中低速磁浮線路軌道軌縫對車輛懸浮的影響研究*

吳志會 佟來生 羅華軍 張文躍 周 鶴

(中車株洲電力機車有限公司，412001，株洲∥第一作者，高級工程師)

在中低速磁浮線路中，考慮軌排制造及安裝的實際情況、軌道的熱脹冷縮和線路沉降等影響因素，軌排之間采用軌排接頭進行過渡連接。目前，國內(nèi)的中低速磁浮軌排接頭主要有3種，根據(jù)線路情況，不同路段使用相應的軌排接頭：路基段一般采用JⅠ型接頭(單縫接頭)或JⅡ型接頭(雙縫接頭)；長大連續(xù)梁上需采用JⅢ型接頭，其中JⅢ型接頭相當于兩個JⅡ型接頭組合而成。中低速磁浮列車及軌道實景見圖1。軌排長度隨著環(huán)境溫度的變化而伸縮，造成軌縫大小發(fā)生變化，根據(jù)CJJ/T 262—2017《中低速磁浮交通設計規(guī)范》[1]，軌排鋪設時的預留軌縫值應根據(jù)軌排長度與鋼軌溫度經(jīng)計算確定。鋪設軌排預留的軌縫，應滿足鎖定后的軌排在溫度最高時，軌端不頂緊受壓力；軌排溫度最低時，軌縫不宜增加過大，以滿足列車懸浮穩(wěn)定性的要求。

圖1 中低速磁浮列車及軌道實景圖

本文首先分析了軌排接頭結(jié)構(gòu)形成的軌縫對車輛懸浮傳感器檢測性能的影響，并對磁浮軌道的F軌開展了熱變形分析，最后基于提升車輛的懸浮穩(wěn)定性并根據(jù)國內(nèi)某磁浮試驗線的相關統(tǒng)計數(shù)據(jù)，針對中低速磁浮軌道設計提出了改善建議。

1 懸浮傳感器工作原理及其過軌縫過程分析

1.1 懸浮傳感器工作原理

懸浮傳感器是磁浮列車的核心部件，位于F型鋼軌的下凹面、電磁鐵的頂部[2]。為了保證懸浮傳感器信號的可靠性和容錯量，通常傳感器檢測部分由3個探頭組成，分別對應3個懸浮間隙檢測通道。在正常情況下，取3個探頭測量值的均值。當其中1個探頭檢測到信號相對其他2個探頭異常時，該信號將被“剔除”。控制系統(tǒng)采用另外2個探頭探測到間隙較小值。基于這樣的算法，間隙傳感器的3個探頭就必須保證至少2個探頭檢測到有效信號，才能保證處理后的間隙值是可靠的[3]。

1.2 懸浮傳感器過軌縫過程分析

在磁浮列車運行中，懸浮傳感器的探頭在距離軌縫還有一定距離時，傳感器的探測精度就已經(jīng)開始下降，直到探頭過了軌縫后向前運行一段距離才能恢復探測精度。把從傳感器精度下降到影響間隙值檢測的這一段區(qū)域稱為探測失效區(qū)段。因懸浮傳感器通過JⅡ型雙縫接頭，包含了通過JⅠ型單縫接頭的所有階段，故據(jù)此分析懸浮傳感器通過JⅡ型接頭軌縫時的情況如圖2所示。

圖2 懸浮傳感器過JⅡ型接頭軌縫的過程示意圖

1)階段A為探頭1過第1個軌縫。該過程中，探頭1在距離軌縫邊沿為S時，其檢測到的間隙值突然增大，此時探頭1檢測到的間隙值已經(jīng)失效，控制系統(tǒng)只采用探頭2和探頭3的信號均值。

2)階段B為探頭2通過第1個軌縫。該過程中，探頭2在距離軌縫邊沿為S時，其檢測到的間隙值突然增大，此時如果探頭1還在失效區(qū)內(nèi)，則探頭1和探頭2檢測到的間隙值都是無效的，控制系統(tǒng)將采集不到有效的間隙值。

