中低速磁浮交通的磁浮軌排設計及鋪裝技術要點*

李偉強

(中鐵磁浮交通投資建設有限公司， 430060， 武漢∥高級工程師)

長沙磁浮快線是我國首條具有完全自主知識產權的中低速磁浮交通商業運營線，線路連接長沙火車南站和黃花國際機場，全長18.5 km，設車站3座[1]。自2016年5月6日正式開通試運營以來，截至目前，已安全運營達1 300多d；運行圖計劃兌現率達100%，列車正點率達99.8%，并經歷了暴雨、高溫、大雪等惡劣天氣的考驗。通過多年的運營實踐，中低速磁浮交通系統的安全性、可靠性、可用性、可維護性，以及磁浮軌排、道岔、車輛等關鍵技術得到了全面的驗證。

1 磁浮軌道結構選型

與傳統輪軌系統不同，中低速磁浮交通是一種新型軌道交通運輸模式，依靠電磁力實現磁浮列車的支撐、懸浮及導向，并通過直線感應電機驅動前行，實現列車與軌道之間環抱、無接觸運行。

磁浮軌道結構作為中低速磁浮交通的關鍵設備之一，承擔著支承和引導列車運行的重任。與傳統輪軌鐵路軌道相比，磁浮軌道不僅承受和傳遞列車重力、導向力、牽引力和制動力，而且還需與車載的電磁鐵、直線感應電機和懸浮傳感器構成電磁控制回路，為列車懸浮、導向、驅動及制動提供支撐。

結合中低速磁浮交通系統的電磁懸浮原理、抱軌式結構及軌道功能，磁浮軌道采用鋼軌枕型式軌道結構，自上而下主要由軌排、扣件、承軌臺等部分組成，其中，軌排包括F型鋼、感應板、H型軌枕及相應連接件和緊固件[2]，橫斷面如圖1所示。

圖1 區間磁浮軌道結構的橫斷面示意圖

2 軌排部件的設計

2.1 F型鋼

2.1.1 材質選擇

作為磁浮車輛的直接受力構件，F型鋼材質選擇應根據最高運行速度、車輛荷載、運量、線路條件，并結合中低速磁浮交通的運營環境綜合分析確定，使選型結果既能具有足夠的強度、剛度、穩定性和耐久性，又能體現使用的經濟、技術綜合效益。其中，需重點考慮以下兩個因素：① 根據中低速磁浮的電磁吸力懸浮原理，支撐體的懸浮鋼軌應選用軟磁材料(如鐵)，位于U型電磁鐵懸浮體的上方；② 所選材質鋼種(各種化學元素的組成比例)的飽和磁通密度不應小于1.4 T，以滿足車輛提供懸浮能力的要求。

F型鋼一般采用碳素結構鋼(如Q235D)，檢測其飽和磁通密度約為1.75 T，滿足相關要求。

2.1.2 截面形狀及尺寸

F型鋼是一種斷面為“F”形狀的中低速磁浮軌道專用型鋼，截面形狀及尺寸主要考慮以下因素：

1) 與車載U型電磁鐵設計相匹配。根據磁浮車輛提供懸浮能力大小的要求，設計確定U型電磁鐵的截面，包括極寬、軛厚、窗寬及窗高等，從而決定了F型鋼的磁極面寬度、懸浮檢測面寬度等；

2) 電磁懸浮控制及懸浮傳感器的工作原理、磁力線在懸浮軌中的分布及漏磁要求；

3) F型鋼與感應板、軌枕的可靠安裝方式；

4) F型鋼的高精度制造工藝要求。

通過相關分析及工程實踐應用總結，本文梳理出詳細的F型鋼截面尺寸及形位公差，如圖2所示。其截面面積為16 202 mm2，理論質量為128.9 kg/m。圖2中，懸浮檢測面平面度應不大于0.5 mm/3 m，軌枕連接面、支撐輪滑行面、感應板安裝面、磁極面與懸浮檢測面的平行度應不大于0.3 mm。

圖2 F型鋼的截面尺寸圖

2.1.3 分段長度

按電磁懸浮原理，F型鋼越長越好，但又帶來系列的技術難題。F型鋼為不對稱斷面的特種型鋼，熱軋成型難度較大。同時，它又分為直線軌和曲線軌，平面圓曲線、緩和曲線等均采用相應設計線型的廠制曲線F型鋼，曲線軌的機械精加工難度大。

F型鋼的分段長度需結合線路條件、橋梁孔跨布置、軌排布置、懸浮架結構、特種型鋼制造工藝技術、生產線設備、產品運輸、吊裝及存儲等因素而綜合研究確定。目前，一般F型鋼的標準分段長度為12.5 m，最長不超過26.0 m，最短不小于3.6 m。

