中低速磁浮大位移軌道伸縮裝置設計與創新

龔俊虎，李偉強，謝海林，鄢巨平，周文，方永東，鄭桂東

中低速磁浮大位移軌道伸縮裝置設計與創新

龔俊虎1, 2，李偉強2，謝海林2，鄢巨平2，周文3，方永東3，鄭桂東3

(1.西南交通大學 牽引動力國家重點實驗室，四川 成都 610031；2. 中鐵磁浮交通投資建設有限公司，湖北 武漢 430060；3. 中國鐵建重工集團股份有限公司，湖南 長沙 410100)

中低速磁浮交通跨越大江大河時需要采用大跨度橋梁，現有軌道伸縮接頭無法滿足大跨度橋梁幾百毫米甚至上千毫米的伸縮變形，需要研制大位移軌道伸縮裝置。借鑒現有中低速交通軌道伸縮接頭以及其他橋梁或軌道伸縮裝置的構造和伸縮原理，并進行系統性創新，提出由小縱梁系統、縱向滑槽系統、模數式軌道單元系統、X形連桿與彈簧系統等4大系統組成的中低速磁浮交通模數式大位移軌道伸縮裝置，可通過設計不同長度的多跨連續小縱梁支撐不同數量的模數式軌道單元實現±100～±1 000 mm的伸縮量，為中低速磁浮交通跨越大江大河這一關鍵技術難題提供了解決方案，對于磁浮交通的進一步推廣應用具有重要意義。

中低速磁浮；軌道；大跨度橋梁；大位移；伸縮裝置；模數式；結構設計

中低速磁浮軌道交通屬于新型軌道交通的一種，與輪軌交通系統采用的工字形軌道不同，其軌道采用F型鋼軌(簡稱F軌)，中低速磁浮車輛通過懸浮架上的U型電磁鐵與F軌之間的電磁吸引力實現車輛的懸浮和導向。為了適應橋梁結構在溫度、列車活載、混凝土收縮徐變等作用下的變形，中低速磁浮交通F軌采用有縫軌道結構，其伸縮接頭根據伸縮量的大小分為I型、Ⅱ型、Ⅲ型等3種伸縮接頭[1?2]。受懸浮控制及列車走行特性等因素控制，F軌伸縮接頭的伸縮量是有限的，其中，I型伸縮接頭的最大軌縫寬為40 mm(伸縮量為±20 mm)，Ⅱ型伸縮接頭的最大軌縫寬為80 mm(伸縮量為±40 mm)，Ⅲ型伸縮接頭的最大軌縫寬為160 mm(伸縮量為±80 mm)。中低速磁浮交通簡支梁以及常用主跨100 m以內的中小跨度連續梁的伸縮量均在±80 mm以內，現有F軌伸縮接頭可以滿足上述橋梁結構的變形要求，但是長聯大跨度連續梁(剛構)、大跨度拱橋的伸縮量可達±200～±400 mm[3?4]，大跨度斜拉橋、懸索橋等橋梁的伸縮量可達±500～±1 000 mm[5?7]，現有F軌伸縮接頭無法滿足如此大的伸縮變形要求，需要研發大位移軌道伸縮裝置以適應大跨度橋梁的伸縮變形。由于中低速磁浮交通在城市軌道交通、旅游交通等領域的應用尚處于起步階段，因此對于中低速磁浮橋上大位移軌道伸縮裝置的研究尚不多。李艷等[8]通過改進軌道結構及其與橋梁的約束方式使得橋梁與軌道的縱向伸縮變形分離，提出了一種中低速磁浮軌道伸縮調節器方案，但是該軌道伸縮調節器的伸縮量僅為±100 mm左右，而且其在梁縫位置的力學性能和伸縮性能尚待驗證。近年來，在武漢、上海、湘潭等地的中低速磁浮交通工程項目前期研究中，線路跨越長江、湘江時需要采用長聯大跨度連續梁、斜拉橋、懸索橋，進一步凸顯了研制中低速磁浮橋上大位移軌道伸縮裝置的必要性和緊迫性。本文通過借鑒現有中低速交通軌道伸縮接頭以及其他橋梁(軌道)伸縮裝置的構造和伸縮原理，并進行系統性創新，研制出一種可實現伸縮量為±100～±1 000 mm的模數式中低速磁浮橋上大位移軌道伸縮裝置，為中低速磁浮交通跨越大江大河這一關鍵技術難題提供了解決方案。

