傳統(tǒng)地鐵與直線電機(jī)地鐵無縫線路設(shè)計比較摘 要:通過對傳統(tǒng)地鐵和直線電機(jī)地鐵線路軌道標(biāo)準(zhǔn)、軌道強(qiáng)度及穩(wěn)定性檢算比較分析,了解國內(nèi)一種新的城市軌道交通模式,探討這種軌道交通無縫線路計算的特點。關(guān)鍵詞:城市軌道交通;無縫線路;強(qiáng)度及穩(wěn)定性1 概述 城市軌道交通采用以旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動為代表的傳統(tǒng)地鐵的歷史源遠(yuǎn),從1865年英國倫敦世界上第一條地鐵(Metro)投入運營,迄今已經(jīng)有140多年的歷史。傳統(tǒng)地鐵主要依靠的是輪軌的作用力來傳遞牽引(制動)力的一種技術(shù)模式。城市軌道交通的另一種新的模式是直線電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng),此項技術(shù)從20世紀(jì)70年代后期,主要是國外(德國、日本等)開始研制,直到20世紀(jì)中才應(yīng)用于鐵路運輸、煤礦、冶金等自動化生產(chǎn)各方面。其中直線電機(jī)在鐵路運輸方面的應(yīng)用尤為引人關(guān)注。城市軌道交通用直線電機(jī)是采用直線同步電動機(jī),實質(zhì)就是把直線電機(jī)的初級(定子)安裝在車上,次級(轉(zhuǎn)子)鋪設(shè)在線路上,需要接觸軌和變流器牽引驅(qū)動的一種技術(shù)模式。 2003年廣州市城市軌道交通地鐵四號線在國內(nèi)首次采用直線電機(jī)技術(shù),2005年12月首通段已開始投入運營。之后的幾年,廣州市城市軌道交通五號線、六號線及北京市機(jī)場線均采用該項技術(shù)。筆者主要對兩種運營模式下,對無縫線路的強(qiáng)度和穩(wěn)定性做一個分析比較。2 線路軌道主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)比較2.1 線路的最大坡度 傳統(tǒng)地鐵正線的最大坡度不宜大于30‰,困難地段可采用35‰。直線電機(jī)線路設(shè)計一般地段最大坡度為50‰,困難地段可采用55‰。直線電機(jī)理論計算的最大爬坡能力在100‰,但實際應(yīng)用值到80‰。在無縫線路強(qiáng)度檢算中,應(yīng)注意軌道在制動的條件下,產(chǎn)生的制動附加力。2.2 最小曲線半徑 時速100km/h條件下,傳統(tǒng)地鐵B型車正線最小曲線半徑500m,困難的條件下為400m;直線電機(jī)車輛設(shè)計線路最小曲線半徑200m,困難條件下為15m。在不同曲線半徑條件下,軌道結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度穩(wěn)定性需進(jìn)一步的檢算。2.3 車輛主要參數(shù)比較 傳統(tǒng)地鐵B型車輛及直線電機(jī)主要參數(shù)見表1。
