楊慧敏

摘要:針對直線電機運載系統(tǒng)的特點,本文根據(jù)線電機運載系統(tǒng)對軌道結(jié)構(gòu)的要求,對軌道結(jié)構(gòu)中鋼軌及扣件的選型、軌枕及道床的選型、道岔及其道床的設(shè)計、減振降噪措施等進行了初步的探討,對直線電機運載系統(tǒng)的軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計具有一定的參考和實用價值。

關(guān)鍵詞:直線電機軌道結(jié)構(gòu)道岔減振降噪

0 引言

直線電機運載系統(tǒng)始于上個世紀80年代,采用直線電機進行牽引,適用于中等運量的城市軌道交通,使軌道交通系統(tǒng)向小型化發(fā)展。該系統(tǒng)特點如下:①車輪尺寸可縮小,車廂地板面降低,縮小車體斷面尺寸,隧道斷面可減小;②車輛不受輪軌之間粘著條件的限制,爬坡能力強;③采用徑向架,可在曲線半徑較小的線路上運行;④驅(qū)動系統(tǒng)沒有旋轉(zhuǎn)部分,運行噪聲可維持在較低水平;⑤采用安全、可靠、低噪聲的制動系統(tǒng)。

這些特點有利于有利于線路縱斷面設(shè)計,減少隧道及高架的過渡段,減少拆遷工作量,降低工程造價。世界上建成運營的直線電機運載系統(tǒng),有加拿大溫哥華、馬來西亞吉隆坡、日本東京和大阪等。我國目前正在嘗試引進直線電機運載系統(tǒng),廣州市軌道交通4、5號線已確定采用直線電機運載系統(tǒng)。由于該系統(tǒng)的軌道結(jié)構(gòu)與一般城市軌道交通的軌道結(jié)構(gòu)有所不同,需要將反應(yīng)板安裝在軌道上,且由在車輛上的直線電機與在軌道的反應(yīng)板之間產(chǎn)生的磁力牽引列車前進,因此,應(yīng)根據(jù)直線電機運載系統(tǒng)的特點對軌道結(jié)構(gòu)進行研究,以選擇合理的軌道結(jié)構(gòu)形式和參數(shù)。

1直線電機運載系統(tǒng)對軌道結(jié)構(gòu)的要求

直線電機運載系統(tǒng)采用直線電機牽引,直線電機是一種直線感應(yīng)電動機,結(jié)構(gòu)相當于將旋轉(zhuǎn)電機切割展開成直線狀,定子(初級線圈)設(shè)置在車輛上、轉(zhuǎn)子(次級線圈)設(shè)置在軌道上,車輛由設(shè)置在車輛上的直線電機與鋪設(shè)在軌道中央的反應(yīng)板之間產(chǎn)生的磁力推進。采用鋼輪、鋼軌作為車輛的支撐,直線電機運載系統(tǒng)對軌道的要求如下:①軌道中間有直線電機反應(yīng)板,軌道應(yīng)有安裝反應(yīng)板的條件;②直線電機與反應(yīng)板之間的間隙要求較高,要求道床施工及反應(yīng)板的安裝精度均較高,應(yīng)力求軌道的平順;③當選用的線路曲線半徑小、坡度大時,應(yīng)加強軌道的穩(wěn)定。

2 軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計

軌道結(jié)構(gòu)的工程設(shè)計包括鋼軌選型、扣件、軌下基礎(chǔ)、道岔、無縫線路、減振降噪、其它相關(guān)設(shè)備(如車擋、防脫裝置、線路標志等)。其中與直線電機運載系統(tǒng)相關(guān)的是鋼軌選型、扣件、軌下基礎(chǔ)、道岔及減振降噪的設(shè)計。

2.1 鋼軌選型 一般情況下,直線電機系統(tǒng)的最高行車速度為100km/h,軸重為11t。根據(jù)近遠期客流量推算線路年通過總重,參照國鐵軌道配置標準,正線和輔助線均可采用50kg/m鋼軌,可同時滿足軌道結(jié)構(gòu)的強度和穩(wěn)定性。