2.2 感應板

2.2.1 材質選擇

感應板采用非磁性導電材料，應綜合考慮線路條件、直線電機牽引能力、導電性能、經濟性等因素研究確定。一般采用鋁合金材質進行制造，一次擠壓成型,其電導率不應小于59% IACS(國際退火銅標準)。

2.2.2 截面形狀及尺寸

感應板安裝于F型鋼上，需與F型鋼截面尺寸緊密配合。本文梳理出詳細的感應板截面尺寸及相關截面參數，如圖3所示。

2.2.3 分段長度

感應板按直線線形進行廠內生產。當安裝于F型鋼上時，需結合F型鋼的長度、線路曲線半徑、弦高等條件，可進行以下分段擬合配置：

1) 直線段配置。一根12.5 m的F型鋼配置4塊3.12 m的感應板，一根10 m的F型鋼配置3塊3.33 m的感應板。

2) 曲線段配置。利用兩者間0.2～1.8 mm空

圖3 感應板的截面尺寸圖

間富裕，采用以直代曲方式，將感應板分段擬合配置在曲線段的F型鋼上，如表1所示。

表1 曲線段的感應板分段配置長度表

為減少直線電機端部渦流效應的不利影響，兩感應板之間的鋪設接縫宜不大于1 mm。

2.3 F型導軌

F型導軌由F型鋼和感應板組成，可采用密封膠粘接+頂面螺釘/側面銷釘緊固連接的方式。

密封膠粘接劑涂敷在鋁感應板內側，涂層厚度不大于0.5 mm，便于感應板在F型鋼上的安裝定位。為了避免電化學銹蝕作用的影響，頂面螺釘采用M6×14不銹鋼十字槽沉頭螺釘，側面銷釘采用5×20-A1奧氏體不銹鋼圓柱銷。

安裝要求：安裝后螺釘間感應板的平面度不大于1 mm，需安裝牢固，兩側不起翹；嚴格控制F型導軌的總高度組裝誤差，既要保證可靠的懸浮間隙要求，又要滿足直線感應電機工作氣隙要求。

2.4 H型軌枕

H型軌枕是用來連接F型導軌，使其保持相對位置固定并傳遞載荷的基礎構件。H型軌枕設計較簡單，一般采用碳素結構鋼的H型鋼。除了滿足受力要求外，還需配合F型導軌的高精度安裝及扣件系統的安裝。

2.5 軌排

軌排是中低速磁浮線路的基本單元，分直線、圓曲線及緩和曲線類型[2]；其類型劃分與設計速度，承軌梁孔跨、梁型、梁端位移，線路平縱斷面等因數有關。標準軌排長度為12.5 m，最長為16.0 m，最短為3.6 m。結合軌排端部位移，相鄰軌排之間采用不同類型的軌排接頭進行連接[5]。

F型導軌與H型軌枕之間采用M20的10.9S級扭剪型高強度螺栓連接副進行連接。螺栓頭部增加內六角，便于檢修；安裝后密封沉孔，與滑行面高度平齊，保證連接螺栓的耐久性。軌排防腐采用組合配套涂料，涂層厚度均勻，材質應滿足耐腐蝕、耐鹽霧、耐老化、耐濕熱等相關時限要求。

軌排在廠內組裝，并完成靜載試驗檢測，最終以成品軌排形式供貨現場。

3 軌排的組裝

3.1 F型鋼的制造

早期采用耐候鋼板焊接，機械加工制成。該方式材料浪費嚴重，生產效率低，制造成本高，難以實現批量生產，僅能滿足小批量試驗的需求。

隨著技術發展，目前國內F型鋼的制造主要有兩種方式：① 在鋼廠直接一次性熱軋成型；② 在鋼廠初軋毛坯后，再采用大型數控機床進行銷、切、銑等機械精加工。本項目選擇的是制造精度更高的第二種方式[3]。主要工藝流程：鋼錠原料進廠→熱軋、毛胚成型→檢驗、下料→毛胚矯正、調直→曲線F型鋼的頂彎→機械精加工→鉆孔、加工成型→涂裝、標識，如圖4所示。本項目自主研制“以直代曲熱彎工藝”“多工作面并行加工專業機床”等工法，解決了F型鋼規模化生產技術難題。

3.2 軌排的組裝

為了保證軌排組裝精度，研發了專用軌排組裝平臺，包括移動裝置、線性定位裝置、線性調整裝置、專用端部定距裝置等部件，實現廠內軌排組裝及形位尺寸測量[4]。采用全站儀定位支撐平面的平面度和線型，實現各種規格直/曲線軌排的裝配，具有平面及中心快速定位、軌距及線型快速檢測、調整等功能，擁有裝配精度高、工作效率高、勞動強度低等特點。專用軌排組裝平臺如圖5所示。廠內單榀軌排組裝成型的尺寸精度要求如表2所示。