1 中低速磁浮大位移軌道伸縮裝置的研制思路

1.1 常用橋梁(軌道)伸縮裝置的結構形式與伸縮原理

輪軌交通大跨度橋上無縫線路為了適應橋梁的伸縮變形，一般設有鋼軌伸縮調節器。如圖1為輪軌交通橋上無縫線路單向伸縮調節器，其通過尖軌與基本軌形成的平緩斜接頭適應橋梁的大位移伸縮變形，同時確保軌距不變和行車面連續[9]。

圖1 輪軌交通橋上軌道伸縮調節器

公路(城市)橋梁為了適應橋梁的伸縮變形并確保橋面鋪裝層平順過渡，在梁縫位置設有伸縮縫，常用的公路橋梁伸縮縫有梳齒型伸縮縫和模數式伸縮縫。其中，梳齒型伸縮縫通過對向錯開緊扣的梳齒狀鋼板實現伸縮，伸縮量可達±500 mm；模數式伸縮縫通過若干根平行等間距設置的可縱橋向移動特制型鋼將梁縫等分為若干小縫實現伸縮，伸縮量可達±1 000 mm[10?12]。跨座式單軌交通橋梁的伸縮裝置一般采用與公路橋梁梳齒形伸縮縫相似的指型伸縮縫。

圖2 公路(城市)橋梁模數式伸縮縫

1.2 中低速磁浮現有軌道伸縮接頭的結構形式與伸縮原理

現有中低速磁浮交通F軌伸縮接頭見圖3。其中，I型伸縮接頭直接在軌縫處設置一道垂直軌道方向的橫向斷縫，并在應急支撐輪走行位置設有可縱向活動的連接板；Ⅱ型伸縮接頭將一條80～100 cm的副F軌搭接支撐在主F軌的端部，二者互設錯開的凹槽實現平順搭接，共設2道垂直軌道方向的橫向斷縫；Ⅲ型伸縮接頭通過井字形連接枕支撐的F軌分別與2個Ⅱ型伸縮接頭的副F軌連接，共設4道垂直軌道方向的橫向斷縫。無論是I型、Ⅱ型還是Ⅲ型伸縮接頭，每道F軌橫向斷縫均只能實現最大±20 mm的伸縮量，伸縮接頭設置的橫向斷縫數量越多其伸縮量就越大。

1.3 中低速磁浮軌道實現大位移伸縮的限制條件

中低速磁浮車輛“抱軌”運行過程中，F軌與車輛的懸浮電磁鐵、直線電機、滑撬、制動夾鉗等均限定在很小的距離上發生相對運動，這為中低速磁浮軌道實現大位移伸縮設置了諸多嚴苛的限制條件。中低速磁浮交通的F軌與磁浮車輛裝置的相對關系見圖4。從圖4可以看出，中低速磁浮車輛處于穩態懸浮狀態時，F軌下端磁極面與車輛懸浮電磁鐵之間保持8～10 mm的懸浮間隙，F軌兩磁極面之間的軌道平面為懸浮傳感器監測懸浮間隙的平面，F軌上端鋁感應板與直線電機之間保持10～12 mm的間隙，車輛的滑撬及制動夾鉗均與F軌保持很小的距離，上述車軌相對位置關系決定了在設計軌道伸縮接頭時，幾乎F軌的每個面都不允許有局部突出，因此，既無法通過設置與輪軌交通類似的平緩斜接頭方式實現大位移伸縮，也不能通過設置公路或跨座式單軌常用的梳齒型伸縮構造實現大位移伸縮。