3)階段C為探頭3通過第1個軌縫。與階段B類似，可能出現(xiàn)探頭2和探頭3同時失效的情況。

4)階段D為探頭1通過第2個軌縫。該過程中，探頭1在距離軌縫邊沿為S時，檢測值開始失效，此時如果探頭3還在過第1個軌縫的失效區(qū)域內(nèi)，則探頭1和探頭3檢測到的間隙值都是無效的，控制系統(tǒng)將采集不到有效的間隙值。

5)階段E和階段F分別為探頭2和探頭3通過第2個軌縫。與階段B和階段C類似，可能出現(xiàn)2個相鄰探頭同時失效的情況。

從上述分析可知，造成間隙傳感器2個探頭同時失效的情況有2種：①相鄰2個探頭在同1個軌縫處同時失效，如圖2中階段B、C、E、F所示；②前后兩個探頭在不同的軌縫處同時失效，如圖2中階段D。

2 軌縫對懸浮傳感器檢測性能的影響分析

本節(jié)主要分析懸浮傳感器過JⅠ型單軌縫接頭與JⅡ型雙軌縫接頭對其檢測性能的影響。

2.1 懸浮傳感器過JⅠ型單軌縫接頭分析

圖3為懸浮傳感器過JⅠ型接頭單軌縫示意圖。圖中d為軌縫值，φ為探頭直徑，L為探頭中心距。在φ、s、L已知的前提下，若傳感器不失效，則軌縫值需滿足下述條件：

圖3 懸浮傳感器過JⅠ型單軌縫接頭示意圖

d≤L-φ-2s

(1)

假設懸浮傳感器探頭φ=40 mm，L=90 mm，s=5 mm。按式(1)得d≤40 mm，即若軌縫值超過40 mm就可能導致懸浮傳感器的其中2個探頭同時失效，從而影響控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.2 懸浮傳感器過JⅡ型雙軌縫接頭分析

圖4為間隙傳感器過JⅡ型雙軌縫接頭示意圖。圖中Lb為雙縫連接板的長度，L1為前后2個探頭的外間距。在過雙軌縫時傳感器前后探頭不同時失效，則連接板長度須滿足下述條件：

圖4 懸浮傳感器過J Ⅱ型雙軌縫接頭示意圖

Lb≥L1+2s

(2)

假設懸浮傳感器的L1=220 mm，s=5 mm。通過式(2)可得Lb≥230 mm，即雙軌縫連接板的長度若小于230 mm就可能導致懸浮傳感器的2個探頭同時失效。

探頭每通過1個軌縫時，都將產(chǎn)生1個異常信號；當通過雙軌縫時，懸浮傳感器在極短的時間內(nèi)產(chǎn)生2次沖擊，如圖5所示。通過雙軌縫時，每個探頭通道檢測到的信號出現(xiàn)了2次波動。在避免同一傳感器的2個探頭不會同時失效的前提下，若連接板長度越短，懸浮系統(tǒng)受到2次連續(xù)沖擊的時間越短，同樣不利于懸浮系統(tǒng)的適應性調(diào)整。因此，雙軌縫接頭中的連接板長度越長越好，建議JⅡ型接頭中間連接板的長度，一般路段按不小于500 mm設計，困難路段按不小于300 mm設計。

圖5 過雙軌縫時懸浮傳感器檢測信號波形圖

對懸浮系統(tǒng)而言，軌縫間隙越小越好，連接板越長越好。但現(xiàn)實狀態(tài)是軌道由于安裝和冷熱變形等問題，軌縫值很容易超過設計值，將會對懸浮傳感器的檢測性能有一定影響，甚至引發(fā)懸浮傳感器失效從而導致車輛的懸浮失穩(wěn)現(xiàn)象。

3 F軌熱變形分析

本節(jié)首先通過理論分析計算了10 m長的F軌在自由狀態(tài)下的熱變形，再分析了F軌在約束狀況下因溫升作用產(chǎn)生的熱變形。

3.1 F軌自由伸縮量理論計算

F軌在不受任何阻礙的伸縮叫自由伸縮。在均勻溫度場中自由脹縮情況下，溫度變化為ΔT時，利用式(3)可以計算F軌的自由伸縮量：

ΔlT=αlΔT

(3)

