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【摘 要】本文结合长沙中低速磁浮工程设计，从轨型结构、绝缘支撑方案、膨胀接头方案、道岔设计方案等方面对C型轨、工字轨各项技术性能进行了比较研究。通过各项对比分析，得出了C型轨与工字轨的优缺点，在中低速磁浮综合系统匹配度上，C型轨供电系统要优于工字轨。
引言
近年来随着中低速磁浮技术的快速发展，磁浮列车受流系统接触轨得到大范围应用，因此接触轨的选型研究成为重要的研究方向[1-3]。本文结合长沙中低速磁浮工程设计，从轨型结构、绝缘支撑方案、膨胀接头方案、道岔设计方案等方面对C型轨、工字轨各项技术性能进行了比较研究。
长沙中低速磁浮工程全线采用高架桥梁结构（包括正线梁、道岔梁、支墩梁），轨道梁既是桥梁的一部分，也是车辆行走线路的一部分。牵引供电系统采用DC1500V电压等级的刚性接触轨供电，正负极接触轨对称绝缘敷设在轨道梁的两侧。因此安全、可靠的受流系统是磁浮列车可靠运行的重要保证和前提[4]。
一、线路条件
长沙中低速磁浮工程最小平面曲线半径为正线100m，车场线75m。线路最小竖直曲线半径为1500m，最大坡度为70‰。轨道为F型，其线密度为127kg/m。轨距为1860mm。车场不同股道与正线梁连接是通过整体道岔梁转辙实现的，其道岔采用关节型单开、三开道岔。
二、系统条件
长沙中低速磁浮运行线路采用DC1500 V正极接触轨授电、负极接触轨回流方式，正、负极接触轨均绝缘安装；电压波动范围为1000V～1800V。接触轨带电部分与结构体、车体最小净距静态为150mm，动态为100mm，绝对最小动态为60mm。牵引网绝缘件爬电距离大于等于250mm。
三、安装条件
长沙磁浮线采用侧部受流安装，可在安全性、限界及受流质量上满足磁浮列车运行要求，同时有利于接触轨的自我清洁[5]。线路正负极接触轨对称绝缘敷设在轨道梁的两侧，接触轨在Y轴方向的安装空间为300mm。
四、接触轨选型研究
4.1 轨型结构比较
长沙磁悬浮工程受流系统可供选择的轨型有C型钢铝复合轨、工字形钢铝复合轨、T型铜铝复合轨[6, 7]，T型铜铝复合轨具有构造复杂、可靠性低、载流量小、调整困难、安装不便等缺点，因此不作为本文比选的主要轨型。工字轨系统在国内地铁、轻轨领域普遍采用[8]，本文所阐述的工字轨为改进型工字轨，其结构已根据磁浮轨道特点做出改良。C型轨系统在上海浦东机场高速磁浮线上有成功运行案例，目前已实现国产化。改进型工字轨为热轧06Cr19Ni10 (SUS304)不锈钢带与6101B-T6铝合金型材在边部铆合、中间钢铝贴合[7]，在钢带和铝合金本体复合过程中采用在钢带上施加正压力同时通过模压使铝轨本体下端面两侧竖直边的部分材料挤入钢带两侧壁板上沿长度方向分布的数量相当的小孔中。C型钢铝复合轨采用06Cr19Ni10 (SUS304)热轧异形钢带与6101B-T6铝合金型材在边部、中部多道复合[7]，钢带和铝合金本体复合过程中，铝基体凸台发生局部变形，填充于钢带钩爪内并完全嵌合，形成紧密的机械结合。工字轨复合方式为边部铆合，中部贴合方式，此种工艺成熟可靠，已在城市轨道交通系统多次验证；C型轨通过辊压复合，有多处钢铝结合点均匀分布在边部、中部，钢铝结合力更大，轨体在弯曲变形及锯切时能够保证结合面嵌合紧密，结合强度高、安全性好，可以有效防止腐蚀介质进入。同时，C型轨刚柔性较好，可随线路曲线任意弹性弯曲，无需预弯，可极大降低安装施工难度。
4.2 绝缘支撑方案
改进型工字轨支架系统由调整底座、绝缘子、压条等组成。调整底座采用槽钢与钢板焊接后热浸镀锌的加工工艺[9]。该支架系统通过长孔和增加垫片个数来实现X和Y方向的调整。改进型工字轨使用压条固定，无法预先定位，支架系统附件较多，现场安装不便，轨身刚柔度欠佳，后期调整难度较大。
C型轨支架系统（见图1）由支座、夹持件、绝缘子芯棒及旋转扣件等组成，除紧固件外，其整体材质为铝合金。C型轨支架系统满足C型轨在Y和Z方向上的调节，而且可以以X轴为旋转轴进行俯仰角±7°的调节。C型轨安装使用旋转扣件固定，安装方便、定位准确；轨身刚度小、安装应力小，便于调整。
