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。
 
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
    对于直线电机车辆应考虑其转子与定子间吸力,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》(TB—2034—88)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 β、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 40~50kN/mm;传统地铁其刚度均小于 30kN/mm。由于
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,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 δgd=107·5MPa, 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