其中,對于直線電機(jī)車輛應(yīng)考慮其轉(zhuǎn)子與定子間吸力,廣州市四號線直線電機(jī)車輛采用日本技術(shù),其吸力為20kN,縱向推進(jìn)力最大可達(dá)到40kN,在軌道強(qiáng)度檢算過程中均應(yīng)考慮此部分的影響。3 無縫線路鋼軌強(qiáng)度檢算 依據(jù)《鐵路軌道強(qiáng)度檢算法》(TB—2034—88)將鋼軌視為支承在等彈性的連續(xù)點支座上的連續(xù)長梁進(jìn)行檢算。鋼軌軌底動拉應(yīng)力與軌道結(jié)構(gòu)剛度D、速度V、偏載系數(shù)β、曲線水平力系數(shù)f等因素有關(guān)。 直線電機(jī)車輛在動態(tài)運行的過程,為有效的保證輸出功率,軌道結(jié)構(gòu)剛度的連續(xù)性尤為重要。直線電機(jī)強(qiáng)度檢算鋼軌支承剛度40~50kN/mm;傳統(tǒng)地鐵其剛度均小于30kN/mm。由于傳統(tǒng)列車重心高度比直線電機(jī)車輛大,因此傳統(tǒng)地鐵列車通過時,由于存在未被平衡的超高,所產(chǎn)生的偏載比直線電機(jī)列車大約12%。 按彈性支承連續(xù)長梁方法,在曲線半徑400m、時速100km等同條件下,傳統(tǒng)地鐵軌底的拉應(yīng)力δgd=107·5MPa,動位移yd=1.4mm。直線電機(jī)軌底的拉應(yīng)力Md=98.9MPa,動位移yd=1.1mm。直線電機(jī)車輛軸重輕,車輛重心底,其緊急制動減速度較傳統(tǒng)地鐵大,但綜合的制動附加力又比傳統(tǒng)地鐵小。在列車運行的條件下,直線電機(jī)鋼軌只是導(dǎo)向牽引作用,強(qiáng)度檢算計算應(yīng)力小,有利于延長鋼軌的使用壽命。4 無縫線路穩(wěn)定性檢算 無縫線路穩(wěn)定性檢算其主要目的是通過力學(xué)模型研究脹軌跑道的軌道,以求保持軌道穩(wěn)定。軌道脹軌跑道基本分成持續(xù)發(fā)展、脹軌漸變、脹軌跑道三個階段。國內(nèi)無縫線路穩(wěn)定性分析研究理論很多,其中應(yīng)用比較廣泛有“統(tǒng)一無縫線路穩(wěn)定性計算公式”和“波長不等模型”兩種。 “統(tǒng)一無縫線路穩(wěn)定性計算公式”采用等效道床阻力Q,最早較多的應(yīng)用于50kg/m鋼軌,后長沙鐵道學(xué)院對60kg/m鋼軌的原始彈性彎曲矢度foe、塑性矢度fop等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化研究,這些參數(shù)在秦沈跨區(qū)間無縫線路設(shè)計中得到應(yīng)用。公式如下 “波長不等模型”采用冪函數(shù)模式回歸橫向阻力方程(Q=Q0-ByZ+Cyn)分析計算,運用勢能的駐值理論,建立無縫線路的穩(wěn)定計算公式,其允許溫度力與鋼軌壓縮變形能τ1、軌道框架彎曲變形能τ2、道床變形能τ3、扣件的變形能τ4有關(guān)。該方法數(shù)學(xué)推導(dǎo)較為嚴(yán)密,但計算的過程比較的復(fù)雜,公式如下 應(yīng)用VB程序?qū)煞N方法編程計算,程序結(jié)果與鐵路工務(wù)技術(shù)手冊《軌道》和《鐵道工程》(西南交通大學(xué))書中范例在同條件下結(jié)果一致。筆者主要是針對傳統(tǒng)和直線電機(jī)的線路最小曲線半徑標(biāo)準(zhǔn),用兩種不同的穩(wěn)定性計算模型,采用1667根/kmⅢ型枕道床q=14.6-357.2y+784.7 y 0.75同條件下的橫向阻力,計算曲線半徑R=200m、R=500m鋼軌的允許溫度力P,計算結(jié)果見表2。 從兩種穩(wěn)定性計算公式可見,兩種模式地鐵在無縫線路穩(wěn)定性計算方法上沒有明顯的差別。兩種穩(wěn)定性計算結(jié)果的差異原因可能在阻力的取值方式上,統(tǒng)一公式采用常阻力方式及安全系數(shù)K=1.25取值等因素。 由于直線電機(jī)可適應(yīng)較小的曲線半徑,為保證軌道平順性,應(yīng)盡量鋪設(shè)無縫線路。