高溫超導磁浮軌道梁關鍵技術研究

黃 靜

(中鐵二十三局集團軌道交通工程有限公司 上海 201399)

1 引言

高速磁浮交通系統具有速度快、選線靈活的優點，其磨損、維護成本以及對軌道的要求低于高速輪軌，但經濟運行速度高于高速輪軌[1]。因此，高速磁浮交通系統具有彌補高速輪軌與航空之間速度空白的潛力，可有效填補300 km/h鐵路交通和800 km/h航空運輸之間的空白，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，可對現行的鐵路和航空客流實現分流，從而改善和提高我國綜合交通系統的運輸質量和效率，加強不同城市、不同區域之間經濟、社會和文化聯系[3]。未來，高速磁浮交通可成為連接我國主要城市經濟圈的重要紐帶，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]。

由于超導材料具有直流零電阻的特性，在正常運行時，通流電流不會產生焦耳損耗，只有來自于定子諧波磁場會使超導動子磁體產生少量的交流損耗[5]。與常導磁浮系統相比，可以大幅減少電能損耗。同時高溫超導材料的電流密度比常導材料(如銅、鋁)高出一到兩個數量級，因此體積相同的情況下，磁體可以產生更強的磁場，提高直線電機的推力和懸浮系統的懸浮能力，有效降低對長定子磁場的要求，減小長定子的用線量，減少常導長定子的電阻損耗，降低整個磁懸浮系統的制造和運營成本[6－8]。此外，采用被動懸浮方式，懸浮間隙可以達到50～100 mm，懸浮系統更加簡單可靠。相對于常導系統，高溫超導系統在速度、可靠性、安全等方面具有更大的優勢[9－11]。并且，相對于日本山梨測試線采用的低溫超導車載磁體，高溫超導磁體可擺脫對液氦這一戰略資源的依賴。因此，基于二代高溫超導材料的車載磁體在實現懸浮和驅動方面的優勢，加快高溫超導高速磁浮技術的基礎研究工作，是經過一次具有高度創新性的有益嘗試[12]。

未來高速磁浮線路必將面臨更多復雜多變的線路條件，磁浮軌道梁作為高溫超導磁浮系統運行的載體，對其結構型式展開應用研究可為將來發展工程樣車系統奠定基礎，對未來載人高速列車的發展具有重要的工程意義。因此，為了面向時速600 km以上超高速磁浮交通的工程應用，多家單位聯合研制出一套高溫超導磁浮試驗系統。該系統車輛運行在207 m的軌道上，軌道兩側安裝牽引線圈、懸浮線圈、反應板(見圖1)，并由軌道傳遞牽引力、制動力。所提出的高速磁浮軌道采用雙片倒“T”梁組合成“U”型結構(見圖2)，側壁用于安裝定子線圈，底面作為支撐輪的走行面。本文根據試驗線路的結構布置形式、軌道功能要求以及其他專業對線路的條件要求，對倒“T”型磁浮軌道梁的預制生產技術展開研究，研究成果可為超導磁浮軌道梁設計提供參考。

圖1 軌道與車輛橫斷面

圖2 兩片軌道梁組合

2 線路參數及相關要求

2.1 線路主要結構布置形式

車輛驅動采用高溫超導直線電機，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磁體。由于8字線圈只鋪設在懸浮區域(速度大于10 m/s)，因此在軌道兩端都不鋪設8字線圈。制動反應板與8字線圈安裝在同一安裝面。

車輛懸浮通過高溫超導磁體和8字線圈相互感應實現。車輛底部設置支撐輪，用于車輛停車以及低速運行時的支撐；設置側向導向輪，用于車輛運行過程中出現故障時的橫向限位。線路結構布置形式見圖3和圖4。

2.2 軌道功能要求

為了保證軌道滿足后續整車的接口要求，軌道橫向寬度應能適應整車的寬度。同時可以根據需要在已有200 m長度基礎上進行延長(只考慮軌道結構，不考慮8字線圈和直線電機長定子線圈)，軌道接口可以滿足軌道延長要求。軌道強度應能夠承載未來工程樣車的行駛，對軌道功能要求如下:

(1)軌道兩側安裝長定子直線電機的三相線圈以及8字懸浮/導向線圈，制動反應板與8字線圈安裝在同一安裝面(見圖5)。

(2)軌道強度應能承載后續研制整車重量(單車重量30～40 t，每延米重量約1.5 t)及運行要求。

(3)軌道長度范圍為直線段，不設置彎道或斜坡。

(4)考慮到地基沉降，軌道支座應具有一定的垂向高度調節能力。

(5)應在結構上采取排雨水和雪水的措施。軌道表面不允許出現直徑>500 mm、深度>3 mm的積水區。

(6)軌道內部金屬應采用弱磁材料。軌道設置接地裝置，軌道內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，根據安裝接口要求，軌道上埋設安裝電機定子線圈、8字線圈、緊急制動反應板、測速定位的結構件。結構件采用弱磁或不導磁材料。