(a) I型；(b) Ⅱ型；(c) Ⅲ型

圖4 中低速磁浮交通的F軌與磁浮車輛裝置的相對關系

1.4 中低速磁浮軌道實現大位移伸縮的設計思路

中低速磁浮車軌相對位置關系為研制大位移軌道伸縮裝置設置了諸多限制條件，簡單參考現有公路、輪軌交通、單軌交通等的軌道(橋梁)伸縮裝置無法實現F軌的大位移伸縮，需要開展系統性創新。

要實現F軌的大位移伸縮，可行的設計思路只有2種，一種思路是加大單個橫向斷縫的伸縮量，另一種思路是將軌道的總伸縮量分攤到連續設置的若干道橫向軌縫上實現更大位移量的伸縮。對于第1種思路，通過在軌縫位置設置導磁彈性體[13]、懸浮檢測面下連接板[14]等方式可實現單個軌縫的更大伸縮量，但是單個軌道斷縫的最大值受懸浮力允許損失量控制，一般單個懸浮架(長約2.8 m)范圍內的懸浮力損失不應超過10%，這意味著即使解決各種技術問題后單個軌縫的最大伸縮量不超過±140 mm，而且不可連續設置。因此，要實現中低速磁浮軌道幾百甚至上千毫米的伸縮量，總體設計思路是將F軌的總伸縮量分攤到連續設置的若干道橫向斷軌縫上，中低速磁浮大位移軌道伸縮裝置總體設計思路見圖5。公路橋梁模數式伸縮縫的伸縮原理正是將大縫分攤到若干小縫上，因此可以借鑒其伸縮原理。

由圖5可知，大位移軌道伸縮裝置的總伸縮量可以表示為：

式中：D為大位移軌道伸縮裝置的總伸縮量；dn為第n道橫向斷縫的允許最大縫寬(n=1，2，3，…)。

2 中低速磁浮大位移軌道伸縮裝置設計

中低速磁浮大位移伸縮裝置位于相鄰兩孔梁的梁縫上部并跨越梁縫，其功能需求主要體現為2個方面：一方面需要直接承擔磁浮車輛的活載作用，主要包括列車豎向動活載、縱向的牽引或制動力、橫向的離心力；另一方面還要被動適應軌道和橋梁的變形，主要包括軌道結構的縱向伸縮變形、橋梁縱向伸縮變形引起的支座縱向滑動、橋梁下撓變形引起的梁端轉角變形以及橋墩橫向變形引起的相鄰兩孔梁的水平折角變形，大位移伸縮裝置需要適應的橋梁與軌道變形見圖6。

圖6 大位移伸縮裝置需要適應的橋梁與軌道變形

為了全面實現上述功能需求，首先在梁縫上部的橋梁頂部設置跨越梁縫的小縱梁系統，然后在小縱梁系統之上設置縱向滑槽系統，縱向滑槽系統之上再設置模數式軌道單元系統，最后在相鄰的模數式軌道單元系統之間設置X形連桿[15]與彈簧系統，上述4大系統相互協作，實現了將F軌的總伸縮量分攤到連續設置的若干道橫向軌縫上的總體設計思路，也實現了中低速磁浮橋上F軌的大位移量伸縮，大位移伸縮裝置立面布置見圖7。其中，小縱梁系統由縱梁、固定鉸支座、活動鉸支座組成，縱梁根據伸縮量大小和伸縮裝置長度可以設計為單跨簡支結構或多跨連續結構，主要作用是跨越梁縫并支撐其他3個系統、適應橋梁的縱向伸縮和梁端轉角變形；縱向滑槽系統卡扣在縱梁上，可以在小縱梁系統上實現有摩擦的縱向滑動，同時也限制了其上方的模數式軌道單元在其他方向上的活動；模數式軌道單元由一段段的短F軌和H型鋼枕組成，通過縱向滑槽系統可在縱向滑動，實現了將大縫分解為若干個小縫的功能；X形連桿與彈簧系統由可繞中心旋轉的交叉鋼棒組成，配置鋼質彈簧，可將橋梁的縱向位移傳遞給各個模數式軌道單元并實現軌縫的大小均分。

