摘要：对国外直线电机轨道交通主要采用的轨道结构形式进行分析,针对直线电机轨道交通轨道结构形式的力学特点,就我国在发展该种轨道交通时在轨道结构设计与施工中需要研究的关键技术进行初步探讨。
关键词：直线电机；轨道交通；轨道结构；无缝线路；无碴轨道
直线电机轨道交通作为一种全新的城市轨道交通技术[1,2],在我国还没有运营先例。其具有的大坡道、小半径适应能力对发展我国城市轨道交通具有很重要的应用价值。
直线电机轨道交通是采用直线感应电机驱动技术,介于磁悬浮与轮轨系统之间的轨道系统,区别于传统轨道交通牵引模式。其轨道结构是轨道交通系统行车的基础,非常复杂,轨道结构感应板要在轨道道床(或轨枕)上安置,与钢轨、道床(或轨枕)以及三轨的尺寸链关系至为重要[2,3]。
因此,为了进一步在国内应用该项技术,有必要对轨道结构的力学特性进行分析,并结合国外的直线电机应用情况,有针对性地进行轨道相关问题的研究,从而为合理地进行轨道结构的设计及施工、保证系统的安全性及可靠性奠定良好的基础。
1 直线电机轨道交通轨道结构的力学特性
作为一种新型的轨道交通形式,直线电机轨道交通的轨道结构,其力学特性与传统的轨道结构有较大的不同。
(1)轨道结构承受来自车辆的随机动荷载作用,在走行轨上承受轮轨垂直动荷载、横向水平荷载、纵向轮轨滚动摩擦力、梁轨纵向附加力、安装在轨道上的供电轨造成的附加外弯矩等。在载荷的反复作用下,轨道强度方面会受到影响,钢轨在轮轨接触处,由于巨大的接触应力可能会导致钢轨的损伤,在曲线侧向切削力等作用下又会使这种损伤加剧;由于温差存在,坡道及小半径的影响,无缝线路会发生失稳、断轨等问题。
(2)作为新型的城市轨道交通形式,车载直线电机本体与安置在道床结构上的感应板还存在着一定的相互作用,牵引力的作用点在轨道中心,而不是在走行轨上。除了感应板与电机间作用力及气隙的要求会对轨道结构的形式、设计参数等有一定的影响以外,轨道结构的性能也会对直线电机正常安全的使用有重要的影响,轨道结构的形式、设计参数、设计方法及安装工艺、养护维修水平等将成为影响该系统能否正常使用的关键。为了进一步说明轨道结构的特性,这里就国外主要采用的轨道结构形式分析如下。
2 国内外轨道结构使用情况
目前采用直线电机轨道交通的国家,其轨道结构与传统的轨道结构型式基本相同,但要在道床中间安设感应板。这里针对直线电机的特点,以加拿大及日本直线电机系统所采用的轨道结构为主进行分析。
2.1 钢轨
在轨道结构中,钢轨是主要的部件。随着地铁车辆轴重的加大、年通过总质量的增长及列车速度的提高,目前各国地铁都有选用重型钢轨的趋势[2]。但就直线电机轨道交通而言,国外一般采用50kg/m的钢轨,有的也采用60kg/m钢轨。
2.2 扣件及垫板
扣件种类从连结形式上分,可分为分开式和不分开式。不分开式扣件具有结构简单、零部件少、造价低的特点,但不便于调高,一般用于有碴道床。目前日本及加拿大两种形式均有,另外为了提高轨道结构的减振性能在一些地段还采用了一些高弹性的扣件。
2.3 道床形式
直线电机轨道交通轨道结构主要以整体道床轨道结构为主,仅在车场线有少量的有碴轨道(见图1)。加拿大温哥华以高架线为主的直线电机轨道系统采用直联式轨道结构;日本地下线的直线电机轨道结构是采用预埋长轨枕式整体道床;在马来西亚吉隆坡地铁,正线地下线、地面线及高架线上是采用预制板式道床轨道系统(见图2),在地面车场线上采用了传统的碎石道床结构。 
此外,日本在一些减振要求较高的运营线路上,采用了弹性轨枕式整体道床(见图3)。此种轨道结构与普通长枕埋入式整体道床不同之处在于长轨枕在两端铺设了减振橡胶套靴,轨枕中部悬空。
2.4 道岔及交
