1000km_h真空管磁浮纵断面参数取值研究.pdf
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1、glevReNO.9(Ser.300)JOURNALOF RAILWAY ENCINEERING SOCIETY第9期(总30 0)Sep2023报程学道铁2023年9 月文章编号:10 0 6-2 10 6(2 0 2 3)0 9-0 116-0 61000km/h真空管磁浮纵断面参数取值研究刘超吴昊曲士荣米*王飞张蕾(中铁第一勘察设计院集团有限公司轨道交通工程信息化国家重点实验室,西安7 10 0 43)摘要:研究目的:真空管超高速磁浮是实现超高速轨道交通发展的重要方式,本文基于10 0 0 km/h速度需求,参考高速磁浮、高速铁路系统研究成果,展开选线设计中纵断面参数分析并给出纵断面参数
2、建议值。研究结论:(1)考虑安全因素和运行控制系统的特点,真空管超高速磁浮线路纵坡不宜大于50%o;(2)综合考虑速度、垂向加速度、纵坡、横坡、平曲线半径的影响,最小竖曲线半径一般不宜小于7 8 0 0 0 m,困难条件下不宜小于6 50 0 0 m;(3)考虑超高速运营需求,线路竖曲线间应设置缓和曲线,缓和曲线线形建议采用三次抛物线,其最小长度一般条件下不宜小于56 0 m,困难条件下不宜小于335m;(4)本研究成果可以应用于超高速磁浮项目工程线路设计。关键词:超高速磁浮;低真空管道;纵断面参数;竖曲线半径;缓和曲线;最大纵坡中图分类号:U212.3文献标识码:ATube MaLIU Ch
3、ao,WU Hao,QU Shirong,WANG Fei,ZHANG Lei(State Key Laboratory of Rail Transit Engineering Informatization,China Railway First Survey and Design Institute GroupCo.Ltd,Xian,Shaanxi 710043,China)Abstract:Research purposes:Vacuum tube ultra high-speed maglev is an important way to achieve the development
4、of ultra high-speed rail transit.This article based on the speed requirements of 1 000 km/h and research results of high-speed maglev and high-speed railway systems,analyzed the longitudinal parameters in route selection design andprovided recommended values for the longitudinal parameters.Research
5、conclusions:(1)Considering the safety factors and the characteristics of the operation control system,thelongitudinal slope of the vacuum tube ultra-high-speed maglev line should not be greater than 50%o.(2)Consideringthe influence of speed,vertical acceleration,longitudinal slope,transverse slope a
6、nd radius of horizontal curve,theminimum vertical curve radius should not be less than 78 000 m in general,and should not be less than 65 000 m underdifficult conditions.(3)Considering the needs of ultra-high-speed operation,the entire line of relief should be setup between the vertical curves of th
