中低速磁浮交通的磁浮軌排設(shè)計(jì)及鋪裝技術(shù)要點(diǎn)*

李偉強(qiáng)

(中鐵磁浮交通投資建設(shè)有限公司， 430060， 武漢∥高級(jí)工程師)

長(zhǎng)沙磁浮快線是我國(guó)首條具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的中低速磁浮交通商業(yè)運(yùn)營(yíng)線，線路連接長(zhǎng)沙火車(chē)南站和黃花國(guó)際機(jī)場(chǎng)，全長(zhǎng)18.5 km，設(shè)車(chē)站3座[1]。自2016年5月6日正式開(kāi)通試運(yùn)營(yíng)以來(lái)，截至目前，已安全運(yùn)營(yíng)達(dá)1 300多d；運(yùn)行圖計(jì)劃兌現(xiàn)率達(dá)100%，列車(chē)正點(diǎn)率達(dá)99.8%，并經(jīng)歷了暴雨、高溫、大雪等惡劣天氣的考驗(yàn)。通過(guò)多年的運(yùn)營(yíng)實(shí)踐，中低速磁浮交通系統(tǒng)的安全性、可靠性、可用性、可維護(hù)性，以及磁浮軌排、道岔、車(chē)輛等關(guān)鍵技術(shù)得到了全面的驗(yàn)證。

1 磁浮軌道結(jié)構(gòu)選型

與傳統(tǒng)輪軌系統(tǒng)不同，中低速磁浮交通是一種新型軌道交通運(yùn)輸模式，依靠電磁力實(shí)現(xiàn)磁浮列車(chē)的支撐、懸浮及導(dǎo)向，并通過(guò)直線感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)前行，實(shí)現(xiàn)列車(chē)與軌道之間環(huán)抱、無(wú)接觸運(yùn)行。

磁浮軌道結(jié)構(gòu)作為中低速磁浮交通的關(guān)鍵設(shè)備之一，承擔(dān)著支承和引導(dǎo)列車(chē)運(yùn)行的重任。與傳統(tǒng)輪軌鐵路軌道相比，磁浮軌道不僅承受和傳遞列車(chē)重力、導(dǎo)向力、牽引力和制動(dòng)力，而且還需與車(chē)載的電磁鐵、直線感應(yīng)電機(jī)和懸浮傳感器構(gòu)成電磁控制回路，為列車(chē)懸浮、導(dǎo)向、驅(qū)動(dòng)及制動(dòng)提供支撐。

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

圖1 區(qū)間磁浮軌道結(jié)構(gòu)的橫斷面示意圖

2 軌排部件的設(shè)計(jì)

2.1 F型鋼

2.1.1 材質(zhì)選擇

作為磁浮車(chē)輛的直接受力構(gòu)件，F(xiàn)型鋼材質(zhì)選擇應(yīng)根據(jù)最高運(yùn)行速度、車(chē)輛荷載、運(yùn)量、線路條件，并結(jié)合中低速磁浮交通的運(yùn)營(yíng)環(huán)境綜合分析確定，使選型結(jié)果既能具有足夠的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性和耐久性，又能體現(xiàn)使用的經(jīng)濟(jì)、技術(shù)綜合效益。其中，需重點(diǎn)考慮以下兩個(gè)因素：① 根據(jù)中低速磁浮的電磁吸力懸浮原理，支撐體的懸浮鋼軌應(yīng)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(zhì)鋼種(各種化學(xué)元素的組成比例)的飽和磁通密度不應(yīng)小于1.4 T，以滿足車(chē)輛提供懸浮能力的要求。

F型鋼一般采用碳素結(jié)構(gòu)鋼(如Q235D)，檢測(cè)其飽和磁通密度約為1.75 T，滿足相關(guān)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(chē)載U型電磁鐵設(shè)計(jì)相匹配。根據(jù)磁浮車(chē)輛提供懸浮能力大小的要求，設(shè)計(jì)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(cè)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(yīng)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(guò)相關(guān)分析及工程實(shí)踐應(yīng)用總結(jié)，本文梳理出詳細(xì)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(zhì)量為128.9 kg/m。圖2中，懸浮檢測(cè)面平面度應(yīng)不大于0.5 mm/3 m，軌枕連接面、支撐輪滑行面、感應(yīng)板安裝面、磁極面與懸浮檢測(cè)面的平行度應(yīng)不大于0.3 mm。