图1 C型轨支架系统
4.3 膨胀接头方案
改进型工字轨膨胀接头采用三段式接触轨安装（见图2），通过铝合金夹板机械锚固连接为一体，电流连接器材质选用纯铜板镀银用于电气载流，连接机构为软铜带机械连接。膨胀接头安装于两绝缘支座间，无支架支撑，因其自身重量下垂以及曲线线路区段接触轨产生的内力均不利于接头调平。
图2改进型工字轨膨胀接头
C型轨膨胀接头（见图3）采用两段式轨体楔口为膨胀接头主体，通过连接在绝缘支座上的接头芯板嵌套在两段轨体楔口中，电流连接器材质选用柔性铜带及接电内外夹板固定在轨体C型槽内。膨胀接头整体固定于支座上，温度变化时，轨体只存在X方向上的位移[5]，并且膨胀接头整体重量由支架支承，轨体、芯板及柔性铜带在X方向的位移不会因应力作用而卡死。
图3 C型轨膨胀接头
4.3 道岔设计方案
磁悬浮列车在道岔梁处的振动、靴轨配合及电气连接等运行情况最为复杂，因此道岔梁接触轨布置设计是中低速磁悬浮轨道设计、安装的关键点和难点。
改进型工字轨因其自身刚度大，为避免反复弯疲劳应力破坏，在道岔转辙处采用折线断口方案（见图4）。工字轨结构在此处安装特殊关节弯头过渡，安装位置上下错开，中部过渡平直，X轴方向提供错动间隙，而Y轴方向对系统无受力要求，不需要对附件进行特殊设计。
图4改进型工字轨道岔布置
C型轨因其自身弹性良好、可跟随道岔转辙弹性弯曲，在道岔转辙处采用贯通铺设方案（见图5）。根据道岔转辙的运动规律，将轨体在转辙轴线截面外分段，使得在转辙区段的轨面依靠自身弹性变形形成连续、平滑的曲面。而轨体跟随转辙所产生的伸缩在分段的斜口间隙处消除。伸缩缝隙始终处于直线位置，受流器可高速、平顺通过。
图5 C型轨道岔布置
改进型工字轨道岔处采用分段布置，轨体内部承受的应力很小，不存在往复弯曲疲劳问题，但在道岔转辙处的轨面过渡由于采用关节弯头，因此受流过程存在硬点，道岔转辙后轨体工作面呈折线，受流器通过时容易产生撞击，平顺性较差。C型轨道岔布置可依靠接触轨自身弹性变形来跟随道岔转辙，使工作表面连续、平滑。由于整个工作表面呈弧线，随线路弯曲贴合、无折点，受流器通过时平稳、快速，可保证车辆在道岔段高速通过。
五、技术比选
5.1 机械结构性能
改进型工字轨与C型轨机械性能比较见表1。
惯性矩相比C型轨Z方向惯性矩大、Y方向惯性矩小相比工字轨Z方向惯性矩小、Y方向惯性矩大
5.2 安装精度
根据改进型工字轨与C型轨外形及案例使用可知，由于改进型工字轨外缘形状复杂，绝缘支架调整功能一般，其安装精度一般在±5mm左右；而C型轨由于外缘形状简单，绝缘支架调整功能全面，X、Y、Z向安装精度均可达到±2mm。相关研究人员[12]通过建立运动学模型，对接触轨的安装精度影响中低速磁浮列车受流可靠性进行了动力学分析，得出接触轨相邻点的安装相对误差应控制在0.5mm以内，因此安装精度越高越有利于磁浮列车的平稳运行。
5.3 电气性能
改进型工字轨与C型轨电气性能见表2。
六、结论
通过以上分析可知，改进型工字轨具有总截面大，电阻低等优点，但是不能较好的解决轨体刚柔度、道岔匹配稳定受流及安装精度等问题；而长沙中低速磁浮工程推荐选用的C型轨及其相关接触轨系统附件具有钢铝结合力大，刚柔度好，可随线路弯曲贴合，有效受流面宽，受流器靴板通流密度小，道岔处受流稳定，且现场安装简单，精度高等优点。综上所述，从轨型结构、绝缘支撑方案、膨胀接头方案、道岔设计方案等方面综合比较，C型轨供电系统对中低速磁浮技术的匹配度要优于改进型工字轨供电系统。
注：X顺线路方向，Y垂直线路方向指向轨排中心线，Z铅垂方向。
参考文献
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论文作者:聂飞
论文发表刊物:《工程建设标准化》2016年1月供稿
论文发表时间:2016/4/25
标签：道岔论文; 工字论文; 磁浮论文; 改进型论文; 系统论文; 长沙论文; 支架论文; 《工程建设标准化》2016年1月供稿论文;