懸掛式永磁懸浮單軌交通系統興國試驗線總體設計

李曉飛 李際勝

(中鐵第六勘察設計院集團有限公司,天津 300308)

引言

自1901 年德國建成世界首條懸掛式單軌交通線路以來,懸掛式單軌交通已有120 多年的歷史,其輪軌接觸關系也從初期非對稱懸掛鋼輪鋼軌型、非對稱懸掛膠輪型,發展到當前廣泛采用的對稱懸掛膠輪型[1-4]。

我國相繼建成四川成都中唐試驗線、山東青島中車四方試驗線、河南開封中建試驗線、湖北武漢中鐵科工試驗線等4 條懸掛式單軌交通工程試驗線。 其走行部分結構為:膠輪單軌走行部分下方設置有走行輪,走行輪與下部開口軌道梁底板頂面接觸,走行部兩側設置有導向輪,導向輪與軌道梁兩側腹板接觸。 走行輪作為傳遞驅動力和列車荷載的重要部件,需要定期進行更換。

為降低運維成本,減小系統運行阻力,同時拓展稀土永磁材料應用范圍[5],將稀土永磁懸浮技術引入懸掛式單軌交通系統,取消膠輪單軌的走行輪,將膠輪單軌走行輪與軌道梁的豎向接觸關系替代為豎向懸浮、非接觸關系,通過直線感應電機實現牽引。 永磁懸浮與中低速磁浮所采用的電磁懸浮技術的最大不同在于,永磁懸浮利用稀土永磁材料實現 “零功率”懸浮,由于懸浮不耗能,牽引能耗較低[6]。

磁浮單軌與膠輪單軌的差異主要集中在永磁懸浮系統,永磁懸浮和直線電機系統的引入,使軌道梁、道岔、工藝等呈現出了不同的特點,根據工程試驗線具體情況,重點對總體布局、懸浮導向及驅動系統、軌道梁及道岔、工藝等設計進行闡述。

1 工程概況

懸掛式永磁懸浮單軌交通系統興國試驗線(以下簡稱“興國試驗線”)位于江西省贛州市興國縣。 線路南起興國西站,沿現狀站前大道東側向北走行接入靜調庫,全線均為高架線,見圖1。

圖1 懸掛式永磁懸浮單軌興國試驗線

線路主線采用單線設計(車站范圍雙線),主線長0.8 km;全線共設車站1 座,靜調庫1 座,道岔1 組。

設計速度70 km/h,車輛采用2 輛編組,DC750V接觸軌供電[7]。

2 總體布局

興國試驗線的基本功能是驗證永磁懸浮核心系統的可靠性、有效性、可維護性、安全性,以及車輛、軌道梁橋及道岔等關鍵系統的技術適應性。 根據試驗線基本功能要求,如何選取總體布局,以減少用地及工程投資是試驗線總體設計的重難點。

國內已建成的4 條懸掛式單軌交通試驗線均位于廠區內,受場地條件限制,線路長度一般較短,且最小曲線半徑一般設置于線路中部[8-12],對車輛運行速度影響較大。 國內建成試驗線的概況及總體布局見表1。

表1 國內建成試驗線概況及總體布局

為滿足車輛、道岔等基本試驗要求,結合興國試驗線用地情況,基于盡量提高車輛最高試驗速度、降低工程投資的前提,興國試驗線設置車站1 座、靜調庫1座、道岔1 座;主線(區間)采用單線,車站范圍采用雙線,站前設置道岔1 組,以實現主線單線、車站雙線的轉換及道岔通過;線路起點設置車站,線路終點直接接入靜調庫,不再單獨設置出入線;最小半徑R-50 m 曲線設置于道岔后端,與道岔組成S 形曲線,減小了小半徑曲線對主線運行速度的影響。 興國試驗線總體布局見圖2。