由表2計算的允許溫度壓力可見,曲線半徑越小允許的溫度力越小,可允許溫升也越小,因此直線電機(jī)軌道結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量高溫鎖定。5 結(jié)語 直線電機(jī)做為國內(nèi)一種新的城市軌道交通模式,由于車輛的轉(zhuǎn)子安裝在軌道線路中,軌道結(jié)構(gòu)參數(shù)選取與車輛結(jié)構(gòu)的匹配尤為重要。通過對比分析傳統(tǒng)和直線電機(jī)地鐵系統(tǒng)線路軌道標(biāo)準(zhǔn)、無縫線路強(qiáng)度、穩(wěn)定性檢算幾個方面,直線電機(jī)曲線半徑條件應(yīng)做為無縫線路的控制因素。直線電機(jī)地鐵由于車輛輕、轉(zhuǎn)向架固定軸距小的特點,可適當(dāng)提高鎖定軌溫,有利于軌道穩(wěn)定。對于直線電機(jī)這種新的城市軌道交通模式,無縫線路設(shè)計的強(qiáng)度及穩(wěn)定性檢算的參數(shù)選取還需在實踐中逐步優(yōu)化。參考文獻(xiàn):[1] 廣鐘巖.鐵路無縫線路[M].北京:中國鐵道出版社,2001.[2] 鐵道部工務(wù)局.軌道[K].北京:中國鐵道出版社,2000.[3] 郝 贏.鐵道工程.北京:中國鐵道出版社,2002.[4] 胡基士.線路異步電機(jī)在城市軌道交通的應(yīng)用[J].電力機(jī)車技術(shù),2001(1)
其中,對于直線電機(jī)車輛應(yīng)考慮其轉(zhuǎn)子與定子間吸力,廣州市四號線直線電機(jī)車輛采用日本技術(shù),其吸力為20kN,縱向推進(jìn)力最大可達(dá)到40kN,在軌道強(qiáng)度檢算過程中均應(yīng)考慮此部分的影響。3 無縫線路鋼軌強(qiáng)度檢算 依據(jù)《鐵路軌道強(qiáng)度檢算法》(TB—2034—88)將鋼軌視為支承在等彈性的連續(xù)點支座上的連續(xù)長梁進(jìn)行檢算。鋼軌軌底動拉應(yīng)力與軌道結(jié)構(gòu)剛度D、速度V、偏載系數(shù)β、曲線水平力系數(shù)f等因素有關(guān)。 直線電機(jī)車輛在動態(tài)運行的過程,為有效的保證輸出功率,軌道結(jié)構(gòu)剛度的連續(xù)性尤為重要。直線電機(jī)強(qiáng)度檢算鋼軌支承剛度40~50kN/mm;傳統(tǒng)地鐵其剛度均小于30kN/mm。由于傳統(tǒng)列車重心高度比直線電機(jī)車輛大,因此傳統(tǒng)地鐵列車通過時,由于存在未被平衡的超高,所產(chǎn)生的偏載比直線電機(jī)列車大約12%。 按彈性支承連續(xù)長梁方法,在曲線半徑400m、時速100km等同條件下,傳統(tǒng)地鐵軌底的拉應(yīng)力δgd=107·5MPa,動位移yd=1.4mm。直線電機(jī)軌底的拉應(yīng)力Md=98.9MPa,動位移yd=1.1mm。直線電機(jī)車輛軸重輕,車輛重心底,其緊急制動減速度較傳統(tǒng)地鐵大,但綜合的制動附加力又比傳統(tǒng)地鐵小。在列車運行的條件下,直線電機(jī)鋼軌只是導(dǎo)向牽引作用,強(qiáng)度檢算計算應(yīng)力小,有利于延長鋼軌的使用壽命。4 無縫線路穩(wěn)定性檢算 無縫線路穩(wěn)定性檢算其主要目的是通過力學(xué)模型研究脹軌跑道的軌道,以求保持軌道穩(wěn)定。軌道脹軌跑道基本分成持續(xù)發(fā)展、脹軌漸變、脹軌跑道三個階段。