圖6 結構部件安裝部位(單位:mm)

(9)軌道設計應充分考慮溫度差可能造成的軌道變形。

(10)軌道不設置道岔，試驗段軌道采用平直路段＋凹陷路段＋平直路段＋檢修區組成，安裝部位根據試驗需要進行調整。

2.3 線路條件要求

(1)振動:振幅X、Y 向為10 m/s，Z 向為20 m/s，最高頻率為150 Hz。

(2)沖擊:沖擊幅度150 m/s，沖擊時間為11 ms。

(3)軌距:2 240 mm。

(4)軌道總長度:207 m(包括7 m檢修區)。

(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)為考察各項設備性能參數指標，線路不設置縱坡。

2.4 線路鋪設

(1)利用車間現有10 t桁車對軌道梁進行安裝。

(2)利用全站儀對每片軌道梁進行精準定位。

(3)取芯鉆孔機對鋪設地面進行現場鉆孔，鉆孔參數為?50×150 mm。

(4)強制攪拌機灌注砂漿。

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

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

3 軌道梁結構與材料

3.1 結構型式

如圖2所示，軌道梁采用倒T型結構，梁底用低彈性模量砂漿作為結構墊層，通過摩擦力和四顆螺栓限制縱橫向位移。軌道梁為非預應力預制結構，設計纖維混凝土強度等級為C80。

3.2 混凝土

(1)軌道梁混凝土強度等級為C80，計算軸心抗壓強度fc＝27.5 MPa，抗拉強度ft＝2.04 MPa，彈性模量Ec＝38 GPa。

(2)混凝土電通量指標小于1 000 c。

(3)混凝土含氣量應小于4%。

(4)混凝土強度檢驗方法應符合?普通混凝土力學性能試驗方法標準?(GB/T 50081—2019)。

3.3 鋼筋

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

玄武巖復合筋應采用塑料纖維絲綁扎，嚴禁采用帶磁性的鋼絲綁扎。

3.4 預埋件

如圖7所示，軌道梁預埋件工程涉及PVC管、尼龍套管、不銹鋼無磁性預埋套筒。尼龍套管采用聚酰胺材料，抗拔力不小于60 kN。線圈安裝預埋螺母由電氣生產單位提供。每片軌道梁含定位管4個、安裝調整預埋螺母4個、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；?60 PVC管3根。

圖7 預埋件布置示意

4 預制生產

4.1 模具

軌道梁模板由專業模板生產廠家設計、制作。采用先焊接成型、后整體銑床進行加工，平整度達到±1 mm/3 m，見圖8。

圖8 軌道梁模具(單位:mm)

(1)模具應有足夠的強度、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。

(3)模板通過調節塊調整，達到標準段、過渡段、凹陷段梁型生產需要。

4.2 混凝土澆筑

(1)混凝土坍落度應與振搗力和振動時間匹配，避免離析、纖維分離、氣泡等現象產生。

(2)復合筋混凝土保護層厚度30 mm，允許誤差±5 mm。

(3)軌道梁底部與砂漿接觸面應保持±3 mm的粗糙度。

4.3 蒸汽養護

蒸汽養護前的靜停時間不低于混凝土終凝時間，并不少于3 h。靜停環境溫度為5℃ ～30℃，升溫時間不少于2 h，升溫速率≤15℃。恒溫溫度小于45℃，恒溫時間不少于8 h；降溫速率≤10℃，降溫時間不少于2 h。

4.4 脫模

(1)脫模時混凝土強度不低于35 MPa。

(2)脫模時環境溫度與構件表面的溫度差不得大于20℃。

4.5 養護

(1)梁體內外溫度與環境溫度相同時應進行噴水養護，保持濕度不小于95%。

(2)養護時間不少于7 d，并達到設計混凝土強度等級。

(3)軌道梁進入存放區后，繼續對軌道梁進行蒸汽養護2 d。

5 結論

本文通過對高速磁浮軌道梁結構型式、預制生產材料和工藝的探索，初步研制出適用于高溫超導磁浮的倒T型軌道梁，實現了雙片倒“T”梁組合成“U”型結構的工程應用。

本項目中，試驗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長定子繞組、8字線圈、鋁感應板、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混凝土預制而成。后續，為獲得更小磁阻，同時降低生產成本，軌道梁的生產制造可嘗試采用其他纖維復合筋，也可進一步開發磁導率小于1的鋼筋材料。同時梁體施工安裝精度的控制問題也需要深度研究。