中低速磁浮交通磁浮軌排靜載試驗研究

李偉強 方永東

(1.中鐵磁浮交通投資建設(shè)有限公司 湖北武漢 430060；2.中國鐵建重工集團(tuán)股份有限公司 湖南長沙 410100)

中低速磁浮交通利用常導(dǎo)電磁鐵吸引鐵磁F軌原理，依靠電磁力實現(xiàn)列車的懸浮及導(dǎo)向，并采用直線感應(yīng)電機驅(qū)動，實現(xiàn)列車與軌道之間環(huán)抱、無接觸運行。這種抱軌、無機械接觸、直線電機驅(qū)動的運行方式，使其具有無脫軌風(fēng)險、振動噪聲小、轉(zhuǎn)彎半徑小、爬坡能力強等優(yōu)點，近年來在日本、韓國和中國得到快速發(fā)展和示范應(yīng)用[1]。2016年以來，我國相繼開通了長沙磁浮快線和北京磁浮S1線，通過多年的運營實踐，磁浮列車運行平穩(wěn)舒適，維護(hù)成本低，充分展示了中低速磁浮交通安全、綠色、快捷、高效的技術(shù)優(yōu)勢。目前，廣東清遠(yuǎn)和湖南鳳凰正在建設(shè)磁浮旅游專線，許多城市及旅游風(fēng)景區(qū)也在規(guī)劃磁浮線路，表明中低速磁浮交通在我國已進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵期[2]。

磁浮軌排是中低速磁浮交通系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，不僅承受和傳遞列車重力、導(dǎo)向力、牽引/制動力，而且還與車載電磁鐵、直線感應(yīng)電機和懸浮傳感器構(gòu)成電磁控制回路，為列車懸浮、導(dǎo)向、驅(qū)動、制動提供支撐，其結(jié)構(gòu)狀態(tài)的好壞直接影響磁浮列車的安全、平穩(wěn)、快速運行[3]。

磁浮軌排通過廠內(nèi)制造及組裝，形成高精度的成品，供貨到現(xiàn)場鋪設(shè)。長沙磁浮快線的多年運營實踐表明高精度的軌排為行車舒適性與懸浮穩(wěn)定性提供有利條件[4]。然而，確保軌排高精度質(zhì)量的一個重要驗證環(huán)節(jié)就是軌排靜載試驗。

目前，我國現(xiàn)有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中對軌排靜載試驗采用的下?lián)舷拗导霸囼灪奢d要求描述不統(tǒng)一，且缺乏必要的條文解釋，不利于現(xiàn)場實際操作。本文根據(jù)車輛懸浮架與軌排相互作用關(guān)系，結(jié)合磁浮列車懸浮狀態(tài)、靜止滑橇支撐狀態(tài)的荷載工況，分析研究軌排靜載試驗的判定依據(jù)，并設(shè)計一整套試驗方法，用于驗證軌排結(jié)構(gòu)的強度和剛度，可有效解決軌排出廠檢驗問題，具有十分重要的應(yīng)用意義。

1 磁浮軌排結(jié)構(gòu)設(shè)計

中低速磁浮軌排由感應(yīng)板、F型鋼、H型鋼枕、連接件及緊固件組裝而成，通過扣件連接承軌臺，置于下部承軌結(jié)構(gòu)之上[5]，如圖1所示。

圖1 軌排結(jié)構(gòu)橫斷面示意(單位:mm)

本文以一榀標(biāo)準(zhǔn)長度12.5 m軌排進(jìn)行靜載試驗設(shè)計。F型鋼和H型鋼枕采用Q235D型鋼，通過M20的10.9S級扭剪型高強度螺栓連接副進(jìn)行連接；感應(yīng)板采用鋁合金材質(zhì)制造。按(0.4+1.05+1.2×8+1.05+0.4)m布置軌枕間距[6-7]。

2 試驗判定依據(jù)分析

懸浮架是磁浮列車核心部件，為其提供承載、牽引和轉(zhuǎn)向的工作平臺。單個懸浮架由左右側(cè)縱梁及托臂、懸浮電磁鐵、直線電機、抗側(cè)滾梁、空氣彈簧、滑撬和吊桿系統(tǒng)等組成[8-9]，如圖2所示。