國內(nèi)無縫線路穩(wěn)定性分析研究理論很多,其中應(yīng)用比較廣泛有“統(tǒng)一無縫線路穩(wěn)定性計算公式”和“波長不等模型”兩種。 “統(tǒng)一無縫線路穩(wěn)定性計算公式”采用等效道床阻力Q,最早較多的應(yīng)用于50kg/m鋼軌,后長沙鐵道學(xué)院對60kg/m鋼軌的原始彈性彎曲矢度foe、塑性矢度fop等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化研究,這些參數(shù)在秦沈跨區(qū)間無縫線路設(shè)計中得到應(yīng)用。公式如下 “波長不等模型”采用冪函數(shù)模式回歸橫向阻力方程(Q=Q0-ByZ+Cyn)分析計算,運用勢能的駐值理論,建立無縫線路的穩(wěn)定計算公式,其允許溫度力與鋼軌壓縮變形能τ1、軌道框架彎曲變形能τ2、道床變形能τ3、扣件的變形能τ4有關(guān)。該方法數(shù)學(xué)推導(dǎo)較為嚴(yán)密,但計算的過程比較的復(fù)雜,公式如下 應(yīng)用VB程序?qū)煞N方法編程計算,程序結(jié)果與鐵路工務(wù)技術(shù)手冊《軌道》和《鐵道工程》(西南交通大學(xué))書中范例在同條件下結(jié)果一致。筆者主要是針對傳統(tǒng)和直線電機(jī)的線路最小曲線半徑標(biāo)準(zhǔn),用兩種不同的穩(wěn)定性計算模型,采用1667根/kmⅢ型枕道床q=14.6-357.2y+784.7 y 0.75同條件下的橫向阻力,計算曲線半徑R=200m、R=500m鋼軌的允許溫度力P,計算結(jié)果見表2。 從兩種穩(wěn)定性計算公式可見,兩種模式地鐵在無縫線路穩(wěn)定性計算方法上沒有明顯的差別。兩種穩(wěn)定性計算結(jié)果的差異原因可能在阻力的取值方式上,統(tǒng)一公式采用常阻力方式及安全系數(shù)K=1.25取值等因素。 由于直線電機(jī)可適應(yīng)較小的曲線半徑,為保證軌道平順性,應(yīng)盡量鋪設(shè)無縫線路。由表2計算的允許溫度壓力可見,曲線半徑越小允許的溫度力越小,可允許溫升也越小,因此直線電機(jī)軌道結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量高溫鎖定。5 結(jié)語 直線電機(jī)做為國內(nèi)一種新的城市軌道交通模式,由于車輛的轉(zhuǎn)子安裝在軌道線路中,軌道結(jié)構(gòu)參數(shù)選取與車輛結(jié)構(gòu)的匹配尤為重要。通過對比分析傳統(tǒng)和直線電機(jī)地鐵系統(tǒng)線路軌道標(biāo)準(zhǔn)、無縫線路強(qiáng)度、穩(wěn)定性檢算幾個方面,直線電機(jī)曲線半徑條件應(yīng)做為無縫線路的控制因素。直線電機(jī)地鐵由于車輛輕、轉(zhuǎn)向架固定軸距小的特點,可適當(dāng)提高鎖定軌溫,有利于軌道穩(wěn)定。對于直線電機(jī)這種新的城市軌道交通模式,無縫線路設(shè)計的強(qiáng)度及穩(wěn)定性檢算的參數(shù)選取還需在實踐中逐步優(yōu)化。參考文獻(xiàn):[1] 廣鐘巖.鐵路無縫線路[M].北京:中國鐵道出版社,2001.[2] 鐵道部工務(wù)局.軌道[K].北京:中國鐵道出版社,2000.[3] 郝 贏.鐵道工程.北京:中國鐵道出版社,2002.[4] 胡基士.線路異步電機(jī)在城市軌道交通的應(yīng)用[J].電力機(jī)車技術(shù),2001(1)