道岔号数的选用应主要根据要求的道岔直、侧向容许通过速度确定,直线电机轨道交通系统由于多采用径向转向架,从而可以采用较小的曲线半径、小号码道岔等,可以节省车辆段用地面积。就国外的道岔应用来看可以分两类:加拿大温哥华的SkyTrain线、马来西亚吉隆坡的PUTRA线正线采用可动心轨辙叉单开道岔,不采用交叉渡线道岔,仅在车辆段采用固定型道岔[3]。日本多采用固定型道岔,并采用交叉渡线道岔,轨下基础有整体道床、木岔枕和合成树脂轨枕(见图4)。
加拿大正线多采用6号、8号可动心轨道岔结构。日本正线多铺设固定辙叉型8号单开道岔,车场线等采用5号单开固定型道岔。
2.5 感应板结构及安装
直线电机轨道交通感应板设置在轨道中心线处。一般采用反作用力板和其下部的支撑结构固定在梁体(高架结构)或轨枕或整体道床结构上。电机结构不同,对气隙的要求也不同,一般来说,气隙越大,效率越低。因此感应板的安装精度、方式等将成为直线电机式地铁能否低耗、平稳、安全运行的前提。
感应轨和直线电机间的间隙应保持在10mm左右[23,5],但在列车运行中,由于受到顶面纵向推进力、侧向中心推进力、感应轨护铁垂向磁力以及轨道振动冲击引起的荷载影响等,其间隙在列车运行过程中会有一定的变化。因此,为了保证列车良好的安全性能,对轨道的几何形位要求较高。
反力板一般多为平板式感应板,主要由铝制(或铜制)顶板梁与下部的护铁组成,护铁有块状、薄板等形状(见图5)。加拿大多为可调式感应板安装方式,日本多采用刚性扣板式扣件来扣压感应板(见图6)。
无论是加拿大还是日本,在车场道岔、附带曲线处的感应板均断开,采用较短长度的感应板。此外加拿大肯士顿试验线采用了5号可动心轨道岔,感应板采取了补强的方式,在岔心处感应板采用并列双感应板式结构(见图7)。
2.6 其他
除了道岔部分外,其他全线焊联成无缝线路。为防止区间内的温度力传给道岔结构,避免影响道岔的正常使用,道岔两端采用了钢轨伸缩调节器结构。
此外,加拿大大部分的高架桥结构没有另外加设防脱护轨。
3 轨道结构设计分析研究
在我国,由于直线电机系统尚无成功运营的经验,因此必须针对直线电机轨道交通系统的特点,研究其在轨道结构设计中应关注的特殊问题,探讨其设计方法。我们重点对以下问题进行了初步研究。
(1)直线电机无碴轨道的设计方法。重点分析列车通过时,由于牵引方式的改变、感应板的安装对无碴轨道结构受力与变形的影响;
(2)研究直线电机轨道交通桥上无缝线路轨道结构的设计方法,尤其是在大坡道与小半径曲线上、在制动力或牵引力的共同作用下,轨道结构的加强措施、容许铺设无缝线路的最小曲线半径等。为此,我们建立了一体化的设计分析模型,见图8。其中,梁的形式、支座位置、无碴轨道的形式等均可根据设计要求进行改变。该模型全面考虑了无缝线路、无碴轨道、桥梁结构的相互耦合作用问题,避免了过去孤立进行力学分析的缺陷[5],并可有效地分析坡道、小半径等问题。因此,此模型的建立,为直线电机轨道交通无碴轨道结构、桥上无缝线路、桥梁的设计等提供了一种更为全面、系统的方法。
此外,针对该轨道交通系统必须对直线电机与感应板的气隙及轨道不平顺进行一定控制的要求,我们还建立了无碴轨道与车辆系统的空间耦合分析模型,并对影响轨道结构设计的主要因素进行了研究[6]。
4 结语
直线电机轨道交通作为一种先进的轨道交通形式,在我国才刚刚起步,轨道结构相关的研究在国内尚存在一定的欠缺。结合中国的实际情况,对轨道结构的设计方法进行深入细致的研究是非常必要的。希望通过进一步的分析研究,为今后该系统在中国的广泛应用奠定理论基础。(end)
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