圖2 懸浮架結(jié)構(gòu)示意

單個懸浮架全長2.728 m，寬2.68 m。懸浮架設(shè)計的剛度指標(biāo):要求其撓度不宜超過兩懸浮架支撐點之間距離的1‰，可換算成電磁鐵極板處的最大豎向變形約0.46 mm。

列車運行時，懸浮電磁鐵的兩極板與F軌的兩磁極相互作用產(chǎn)生電磁力，支撐列車穩(wěn)定懸浮及導(dǎo)向。通過線路曲線時，列車懸浮控制系統(tǒng)和機械解耦裝置共同作用，合理分配懸浮力和導(dǎo)向力，實現(xiàn)穩(wěn)定轉(zhuǎn)向[10-11]。同時，無論是曲線運動還是直線蛇形運動，單個懸浮架內(nèi)的左右側(cè)懸浮模塊都會因機械結(jié)構(gòu)解耦而產(chǎn)生獨立運動，出現(xiàn)前后錯位、上下錯位、靠近分離、異向旋轉(zhuǎn)、扭轉(zhuǎn)和側(cè)滾等現(xiàn)象，從而反作用于磁浮軌排結(jié)構(gòu)。因此，為了減緩這些運動現(xiàn)象，提高列車運行的穩(wěn)定性，除了懸浮架自身剛度設(shè)計需滿足要求外，還需要磁浮軌排結(jié)構(gòu)能提供足夠的強度和剛度。

通過對懸浮架與軌排之間相互作用關(guān)系的研究，并結(jié)合《中低速磁浮交通軌排通用技術(shù)條件》(CJ/T 413—2012)的要求[12]和現(xiàn)場車輛、軌排聯(lián)調(diào)聯(lián)試經(jīng)驗，確定軌排靜載試驗的要求如下:軌排靜載試驗后，F(xiàn)型鋼兩磁極面下?lián)现挡粦?yīng)大于0.5 mm，且軌排不應(yīng)產(chǎn)生永久變形，具體要求見表1。

3 軌排靜載試驗設(shè)計

3.1 加載點布置設(shè)計

工況1試驗:在兩側(cè)F型鋼感應(yīng)板面上(軌枕間距1.2 m范圍內(nèi))安裝壓墊和承壓型鋼，共設(shè)6個試驗加載點，分別為1、2、3、6、7、8 點位，加載點作用在F型鋼中心線上。通過液壓油缸對各加載點同時施加豎向載荷，共施加載荷30 kN，從而模擬實現(xiàn)對兩側(cè)F型鋼感應(yīng)板面施加25 kN/m沿長度方向均布載荷的目的。試驗安裝示意如圖3所示；各加載點豎向載荷見表2。

圖3 試驗安裝示意(單位:mm)

表2 工況1試驗的荷載

工況2試驗:在兩側(cè)F型鋼滑橇支撐面上設(shè)置壓墊及橫壓板，設(shè)4、5點位的試驗加載點，位于1.2 m軌枕間距的中心位置。通過液壓油缸同時對橫壓板施加豎向集中荷載，取額定載荷35 kN的1.5倍，集中載荷1.5×35=52.5 kN。

3.2 位移測量點的布置

在試驗區(qū)域內(nèi)H型鋼枕軸線位置、1.2 m軌枕間距中心位置的F型鋼滑橇支撐面、磁極面分別布置位移測量點，共計14個，如圖4所示，用于測量各部位的豎向位移。其中①～⑥號測量點布置在F型鋼下面，其余測量點布置在F型鋼上面。

圖4 位移測量點布置示意

3.3 加載試驗

(1)試驗環(huán)境及檢測設(shè)備

試驗環(huán)境:園區(qū)廠房硬化場地，室內(nèi)常溫環(huán)境，相對濕度≤90%。

檢測設(shè)備:自主研發(fā)的加載工裝1套；千分表14套；壓力傳感器3套。

(2)試驗前準(zhǔn)備

首先，將研制的加載工裝放置在基礎(chǔ)鋼板上，確保平穩(wěn)。其次，按H型鋼枕對齊加載工裝底梁的方式，將試驗軌排平放于加載工裝支架之上，并通過連接螺栓進(jìn)行固定。軌排兩側(cè)軌枕下放置支撐墊板。最后，在試驗軌排上放置壓梁，并在兩側(cè)壓梁上放置6 t的重物，使試驗軌排和加載試驗工裝接觸穩(wěn)定。

