高速磁浮道岔转辙控制时序的制作方法

本发明涉及一种能够解决现场试验确定转辙时序方法所存在的现场时序调试工作量大，调试过程中易导致道岔部分结构损坏，短时间内无法确定道岔合适的转辙时序问题的高速磁浮道岔转辙控制时序，属于城市轨道交通技术领域。

背景技术：

（1）朱志伟.高速磁浮线高速道岔驱动布置的研究[j].城市轨道交通研究，2011(5):83。该文献介绍了世界上首副电机驱动、齿轮齿条传动的高速磁浮线高速道岔的驱动方案。通过几何非线性分析，对不同驱动布置方案下的高速道岔转辙过程的特性进行对比，得到了支点到位位置偏差小，线形、主梁应力和驱动力变化平缓，经济性好的布置方案。本文献所列5个方案，只是对主动支点进行简单组合，没有对主动支点的核心设计方法和原理进行研究，没有对主动支点的驱动时序进行研究，驱动时序将影响道岔梁的驱动功率和转辙应力。文献中没有涉及道岔转辙时序设计方法。

（2）张宏君.高速磁浮线路道岔钢梁移位过程及其数值分析[j].城市轨道交通研究，2010(7):32。该文献介绍了高速磁浮线路道岔主体结构为一连续箱形截面钢梁。采用端部刚接和铰接两种支座条件、梁单元和壳单元两种计算模型,从结构受力角度对道岔切换方案进行了数值计算,并对计算结果进行了比较分析。在进行计算时，如果不要求得到截面上的细部结果,可用梁模型进行计算；如果要得到截面上的细部结果，就必须采用壳模型进行计算，获取相应的数据。文献只是对其所列一种驱动方式进行了有限元计算，主要研究了梁单元和壳单元在计算中的影响，研究了端部刚接和铰接的区别。文献中未涉及道岔转辙时序设计方法。

（3）目前，国内高速磁浮道岔的转辙时序没有形成系统性研究成果，主要是通过现场试验的方法确定道岔转辙时序。现场试验确定转辙时序的方法存在现场时序调试工作量大，调试过程中易导致道岔部分结构损坏，短时间内无法确定道岔合适的转辙时序。缺少一种系统的设计方法，不仅浪费人力，效率低而且不够精准。

技术实现要素：

设计目的：避免背景技术中的不足之处，设计一种能够解决现场试验确定转辙时序方法所存在的现场时序调试工作量大，调试过程中易导致道岔部分结构损坏，短时间内无法确定道岔合适的转辙时序问题的高速磁浮道岔转辙控制时序。

设计方案：高速磁浮道岔分为高速道岔和低速道岔两种，均为可挠道岔，道岔梁长度在道岔梁体在台车作用力下发生弹性变形至理论线形。驱动台车的运动时序对驱动台车功率、道岔梁使用寿命、台车轮运行轨迹有很大影响。因此，高速磁浮道岔转辙时序为道岔设计阶段的核心内容。

该设计方法由确定关键台车布置位置、确定转辙时序关键要素、提出转辙时序控制方法、通过对比计算和优化确定转辙时序四个步骤中的一种或多种组合而成。

（1）关键台车布置位置

如图1所示，根据道岔线形要求“直线-缓和曲线-圆曲线-缓和曲线直线”，由5个分段函数组成的平面组合来拟合道岔钢梁的弯曲曲线，道岔梁要在集中载荷驱动下须达到如上三段曲线（缓和曲线-圆曲线-缓和曲线）组成的变形曲线。

由静力学可知集中载荷作用下道岔梁横向弯曲计算简图如图2所示，用内力分析截面法计算道岔梁任意位置处的剪力及弯距，2#~6#间假设距2#点距离为x的任意位置截面，则该截面内弯矩为，其中l1为0#-2#之间的距离。又由弯曲状态下梁轴线弯矩与曲率的关系公式：

