传统地铁与直线电机地铁无缝线路设计比较

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1、1传统地铁与直线电机地铁无缝线路设计比较摘 要:通过对传统地铁和直线电机地铁线路轨道标准、轨道强度及稳定性检算比较 分析 ,了解国内一种新的城市轨道 交通 模式,探讨这 种轨道交通无缝线路 计算 的特点。关键词: 城市轨道交通 ;无缝线路;强度及稳 定性1 概述城市轨道交通采用以旋转电机驱动为代表的传统地铁的 历 史 源远,从 1865 年英国伦敦世界上第一条地铁(Metro)投入运营,迄今已经有 140 多年的历史。传统地铁主要依靠的是轮轨的作用力来传递牵引(制动)力的一种技术模式。城市轨道交通的另一种新的模式是直线电机驱动系统,此项技术从 20 世纪 70 年代后期,主要是国外(德国、日本

2、等)开始研制,直到 20 世纪中才 应用 于铁路运输、煤矿、冶金等自动化生产各方面。其中直线电机在铁路运输方面的应用尤为引人关注。城市轨道交通用直线电机是采用直线同步电动机,实质就2是把直线电机的初级(定子)安装在车上,次级(转子)铺设在线路上,需要接触轨和变流器牵引驱动的一种技术模式。2003 年广州市城市轨道交通地铁四号线在国内首次采用直线电机技术,2005 年 12 月首通段已开始投入运营。之后的几年,广州市城市轨道交通五号线、六号线及北京市机场线均采用该项技术。笔者主要对两种运营模式下,对无缝线路的强度和稳定性做一个分析比较。2 线路轨道主要技术标准比较2.1 线路的最大坡度传统地铁正

3、线的最大坡度不宜大于 30,困难地段可采用 35。直线电机线路设计一般地段最大坡度为 50,困难地段可采用 55。直线电机 理论 计算的最大爬坡能力在100,但实际应用值到 80。在无缝线路强度检算中,应注意轨道在制动的条件下,产生的制动附加力。2.2 最小曲线半径时速 100km/h 条件下 ,传统地铁 B 型车正线最小曲线半3径 500m,困难的条件下为 400m;直线电机车辆设计线路最小曲线半径 200m,困难条件下为 15m。在不同曲线半径条件下,轨道结构的强度稳定性需进一步的检算。2.3 车辆主要参数比较传统地铁 B 型车辆及直线电机主要参数见表 1。其中,对于直线电机车辆应考虑其转

4、子与定子间吸力,广州市四号线直线电机车辆采用日本技术,其吸力为 20kN,纵向推进力最大可达到 40kN,在轨道 强度检算过程中均应考虑此部分的 影响 。3 无缝线路钢轨强度检算依据铁路轨道强度检算法(TB203488)将钢轨视为支承在等弹性的连续点支座上的连续长梁进行检算。钢轨轨底动拉应力与轨道结构刚度 D、速度 V、偏载系数 、曲线水平力系数 f 等因素有关。直线电机车辆在动态运行的过程,为有效的保证输出功率,轨道结构刚度的连续性尤为重要。直线电机强度检算钢轨支承刚度 4050kN/mm;传统地铁其刚度均小于 30kN/mm。由4于传统列车重心高度比直线电机车辆大,因此传统地铁列车通过时,

5、由于存在未被平衡的超高,所产生的偏载比直线电机列车大约 12%。按弹性支承连续长梁 方法 ,在曲线半径 400m、时速100km 等同条件下 ,传统地铁轨底的拉应力gd=1075MPa,动位移 yd=1.4mm。直线电机轨底的拉应力 Md=98.9MPa,动位移 yd=1.1mm。直线电机车辆轴重轻,车辆重心底,其紧急制动减速度较传统地铁大,但综合的制动附加力又比传统地铁小。在列车运行的条件下,直线电机钢轨只是导向牵引作用,强度检算计算应力小,有利于延长钢轨的使用寿命。4 无缝线路稳定性检算无缝线路稳定性检算其主要目的是通过力学模型 研究 胀轨跑道的轨道,以求保持轨道稳定。轨道胀轨跑道基本分成

6、持续 发展 、胀轨渐变 、胀轨跑道三个阶段。国内无缝线路稳定性 分析 研究 理论 很多,其中 应用 比较广泛有“统一无缝线路稳定性 计算 公式”和“波长不等模型”两种。5“统一无缝线路稳定性计算公式”采用等效道床阻力Q,最早较多的应用于 50kg/m 钢轨,后长 沙铁道学院对 60kg/m钢轨的原始弹性弯曲矢度 foe、塑性矢度 fop 等参数进行优化研究,这些参数在秦沈跨区间无缝线路设计中得到应用。公式如下 “波长不等模型”采用幂函数模式回归横向阻力方程(Q=Q0-ByZ+Cyn)分析 计算,运用势能的驻值理论,建立无缝线路的稳定计算公式,其允许温度力与钢轨压缩变形能 1、轨道框架弯曲变形能

7、 2、道床变形能 3、扣件的变形能 4有关。该 方法 数学推 导较为严密,但计算的过程比较的复杂,公式如下应用 VB 程序 对两种方法编程 计算,程序结果与铁路工务技术手册轨道和铁道工程(西南 交通 大学)书中范例在同条件下结果一致。笔者主要是针对传统和直线电机的线路最小曲线半径标准,用两种不同的稳定性计算模型,采用1667 根/km型枕道床 q=14.6-357.2y+784.7 y 0.75 同条件下的横向阻力,计算曲线半径 R=200m、R=500m 钢轨的允许温度力 P,计 算结果见 表 2。从两种稳定性 计算公式可见,两种模式地铁在无缝线路稳定性计算方法上没有明显的差别。两种稳定性计

8、算结果的差异原因可能在阻力的取值方式上,统一公式采用常阻力方式及安全系数 K=1.25 取值等因素。由于直线电机可适应较小的曲线半径,为保证轨道平顺性,应尽量铺设无缝线路。由表 2 计算的允许温度压力可见,曲6线半径越小允许的温度力越小,可允许温升也越小,因此直线电机轨道结构应尽量高温锁定。5 结语直线电机做为国内一种新的城市轨道交通模式,由于车辆的转子安装在轨道线路中,轨道结构参数选取与车辆结构的匹配尤为重要。通过对比分析传统和直线电机地铁系统线路轨道标准、无缝线路强度、稳定性检算几个方面,直线电机曲线半径条件应做为无缝线路的控制因素。直线电机地铁由于车辆轻、转向架固定轴距小的特点,可适当提高锁定轨温,有利于轨道稳定。对于直线电机这种新的城市轨道交通模式,无缝线路设计的强度及稳定性检算的参数选取还需在实践中逐步优化。参考 文献 :1 广钟岩.铁路无缝线路M.北京: 中国 铁道出版社,2001.72 铁道部工务局.轨道K.北京: 中国铁道出版社,2000.3 郝 赢.铁道工程.北京:中国铁道出版社 ,2002.4 胡基士 .线路异步电机在城市轨道交通的应用J.电力机车技术,2001(1)