高溫超導(dǎo)磁浮軌道梁關(guān)鍵技術(shù)研究

黃 靜

(中鐵二十三局集團(tuán)軌道交通工程有限公司 上海 201399)

1 引言

高速磁浮交通系統(tǒng)具有速度快、選線靈活的優(yōu)點(diǎn)，其磨損、維護(hù)成本以及對(duì)軌道的要求低于高速輪軌，但經(jīng)濟(jì)運(yùn)行速度高于高速輪軌[1]。因此，高速磁浮交通系統(tǒng)具有彌補(bǔ)高速輪軌與航空之間速度空白的潛力，可有效填補(bǔ)300 km/h鐵路交通和800 km/h航空運(yùn)輸之間的空白，尤其適合相距800～1 500 km大中城市之間的乘客出行[2]。通過高速磁浮交通，可對(duì)現(xiàn)行的鐵路和航空客流實(shí)現(xiàn)分流，從而改善和提高我國綜合交通系統(tǒng)的運(yùn)輸質(zhì)量和效率，加強(qiáng)不同城市、不同區(qū)域之間經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和文化聯(lián)系[3]。未來，高速磁浮交通可成為連接我國主要城市經(jīng)濟(jì)圈的重要紐帶，市場需求前景廣闊。因此，高速磁浮交通是一種面向未來、適合我國城際高速運(yùn)輸體系的新型軌道交通工具，適用于我國人口密度大、地域廣闊的基本國情[4]。

由于超導(dǎo)材料具有直流零電阻的特性，在正常運(yùn)行時(shí)，通流電流不會(huì)產(chǎn)生焦耳損耗，只有來自于定子諧波磁場會(huì)使超導(dǎo)動(dòng)子磁體產(chǎn)生少量的交流損耗[5]。與常導(dǎo)磁浮系統(tǒng)相比，可以大幅減少電能損耗。同時(shí)高溫超導(dǎo)材料的電流密度比常導(dǎo)材料(如銅、鋁)高出一到兩個(gè)數(shù)量級(jí)，因此體積相同的情況下，磁體可以產(chǎn)生更強(qiáng)的磁場，提高直線電機(jī)的推力和懸浮系統(tǒng)的懸浮能力，有效降低對(duì)長定子磁場的要求，減小長定子的用線量，減少常導(dǎo)長定子的電阻損耗，降低整個(gè)磁懸浮系統(tǒng)的制造和運(yùn)營成本[6－8]。此外，采用被動(dòng)懸浮方式，懸浮間隙可以達(dá)到50～100 mm，懸浮系統(tǒng)更加簡單可靠。相對(duì)于常導(dǎo)系統(tǒng)，高溫超導(dǎo)系統(tǒng)在速度、可靠性、安全等方面具有更大的優(yōu)勢(shì)[9－11]。并且，相對(duì)于日本山梨測試線采用的低溫超導(dǎo)車載磁體，高溫超導(dǎo)磁體可擺脫對(duì)液氦這一戰(zhàn)略資源的依賴。因此，基于二代高溫超導(dǎo)材料的車載磁體在實(shí)現(xiàn)懸浮和驅(qū)動(dòng)方面的優(yōu)勢(shì)，加快高溫超導(dǎo)高速磁浮技術(shù)的基礎(chǔ)研究工作，是經(jīng)過一次具有高度創(chuàng)新性的有益嘗試[12]。

未來高速磁浮線路必將面臨更多復(fù)雜多變的線路條件，磁浮軌道梁作為高溫超導(dǎo)磁浮系統(tǒng)運(yùn)行的載體，對(duì)其結(jié)構(gòu)型式展開應(yīng)用研究可為將來發(fā)展工程樣車系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)，對(duì)未來載人高速列車的發(fā)展具有重要的工程意義。因此，為了面向時(shí)速600 km以上超高速磁浮交通的工程應(yīng)用，多家單位聯(lián)合研制出一套高溫超導(dǎo)磁浮試驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)車輛運(yùn)行在207 m的軌道上，軌道兩側(cè)安裝牽引線圈、懸浮線圈、反應(yīng)板(見圖1)，并由軌道傳遞牽引力、制動(dòng)力。所提出的高速磁浮軌道采用雙片倒“T”梁組合成“U”型結(jié)構(gòu)(見圖2)，側(cè)壁用于安裝定子線圈，底面作為支撐輪的走行面。本文根據(jù)試驗(yàn)線路的結(jié)構(gòu)布置形式、軌道功能要求以及其他專業(yè)對(duì)線路的條件要求，對(duì)倒“T”型磁浮軌道梁的預(yù)制生產(chǎn)技術(shù)展開研究，研究成果可為超導(dǎo)磁浮軌道梁設(shè)計(jì)提供參考。

圖1 軌道與車輛橫斷面

圖2 兩片軌道梁組合

2 線路參數(shù)及相關(guān)要求

2.1 線路主要結(jié)構(gòu)布置形式

車輛驅(qū)動(dòng)采用高溫超導(dǎo)直線電機(jī)，軌道上布置三相無鐵心線圈和8字線圈，車輛上安裝高溫超導(dǎo)磁體。由于8字線圈只鋪設(shè)在懸浮區(qū)域(速度大于10 m/s)，因此在軌道兩端都不鋪設(shè)8字線圈。制動(dòng)反應(yīng)板與8字線圈安裝在同一安裝面。