对于2#~6#之间为圆曲线，即曲率半径为一定值，抗弯刚度相对于道岔梁为一常量，所以有：

从而可得p0=p2，同理可得p6=p8

根据材料力学分析，1#~4#点间道岔梁横截面上剪力为零，而弯矩为常量，于是此段为纯弯曲，截面只有正应力而无剪应力，弯曲曲线为纯圆曲线。

根据以上分析可知，关键驱动台车布置时必须位于线形转换点上，这样才能保证道岔梁要在集中载荷驱动下达到如上三段曲线（缓和曲线-圆曲线-缓和曲线）组成的变形曲线，保证了列车过岔的舒适性和安全性。

（2）确定转辙时序关键控制要素

通过对高速磁浮道岔梁的理论研究和设计验算发现，在既定的驱动台车布置方案下，不同的转辙时序对道岔梁体的应力、台车驱动功率、台车运行轨迹有很大影响。

道岔梁体的最大应力随着转辙过程不断变化，不同的转辙时序产生不同的最大应力值，直接影响道岔的使用寿命，所设时序必须满足道岔的疲劳应力幅值。

台车的驱动功率由转辙过程中台车最大反力决定，道岔转辙过程中时序不同会导致台车最大反力值不同，尽可能选取台车反力值较小的转辙时序，便于降低驱动功率。

台车运行轨迹尽可能偏于圆曲线，便于生产制造。

（3）转辙时序控制方法

如图3所示，根据转辙时序关键要素对比计算确定2#-5#-8#台车驱动方案，道岔在0#支点固定，位于支1#、2#、5#、8#处的驱动台车对道岔施加侧向力，强制道岔钢梁发生弹性变形，使道岔1#、2#、5#、8#支点达到要求的预定位置，同时3#、4#、6#、7#点到达锁定装置允许的偏差范围内，满足下一步锁定的要求。

根据转辙时序关键控制要素，确定道岔变形过程、驱动力要求和梁体应力等关键数据。道岔转辙时，支点1#、2#、5#、8#通过驱动电机提供驱动力，0#支点固定，其余支点从动，其中在6#点处设置车档，以更好的满足道岔驱动到位时的线形。由于道岔设计线形只是在通车时才会有用，因此道岔的转换过程可以有多种形式，将其转辙时序设定如下：

时间平均法—单位时间内各驱动点同时启动、匀速前进、同步到达.

分布启动平均法--在满足总转换时间要求的情况下，分步启动、匀速前进、同步到达;

点位差补法--按线形形成的过程、差补中间关键点，要求各关键点同时到位;

主动跟随法--通过8#台车部位作为主驱动，其余各点跟随运动，在最后1#、2#、5#驱动到位;

而上述的方法中，点位差补法由于驱动系统软件编制难度大、电机运行时间短，不足以体现其优点；主动跟随法在最后驱动受力大不予考虑。

上述驱动方案的优化目的为道岔运动过程驱动功率、梁内应力不超过设计值、台车运行轨迹基本保持圆形，以利轨道部分设计。

（4）计算和优化确定转辙时序和锁销锁定时序

根据上述四种转辙时序控制方法进行分析，考虑到驱动力和驱动系统软件编制问题，确定时间平均法和分布启动平均法为计算优化对象。

时间平均法：支点1#、2#、5#、8#在相同的时间内，同时到达设定位置，计算在此过程过程中道岔的最大应力、台车驱动力、台车走行轮轨迹。

分布启动平均法：为了降低整体电机启动总功率，将驱动台车进行分布启动，根据道岔转辙特点，按以下先后次序进行时序布置计算对比；

1）1、2、5、8三个支点分步开始启动，5支点比8支点延迟，1、2支点比5支点延迟（5#支点启动前跟随道岔梁随动）；

2）1、2、5、8三个支点分步开始启动1、2、5支点同步，均比8支点延迟（5#支点启动前跟随道岔梁随动）；

3）1、2、5、8三个支点分步开始启动，1、2支点比8支点延迟，5支点比1、2支点延迟（5#支点启动前跟随道岔梁随动）。

采用有限元软件建立道岔梁模型，划分网格，设置载荷步控制，按既定方案施加位移荷载，计算在此过程中道岔的最大应力、台车驱动力、台车走行轮轨迹。将上述方案的计算结果进行对比和优化，依据转辙时序关键确定道岔转辙时序和锁销锁定时序。