若采用國鐵現(xiàn)有60kg/m鋼軌,則可顯著地提高軌道強度,降低軌底變形和應(yīng)力,并能延長軌道的大修周期,減少日常養(yǎng)護維修工作量。由于直線電機系統(tǒng)采用徑向轉(zhuǎn)向架車輛,車輛通過曲線時車輪輪緣方向與曲線方向始終一致,且輪軌接觸關(guān)系有所改變,在曲線地段鋼軌磨耗應(yīng)有所減少,而鋪設(shè)60kg/m鋼軌比鋪設(shè)50kg/m鋼軌初期投資增加8萬/單線公里,且在高架橋上鋪設(shè)無縫線路時,60kg/m鋼軌比鋪設(shè)50kg/m鋼軌溫度力變化大5.8kN/℃,鋪設(shè)50kg/m鋼軌對橋墩較為有利。且在直線電機系統(tǒng)中有專門用于回流的第4軌,回流無需增加走行軌截面面積。國外的直線電機系統(tǒng)軌道(如加拿大、溫哥華、多倫多)也多采用50kg/m鋼軌(實際為UIC54kg/m鋼軌,該鋼軌國內(nèi)也有生產(chǎn))。但由于我國鐵路推行重載運輸方針,鐵路鋼軌系列朝著重軌方向發(fā)展,一般干線都已采用60kg/m軌型,50kg/m軌型貨源日趨短缺,其材質(zhì)也不會再做改進,可供選用的品種很少。與國家鐵路相比,城市軌道交通用軌量畢竟較少,從商業(yè)角度考慮,小批量用軌的供應(yīng)是有困難的。如果采用高度較高和斷面較大的軌型,對降低噪聲和防止雜散電流是有利的。因此,綜合諸多因素考慮,采用60kg/m軌型比較妥當。

2.2 鋼軌扣件選型 鋼軌扣件是聯(lián)結(jié)鋼軌與軌下基礎(chǔ)的重要部件,反映了軌道結(jié)構(gòu)的主要技術(shù)特性,是保持軌道框架剛度和決定軌道維修養(yǎng)護工作量的重要環(huán)節(jié)之一。

鋼軌扣件由扣壓件、軌下墊層和聯(lián)結(jié)螺栓組成。為了體現(xiàn)軌道結(jié)構(gòu)應(yīng)有的技術(shù)性能,要求鋼軌扣件具有一定的扣壓力、必要的彈性和相應(yīng)的可調(diào)能力。對剛度較大的軌下基礎(chǔ),還要求軌下墊板具有較好的彈性。在大坡道地段,既要求扣件提供較大的縱向阻力,以防止鋼軌爬行;又要求扣件的扣壓力不能過大,以控制無縫線路長軌條的縱向力向橋梁過量傳遞。兩者的要求是互相矛盾的,要求從技術(shù)上妥善加以解決。參照《地鐵設(shè)計規(guī)范》,針對不同的道床型式選可用不同的扣件型式,直線電機系統(tǒng)力求維修工作量小,故宜采用無擋肩彈性分開式無螺栓扣件。廣州地鐵四號線直線電機系統(tǒng)主要采用單趾彈簧扣件、國鐵彈條Ⅲ分開式扣件及小阻力扣件等(如圖1所示)。

2.3 軌枕及道床結(jié)構(gòu)選型 軌道道床結(jié)構(gòu)分碎石道床和整體道床兩大類。碎石道床的優(yōu)點是軌道彈性好、適應(yīng)性強、減振效果好,易于調(diào)整軌道的水平和方向;無需配用結(jié)構(gòu)復(fù)雜的彈性分開式扣件;施工簡單、進度快、造價低。其缺點是養(yǎng)護維修中的起撥道、搗固道床的作業(yè)量大,更重要的是保持軌面的平順度將花費更大代價。

整體道床的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、軌面的平順性易于保持,軌道不易變形。表面整潔美觀,便于清掃,軌道維修工作量少,但是整體道床的初期投資大,且對整體道床的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)要求高,軌道的彈性和軌面標高調(diào)整均由結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的彈性分開式扣件來提供。