圖2 興國工程試驗線總體布局

3 懸浮系統及驅動系統

興國試驗線采用永磁技術實現懸浮,采用導向輪進行機械導向,通過直線感應電機實現牽引和電制動。

3.1 永磁懸浮系統

永磁懸浮系統由安裝于車輛懸浮架上的車載磁組及安裝于軌道梁上的梁載磁軌構成。 根據懸掛式單軌基本特征,采用斥力型懸浮設計。

在滿足懸浮力的前提下,如何選取磁軌材料、確定磁體排布,以減小磁軌尺寸及磁軌投資是永磁懸浮系統設計的重難點。

稀土材料主要分為稀土鈷永磁材料和稀土硼永磁材料,為實現磁軌的小型化、輕量化,興國試驗線磁體采用釹鐵硼永磁材料;為增強磁軌垂直方向上的場強,用最少體量的磁體產生最強的磁場來滿足懸浮力的要求,并考慮降低磁體加工裝配難度,車載磁組及梁載磁軌均采用直線型Halbach 陣列。 Halbach 陣列的主要特征是在強磁場側呈現正弦分布且磁場強度疊加,而在弱磁場側基本相互抵消[13-16]。

根據前期研究成果,磁組/磁軌由磁體及鋁合金或不銹鋼底座組成,磁組/磁軌內永磁體按四模塊排布,磁體寬150 mm,磁軌長600 ～1 200 mm。 興國工程試驗線磁軌橫斷面見圖3。

圖3 興國工程試驗線磁軌斷面

3.2 驅動系統

直線感應電機驅動屬于非黏著驅動,與膠輪單軌相比,其爬坡能力更強,但直線電機效率和功率因數較低,運行電能耗較膠輪單軌大。

興國試驗線運行速度較低,從工程投資及運行維護等方面考慮,采用了與中低速磁浮交通相同的短定子方案,直線電機初級安裝于車輛懸浮架上,次級感應板安裝于軌道梁上,依靠初級和次級之間的移動磁場產生的吸力或斥力實現牽引和制動[17-19]。

由于感應板布置在軌道梁內,無法像中低速磁浮系統將感應板安裝于F 軌上,亦無法像城市軌道交通直線電機牽引系統布置大尺寸的感應板,因此在滿足牽引力的前提下,如何縮小感應板尺寸是驅動系統設計的重難點。

為節省軌道梁內部的有限空間,興國試驗線感應板采用了帽子式,感應板由鋁蓋、鐵芯、鋁蓋緊固件等組成,并將鐵心與軌道梁直接進行連接,興國工程試驗線感應板橫斷面見圖4。

圖4 興國工程試驗線感應板斷面

城市軌道交通直線電機牽引系統感應板的技術參數對比見表2。

表2 直線電機感應板技術參數對比

4 軌道梁橋

軌道梁橋是軌道梁、橋墩、基礎及墩梁懸掛系統組成的橋梁體系。 磁浮單軌及膠輪單軌的差異主要體現在荷載分布類型及軌道梁的設計。

膠輪單軌的車輛荷載通過走行輪傳遞到軌道梁,屬于集中荷載;磁浮單軌的車輛荷載通過車載矩形磁組面傳遞到車載磁軌及軌道梁,屬于均布荷載。

根據車輛行走的特點,軌道梁采用下部開口的鋼箱結構,為滿足永磁懸浮及直線電機系統的布置要求,軌道梁中部增加中蓋板。 在軌道梁底板及中蓋板分別設置梁載磁軌和直線電機感應板。 根據懸浮架及設備布置要求,軌道梁內部凈尺寸為1 200 mm×1 250 mm(寬度×高度),為使軌道梁具有足夠的豎向、橫向和抗扭剛度,并保證其穩定性,在軌道梁內設置環向加勁肋,寬150 mm,縱向間距1 200 mm,在梁端附近根據梁長調整間距,在軌道梁底設置縱向加勁肋,高90 mm;在中蓋板下設置橫向加勁肋,加勁肋預留孔洞,可作為管線敷設路徑。 興國試驗線軌道梁橫斷面見圖5。

圖5 興國試驗線軌道梁斷面(單位:mm)