7、e line.It is recommended to use a cubic parabola for the shape of the relief curve.The minimum length should not be less than 560 m under normal conditions,and should not be less than 335 m underdifficult conditions.(4)The research results can be applied to the engineering alignment design of ultra-
8、high-speedmaglev projects.Key words:ultra-high-speed maglev;low vacuum pipeline;profile parameters;vertical curve radius;transitioncurve;maximum longitudinal slope米收稿日期:2 0 2 3-0 6-2 0基金项目:陕西省重点研发计划项目(2 0 2 3-YBGY-334)*作者简介:刘超,1991年出生,男,工程师。超吴刘第9 期曲士荣等:10 0 0 km/h真空管磁浮纵断面参数取值研究117低真空管道超高速磁浮技术1,2 基于超
9、高速磁悬浮系统,利用密闭的管隧结构创造出110 1kPa的低真空环境以减小空气阻力,理论上使车辆运营速度能够超过10 0 0 km/h,是近年来国内外学者的研究热点,也是未来交通行业的发展方向。其运行成本低、旅行时间短、无噪声污染、车站可修建于市中心的优势使其具有广阔的应用前景,在国家交通产业发展中具有重要战略地位3目前,国内外学者从不同的角度对真空管道交通技术方案进行了研究,系统技术主要有瑞士SWISSMETRO方案、美国Hyperloop系统和西南交通大学高温超导磁浮技术4-6)。国内外科研机构也提出了多种形式的管隧结构并进行了承载能力分析7-9,但大多数研究仅停留在基础理论层面,缺少针对
10、工程应用的关键参数研究,尤其是工程设计中的线路关键参数研究仍旧处于空白。本文基于10 0 0 km/h速度条件下低真空管道超高速磁浮交通运行特点和舒适度要求,借鉴和参考高速常导磁浮线路研究思路,对线路纵断面参数取值进行研究,并给出了参考建议值,为工程试验线建设提供参考。1真空管磁浮结构及线路特点真空管磁浮线路可采用高架、隧道、地面等方式,其线路工程须具备高安全性、高密封性和高可靠性,本文研究所采用的真空管梁采用钢混组合的形式,外部呈U形。该系统悬浮车辆采用“环抱”模式包裹在支撑轨道上,不存在列车脱轨问题;车辆动力来源于线路轨道而不是车钩,车钩中纵向力小且受力均匀,车辆采用密接式车钩联结,不存在
11、脱钩问题,开展系统分析时可不考虑这两项因素。因此,为了保证车辆10 0 0 km/h的运行需求,除保证结构承载力满足要求、结构变形满足要求外,线路研究参数主要包括限制坡度、竖曲线及缓和曲线。2限制坡度真空管磁浮系统线路最大坡度取值主要是根据列车的编组、牵引和制动能力,通过牵引计算得出线路设计坡度限值。多编组磁浮列车车体主要参数如表1所示。结合列车主要参数,换算为线路纵坡要求,能够克服的最大纵坡在困难情况下为10 0%o,建议一般条件下纵坡取值不大于6 0%0。根据运行控制系统的要求,正常运营时车辆需停在辅助停车区或车站内,因此建议停车区纵坡不大于50%o。表1多编组磁浮列车车体主要参数车体指标
12、主要参数车辆编组3节(铰接形式)空车重量31t(头、尾车)/2 4t(中间车)定员满载重量34t(头、尾车)2 7 t(中间车)悬浮架定距18m车辆长度26400mm(头车)/18 40 0 mm(中间车)车辆宽度3210mm(包括导向装置)车辆高度3200mm(悬浮状态)车辆高度3385mm(支撑状态)牵引功率允许1.0 m/s2最大加速度3竖曲线参数研究根据行驶动力学原理,将列车视为质点,在空间曲线上任意点,列车的垂向加速度分量为(/3.6)(/3.6)RHsin cos+gcos+a,cos-g-Rv(1)则由式(1)变形得竖曲线半径公式为(u/3.6)cosRvmin=g(cosaco
13、p-1)+(v/3.6)sina.cosRHazmax(2)式中Rvmin最小竖曲线半径;V列车运行速度;线路横坡;线路纵坡;R平曲线半径;azmax允许最大竖向加速度。3.1速度与允许竖向加速度当横坡与纵坡一定时,竖曲线半径与速度的关系可简化为式(3)。可以看出,允许竖向加速度一定的情况下,竖曲线半径与速度的平方成正比;当速度一定时,竖向加速度限值与允许的竖曲线半径成反比,与竖曲线线形是凹曲线还是凸曲线无关。(0/3.6)2(3)Rminazmax3.2纵坡及横坡不考虑横坡的影响时,竖曲线半径与纵坡的关系可简化为式(4)Rvmin(0/3.6)2(4)g(cos-1)-a,zmax可以看出,