圖7中，中低速磁浮大位移伸縮裝置處于最大軌縫狀態，共設置11個模數式軌道單元，其伸縮量為±240 mm。圖8為一個伸縮量為±460 mm的大位移伸縮裝置空間三維效果圖，共設置22個模數式軌道單元。大位移伸縮裝置可以通過設計不同長度的多跨連續小縱梁來實現支撐不同數量的模數式軌道單元系統，進而實現不同的伸縮量，隨著模數式軌道單元數量的增加和小縱梁的加長，可以實現的伸縮量為±100～±1 000 mm。

單位：mm

單位：mm

3 中低速磁浮大位移伸縮裝置主要傳力構造受力分析

中低速磁浮大位移伸縮裝置主要傳力構造有小縱梁、鉸支座、X形連桿、模數式軌道單元等，由于模數式軌道單元采用短F軌和H型鋼枕組成(如圖9)，其受力與常規中低速磁浮軌排結構相似且軌枕間距更密，因此其結構強度和剛度均有保證，本文僅介紹圖8中所示大位移伸縮裝置的小縱梁、鉸支座、X形連桿的受力分析結果，更大伸縮量的大位移伸縮裝置只需加長伸縮裝置并增加小縱梁的跨數，總體受力性能與本文所述相似，不再贅述。

3.1 小縱梁結構受力分析

中低速磁浮大位移伸縮裝置小縱梁由兩片矩形方鋼管和橫向連接型鋼組成，支撐于鉸支座上，為多跨連續鋼梁結構，圖10為其有限元分析模型，小縱梁受力分析結果如表1所示。分析結果表明，小縱梁在列車靜活載作用下的最大豎向撓度為0.18 mm，最大橫向撓度為0.03 mm，結構剛度滿足限值標準要求；小縱梁在最不利荷載組合作用下的最大應力為38.5 MPa，滿足Q235鋼材的容許應力要求；小縱梁的一階豎向自振頻率為78.2 Hz，結構自振頻率較高，且避開了磁浮列車易發生自激振動的頻率范圍。因此，小縱梁的強度、剛度以及動力特性均滿足要求。

表1 小縱梁結構受力性能分析結果

3.2 X形連桿結構計算分析

中低速磁浮大位移伸縮裝置中的X形連桿是模數式軌道單元之間的傳力部件，當列車制動或者加速時，會對軌排產生較大的順橋向水平力，進而帶動X形連桿受力。X形連桿的簡化計算分析模型如圖11，模型的主要約束模擬為：1) X形連桿上的單鉸滑塊與雙鉸滑塊與鋼軌枕三面接觸；2) 單鉸滑塊、雙鉸滑塊與X形連桿之間模擬為轉動關節；3) X形連桿連接中心模擬為轉動關節。

圖9 大位移伸縮裝置模數式軌道單元

圖10 小縱梁有限元分析模型

計算分析結果顯示，X形連桿的最大等效應力為137.4 MPa＜140 MPa，集中在兩固定端單鉸滑塊橫梁接觸處，結構強度滿足Q235鋼材的容許應力要求。

3.3 鉸支座結構計算分析

小縱梁底部通過多個鉸支座支撐，每個鉸支座由一個支撐座、一個滑塊體、兩塊自潤滑減磨板和一個銷軸組成。通過建立鉸支座局部有限元模型進行分析后的鉸支座應力云圖見圖12，由圖中可知，鉸支座的最大等效應力為48.2 MPa＜140 MPa，結構強度滿足Q235鋼材的容許應力要求，銷軸尺寸滿足受力要求。