地下線或者高架線宜采用整體道床,地面線不受軌道高度限制,養(yǎng)護條件相對較好宜采用碎石道床。

目前國內(nèi)成功使用的地下線整體道床主要有上海地鐵采用的長枕式整體道床(圖2)和北京地鐵、廣州地鐵采用的鋼筋混凝土短軌枕式整體道床(圖3)兩種型式,兩種結(jié)構(gòu)均具有技術(shù)成熟、整體性強、結(jié)構(gòu)簡單、堅固耐用、施工簡便、運營維修工作量小的優(yōu)點,且經(jīng)多年運營實踐,使用效果良好。比較而言,短軌枕式整體道床的軌枕與道床聯(lián)接可靠,且施工更方便,造價也略低于長枕式整體道床,是國內(nèi)地鐵常用的結(jié)構(gòu)型式,與廣州已建成地鐵的道床型式一致。但是短枕式整體道床軌道結(jié)構(gòu)用于直線電機軌道時,反應(yīng)板的安裝較為不便,若采用預(yù)埋件,則需要其在現(xiàn)場精確預(yù)埋,對施工精度要求較高,若采用后錨固技術(shù),則安裝工作量較大,進度慢且造價較高。因此應(yīng)采用走行軌、第3軌、第4軌、感應(yīng)板都同時高精度相對固定的技術(shù)方案,可采用長枕埋入式整體道床或板式軌道。

長枕埋入式整體道床可在長枕上設(shè)置預(yù)留安裝鋼軌、反應(yīng)板的條件,把預(yù)制的混凝土枕用二次澆筑使混凝土枕與道床成為整體,將鋼軌、反應(yīng)板固定在長軌枕上。長枕式道床施工時,采用軌排架法施工,預(yù)埋螺栓(或孔)在工廠完成,容易達到施工精度,施工進度快,反應(yīng)板安裝調(diào)整方便,反應(yīng)板與鋼軌的相對位置精確度可以保證。曲線地段施工可以根據(jù)結(jié)構(gòu)施工情況進行調(diào)整,技術(shù)成熟。缺點是軌道自重大,軌道減振性能較難實現(xiàn)。

將軌枕、道床合二為一的板式軌道,采用工廠預(yù)制軌道板,在每塊板上設(shè)置3～4對扣件,并預(yù)埋反應(yīng)板、第3、4軌固定元件。該方案軌道自重輕、整體性好、施工周期短。減振性能容易實現(xiàn),通過軌道板下增設(shè)橡膠墊板即可實現(xiàn)。但該方案對工廠預(yù)制要求較高,特別是曲線地段,國外均在道床板上實現(xiàn)超高,這就要求在工廠預(yù)制的軌道板跟現(xiàn)場的位置對號入座?？紤]到板式道床軌道結(jié)構(gòu)高度較低,施工進度快,便于反應(yīng)板的安裝,曲線超高在道床板上實現(xiàn),利于橋梁施工,高架線宜采用板式道床形式。

2.4 道岔及其道床 由于直線電機系統(tǒng)采用了徑向轉(zhuǎn)向架,道岔的導(dǎo)曲線半徑將可以減少,可采用小號數(shù)曲線尖軌道岔,如溫哥華正線采用6號、8號道岔,肯士頓試驗線采用了5號道岔。但直線電機系統(tǒng)對軌面的平順度,及固定于軌道上的直線電機轉(zhuǎn)子和固定于車輛上的定子間的氣隙高度要求很嚴格,所以應(yīng)改進道岔的結(jié)構(gòu)型式,提高列車通過道岔的平順性。國外直線電機系統(tǒng),國鐵高速鐵路采用了可動心軌道岔,但對于小號數(shù)曲線尖軌道岔采用可動心軌轍叉,則大大增加了道岔結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。研制開發(fā)適合直線電機系統(tǒng)的小號數(shù)曲線尖軌道岔十分迫切。

道岔的道床面積寬、零部件多且在施工時能與鋼軌直接相聯(lián),工況復(fù)雜,國內(nèi)普通地鐵的岔區(qū)一般采用短枕式道床。但在直線電機牽引系統(tǒng)中,岔區(qū)采用短軌式整體道床時,鋼軌和感應(yīng)板各自安裝于短軌枕和道床板上,鋼軌安裝基面和感應(yīng)板基面的高度差精度不易保持,且宜造成感應(yīng)板安裝基面的縱向(鋼軌方向)的不平順度,從而給車輛的正常運營帶來負面的影響。與短軌式整體道床比,長枕式整體道床可保證反應(yīng)板與鋼軌的相對位置精度,更重要的是使用長枕時可以在道岔交叉部附近安裝感應(yīng)板,充分發(fā)揮車輛過岔時的牽引性能。借鑒日本直線電機系統(tǒng)在岔區(qū)采用樹脂長枕式整體道床的經(jīng)驗,岔區(qū)宜采用樹脂長枕式整體道床(如圖所示)。國內(nèi)也應(yīng)研究開發(fā)適用于直線電機車輛在道岔區(qū)的其它道床及軌枕形式,以填補國內(nèi)在此方面技術(shù)上的空白。