圖2 F型鋼的截面尺寸圖

2.1.3 分段長(zhǎng)度

按電磁懸浮原理，F(xiàn)型鋼越長(zhǎng)越好，但又帶來(lái)系列的技術(shù)難題。F型鋼為不對(duì)稱斷面的特種型鋼，熱軋成型難度較大。同時(shí)，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(yīng)設(shè)計(jì)線型的廠制曲線F型鋼，曲線軌的機(jī)械精加工難度大。

F型鋼的分段長(zhǎng)度需結(jié)合線路條件、橋梁孔跨布置、軌排布置、懸浮架結(jié)構(gòu)、特種型鋼制造工藝技術(shù)、生產(chǎn)線設(shè)備、產(chǎn)品運(yùn)輸、吊裝及存儲(chǔ)等因素而綜合研究確定。目前，一般F型鋼的標(biāo)準(zhǔn)分段長(zhǎng)度為12.5 m，最長(zhǎng)不超過(guò)26.0 m，最短不小于3.6 m。

2.2 感應(yīng)板

2.2.1 材質(zhì)選擇

感應(yīng)板采用非磁性導(dǎo)電材料，應(yīng)綜合考慮線路條件、直線電機(jī)牽引能力、導(dǎo)電性能、經(jīng)濟(jì)性等因素研究確定。一般采用鋁合金材質(zhì)進(jìn)行制造，一次擠壓成型,其電導(dǎo)率不應(yīng)小于59% IACS(國(guó)際退火銅標(biāo)準(zhǔn))。

2.2.2 截面形狀及尺寸

感應(yīng)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(xì)的感應(yīng)板截面尺寸及相關(guān)截面參數(shù)，如圖3所示。

2.2.3 分段長(zhǎng)度

感應(yīng)板按直線線形進(jìn)行廠內(nèi)生產(chǎn)。當(dāng)安裝于F型鋼上時(shí)，需結(jié)合F型鋼的長(zhǎng)度、線路曲線半徑、弦高等條件，可進(jìn)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(yīng)板，一根10 m的F型鋼配置3塊3.33 m的感應(yīng)板。

2) 曲線段配置。利用兩者間0.2～1.8 mm空

圖3 感應(yīng)板的截面尺寸圖

間富裕，采用以直代曲方式，將感應(yīng)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(yīng)板分段配置長(zhǎng)度表

為減少直線電機(jī)端部渦流效應(yīng)的不利影響，兩感應(yīng)板之間的鋪設(shè)接縫宜不大于1 mm。

2.3 F型導(dǎo)軌

F型導(dǎo)軌由F型鋼和感應(yīng)板組成，可采用密封膠粘接+頂面螺釘/側(cè)面銷(xiāo)釘緊固連接的方式。

密封膠粘接劑涂敷在鋁感應(yīng)板內(nèi)側(cè)，涂層厚度不大于0.5 mm，便于感應(yīng)板在F型鋼上的安裝定位。為了避免電化學(xué)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(cè)面銷(xiāo)釘采用5×20-A1奧氏體不銹鋼圓柱銷(xiāo)。

安裝要求：安裝后螺釘間感應(yīng)板的平面度不大于1 mm，需安裝牢固，兩側(cè)不起翹；嚴(yán)格控制F型導(dǎo)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(yīng)電機(jī)工作氣隙要求。

2.4 H型軌枕

H型軌枕是用來(lái)連接F型導(dǎo)軌，使其保持相對(duì)位置固定并傳遞載荷的基礎(chǔ)構(gòu)件。H型軌枕設(shè)計(jì)較簡(jiǎn)單，一般采用碳素結(jié)構(gòu)鋼的H型鋼。除了滿足受力要求外，還需配合F型導(dǎo)軌的高精度安裝及扣件系統(tǒng)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(lèi)型[2]；其類(lèi)型劃分與設(shè)計(jì)速度，承軌梁孔跨、梁型、梁端位移，線路平縱斷面等因數(shù)有關(guān)。標(biāo)準(zhǔn)軌排長(zhǎng)度為12.5 m，最長(zhǎng)為16.0 m，最短為3.6 m。結(jié)合軌排端部位移，相鄰軌排之間采用不同類(lèi)型的軌排接頭進(jìn)行連接[5]。

