高温超导电动悬浮轨道结构研究

谭 斌

（中铁二十三局集团轨道交通工程有限公司 上海 201300）

1 引言

随着时代的发展，轨道交通已经从蒸汽机、内燃机以及火车头时代逐渐演变到高铁时代。为了进一步提高车辆速度，提高车辆运输效率、效能以及运输品质，磁浮技术引起了人们的关注。它突破了传统的轮轨接触，实现了列车与轨道之间的无接触运行，具有众多优势，是目前唯一能达到500 km／h的地面客运交通工具[1]，成为未来轨道交通的重要发展方向。

磁悬浮的基本原理是通过电磁感应产生的电磁力与物体自身重力互相抵消，从而达到悬浮的目的，具备较强的可控性[2]。一般的磁悬浮方式包括电动悬浮 EDS（Electrodynamic Suspension）、电磁悬浮EMS（Electromagnetic Suspension）和高温超导钉扎磁悬浮 HTS Maglev（High-Temperature Super-con-ducting Maglev）[3]三种技术形式。

电动悬浮系统基于动生原理，当导体切割磁场时，导体内便会产生感应磁场，进而产生电磁力，电磁力与重力平衡时即达到悬浮状态，也称磁斥式。电动悬浮型系统中悬浮力、感应磁场强度与相对速度呈正相关，无法实现静止悬浮。电动悬浮技术发展较为成熟，日本山梨线所使用的悬浮技术即为电动悬浮技术，目前已经进入准商业化应用阶段。

电磁悬浮系统主要包括电磁铁与导磁材料两部分。导磁材料与电磁铁之间会产生吸引力，借此可以实现悬浮，因此也称磁吸式。电磁悬浮技术发展较早，现已较为成熟，已实现了商业运营。我国上海高速磁浮线与长沙机场磁浮快线都运用电磁悬浮技术。

高温超导钉扎磁悬浮系统基于感生原理，该技术目前还处于试验验证阶段[4]。

为推动我国磁浮技术全面发展，由中车长春轨道客车股份有限公司牵头，联合相关单位建设了国内首条基于电动悬浮原理的试验线路，其车载超导材料选用高温超导材料。本文主要针对电动悬浮技术开展研究，通过对该试验线轨道结构相关研究工作进行概要总结，拟为后继此类磁浮轨道结构研究提供参考。

2 电动悬浮

美国科学家Powell等于1966年提出电动悬浮的概念，其悬浮、导向和推进全部通过车载磁体来实现，具有天然的稳定性，其悬浮能力更强、对轨道结构精度要求更低、更容易控制，并且安全系数高[5]。进一步地将其与真空管道技术相结合可以实现1 000 km以上的时速[6]，运用前景广阔。

在电动悬浮这一大类路线中，目前世界上又分为基于永磁体、低温超导磁体和高温超导磁体三类车载磁体的子路线。超导磁体相对于永磁体，可以提供数倍的磁动势和磁场，一方面使得满足同样悬浮力的条件下可大幅减小前进阻力，另一方面可以给轨道驱动定子提供更大的磁负荷，从而降低定子的建造成本。高温超导磁体相对于低温超导磁体，可在更高的温度工作，从而摆脱对液氦这一战略稀缺资源的依赖。目前日本铁道总研、韩国铁道技术研究所均在开发基于高温超导磁体的电动悬浮系统。

2．1 电动悬浮系统结构与原理

电动悬浮系统的驱动系统一般采用直线电机系统，但悬浮导向系统结构则有多种不同的选择，根据磁体作用于轨道的形式，分为线圈型和导电板型[7]。

2．1．1 轨道线圈型结构

该种结构下的感应线圈沿轨道连续铺设，根据线圈布置形式的区别，还可以分为零磁通电动悬浮结构与感应线圈电动悬浮结构两种不同的技术路线。

（1）零磁通电动悬浮结构

零磁通电动悬浮结构中，线圈水平安装于两侧，用来提供悬浮力；车体下方安装双边定子结构直线电机，用来提供导向力和牵引力，轨道一般采用T型，如图1所示。

（2）感应线圈电动悬浮结构

轨道一般为U型结构，轨道侧壁上安装“8”字型零磁通线圈，用来提供悬浮力和导向力；定子线圈也竖直安装在轨道侧壁上，用来产生牵引力，如图2所示。日本电动磁浮列车采用的就是感应线圈电动悬浮结构。

