中低速磁浮轉(zhuǎn)向架綜合檢測技術(shù)研究和設(shè)備研制

龔樸

（北京磁懸浮交通發(fā)展有限公司長沙分公司，湖南 長沙 410003）

0 引言

中低速磁浮交通技術(shù)是依靠電磁力將列車懸浮，利用直線電機(jī)驅(qū)動的軌道交通技術(shù)，運(yùn)行時速為100～120千米。具有噪聲低、環(huán)保性能好、線路適應(yīng)性強(qiáng)(爬坡能力70‰)、乘坐舒適、運(yùn)行安全可靠，建設(shè)、維護(hù)成本低、運(yùn)營效益好等特點。適用于大中城市市內(nèi)、近距離城市間和旅游景區(qū)的交通連接[1-2]。中低速磁浮列車的走行部由多個磁懸浮轉(zhuǎn)向架組成，磁懸浮轉(zhuǎn)向架是中低速磁浮列車的重要部件，在中低速磁浮列車中多個磁懸浮轉(zhuǎn)向架之間的機(jī)械一致性直接影響磁浮列車的懸浮、導(dǎo)向、牽引和制動性能，是磁浮列車運(yùn)行品質(zhì)、運(yùn)行效率、乘客舒適感以及安全性的保證。目前，磁懸浮轉(zhuǎn)向架均是單個生產(chǎn)后再組裝成磁浮列車，多個磁懸浮轉(zhuǎn)向架之間的一致性主要依靠各磁懸浮轉(zhuǎn)向架自身的制造和裝配精度來保證，因此磁浮轉(zhuǎn)向架在進(jìn)行上軌裝配后，需要對中低速磁浮轉(zhuǎn)向架的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行測量[3-4]。

圖1 中低速磁浮列車及轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)Fig.1 Medium low speed maglev train and the structure of maglev bogie

中低速磁懸浮轉(zhuǎn)向架由左、右兩個獨立的懸浮模塊和防滾解耦機(jī)構(gòu)組成，左懸浮模塊和右懸浮模塊結(jié)構(gòu)相同，對稱布置在左右軌道上，兩個獨立的懸浮模塊再通過防滾解耦機(jī)構(gòu)連接。中低速磁懸浮轉(zhuǎn)向架在上軌裝配后，電機(jī)與軌道、電磁鐵與軌道之間都會存在一定的垂向間隙，其中直線電機(jī)與軌道的垂向間隙稱為電機(jī)氣隙，影響轉(zhuǎn)向架牽引運(yùn)行效率，電磁鐵與軌道之間的垂向間隙稱為懸浮氣隙，影響轉(zhuǎn)向架懸浮承載力。上述兩間隙過小時，還可能造成轉(zhuǎn)向架與軌道之間的刮碰，影響磁懸浮列車運(yùn)行安全性。所以上述兩個間隙是轉(zhuǎn)向架至關(guān)重要的性能參數(shù)，且這個兩個間隙的測量只能在軌道上進(jìn)行。另一方面，中低速磁懸浮轉(zhuǎn)向架的左右懸浮模塊存在繞各自軌道的側(cè)滾，側(cè)滾量與防滾解耦機(jī)構(gòu)的初始位置和姿態(tài)有關(guān)，且隨載荷變化而變化。懸浮模塊的側(cè)滾變化會改變電機(jī)與軌道、電磁鐵與軌道之間的最小間隙。因此，中低速磁懸浮轉(zhuǎn)向架懸浮模塊繞軌道的側(cè)滾量及其隨載荷的變化曲線，也是轉(zhuǎn)向架的關(guān)鍵性能指標(biāo)。