F型導(dǎo)軌與H型軌枕之間采用M20的10.9S級(jí)扭剪型高強(qiáng)度螺栓連接副進(jìn)行連接。螺栓頭部增加內(nèi)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(zhì)應(yīng)滿足耐腐蝕、耐鹽霧、耐老化、耐濕熱等相關(guān)時(shí)限要求。

軌排在廠內(nèi)組裝，并完成靜載試驗(yàn)檢測(cè)，最終以成品軌排形式供貨現(xiàn)場(chǎng)。

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(jī)械加工制成。該方式材料浪費(fèi)嚴(yán)重，生產(chǎn)效率低，制造成本高，難以實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，僅能滿足小批量試驗(yàn)的需求。

隨著技術(shù)發(fā)展，目前國(guó)內(nèi)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(shù)控機(jī)床進(jìn)行銷(xiāo)、切、銑等機(jī)械精加工。本項(xiàng)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(jìn)廠→熱軋、毛胚成型→檢驗(yàn)、下料→毛胚矯正、調(diào)直→曲線F型鋼的頂彎→機(jī)械精加工→鉆孔、加工成型→涂裝、標(biāo)識(shí)，如圖4所示。本項(xiàng)目自主研制“以直代曲熱彎工藝”“多工作面并行加工專業(yè)機(jī)床”等工法，解決了F型鋼規(guī)?；a(chǎn)技術(shù)難題。

3.2 軌排的組裝

為了保證軌排組裝精度，研發(fā)了專用軌排組裝平臺(tái)，包括移動(dòng)裝置、線性定位裝置、線性調(diào)整裝置、專用端部定距裝置等部件，實(shí)現(xiàn)廠內(nèi)軌排組裝及形位尺寸測(cè)量[4]。采用全站儀定位支撐平面的平面度和線型，實(shí)現(xiàn)各種規(guī)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(cè)、調(diào)整等功能，擁有裝配精度高、工作效率高、勞動(dòng)強(qiáng)度低等特點(diǎn)。專用軌排組裝平臺(tái)如圖5所示。廠內(nèi)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(jī)械精加工

圖5 高精度軌排組裝平臺(tái)

表2 單榀軌排尺寸極限偏差mm

4 軌排的布置及鋪設(shè)

4.1 軌排的布置

磁浮軌排為分塊式結(jié)構(gòu)，為適應(yīng)下部基礎(chǔ)的溫度伸縮及列車(chē)過(guò)軌縫能力，按有縫線路鋪設(shè)。根據(jù)線路和線下基礎(chǔ)資料，沿里程方向確定軌排和軌排接頭的分布、類(lèi)型及數(shù)量，進(jìn)行軌排布置設(shè)計(jì)。

軌排布置設(shè)計(jì)采用自主研發(fā)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(dòng)繪制預(yù)埋鋼筋布置圖、綜合鋪軌圖等，大幅提高設(shè)計(jì)效率；可輸出軌排加工數(shù)據(jù)，用于廠內(nèi)生產(chǎn)制造；可形成各測(cè)量點(diǎn)三維設(shè)計(jì)坐標(biāo)，用于軌排現(xiàn)場(chǎng)安裝；可實(shí)現(xiàn)軌排設(shè)計(jì)與廠內(nèi)制造、施工安裝數(shù)據(jù)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(shè)

現(xiàn)場(chǎng)軌排鋪設(shè)采用軌排架法施工[6]。采用CPIII技術(shù)，精測(cè)預(yù)留的測(cè)量基準(zhǔn)孔，運(yùn)用軌排布置及鋪軌軟件，按與線路資料對(duì)號(hào)入座、一一對(duì)應(yīng)原則，實(shí)現(xiàn)軌排的現(xiàn)場(chǎng)高精度鋪設(shè)。