圖11 X形連桿簡化計算模型

圖12 鉸支座應力云圖

4 結論

1) 中低速磁浮交通采用有縫F軌，現有I型、Ⅱ型、Ⅲ型軌道伸縮接頭伸縮量較小，不能滿足大跨度橋梁幾百毫米甚至上千毫米的伸縮變形要求。

2) 中低速磁浮交通“抱軌”運行的車軌關系使得F軌的每個面都不允許有局部突出，輪軌交通的平緩斜接頭伸縮原理和公路的梳齒型伸縮原理均無法實現F軌的大位移量伸縮。

3) 中低速磁浮大位移軌道伸縮裝置的總體設計思路是：在保證單個懸浮架范圍內的懸浮力損失不超過10%的前提下，將F軌的總伸縮量分攤到連續設置的若干道橫向軌縫上。可借鑒現有中低速磁浮軌道接頭及公路橋梁模數式伸縮縫的伸縮原理，并進行系統性創新，實現中低速磁浮軌道大位移量伸縮。

4) 中低速磁浮模數式大位移軌道伸縮裝置主要由小縱梁系統、縱向滑槽系統、模數式軌道單元系統以及X形連桿與彈簧系統組成，通過設計不同長度的多跨連續小縱梁支撐不同數量的模數式軌道單元系統，可以實現不同的伸縮量，最大伸縮量范圍可達±100～±1 000 mm。

5) 對中低速磁浮大位移伸縮裝置主要傳力構造進行了受力分析，分析結果表明，小縱梁、鉸支座、X形連桿、模數式軌道單元的強度和剛度均滿足要求。

6) 中低速磁浮模數式大位移軌道伸縮裝置可利用天窗時間實現快速更換，具有很好的可更 換性。

7) 下一步應加強中低速磁浮模數式大位移軌道伸縮裝置的動力性能以及伸縮性能的試驗測試工作。

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Design and innovation of the large displacement track expansion device for medium and low speed maglev transit

GONG Junhu1, 2, LI Weiqiang2, XIE Hailin2, YAN Juping2, ZHOU Wen3,FANG Yongdong3, ZHENG Guidong3

(1. State Key Laboratory of Traction Power, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 2. China Railway Maglev Tansportaion Investment and Construction Co., Ltd., Wuhan 430060, China;3. China Railway Construction Heavy Industry Co., Ltd., Changsha 410100, China)

It needs to use large-span bridges when the medium and low speed maglev transit lines cross large rivers. The existing track expansion joints can’t meet the expansion deformation of large-span bridges of several hundred mm or even one thousand mm. Therefore, it is necessary to develop the large displacement track expansion device. Referring to the construction and expansion principle of the existing expansion joints of medium and low speed maglev transit and other bridge or track expansion devices, and making systematic innovation, this paper put forward the module type large displacement expansion device of medium and low speed maglev transit. This was composed of four major systems, i.e. small longitudinal beam system, longitudinal chute system, modular track unit system, X-shaped connecting rod and spring system. Through the design of different length of multi-span continuous small longitudinal beam supporting different number of modular track units, the expansion of ±100 mm to ±1 000 mm could be realized. The results provide the solution for the key technical problem of how can the medium and low speed maglev transit lines cross large rivers. So it is of great significance for the further promotion and application of maglev transit.

medium and low speed maglev transit; track; large-span bridge; large displacement; expansion device; modular; structural design

U213.2；U24；U443.5；U213.9+3；U237

A

1672 ? 7029(2021)01 ? 0235 ? 08

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20200252

2020?03?30

中國鐵建股份有限公司科技重大專項經費資助計劃資助項目(2018-A01)

龔俊虎(1983?)，男，湖北天門人，高級工程師，博士研究生，從事大跨度橋梁及磁浮交通橋梁與軌道設計研究；E?mail：598559852@qq.com

(編輯 涂鵬)