用ANSYS軟件,建模采用shell63 單元。梁材料采用Q235C,其附加單位長度的質量為278 kg/m。列車單位長度的質量按照2 580 kg/m均勻布置。支座均考慮豎向彈性支座。 “車輛-道岔”共振頻率如表3所示,共振振型如圖3所示,應力云圖如圖4所示。

圖2 道岔支座示意圖

表3 “車輛-道岔”各階振動頻率

圖3 道岔第4階振型

圖4 道岔應力云圖

通過分析結果可以看出,有車狀態下第一次豎直振動出現在第4階,振動頻率為18.46 Hz；根據應力云圖,受力狀態最差的為主動梁中部。道岔梁振動加速度目前無相應標準。由于為鋼結構梁型,長沙磁浮線路的梁豎向振動加速度參照TB 10612—2014《高速鐵路設計規范》,取值≤0.5g。

3 動載試驗

道岔在生產車間先組裝,完成3 000次連續轉轍試驗和靜載試驗[2],然后再到現場安裝后進行動載試驗。其中,動載試驗最重要的兩項指標是列車經過道岔時的共振頻率及豎向加速度。根據結構設計,道岔變形最大的位置為主動梁中間支撐附近。因此,該位置為動載試驗時的研究重點。

為測量列車的過道岔時的共振頻率及豎向加速度,在道岔梁體布置了16個壓電加速度傳感器(靈敏度1 000 mV/g,頻率范圍-0.05～1 500 Hz(±10%))。其測點布置為：1～11為豎向振動測點,布置在道岔底板上表面中間位置,從左向右分別為垛梁跨中、從動梁1跨中和從動梁2跨中,以及主動梁的左端支座、第一跨1/4跨、第一跨跨中、第一跨3/4跨、中間支座、第二跨1/4跨、第二跨跨中和右端支座;12～16為橫向振動測點,布置在道岔腹板1/2高度處,從左向右分別為主動梁的第一跨1/4跨、第一跨3/4跨、中間支座、第二跨1/4跨和第二跨跨中。

對列車過岔時振動數據進行采樣,經過時域分析和自譜分析,得到各測點的共振頻率和豎向加速度。主動梁中間支撐8#測點時域分析和自譜分析如圖5、6所示。根據分析結果,共振頻率為16.25 Hz,加速度峰值為2.0g。道岔梁其他測點加速度峰值及頻率見表4。

圖5 8#測點時域分析

測試過程中,車輛經過道岔時,有明確的振動現象,且從測試數據發現:

(1) 道岔頻率為16.25 Hz,低于設計值18.46 Hz,道岔的支撐有部分未壓實;

(2) 8#測點作為中間支撐點,其振動響應與第一跨跨中和第二跨跨中響應基本接近,說明8#支點支撐不足。

圖6 8#測點自譜分析

表4 道岔梁加速度峰值及頻率匯總表

用塞尺對道岔各連接處進行檢查,發現中間支撐連接處有一定的間隙。初步確定在間隙處增加2 mm鋼板墊片進行緊固。增加2 mm鋼板墊片后道岔梁加速度峰值及頻率見表5。

表5 增加2 mm鋼板墊片后道岔梁加速度峰值及頻率匯總表

從表5可以看出,道岔中間支撐增加2 mm鋼板墊片后,頻率為16.56 Hz,增加了0.31 Hz,加速度峰值也有所降低,表明主動梁的中間支撐作用增加,調整方向正確。后續增加不同厚度鋼板墊片工況下道岔梁加速度峰值及頻率見表6。圖7為道岔主動梁各特征點豎向加速度峰值。

表6 增加不同厚度鋼板墊片工況下道岔梁加速度峰值及頻率匯總表

圖7 增加不同厚度鋼板墊片工況下道岔主動梁各特征點豎向加速度峰值

從表5、6以及圖7可見:通過三次逐級增加墊片抬高主動梁中部的標高,達到了以下兩個方面的改善效果:

(1) 主動梁上各測點的垂向振動加速度峰值逐級減小,當抬高主動梁中部的標高(墊高)達3.5 mm時,可使主動梁上各測點加速度峰值低于0.5g,達到規范要求。

(2) 主動梁上各測點垂向振動的一階主頻逐級增大,表明通過增加墊片的方式可以有效增加道岔中間的支撐強度。

4 結語

結合中低速磁浮三段式道岔梁型的設計以及有限元分析,確定車輛與道岔的共振頻率。通過對道岔動態試驗調試,將道岔-車輛共振頻率及豎向加速度調整在設計規范標準內,成功通過驗收。

本文提出的中低速磁浮道岔運載試驗方法已成功運用在長沙中低速磁浮工程中。該線自2016年5月6日正式運營以來,全線道岔轉轍超過10萬次,運營統計故障約20次,可靠性大于99.98%。該項動載試驗在長沙中低速磁浮工程中積累了豐富的應用經驗,可為后續類似工程提供技術指導。

[1] 湖南磁浮交通發展股份有限公司.長沙磁浮交通工程設計暫行規定:Q/HNCFGS 001—2015[S].長沙:湖南磁浮交通發展股份有限公司,2015.

[2] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.中低速磁浮交通道岔系統設備技術條件:CJ 412—2012[S].北京:中國標準出版社,2013.

[3] 湖南磁浮交通發展股份有限公司.長沙磁浮交通工程驗收規范:Q/HNCFGS 002—2015[S].長沙:湖南磁浮交通發展股份有限公司,2015.

[4] 趙斌山,周吉榮.中低速磁浮與輪軌交通信號系統的差異[J].鐵道通信信號,2016(6):97-99.

[5] 魚麗麗.中低速磁浮道岔角平分裝置的設計優化[J].現代城市軌道交通,2012(2):31-32.

[6] 袁青平,王俊杰,王財華,等.中低速磁浮交通道岔系統工程設計[J].都市快軌交通,2009(1):67-70.

[7] 張學山.中低速磁浮車輛車體結構研究[J].鐵道車輛,2016(3):25-28.

[8] 齊然,羅京.中低速磁浮列車懸浮控制系統研究 [J].電力機車與城軌車輛,2016(3):29-32.

[9] 李小珍,洪沁燁,耿杰.中低速磁浮列車-軌道梁豎向耦合模型與驗證[J].鐵道工程學報,2015(9):103-108.

[10] 單春勝.中低速磁浮列車-橋梁系統豎向耦合振動研究[D].成都:西南交通大學,2014.

Experimental Study on Dynamic Load Test of Medium and Low-speed Maglev Switch System

LIU Daling

Switch system is a key equipment for line change on the medium and low-speed maglev track,the state of switch will directly influence the safety of train running and passenger comfort. The medium and low-speed maglev adopts active suspension control technology,vehicle,switch and control system, they jointly form a self-excited vibration system. In this system, the multiple quality of liquid double tuned damping technique can effectively suppress the resonance frequency, but the operation is relatively sensitive to the frequency of vibration. Therefore,in the process of dynamic load test, acceleration sensor is used to collect the the vehicle and switch resonance signals for spectrum analysis, so as to meet the design standards by adjusting the resonant frequency and acceleration switch.

medium and low-speed maglev; switch system; dynamic load test

*中鐵第四勘察設計院集團有限公司科技研究開發計劃項目(2015K49)

U 213.6+8∶U 237.2

10.16037/j.1007-869x.2017.05.019

2017-01-20)