2.5 減振降噪措施 直線電機系統(tǒng)作為城市現(xiàn)代化的交通運輸工具,與其它軌道交通相比,它具有造價低、振動小、噪聲低、爬坡能力強、牽引能力優(yōu)越、通過曲線半徑小、能耗低、污染小、安全性能好等諸多優(yōu)點,非常適合大中城市大中等運量交通發(fā)展的要求。但是不容忽視的是,由于其坡度較大、曲線半徑較小,使得其運營條件相對苛刻,距離居民、辦公場所較近,因此對振動與噪聲的要求也較高;如直線電機鐵路在市區(qū)內(nèi)離建筑物最短距離小到只有幾米,甚至緊挨建筑物,減振性能仍不容忽視。加拿大溫哥華直線電機地鐵采取了多種減振降噪措施。一般減振地段的主要措施有:①采用彈性分開式扣件。②鋪設(shè)無縫線路結(jié)構(gòu)。③運營中加強定期養(yǎng)護維護工作,使輪軌間的接觸處于平順狀態(tài),以降低輪軌間的沖擊振動。

由于直線電機牽引系統(tǒng)對于轉(zhuǎn)向架上的直線電機與道床上的感應(yīng)板之間的間隙值要求較高,常規(guī)的軌道減振措施,如普通的軌道減振器扣件,彈性短軌枕等均不太適用于直線電機系統(tǒng)。中等減振地段可采用Edilon鋼軌埋置式板式軌道結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)有較好的隔聲和隔振效果,且這種類型的軌道結(jié)構(gòu)使用20年來,養(yǎng)護維修工作量相當少。還可考慮研究開發(fā)新型的彈性長軌枕整體道床,通過彈性橡膠支承長軌枕整體道床達到減振的目的。特殊減振地段可考慮采用浮置板軌道或Vanguard扣件等。

2.6 結(jié)論與建議 ①應(yīng)全面分析,綜合比較,采用經(jīng)濟合理的軌型。②對于減振型軌道結(jié)構(gòu)如彈性長軌枕整體道床和浮置板軌道應(yīng)進行全面研究、完善,開發(fā)適合我國直線電機運輸系統(tǒng)的道床型式和施工方案。③在現(xiàn)有扣件的基礎(chǔ)上開發(fā)新型的、經(jīng)濟的、適用于直線電機運輸系統(tǒng)的扣件。④研制開發(fā)適合直線電機系統(tǒng)的減振型小號碼道岔結(jié)構(gòu)。⑤研制開發(fā)適合于岔區(qū)整體道床的樹脂長軌枕。⑥直線電機系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一是固定于軌道上的直線電機轉(zhuǎn)子和固定于車輛上的定子間的氣隙高度的控制技術(shù),而諸多互相影響制約因素均對該氣隙高度產(chǎn)生互相疊加或者互相抵消的影響。設(shè)計中應(yīng)對各軌道部件所產(chǎn)生的影響程度有適當?shù)膶Σ吆途C合的考慮。⑦直線電機運載系統(tǒng)不同于普通軌道交通,原地鐵軌道施工驗收技術(shù)條件已不能滿足要求,國內(nèi)沒有相應(yīng)施工經(jīng)驗,應(yīng)開展軌道系統(tǒng)集成及施工驗收技術(shù)條件研究,提高對直線電機軌道系統(tǒng)的全面認識和掌握。

直線電機運載系統(tǒng)在國內(nèi)是全新技術(shù),與普通軌道交通有許多不同,對其軌道系統(tǒng)應(yīng)予以充分的重視,對軌道結(jié)構(gòu)的設(shè)計應(yīng)做進一步研究,并對設(shè)計的方案進行試制試驗工作,使直線電機運載系統(tǒng)能成功應(yīng)用于國內(nèi)。