式中：

ΔlT——F軌由于溫度變化產(chǎn)生的自由伸縮量，mm；

α——F軌熱漲系數(shù)，取12.5×10-6mm/(m℃)；

l——F軌長度，mm；

ΔT——溫度變化量，℃。

表1列出了10 m長F軌在不同溫度范圍下的自由伸縮量。

表1 10 m定長F軌在不同溫度范圍下的自由伸縮量

考慮磁浮線路大多為高架線路，軌排是完全暴露的，因此夏季軌排的實際溫度遠高于環(huán)境溫度。F軌的實測溫度超過60 ℃，甚至更高。根據(jù)表1，溫度范圍若取為-10～60 ℃，則對應的F軌伸縮量為8.75 mm，考慮到軌排是相向伸縮，相鄰軌排之間的最大伸縮量為17.5 mm。但在實際線路中，由于F軌是處于受約束狀態(tài)，同等溫差下的變形量應小于自由狀態(tài)的伸縮量。

3.2 F軌熱變形有限元分析

磁浮軌道的F軌由于受約束作用，在熱脹冷縮的過程中會產(chǎn)生相應的變形與應力。本節(jié)主要對F軌進行熱變形的有限元分析。F軌螺栓孔位置采用固定約束，溫升值為70℃。

F軌因熱脹冷縮的縱向變形直接影響軌縫值的變化，F(xiàn)軌的縱向熱變形圖分析結(jié)果見圖6。從圖6中可以看出，F(xiàn)軌兩端產(chǎn)生的最大變形為2 mm，即F軌的縱向伸縮量最大值為4 mm。從有限元分析結(jié)果可以看出，在同等溫差下，受全約束狀態(tài)的F軌變形量要遠小于其自由狀態(tài)下的變形量。

圖6 F軌縱向熱變形圖

綜合理論計算與有限元分析結(jié)果可知，實際線路中的F軌既不可能處于自由狀態(tài)，也不可能處于全約束狀態(tài)，即實際路線中F軌的縱向伸縮量介于2種分析結(jié)果之間。軌排是鋪設在混凝土梁之上的，梁的熱脹冷縮及車輛載荷作用也會影響軌縫值的變化。根據(jù)相關文獻分析結(jié)果，中低速磁浮軌道在溫度與車輛載荷的作用下，其軌縫的變化范圍在±5 mm以內(nèi)[4]。

4 國內(nèi)某磁浮試驗線上軌縫分布統(tǒng)計

國內(nèi)某磁浮試驗線路上軌排連接采用了JⅠ型接頭(單縫接頭)和JⅡ型接頭(雙縫接頭)。該試驗線上所有縫隙值的某次測量結(jié)果見圖7～9。

圖7 沿線單軌縫縫隙分布圖

圖8 沿線雙軌縫縫隙分布圖

圖9 全線軌縫值統(tǒng)計分布圖

從圖7～9可以看出，該磁浮試驗線上的軌縫值主要在20 mm上下波動。根據(jù)CJJ/T 262—2017《中低速磁浮交通設計規(guī)范》，建議預留的軌縫值宜按16 mm取值，實際試驗線上90%的軌縫值超過了16 mm，實際工程中軌縫值設置相對偏大。

5 結(jié)語

通過分析軌縫對懸浮傳感器檢測的影響和F軌在溫升作用下的熱變形，基于影響懸浮傳感器檢測精度的因素，總結(jié)主要結(jié)論如下：

1)軌縫設計。結(jié)合軌縫與懸浮傳感器的影響關系，建議軌縫按照標準建議值16 mm設計，既可保證軌排熱脹冷縮要求，又能滿足車輛懸浮傳感器的檢測要求。同時，應嚴格控制線路中最大軌縫值不能超過40 mm，避免懸浮傳感器出現(xiàn)2路探頭檢測失效的情況，從而影響懸浮控制的穩(wěn)定性。

2)軌道接頭結(jié)構(gòu)。JⅡ型和JⅢ型接頭中的連接板長度應能保證懸浮傳感器前后2個探頭不會同時失效，但懸浮傳感器在過雙縫的時候，連接板的長度會影響懸浮傳感器連續(xù)受激勵時間，從而影響控制系統(tǒng)辨識。建議JⅡ型接頭設計時適當增大中間連接板的長度，一般路段按不小于500 mm設計，困難路段按不小于300 mm設計。