14、对于凹曲线,竖向加速度方向与重力加速度方向一致,因此纵坡越大,分母的绝对值越大,竖曲线半径越小;对于凸曲线,竖向加速度方向与重力加速度方向相反,因此纵坡越大,分母的绝对值越小,竖2023年9 月报程道学铁118曲线半径就越大。采用吴昊等10 的研究成果,考虑一定安全余量,凹曲线横坡坡度取0%,凸曲线横坡坡度取6%。由于纵坡值较小,最大不超过6%,取极限值时,重力分量也只有0.0 2 m/s,结合表2 可以看出,当纵坡坡度由零增大至7%时,竖曲线半径取值增大了约2%,影响较小,因此纵坡可忽略不计。表2纵坡对竖曲线半径的影响(单位:m)纵坡列车运行速度/(kmh-)/%2004006008001
15、0000308712346277784938377 1612308112.3222772449 2877701043 0631225027 56248 99976.5605305012 19727 44248 78576 22663 0331213227 2964852775 8237301512.05727 12748 22575.351平曲线产生的离心加速度,在横坡的作用下,会产生一个垂直于轨面向下的分量,由下式求得:(u/3.6)2,(5)a=sinR对于凹曲线,它所产生的垂向加速度与竖曲线产生的垂向加速度方向相同,加剧了竖曲线造成的不适,因此横坡越大,允许竖曲线造成的垂向加速度值就越小
16、,相同速度下要求的竖曲线半径就越大。对于凸曲线,它所产生的垂向加速度与竖曲线产生的垂向加速度方向相反,可以减轻竖曲线产生的垂向加速度作用,因此横坡越大,允许竖曲线造成的垂向加速度就越大,相同速度下要求的竖曲线半径就越小。因此,建议凹曲线按横坡取最大值考虑,凸曲线按横坡取最小值考虑。3.3平曲线半径当纵坡一定时,竖曲线与横坡及平曲线半径的关系可简化为式(6)(0/3.6)Rvmin(/3.6)2g+azmax(6)g+tanRHcos可以看出,当平、竖曲线重叠,横坡与平曲线半径对竖曲线最小半径的影响比较复杂。由于凹曲线与凸曲线的垂向加速度方向不同,需分别分析。横坡一定的情况下,对于凹曲线,竖向加
17、速度方向与重力加速度方向一致,g-(g+a z ma x)/c o s 为负值,(u/3.6)2tan为正值,因此平曲线半径越大,式(6)R的分母绝对值就越大,要求的竖曲线半径就越小,极端情况下没有平曲线时,竖曲线半径最小。反之,平曲线半径越小,则要求的竖曲线半径就越大。偏于安全考虑,在平、竖曲线重叠的时候,竖曲线最小半径按平曲(/3.6)线半径取最小值考虑,即=av平曲线半RHymaxo径对凹曲线半径的影响如表3所示表3平曲线对凹曲线的影响ammx=1.0 m/s*,=12,=500 km/hR/mRv/m6 25032.9617 00029 427800026 4709.000245521
18、000023 20611 0002221012.00021 44313.00020 83414 00020 34016 000195841800019 0332000018 615对于凸曲线,竖向加速度方向与重力加速度方向相反,g-(g+zmax)/c o s 在横坡不足16、垂向加速度不大于1m/s的情况下,恒为正值,因此平曲线半径越大,式(6)的分母绝对值就越小,允许的竖曲线半径就越大。偏于安全考虑,凸曲线最小半径按平曲线半径无穷大(直线)考虑。综上所述,对于凹曲线,允许的垂向加速度一定的情况下,纵坡越小、横坡越大、平曲线半径越小,满足舒适度要求所需的最小竖曲线半径就越大;对于凸曲线,则纵
19、坡越大、横坡越小、平曲线半径越大,满足舒适度要求所需的最小竖曲线半径就越大。因此,对于凹曲线,按纵坡=0%计算时不同垂向加速度要求的竖曲线半径如表4所示;对于凸曲线,按无横坡、纵坡=6%计算的满足不同垂向加速度要求的竖曲线半径如表5所示。表4满足垂向加速度要求的凹曲线最小半径(单位:m)/(km h-1)a,=1.0 m/sa,=1.2 m/s25002000017 0006002800024.0007003800032.0008005000042.00090063 000530001 00078 00065 0001 200112.000930001 500174.000145.000超昊吴
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