1 概述

    城市軌道交通采用以旋轉電機驅動為代表的傳統(tǒng)地鐵的歷史源遠,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)力的一種技術模式。城市軌道交通的另一種新的模式是直線電機驅動系統(tǒng),此項技術從20世紀70年代后期,主要是國外(德國、日本等)開始研制,直到20世紀中才應用于鐵路運輸、煤礦、冶金等自動化生產(chǎn)各方面。其中直線電機在鐵路運輸方面的應用尤為引人關注。城市軌道交通用直線電機是采用直線同步電動機,實質就是把直線電機的初級(定子)安裝在車上,次級(轉子)鋪設在線路上,需要接觸軌和變流器牽引驅動的一種技術模式。

    2003年廣州市城市軌道交通地鐵四號線在國內首次采用直線電機技術,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、六號線及北京市機場線均采用該項技術。筆者主要對兩種運營模式下,對無縫線路的強度和穩(wěn)定性做一個分析比較。

  2 線路軌道主要技術標準比較

 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‰。直線電機線路設計一般地段最大坡度為50‰,困難地段可采用55‰。直線電機理論計算的最大爬坡能力在100‰,但實際應用值到80‰。在無縫線路強度檢算中,應注重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;直線電機車輛設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,軌道結構的強度穩(wěn)定性需進一步的檢算。

  2.3 車輛主要參數(shù)比較

傳統(tǒng)地鐵B型車輛及直線電機主要參數(shù)見表1。

    其中,對于直線電機車輛應考慮其轉子與定子間吸力,廣州市四號線直線電機車輛采用日本技術,其吸力20kN,縱向推進力最大可達到40kN,在軌道強度檢算過程中均應考慮此部分的影響。

   3 無縫線路鋼軌強度檢算

依據(jù)《鐵路軌道強度檢算法》(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)長梁進行檢算。鋼軌軌底動拉應力與軌道結構剛度D、速度V、偏載系數(shù)β、曲線水平力系數(shù)f等因素有關。

     直線電機車輛在動態(tài)運行的過程,為有效的保證輸出功率,軌道結構剛度的連續(xù)性尤為重要。直線電機強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)地鐵軌底的拉應力δgd=107·5MPa,動位移yd=1.4mm。直線電機軌底的拉應力Md=98.9MPa,動位移yd=1.1mm。

    直線電機車輛軸重輕,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,直線電機鋼軌只是導向牽引作用,強度檢算計算應力小,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。國內無縫線路穩(wěn)定性分析研究理論很多,其中應用比較廣泛有“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,最早較多的應用于50kg/m鋼軌,后長沙鐵道學院對60kg/m鋼軌的原始彈性彎曲矢度foe、塑性矢度fop等參數(shù)進行優(yōu)化研究,這些參數(shù)在秦沈跨區(qū)間無縫線路設計中得到應用。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,其答應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。該方法數(shù)學推導較為

嚴密,但計算的過程比較的復雜,公式如下

    應用VB程序對兩種方法編程計算,程序結果與鐵路工務技術手冊《軌道》和《鐵道工程》(西南交通大學)書中范例在同條件下結果一致。筆者主要是針對傳統(tǒng)和直線電機的線路最小曲線半徑標準,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鋼軌的答應溫度力P,計算結果見表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。由于直線電機可適應較小的曲線半徑,為保證軌道平順性,應盡量鋪設無縫線路。由表2計算的答應溫度壓力可見,曲線半徑越小答應的溫度力越小,可答應溫升也越小,因此直線電機軌道結構應盡量高溫鎖定。

   5 結語

    直線電機做為國內一種新的城市軌道交通模式,由于車輛的轉子安裝在軌道線路中,軌道結構參數(shù)選取與車輛結構的匹配尤為重要。通過對比分析傳統(tǒng)和直線電機地鐵系統(tǒng)線路軌道標準、無縫線路強度、穩(wěn)定性檢算幾個方面,直線電機曲線半徑條件應做為無縫線路的控制因素。直線電機地鐵由于車輛輕、轉向架固定軸距小的特點,可適當提高鎖定軌溫,有利于軌道穩(wěn)定。對于直線電機這

種新的城市軌道交通模式,無縫線路設計的強度及穩(wěn)定性檢算的參數(shù)選取還需在實踐中逐步優(yōu)化。