图2 感应线圈电动悬浮结构

2．1．2 轨道导电板型

在轨道导电板型结构中，使用导电板代替线圈型电动悬浮结构中的线圈，其轨道一般采用T型，如图3所示。因其结构简单，在高速弹射等军事领域应用较多。

图3 轨道导电板型电动悬浮结构

2．2 电动悬浮轨道结构研究现状

从20世纪60年代开始，美国、日本、韩国等开始进行电动悬浮研究工作，其中日本研究得更为透彻，已经进入准商业运营阶段，其在建的中央新干线计划于2027年投入运营。因本试验线采用感应线圈电动悬浮结构，因此重点对日本相关情况进行了调研。

2．2．1 轨道结构型式

20世纪70年代至80年代，为配合ML-500型列车的研发，研究人员在倒T型轨道两侧安装了液氦低温容器，并在其中设置了超导线圈[8]，实现了较为稳定的悬浮控制。1980年，采用U型导轨对宫崎试验线全线进行了改造。U型轨道两侧分层安装了“8”字线圈与直线同步电机定子线圈，分别用来实现悬浮、导向和驱动。在随后的山梨试验线、中央新干线都采用了U型轨道[9]。线圈的固定方式有四种，如图4所示。

图4 日本常用的四种轨道结构型式

（1）梁法

轨道梁采用混凝土结构，外观为矩形梁，线圈安装在轨道梁侧面，如图4a所示。从结构上讲，箱体结构稳定性好，在地面沉降后可以对轨道梁进行整体调整，进而维持轨道精度。

（2）面板法

主体结构为一个含有轨道的U型梁，线圈和导向轨通过封装壳板用螺栓安装在轨道梁上，如图4b所示。

（3）直接附着法

线圈通过螺栓直接安装在现浇梁侧壁上，如图4c所示。这种方法较为经济，但对现浇部分精度要求较高，且后期沉降后不便于调整。

（4）倒 T型法

采用具有自稳能力的倒T型截面轨道梁，如图4d所示，便于施工与后期调整，可以降低成本[10]。

2．2．2 轨道结构精度要求

因不存在脱轨问题，电动悬浮系统对轨道结构的精度要求主要从乘坐舒适度方面提出[11]。日本磁浮试验线路对轨道结构精度要求如表1所示。

表1 日本轨道结构施工精度要求

由表1可以看出，其精度要求比国内中低速磁浮轨道结构要求低。

2．2．3 弱磁性材料应用

因电动悬浮原理的需要，对轨道结构的磁阻力有特殊要求。市川篤司等对此进行了深入研究[12]，建议在超导体1.5 m范围内采用低磁性或非磁性材料，并对奥氏体高锰钢的应用进行了探索。Tatsuya Tamagaki等采用超高强纤维混凝土开发了新型轨道梁[13]，其混凝土强度高达150 MPa，相比采用C60混凝土的同样结构轨道梁，梁本身重量减少42%，成本更优。

3 试验线概况

本试验段为国内首条感应线圈电动悬浮试验线，轨道梁安装长度200 m。试验车辆最高速度15 m／s。车辆在0～15 m／s速度段的平均加速度为2.5 m／s2，涡流制动平均减速度4.84 m／s2。

