中低速磁浮接触轨系统工程研究

彭 飞

（中铁磁浮交通投资建设有限公司，湖北 武汉 430060）

0 引言

中低速磁浮交通具有爬坡能力强、转弯半径小、选线灵活、工程造价低、节能环保、安全性高以及运营检修成本低等特点，受到国际交通界的广泛关注，也是新型轨道交通研究创新和推广应用的重要领域，具有较好的竞争优势[1]。接触轨系统作为磁浮列车的核心供电系统，是磁浮工程的关键组成部分，关乎到磁浮列车的行车安全与稳定性。中低速磁浮采用侧部受流方式，接触轨安装在承轨梁的两侧，其中轨型的选择、绝缘支架的设计、系统安装的工艺与精度是整个系统可靠性的重要保障。该文依托清远磁浮项目建设管理，对中低速磁浮工程接触轨系统设计、选型、安装等方面进行研究。

1 中低速磁浮技术的特点

目前国内开通运营的中低速磁浮线包括长沙磁浮快线、北京S1线、凤凰磁浮旅游线，以及预计年底建成运行的清远磁浮旅游线。我国目前运营的中低速磁浮线是采用车载悬浮（EMS）和短定子直线电机（LIM）牵引车辆运行的新型城市轨道交通系统，其主要特征在于采用电磁力实现无接触的列车支承、导向、驱动和制动，从而消除运营磨耗，并通过车辆环扣轨道的构造形式避免磁浮列车脱轨。中低速磁浮车辆的横向平衡力由悬浮吸力的水平分力提供，列车抱轨运行，不会脱轨，但是可能产生较大的横向摆动。与普通轮轨相比，具有噪声低、振动低、节能环保等特点，是城市中穿行的一道靓丽风景线。中低速磁浮系统通过在F轨上配置结构简单的长转子，并将短定子绕组穿装在列车底面，利用接触轨作为带电轨与列车的受电靴接触，给车辆提供稳定可靠的电能，使短定子产生行波磁场推动列车前行。接触轨系统包括复合轨本体、中间接头、膨胀接头、中心锚结、电缆连接板、端部弯头、分段绝缘器、道岔接头、支架及附属件，具有系统设计的多样性、施工环境条件的苛刻性、工程运行的危险性等特点，是中低速磁浮工程实施的重难点之一。

2 接触轨的选型

钢铝复合导电轨主要应用于城市轨道交通，传统的导电轨是采用低碳钢材料制造的，如北京地铁和天津地铁的第三轨采用的就是低碳钢导电轨，其缺点是耗电量高，不宜大规模应用。目前中低速接触轨应用于工程中的外形结构主要分为C型轨和工字轨[2]。C型接触轨特点，C型轨由C型不锈钢带、不锈钢条、铝合金轨本体组成，钢带与轨本体之间采用钢条为焊接，单根接触轨长12m或15m，高度一般为57mm～69mm，接触面宽度为100mm，具有良好的导电性、耐腐蚀性和综合力学性能。工字型接触轨特点，工字轨高度为68mm，接触面宽度为74mm，工字轨受力后的变形集中在轨顶，由于其结构的稳定性，即使在变形后也不会影响到支撑的稳定性，表面是采取弧面的形式，减少接触面积，从而减少滑动摩擦力，降低了靴轨磨耗，延长使用寿命。根据磁浮车辆受电靴宽度在60mm，考虑车辆悬浮量为8mm且波动量极小，通过数据分析对比，上述尺寸的C型接触轨和工字型接触轨符合中低速磁浮承轨梁两侧安装空间受限特点，均能在车辆运行时保证接触轨与受电靴在有效授流面内，满足车辆的受流需求，同时各自优点明确，可针对不同环境运用在清远磁浮工程中。

3 接触轨与受流靴模拟仿真

3.1 仿真内容及主要方法

因清远磁浮设计运行时速为120km/h，与传统轨道交通相比，时速较高，需要对接触轨—受流靴之间的动态接触运行进行仿真研究。仿真受流器采用侧向受流器，接触轨采用铝制基体、钢制接触轨面的结构，运用ANSYS软件完成有限元模型建立和受流器/接触轨耦合模型的计算，按照有限元方法建立受流靴/接触轨的三维动力学模型建模，参数化受流靴/接触轨的耦合动力学仿真模型，完成不同运行参数下受流靴/接触轨的仿真分析。

3.2 模型建立

由于接触轨受到不平顺等因素的影响，不能以一维单元建模，本次仿真中采用ANSYS单元库中的面—面接触单元。受流靴的模型建立，考虑其实际结构可将其简化为质量单元，接触轨模型将轨截面的形状简化为矩形形式。受流器/接触轨的耦合模型将受流靴模型与三维接触轨模型使用接触单元耦合，构成三维靴/轨计算模型，用于对靴

/轨相互作用的动力学分析[3]。

3.3 仿真计算与结果

分别将不同间距模型进行仿真，得到数据如图1所示，采用数据统计正态分布算出其标准差、方差范围见表1，对其接触压力稳定性进行分析。

表1 当车速为100km/h时，不同间距模型接触压力仿真结果统计值

通过仿真结果显示在采用的接触轨/受流器的组合下，对100km/h的仿真车速，支持结构间距取2.5m～3.5m适宜，在此条件下车辆受电稳定。通过模拟仿真以及数据分析为接触轨系统结构间距设置提供了理论依据。