(3)加載試驗

安裝千分表、壓力傳感器等相應(yīng)檢驗設(shè)備。通過液壓油缸，采用荷載分級進(jìn)行加載試驗，測量并記錄相應(yīng)位移數(shù)據(jù)。具體的試驗加載級差:

①40%額定載荷試驗預(yù)試:以20%額定試驗載荷為級差，逐級加載至40%額定試驗載荷，逐級卸載至零。加載、卸載過程逐級進(jìn)行位移測量。

②100%額定載荷試驗:以20%額定試驗載荷為級差，逐級加載至100%額定試驗載荷，逐級卸載至零。加載、卸載過程逐級進(jìn)行位移測量。

③150%額定載荷試驗:以20%額定試驗載荷為級差，逐級加載至150%額定試驗載荷，逐級卸載至零。加載、卸載過程逐級進(jìn)行位移測量。

現(xiàn)場加載試驗如圖5所示。

圖5 加載試驗現(xiàn)場

4 試驗結(jié)果分析

4.1 加載誤差

各工況最大載荷試驗加載控制誤差見表3。

表3 最大載荷試驗加載控制誤差

由表3可知，各個工況加載控制誤差均小于1%，滿足軌排靜載試驗設(shè)計的試驗大綱要求。

4.2 位移測量數(shù)據(jù)分析

工況1的100%額定載荷試驗位移測量數(shù)據(jù)見表4，其荷載-位移曲線如圖6所示。

表4 工況1試驗的加載位移測量數(shù)據(jù) mm

圖6 工況1試驗的荷載-位移曲線

工況2的150%額定載荷試驗的荷載-位移曲線如圖7所示。

圖7 工況2試驗的荷載-位移曲線

由表4可知，1.2 m軌枕間距中心位置兩側(cè)F型鋼的磁極面位移測量點①號和⑥號位移最大，分別是0.317 mm和0.394 mm，均小于0.5 mm，滿足F型鋼磁極面下?lián)现档南拗埔蟆?/p>

由圖6和圖7可知，兩種工況下荷載-位移曲線線性及重復(fù)性較好。在試驗過程中，無論是在F型鋼感應(yīng)板面加載至100%額定載荷后再卸載，還是在F型鋼滑橇支撐面加載至150%額定載荷后再卸載，磁極面、滑橇面變形均能恢復(fù)至初始值誤差內(nèi)，軌排無永久變形、無裂紋。

綜上所述，本次軌排靜載試驗結(jié)果有效驗證了組裝后軌排結(jié)構(gòu)的強度和剛度滿足設(shè)計要求，能確保磁浮列車安全、平穩(wěn)、快速運行。示范線的實踐運營情況良好，更是有效驗證了這一點。

5 結(jié)論

本文結(jié)合中低速磁浮交通磁浮軌排的工作原理及承擔(dān)功能，從軌排的出廠檢驗需求出發(fā)，對軌排靜載試驗設(shè)計進(jìn)行了研究，結(jié)論如下:

(1)分析并明確了詳細(xì)的軌排靜載試驗判定依據(jù)，即“軌排靜載試驗后，F(xiàn)型鋼兩磁極面下?lián)现挡粦?yīng)大于0.5mm，且軌排不應(yīng)產(chǎn)生永久變形”，有效彌補了現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的不足。

(2)設(shè)計并提供了一整套軌排靜載試驗的試驗方法，并采用自主研發(fā)的試驗工裝完成了軌排靜載試驗。試驗結(jié)果:F型鋼磁極面最大下?lián)现?.394 mm，小于0.5mm的要求；試驗過程中軌排無異響，限載后軌排無永久變形、無裂紋。試驗結(jié)果有效驗證了組裝后軌排結(jié)構(gòu)的強度和剛度滿足設(shè)計要求，能有效解決工程實際應(yīng)用中軌排廠驗問題。

(3)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、轉(zhuǎn)彎半徑小、建設(shè)成本低、運營維護(hù)成本低等優(yōu)點，且擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)，是一種極具競爭力的綠色軌道交通[13]。磁浮軌排靜載試驗研究成果可指導(dǎo)后期同類型項目的設(shè)計，具有可復(fù)制、可推廣性，對推廣磁浮軌排工程化應(yīng)用及推動磁浮產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有積極促進(jìn)作用。