每榀軌排在F型鋼支撐輪走行面上，廠內(nèi)加工時(shí)預(yù)留3～4對(duì)測(cè)量基準(zhǔn)孔。基準(zhǔn)孔直徑為18 mm，公差為0～+0.21 mm，開(kāi)孔深度為10 mm。

5 軌排技術(shù)優(yōu)化方向

在長(zhǎng)沙磁浮快線的實(shí)踐基礎(chǔ)上，軌排技術(shù)的優(yōu)化方向如下：

1) 軌排標(biāo)準(zhǔn)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(duì)應(yīng)且唯一編號(hào)，類(lèi)型多，通用性差，不利于規(guī)?；a(chǎn)。通過(guò)結(jié)構(gòu)計(jì)算確定軌縫與梁縫允許偏移量，按錯(cuò)位布置原則，進(jìn)行軌排標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，可有效減少軌排類(lèi)型；結(jié)合軌排自動(dòng)化、模塊化制造技術(shù)創(chuàng)新，可降低制造難度，提高經(jīng)濟(jì)效益。

2) 研發(fā)軌排大位移伸縮裝置。長(zhǎng)沙磁浮快線跨越溫度跨度195 m的瀏陽(yáng)河大橋，梁端位移約100 mm，鋪設(shè)雙III型接頭(伸縮量120 mm)解決軌排伸縮問(wèn)題?，F(xiàn)場(chǎng)接頭處多條F軌折線擬合軌道，軌面平順性容易出現(xiàn)反復(fù)，需加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)。采用將軌排總伸縮量分?jǐn)傊吝B續(xù)多條軌縫上實(shí)現(xiàn)更大位移伸縮量的思路，研發(fā)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(shù)難題。

3) 優(yōu)化既有II、III型軌排接頭設(shè)計(jì)。調(diào)試期，現(xiàn)場(chǎng)多處II、III型軌排接頭處出現(xiàn)軌面不平順，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)打磨、重測(cè)安裝接頭部件處理，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。優(yōu)化既有軌排接頭設(shè)計(jì)，提高零部件通用性，簡(jiǎn)化制造安裝。采用軌排搭接精測(cè)、鎖定軌溫安裝，嚴(yán)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(fù)雜，各工作面涂層厚度影響組裝精度，或需與車(chē)輛部件功能配合，如F軌制動(dòng)面。長(zhǎng)沙磁浮快線因軌道條件與試驗(yàn)線差異較大，首列車(chē)調(diào)試時(shí)緊急制動(dòng)距離不佳。后期通過(guò)采用新材料制動(dòng)閘片，增加制動(dòng)夾鉗數(shù)量等，有效解決了制動(dòng)問(wèn)題。研究軌排各面防腐要求，采用機(jī)械化噴涂，涂層厚度均勻，可提升外觀效果，滿足制動(dòng)需求。

5) 無(wú)縫化磁浮軌道結(jié)構(gòu)的研究。提供一種具有連續(xù)、平整懸浮檢測(cè)面的無(wú)縫化軌排的磁浮軌道結(jié)構(gòu)，更有利于列車(chē)的懸浮控制和穩(wěn)定運(yùn)行。

6 結(jié)語(yǔ)

本文以擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)長(zhǎng)沙磁浮快線為工程實(shí)例，結(jié)合多年來(lái)的設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)，深入梳理中低速磁浮軌道技術(shù)，詳細(xì)闡述磁浮軌排部件設(shè)計(jì)、組裝、布置及鋪設(shè)等關(guān)鍵技術(shù)，總結(jié)并明確軌排結(jié)構(gòu)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)，提供設(shè)計(jì)理念及方法，以便指導(dǎo)及推廣后期在同類(lèi)型項(xiàng)目的技術(shù)應(yīng)用。

中低速磁浮交通具有綠色環(huán)保、安全性高、舒適性好、爬坡能力強(qiáng)、轉(zhuǎn)彎半徑小、建設(shè)成本低、運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)，將會(huì)成為我國(guó)未來(lái)綠色軌道交通優(yōu)先選擇的系統(tǒng)制式。未來(lái)應(yīng)以國(guó)際化為目標(biāo)，以產(chǎn)業(yè)化為支撐，以市場(chǎng)化為指導(dǎo)，以工程化為載體，實(shí)現(xiàn)我國(guó)磁浮技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。