技术方案：一种高速磁浮道岔转辙控制时序，其特征是：（1）确定关键台车布置位置，保证了道岔梁在驱动台车的作用下转辙到位后实际线形和理论线形的一致性；

（2）通过有限元进行线形拟合计算，对本方法布置的驱动台车实际线形和理论线形各点的x坐标和y坐标值在转辙到位后进行比较，确保道岔转辙线形的准确性；

（3）根据高速磁浮道岔的结构特征，提出转辙时序关键要素：驱动功率、梁体应力、台车运行轨迹，降低了道岔的驱动功率，提高了道岔的使用寿命；

（4）根据高速磁浮道岔的转辙特征，转辙时序控制方法按分布启动平均法：在满足总转换时间要求的情况下，分步启动、匀速前进、同步到达、点位差补法----所述点位差补法按线形形成的过程、差补中间关键点，要求各关键点同时到位、主动跟随法----即通过8号台车部位作为主驱动，其余各点跟随运动，在最后驱动到位，解决各类可挠道岔转辙时序方案设计。

（5）通过有限元软件对道岔梁体进行建模，对前期根据道岔转辙特征提出的转辙时序方法进行对比计算和优化，依据转辙时序关键要素确定转辙时序，降低现场时序调试工作量，降低调试过程的产品破坏风险。

本发明与背景技术相比，解决了现场试验确定转辙时序方法存在的现场时序调试工作量大，调试过程中易导致道岔部分结构损坏，短时间内无法确定道岔合适的转辙时序的问题，具体体现在：一是本发明由确定关键台车布置位置、确定转辙时序关键要素、提出转辙时序控制方法、通过对比计算和优化确定转辙时序四个步骤中的一种或多种组合而成；二是提出了道岔关键台车布置位置的理论和方法，保证了列车过岔的舒适性和安全性；三是提出了转辙时序关键要素，为道岔梁转辙时序设计提供了优化控制目标；四是提出了转辙时序控制方法，提高了道岔梁的整体使用寿命，降低了台车的驱动功率；五是实现了道岔设计阶段转辙时序的确定，大幅度降低了现场调试的工作量，提高了道岔现场调试效率，降低了调试过程的安全风险；六是本发明具有设计效率高，灵活性强、节能减耗、结果准确的特点；七是本发明可扩展应用在各类可挠道岔的转辙时序设计中（中低速磁浮、跨座式单轨、悬挂式单轨、旅游观光轻轨等领域）。

附图说明

图1是高速磁浮道岔线形示意图。

图2是高速磁浮道岔受力简图。

图3是高速磁浮道岔转辙驱动台车布置图。

图4是高速磁浮道岔台车走线轮轨迹曲线。

图5是时间平均法-驱动力变化图。

图6是时间平均法-梁长方向应力分布图。

图7是分布启动平均法1-驱动力变化图。

图8是分布启动平均法1-梁长方向应力分布图。

图9是分布启动平均法2-驱动力变化图。

图10是分布启动平均法2-梁长方向应力分布图。

图11是分布启动平均法3-驱动力变化图。

图12是分布启动平均法3-梁长方向应力分布图。

具体实施方式

实施例1：参照附图1-12。一种高速磁浮道岔转辙控制时序，具体涉及高速磁浮道岔转辙控制时序。本发明方法由确定关键台车布置位置、确定转辙时序关键要素、提出转辙时序控制方法、通过对比计算和优化确定转辙时序一种或多种组合而成。

（1）关键台车布置位置

如图2所示，根据道岔线形要求“直线-缓和曲线-圆曲线-缓和曲线-直线”，由5个分段函数组成的平面组合来拟合道岔钢梁的弯曲曲线。通过材料力学分析，2#~6#点间道岔梁横截面上剪力为零，而弯矩为常量，于是此段为纯弯曲，截面只有正应力而无剪应力，弯曲曲线为纯圆曲线。根据分析可知，关键台车布置时必须位于线形转换点上。