車輛懸浮通過高溫超導(dǎo)磁體和8字線圈相互感應(yīng)實(shí)現(xiàn)。車輛底部設(shè)置支撐輪，用于車輛停車以及低速運(yùn)行時(shí)的支撐；設(shè)置側(cè)向?qū)蜉啠糜谲囕v運(yùn)行過程中出現(xiàn)故障時(shí)的橫向限位。線路結(jié)構(gòu)布置形式見圖3和圖4。

2.2 軌道功能要求

為了保證軌道滿足后續(xù)整車的接口要求，軌道橫向?qū)挾葢?yīng)能適應(yīng)整車的寬度。同時(shí)可以根據(jù)需要在已有200 m長度基礎(chǔ)上進(jìn)行延長(只考慮軌道結(jié)構(gòu)，不考慮8字線圈和直線電機(jī)長定子線圈)，軌道接口可以滿足軌道延長要求。軌道強(qiáng)度應(yīng)能夠承載未來工程樣車的行駛，對(duì)軌道功能要求如下:

(1)軌道兩側(cè)安裝長定子直線電機(jī)的三相線圈以及8字懸浮/導(dǎo)向線圈，制動(dòng)反應(yīng)板與8字線圈安裝在同一安裝面(見圖5)。

(2)軌道強(qiáng)度應(yīng)能承載后續(xù)研制整車重量(單車重量30～40 t，每延米重量約1.5 t)及運(yùn)行要求。

(3)軌道長度范圍為直線段，不設(shè)置彎道或斜坡。

(4)考慮到地基沉降，軌道支座應(yīng)具有一定的垂向高度調(diào)節(jié)能力。

(5)應(yīng)在結(jié)構(gòu)上采取排雨水和雪水的措施。軌道表面不允許出現(xiàn)直徑>500 mm、深度>3 mm的積水區(qū)。

(6)軌道內(nèi)部金屬應(yīng)采用弱磁材料。軌道設(shè)置接地裝置，軌道內(nèi)的金屬材料可通過接地裝置可靠接地。

(7)軌道主體采用混凝土材料。

(8)如圖6所示，根據(jù)安裝接口要求，軌道上埋設(shè)安裝電機(jī)定子線圈、8字線圈、緊急制動(dòng)反應(yīng)板、測速定位的結(jié)構(gòu)件。結(jié)構(gòu)件采用弱磁或不導(dǎo)磁材料。

圖6 結(jié)構(gòu)部件安裝部位(單位:mm)

(9)軌道設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮溫度差可能造成的軌道變形。

(10)軌道不設(shè)置道岔，試驗(yàn)段軌道采用平直路段＋凹陷路段＋平直路段＋檢修區(qū)組成，安裝部位根據(jù)試驗(yàn)需要進(jìn)行調(diào)整。

2.3 線路條件要求

(1)振動(dòng):振幅X、Y 向?yàn)?0 m/s，Z 向?yàn)?0 m/s，最高頻率為150 Hz。

(2)沖擊:沖擊幅度150 m/s，沖擊時(shí)間為11 ms。

(3)軌距:2 240 mm。

(4)軌道總長度:207 m(包括7 m檢修區(qū))。

(5)軌道寬度:不超過4.5 m。

(6)軌道重量:單片軌道重量不超過10 t。

(7)單片軌道梁垂向變形不超過L/4 800(L為梁跨度)。

(8)軌道梁最大縫寬為50 mm。

(9)行走面最大縫寬為2 mm。

(10)為考察各項(xiàng)設(shè)備性能參數(shù)指標(biāo)，線路不設(shè)置縱坡。

2.4 線路鋪設(shè)

(1)利用車間現(xiàn)有10 t桁車對(duì)軌道梁進(jìn)行安裝。

(2)利用全站儀對(duì)每片軌道梁進(jìn)行精準(zhǔn)定位。

(3)取芯鉆孔機(jī)對(duì)鋪設(shè)地面進(jìn)行現(xiàn)場鉆孔，鉆孔參數(shù)為?50×150 mm。

(4)強(qiáng)制攪拌機(jī)灌注砂漿。

(5)鋪設(shè)線路采用高鐵專用無紡布袋，以及低彈性模量砂漿，強(qiáng)度等級(jí)M20，彈性模量1.8 GPa。

(6)鋪設(shè)精度要求:承軌臺(tái)板縫允許誤差±1 mm；相鄰板縫高差±0.2 mm；線路前后高程差±5 mm。

3 軌道梁結(jié)構(gòu)與材料

3.1 結(jié)構(gòu)型式

如圖2所示，軌道梁采用倒T型結(jié)構(gòu)，梁底用低彈性模量砂漿作為結(jié)構(gòu)墊層，通過摩擦力和四顆螺栓限制縱橫向位移。軌道梁為非預(yù)應(yīng)力預(yù)制結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)纖維混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C80。