4 高温超导电动悬浮轨道结构设计

4．1 轨道结构主要功能要求

（1）两侧用于安装长定子直线电机的三相线圈，以及“8”字悬浮／导向线圈。

（2）能承载后续研制整车重量（单车重量30～40 t，每延米重量约1.5 t）及运行要求。

（3）只设直线段。

（4）具有一定的垂向高度调节能力。

4．2 轨道结构安装精度要求

（1）线圈安装接口平面度公差：±2 mm／3 m。

（2）线圈定位孔尺寸公差：±0.5 mm。

（3）行走面接口处高度公差：±0.5 mm。

（4）导向面接口公差：±0.5 mm。

可以看出，轨道精度比日本线路要求更高，是出于减少轨道结构给系统带来的不确定影响考虑。

4．3 轨道结构设计

为满足上述功能需要，试验段采用倒T型轨道梁。轨道结构由钢筋混凝土底座、低弹性模量砂浆袋、轨道梁和定位螺栓组成。试验段安装在现有车间地面上，如图5所示。与日本倒T型结构相比主要创新在于将行走面与侧墙进行一体化预制，不但提高了各功能面的施工精度，而且轨道梁稳定性也有所提高。

图5 轨道结构

4．4 轨道梁设计

轨道结构的主要部件为轨道梁，考虑线圈尺寸、现场施工条件等因素，单片轨道梁长度取为5.710 m，设计重量为9.25 t，设计混凝土体积为3.7 m3。轨道梁型式如图6所示。

图6 轨道梁

4．5 轨道梁材料选用

（1）混凝土：C80聚丙烯纤维混凝土。

（2）受力筋：通过对比试验，综合考虑力学性能、固有频率、加工性能、磁阻力、成本等因素，选择玄武岩纤维筋方案。

（3）预埋件：弱磁性不锈钢。

4．6 轨道梁理论计算与力学试验

对轨道梁力学性能进行理论计算，并通过冲击试验、静载试验进行验证，数据显示各项指标符合设计要求。

5 轨道结构施工工艺与装备研究

5．1 轨道梁预制工艺研究

为便于脱模，采用倒立方式进行预制。相比于传统混凝土构件预制工艺，重点针对C80聚丙烯纤维混凝土配合比设计与质量控制、玄武岩纤维筋笼成型与吊装、高精度模板合模质量控制、高强纤维混凝土振捣质量控制、高精度同步脱模技术、翻身过程中的成品保护、高精度型腔面修补技术等重难点进行专项研究，均取得良好效果。

5．2 轨道梁预制装备研究

（1）高精度钢模

模具采用端模包侧模的结构形式，其中一块侧模采用固定方式，并与底模连成一体，见图7。活动侧模为“8”字线圈安装面，该部分要求最高，在对侧模构件进行时效处理后，采用数控加工机床对型腔面进行高精度成型加工。为保证脱模精度，采用液压同步脱模装置，并设置导向机构。为保证成型精度，仅在固定侧模上安装附着式振动器。预埋件采用螺栓与钢模进行固定。

图7 轨道梁钢模

（2）其他主要工装

为保证玄武岩纤维筋笼成型质量，制作绑扎胎具；同时为做好脱模、翻身、吊装等过程中对轨道梁的成品保护工作，制作了专用吊具。

5．3 轨道梁安装工艺研究

轨道梁安装工艺借鉴高铁轨道板施工技术，具体流程如图8所示。

图8 轨道梁安装工艺流程

5．4 轨道梁安装装备研究

为保证轨道梁精调精度并提高施工效率，开发了轨道梁运输、精调一体化设备，应用效果良好。

6 结束语

本文通过调研与理论计算，提出了新型的高温超导电动悬浮轨道结构。其轨道梁采用C80聚丙烯纤维混凝土，并布置玄武岩纤维筋来提升其力学性能，同时采用先进的施工工艺保证轨道梁的预制与安装精度。通过试验验证了轨道结构的相关性能，满足设计要求，为进一步推动高温超导电动悬浮技术工程化应用提供了参考。

目前试验线正在进行相关试验，下一步将根据试验数据对轨道结构、线圈固定接口、新材料应用、自动化施工等方面开展更深入研究，以早日达到工程化应用条件。