如图3所示，0#、2#、6#、8#位置处必须设置关键台车，其中0#点为回转台车。为了保证道岔梁的垂直静刚度满足不大于1/15000、横向静刚度满足不大于1/15000的使用要求，分别在1#~2#间增加1组台车、2#~6#间增加2组台车、6#~8#间增加1组台车以提供垂直和横向支撑，并计算其刚度值满足要求。。需要注意的是2#台车的横向位移量较小，通过阶梯销进行驱动，0#~2#之间增加的台车无法实现随动设计，需与2#台车同步驱动。

增台车后对2#-4#-8#台车驱动、2#-5#-8#台车驱动、2#-6#-8#台车驱动的三种驱动方式进行有限元计算。计算发现在前两种工况中，6#台车的坐标已越过理论位置，故在前两种工况中需对6号台车处进行限位，即6号台车到位后会限制其继续运动，此设置方法会很大程度上提高道岔驱动到位后线形的精确度，锁定销的受力状况。

对上述三种驱动方式进行计算（梁体应力、驱动力、台车走行轮轨迹），道岔梁转辙到位后的梁体应力、台车驱动力进行对比，将6#驱动点移设在5#位。故在0#设置回转台车，2#、4#位为从动台车，驱动台车布设在1#、2#、5#、8#位，对道岔梁提供侧向力，强制道岔钢梁发生弹性变形，使道岔各支点达到系统要求的预定位置，并且使整根道岔曲线形状满足系统要求。

（2）计算和优化确定转辙时序

如图3所示，根据上述四种转辙时序控制方法进行分析，考虑到高速磁浮道岔转辙特点，确定时间平均法和分布启动平均法为计算优化对象。

时间平均法：支点1#、2#、5#、8#在相同的时间内，同时到达设定位置，计算在此过程过程中道岔的最大应力、台车驱动力、台车走行轮轨迹。

分布启动平均法：为了降低整体电机启动总功率，将驱动台车进行分布启动，根据道岔转辙特点和上述分析，支点1#、2#、5#、8#的运动位移依次增大，1、2、5、8三个支点分步开始启动，按照道岔实际运行时间12s进行设定，确定以下三种方案；

1）1、2、5、8三个支点分步开始启动，5支点比8支点延迟2s，1、2支点比5支点延迟2s（5#支点启动前跟随道岔梁随动）；

2）1、2、5、8三个支点分步开始启动1、2、5支点同步，均比8支点延迟（5#支点启动前跟随道岔梁随动）4s；

3）1、2、5、8三个支点分步开始启动，1、2支点比8支点延迟1s，5支点比1、2支点延迟1s（5#支点启动前跟随道岔梁随动）。

使用有限元软件建立道岔梁模型，0#点设为铰支约束，6#点设置到位限制，5#号点随动-驱动切换。分别对时间平均法和分布启动平均法进行仿真计算，整个过程采用载荷步进行加载，将道岔梁应力、台车反力、台车走行轮轨迹作为目标输出。

由有限元仿真计算结果（图5~图12）可以看出，1、2、5、8三个支点分步开始启动，1、2支点比8支点延迟1s，5支点比1、2支点延迟1s（5#支点启动前跟随道岔梁随动）此方案下，道岔梁的台车驱动力最小、梁体应力满足要求，通过有限元软件导出台车轮轨迹（图5）所示，满足齿条加工要求。输出转辙到位后1#~8#号点各台车的坐标，需在锁定销的活动范围内。锁定时，由于6#处为限位，故先锁定6#台车，其余台车可同步锁定，锁定完成后对道岔梁右端轨面端锁进行锁定，锁定完成后释放台车驱动力。

通过本设计方法亦可进行驱动台车协同运动，在道岔转辙过程中根据驱动电机功率时刻调整驱动台车的转辙速度和位置，道岔驱动台车进行协同运动，保持道岔梁在圆曲线段l2处为恒弯矩，将道岔梁在转辙过程中的峰值应力消除。

需要理解到的是：上述实施例虽然对本发明的设计思路作了比较详细的文字描述，但是这些文字描述，只是对本发明设计思路的简单文字描述，而不是对本发明设计思路的限制，任何不超出本发明设计思路的组合、增加或修改，均落入本发明的保护范围内。