3.2 混凝土

(1)軌道梁混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C80，計(jì)算軸心抗壓強(qiáng)度fc＝27.5 MPa，抗拉強(qiáng)度ft＝2.04 MPa，彈性模量Ec＝38 GPa。

(2)混凝土電通量指標(biāo)小于1 000 c。

(3)混凝土含氣量應(yīng)小于4%。

(4)混凝土強(qiáng)度檢驗(yàn)方法應(yīng)符合?普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)?(GB/T 50081—2019)。

3.3 鋼筋

磁浮軌道梁采用玄武巖復(fù)合筋作為結(jié)構(gòu)筋，其力學(xué)性能應(yīng)符合?公路工程玄武巖纖維及其制品第4部分:玄武巖纖維復(fù)合筋?(JT/T 776.4—2010)要求。復(fù)合筋間距允許誤差±5 mm。

玄武巖復(fù)合筋應(yīng)采用塑料纖維絲綁扎，嚴(yán)禁采用帶磁性的鋼絲綁扎。

3.4 預(yù)埋件

如圖7所示，軌道梁預(yù)埋件工程涉及PVC管、尼龍?zhí)坠堋⒉讳P鋼無磁性預(yù)埋套筒。尼龍?zhí)坠懿捎镁埘０凡牧希拱瘟Σ恍∮?0 kN。線圈安裝預(yù)埋螺母由電氣生產(chǎn)單位提供。每片軌道梁含定位管4個(gè)、安裝調(diào)整預(yù)埋螺母4個(gè)、M18×80螺母64顆；M12×60螺母32顆、M10×20螺母12顆、M6×20螺母32顆；?80 PVC管15根，彎頭15個(gè)；?60 PVC管3根。

圖7 預(yù)埋件布置示意

4 預(yù)制生產(chǎn)

4.1 模具

軌道梁模板由專業(yè)模板生產(chǎn)廠家設(shè)計(jì)、制作。采用先焊接成型、后整體銑床進(jìn)行加工，平整度達(dá)到±1 mm/3 m，見圖8。

圖8 軌道梁模具(單位:mm)

(1)模具應(yīng)有足夠的強(qiáng)度、剛度，在混凝土自重及附著式振搗力作用下變形量滿足安裝精度要求。

(2)合模后模具各處不得有漏漿點(diǎn)。

(3)模板通過調(diào)節(jié)塊調(diào)整，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)段、過渡段、凹陷段梁型生產(chǎn)需要。

4.2 混凝土澆筑

(1)混凝土坍落度應(yīng)與振搗力和振動(dòng)時(shí)間匹配，避免離析、纖維分離、氣泡等現(xiàn)象產(chǎn)生。

(2)復(fù)合筋混凝土保護(hù)層厚度30 mm，允許誤差±5 mm。

(3)軌道梁底部與砂漿接觸面應(yīng)保持±3 mm的粗糙度。

4.3 蒸汽養(yǎng)護(hù)

蒸汽養(yǎng)護(hù)前的靜停時(shí)間不低于混凝土終凝時(shí)間，并不少于3 h。靜停環(huán)境溫度為5℃ ～30℃，升溫時(shí)間不少于2 h，升溫速率≤15℃。恒溫溫度小于45℃，恒溫時(shí)間不少于8 h；降溫速率≤10℃，降溫時(shí)間不少于2 h。

4.4 脫模

(1)脫模時(shí)混凝土強(qiáng)度不低于35 MPa。

(2)脫模時(shí)環(huán)境溫度與構(gòu)件表面的溫度差不得大于20℃。

4.5 養(yǎng)護(hù)

(1)梁體內(nèi)外溫度與環(huán)境溫度相同時(shí)應(yīng)進(jìn)行噴水養(yǎng)護(hù)，保持濕度不小于95%。

(2)養(yǎng)護(hù)時(shí)間不少于7 d，并達(dá)到設(shè)計(jì)混凝土強(qiáng)度等級(jí)。

(3)軌道梁進(jìn)入存放區(qū)后，繼續(xù)對(duì)軌道梁進(jìn)行蒸汽養(yǎng)護(hù)2 d。

5 結(jié)論

本文通過對(duì)高速磁浮軌道梁結(jié)構(gòu)型式、預(yù)制生產(chǎn)材料和工藝的探索，初步研制出適用于高溫超導(dǎo)磁浮的倒T型軌道梁，實(shí)現(xiàn)了雙片倒“T”梁組合成“U”型結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用。

本項(xiàng)目中，試驗(yàn)磁浮軌道不采用架空線路，地面施工完成地基后，直接在軌道梁上鋪設(shè)長定子繞組、8字線圈、鋁感應(yīng)板、支撐輪行走面等部件。軌道梁采用玄武巖鋼筋以及無磁性高強(qiáng)混凝土預(yù)制而成。后續(xù)，為獲得更小磁阻，同時(shí)降低生產(chǎn)成本，軌道梁的生產(chǎn)制造可嘗試采用其他纖維復(fù)合筋，也可進(jìn)一步開發(fā)磁導(dǎo)率小于1的鋼筋材料。同時(shí)梁體施工安裝精度的控制問題也需要深度研究。