圖4 F型鋼的機械精加工

圖5 高精度軌排組裝平臺

表2 單榀軌排尺寸極限偏差mm

4 軌排的布置及鋪設

4.1 軌排的布置

磁浮軌排為分塊式結構，為適應下部基礎的溫度伸縮及列車過軌縫能力，按有縫線路鋪設。根據線路和線下基礎資料，沿里程方向確定軌排和軌排接頭的分布、類型及數量，進行軌排布置設計。

軌排布置設計采用自主研發的中低速磁浮軌排布置及鋪軌軟件完成。其主要功能：可自動繪制預埋鋼筋布置圖、綜合鋪軌圖等，大幅提高設計效率；可輸出軌排加工數據，用于廠內生產制造；可形成各測量點三維設計坐標，用于軌排現場安裝；可實現軌排設計與廠內制造、施工安裝數據的一體化處理，提高正確率。軟件流程如圖6所示。

圖6 中低速磁浮軌排布置及鋪軌軟件流程圖

4.2 軌排的鋪設

現場軌排鋪設采用軌排架法施工[6]。采用CPIII技術，精測預留的測量基準孔，運用軌排布置及鋪軌軟件，按與線路資料對號入座、一一對應原則，實現軌排的現場高精度鋪設。

每榀軌排在F型鋼支撐輪走行面上，廠內加工時預留3～4對測量基準孔。基準孔直徑為18 mm，公差為0～+0.21 mm，開孔深度為10 mm。

5 軌排技術優化方向

在長沙磁浮快線的實踐基礎上，軌排技術的優化方向如下：

1) 軌排標準化、模塊化研究。既有曲線軌排采用曲線F型鋼，每榀軌排與線路條件一一對應且唯一編號，類型多，通用性差，不利于規模化生產。通過結構計算確定軌縫與梁縫允許偏移量，按錯位布置原則，進行軌排標準化設計，可有效減少軌排類型；結合軌排自動化、模塊化制造技術創新，可降低制造難度，提高經濟效益。

2) 研發軌排大位移伸縮裝置。長沙磁浮快線跨越溫度跨度195 m的瀏陽河大橋，梁端位移約100 mm，鋪設雙III型接頭(伸縮量120 mm)解決軌排伸縮問題。現場接頭處多條F軌折線擬合軌道，軌面平順性容易出現反復，需加強養護。采用將軌排總伸縮量分攤至連續多條軌縫上實現更大位移伸縮量的思路，研發軌排大位移伸縮裝置，可解決中低速磁浮跨越大江大河技術難題。

3) 優化既有II、III型軌排接頭設計。調試期，現場多處II、III型軌排接頭處出現軌面不平順，通過現場打磨、重測安裝接頭部件處理，費時費力。優化既有軌排接頭設計，提高零部件通用性，簡化制造安裝。采用軌排搭接精測、鎖定軌溫安裝，嚴格控制施工工藝，可確保軌排接頭的平順性。

4) 研究軌排防腐涂裝體系。軌排體量大，防腐涂裝復雜，各工作面涂層厚度影響組裝精度，或需與車輛部件功能配合，如F軌制動面。長沙磁浮快線因軌道條件與試驗線差異較大，首列車調試時緊急制動距離不佳。后期通過采用新材料制動閘片，增加制動夾鉗數量等，有效解決了制動問題。研究軌排各面防腐要求，采用機械化噴涂，涂層厚度均勻，可提升外觀效果，滿足制動需求。

5) 無縫化磁浮軌道結構的研究。提供一種具有連續、平整懸浮檢測面的無縫化軌排的磁浮軌道結構，更有利于列車的懸浮控制和穩定運行。

6 結語

本文以擁有完全自主知識產權長沙磁浮快線為工程實例，結合多年來的設計、施工及運營經驗，深入梳理中低速磁浮軌道技術，詳細闡述磁浮軌排部件設計、組裝、布置及鋪設等關鍵技術，總結并明確軌排結構的主要設計參數，提供設計理念及方法，以便指導及推廣后期在同類型項目的技術應用。

中低速磁浮交通具有綠色環保、安全性高、舒適性好、爬坡能力強、轉彎半徑小、建設成本低、運營維護成本低等優點，將會成為我國未來綠色軌道交通優先選擇的系統制式。未來應以國際化為目標，以產業化為支撐，以市場化為指導，以工程化為載體，實現我國磁浮技術的發展和應用。