4 绝缘支架的设计措施

在中低速磁浮线路中，车辆取电采用固定在承轨梁侧部的接触轨受流方式，由于承轨梁等线下施工中会产生累计误差，接触轨的安装是以F轨面为基准，因此在垂直水平方向须有一定程度的调节量，同时还需要调节俯仰角来满足在曲线段接触轨与F轨面的相对位置关系，满足安装精度要求[4-6]，因此如何从设计上保障绝缘支架调节量是接触轨系统安装调整的关键因素，绝缘支架包括支架底座、调节螺栓、滑体、绝缘子和卡爪组成，主要技术参数见表2。

表2 绝缘支架技术参数表

为更好满足工程施工以及运营检修需求，支架的设计措施主要考虑以下3个方面：1）支架应采用高强度铝合金整体挤压，满足质量轻、三维调整方便快捷的特征，支架夹持芯在螺栓通过位置开设弧形条孔，使其可在安装空间内绕X轴实现俯仰±6.5°旋转调节，调节螺栓如图2所示。2）水平绝缘子夹持段位于夹持芯中，可沿其轴线实现Y向线性调节和绕Y轴全周转动，需要上调时将下方螺母松开，紧固上螺母，调到合适角度后再将下方螺母预紧，反之亦然。3）线性调节量与角度调节设计上互相独立的，安装过程中互不影响，水平绝缘支架安装于使用预埋槽道的混凝土基础面，可沿槽道铺设方向做大范围的线性调节。通过对绝缘支架调节量采取的设计措施，使其易于安装调整、整体轻量化、结构简单，给施工安装与运营维修提供了较大的安全便利条件。

5 接触轨安装措施

5.1 工装器具的改良

接触轨的安装精度是以F轨道基准为参照，接触轨安装参数应满足：接触轨中心线距F轨走行面垂直距离（Z方向）650±2mm；接触轨授流面与F轨中心线距离（Y方向）950±2mm；接触轨授流面与F轨滑行面的角度（α）90±0.9°。通过对接触轨施工过程中影响精度的因素进行要因分析，发现工装的精度不足、操作不便是影响进度的主要因素，因此根据接触轨安装的技术参数要求对接触轨测量安装工装、进行进一步的优化改良，使其满足安装精度需求。通过整体精简优化工装[7]，将安装、检测、测量工装集成为一把工器具 ，将接触轨测量角度精度标准提高到±0.03°，检测工装对导高、拉出值测量精度等参数测量尺改进为游标卡尺，精度为0.02mm，提高了测量读数精读和施工操作便利性，解决了接触轨工装角度测量精度不足的问题，避免了多环节冗杂作业对安装精度带来的不利影响；经现场使用满足导高距离F轨滑行面650±2mm，拉出值距离F轨中心线950±2mm以及角度与F轨轨面90°±0.9°的精度要求。

5.2 膨胀接头工艺的改进

膨胀接头主要施工工艺：将膨胀接头与钢铝复合轨对接好，微调膨胀接头，使其与相邻接触轨平齐，当对接面密贴、平顺后，紧固接头连接螺栓，用数字温度计测出的接触轨表面温度，记录该温度值；根据膨胀接头温度补偿表查出所需补偿值并记录，按补偿值调整膨胀接头，并使用木块和临时夹具固定，清洁并涂电力导电脂后，将膨胀接头的活动端与钢铝复合轨对接安装；在与膨胀接头最近的绝缘支架上用临时固定夹具对膨胀接头进行固定，以维持膨胀接头现有补偿状态，防止在接下来安装钢铝复合轨时膨胀接头的补偿间隙值发生变化，待下一个锚段的接触轨安装完毕后，将临时固定夹具移至中锚位置固定，保证膨胀接头的正常伸缩。安装过程中由于膨胀接头内滑芯在未通电前不能接近满腔，导致接头中间会产生晃动。以型腔尺寸70mm为例：铝合金膨胀系数24×10-6/℃；铝合金温差100℃滑芯膨胀量为24×10-6×100×70=0.17mm；磁浮轨内腔尺寸减少0.17mm；根据以上分析，温度对膨胀接头的影响微乎其微，可忽略温度变化对膨胀接头的影响。

为解决膨胀接头中间晃动问题，使用螺栓副调整锁紧+中间螺栓锁紧加强的方法，将中间部分增加两个ø14mm的通孔（图3），膨胀接头滑芯箭头标识区域为螺纹孔加工位置，在螺栓对应位置，增加深度为30mm的螺纹孔盲孔，配合螺栓副的安装。膨胀接头中间部分增加两条螺栓副，首先在两条螺栓初步预紧的状态下进行精调，当平面度满足要求后，再将螺栓拧紧（为防止松动，螺栓涂抹螺纹锁固胶），最后将中间部位的螺栓拧紧加强固定，使膨胀接头中间部分无晃动，授流面平齐，加强了稳定性，解决了安装过程中晃动的问题。

6 结语

随着国家轨道交通系统市场多元化发展，以中低速磁浮工程为代表的新型轨道交通项目市场广阔。通过研究中低速磁浮交通的技术特征、接触轨系统的特点，结合清远磁浮项目建设从接触轨选型、接触轨与受电靴模拟仿真、绝缘支架设计措施、接触轨系统安装措施提升方面对接触轨系统发表了一些建议，为中低速磁浮接触轨系统工程提供借鉴。