軌道梁橋標準跨徑采用25 m 簡支梁,曲線地段及跨越障礙物地段,跨徑采用16 ～30 m。 由于線路敷設于站前大道,景觀要求較高,一般地段橋墩采用鋼結構,當線路高程較高時,為節省工程投資,橋墩采用“鋼結構+混凝土”混合結構。 在雙線及預留雙線段采用Y 形墩,在道岔梁兩側采用門式墩。 橋墩與軌道梁采用了構造簡單、施工簡便、造價更低的銷軸連接方式。 興國試驗線軌道梁橋Y 形墩見圖6。

圖6 興國試驗線軌道梁Y 形墩

磁浮單軌及膠輪單軌軌道梁的對比,見表3。

表3 磁浮單軌與膠輪單軌的軌道梁差異對比_______

5 道岔系統

道岔系統是列車換線及安全運行的關鍵設備。 道岔幾何線形主要取決于道岔前長、后長、道岔號數、導曲線半徑及線間距等因素。 為減少占地范圍,興國試驗線采用4 號小號碼道岔,道岔側股曲線采用“純圓曲線+相切直線”的形式,導曲線半徑50 m。 相較于中唐試驗線、四方試驗線等,5 m 平行線間距單渡線減少占地寬度5～17 m。 興國試驗線4 號道岔幾何線形見圖7。

圖7 興國試驗線4 號道岔幾何線形(單位:mm)

為降低轉轍時間,在懸掛式單軌交通領域采用單回轉點替換梁式道岔,道岔作用時間不大于25 s。

6 靜調庫

興國試驗線在線路終點處設置簡易靜調庫1 座,由線路終點直接接入。 靜調庫長約36 m,寬15.9 m,高16.3 m,主要配備2 臺10 t 起重機和靜調臺架,主要承擔工程化樣車組裝及上下線、工程化樣車靜調及臨修、材料堆放等任務。

磁浮單軌懸浮架安裝有車載磁組,如何實現車輛上、下線和懸浮架進出軌道梁是工藝設計的重難點。

參考膠輪單軌上下線主要流程,結合磁浮單軌技術特點,確定興國試驗線車輛上線主要流程如下:①車體、懸浮架汽運入庫;②懸浮架安裝車載磁組;③打開靜調臺架二層平臺并確認到位;④使用2 臺10 t 起重機將車體調運至軌道小車;并推送至靜調臺架下方預定位置;⑤使用起重機將懸浮架起吊至靜調臺架二層平臺、車體上方的預定位置;⑥完成機械裝置及電氣連接;⑦開閉靜調臺架二層平臺,并使車輛懸浮架的走行輪落于靜調臺架二層平臺上;⑧重復上述流程,完成第二節車輛上線并完成編組。 車輛下線流程與上線流程相反。

膠輪單軌走行輪與軌道梁接觸面具有較大的摩檫力,車輛走行機構可以通過無頂板的U 形結構進出軌道梁;為降低非封閉環境磁性材料對近距離接觸金屬構件磁化的風險,保證庫內檢修工作的安全,檢修平臺不設置磁性軌道,為此在車輛懸浮架底部設置了走行輪,以實現車輛在有、無梁載磁軌之間的順利過渡。

7 結語

懸掛式永磁懸浮單軌交通系統是我國自主研發、具有完全知識產權的軌道交通制式,豐富導向運輸系統譜系及中低運量軌道制式。 興國試驗線重點對懸浮導向及驅動系統、軌道梁及道岔、工藝等進行研究和驗證,在滿足試驗線基本要求的前提下,合理的總體布局在最大程度上減少用地及工程投資,永磁懸浮等核心系統的創新設計實現試驗線車輛穩定的懸浮導向和驅動,軌道梁橋、道岔及工藝等關鍵系統設計為試驗線的安全運行奠定了基礎。 興國試驗線的建設解決懸掛式永磁懸浮單軌交通系統工程化過程中的一系列問題,并在工程總體設計、系統集成、裝備研發等方面積累了經驗,這對懸掛式永磁懸浮單軌交通系統商業運用及產業化具有重要的現實意義。