1 設(shè)備研制的目的和意義

目前在國內(nèi)，中低速磁懸浮車輛轉(zhuǎn)向架上軌裝配完成后，通常是采用卡尺、塞尺等間隙測量工具測量直線電機(jī)與軌道、電磁鐵與軌道內(nèi)外邊沿之間的間隙，來計算電機(jī)氣隙、懸浮氣隙和模塊側(cè)滾量；再根據(jù)測量結(jié)果調(diào)整轉(zhuǎn)向架防滾解耦機(jī)構(gòu)中的可調(diào)節(jié)吊桿，循環(huán)上述步驟，直至達(dá)到轉(zhuǎn)向架的設(shè)定要求。然后，在完成車體吊裝和車輛滿載后，分別測量上述兩個氣隙和模塊側(cè)滾量，并根據(jù)測量結(jié)果進(jìn)一步調(diào)整可調(diào)節(jié)吊桿。上述檢測過程通常在裝車裝置上通過手工測量的方式進(jìn)行，沒有一個系統(tǒng)的檢測平臺，其檢測過程和檢測設(shè)備過于簡單，檢測結(jié)果受軌道制造安裝精度、直線電機(jī)和電磁鐵等部件制造精度、以及測量人員人為因素的影響較大，存在檢測準(zhǔn)確性差、重復(fù)性差、檢測過程長、載荷變化的可控性差等缺陷，給保證整車多個轉(zhuǎn)向架的機(jī)械一致性帶來很大困難。

2 研制任務(wù)來源

在北京市國資委國有資本經(jīng)營預(yù)算“磁浮車輛轉(zhuǎn)向架產(chǎn)業(yè)化”項目支持下，結(jié)合轉(zhuǎn)向架試驗驗收條件，2014年5月開始進(jìn)行磁浮車輛轉(zhuǎn)向架綜合測試檢測裝置的研制工作。目標(biāo)是研制出能夠綜合評定磁懸浮轉(zhuǎn)向架總成的制造和裝配質(zhì)量的檢測裝置，符合轉(zhuǎn)向架產(chǎn)業(yè)化要求。

3 項目研究的主要內(nèi)容和主要技術(shù)指標(biāo)

3.1 使用范圍

本設(shè)備主要用于以下三個方面：① 轉(zhuǎn)向架總成生產(chǎn)廠對轉(zhuǎn)向架出廠前進(jìn)行質(zhì)量檢測；② 磁浮車輛總裝廠在車輛總裝前對轉(zhuǎn)向架總成進(jìn)行合格性檢測；③ 磁浮線路車輛段轉(zhuǎn)向架檢修完工后，對轉(zhuǎn)向架上車前進(jìn)行質(zhì)量檢測。

3.2 基本功能

轉(zhuǎn)向架綜合檢測裝置具備以下功能[5-7]：

（1）轉(zhuǎn)向架總成關(guān)鍵裝配尺寸檢測；

（2）轉(zhuǎn)向架總成垂向加載；

（3）指導(dǎo)防滾梁吊桿長度調(diào)節(jié)；

（4）測量轉(zhuǎn)向架的防滾性能。

3.3 主要技術(shù)參數(shù)

轉(zhuǎn)向架綜合檢測裝置除以上基本功能外，還可以進(jìn)行轉(zhuǎn)向架的防滾性能的測量、自動生成轉(zhuǎn)向架檢測報告等，其具體的技術(shù)參數(shù)如下所示：

表1 轉(zhuǎn)向架綜合檢測裝置主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters of bogie comprehensive inspection device

4 設(shè)備的結(jié)構(gòu)及組成

轉(zhuǎn)向架綜合檢測裝置的總體布局如圖2所示，主要由基準(zhǔn)軌及結(jié)構(gòu)平臺、間隙測量系統(tǒng)、滾動測量系統(tǒng)、垂向加載系統(tǒng)、液壓輪液路檢測裝置、測量控制與人機(jī)交互系統(tǒng)、剛性加載架、液壓系統(tǒng)和電控系統(tǒng)等組成[8-14]。

總體布局在5 m×5 m×2.8 m的空間內(nèi)，可安裝在總裝廠房或檢修廠房內(nèi)，也可與磁浮線路對接。設(shè)備下部設(shè)置基準(zhǔn)軌及結(jié)構(gòu)裝置模擬磁浮軌道，作為整個設(shè)備基礎(chǔ)平臺和檢測基準(zhǔn)。

圖2 中低速磁浮車輛轉(zhuǎn)向架綜合測試檢測裝置Fig.2 Comprehensive inspection device of bogie for medium low speed maglev vehicle

4.1 間隙測量系統(tǒng)

間隙測量系統(tǒng)是用于測量直線電機(jī)氣隙、電磁鐵氣隙的高精度測量系統(tǒng)，集自動運(yùn)行、自動測量、自動記錄等多項功能[15-16]。間隙測量系統(tǒng)由對射式激光測微計、高精度磁柵尺位移傳感器和間隙測量控制程序組成。

對射式微光測微計通過專用結(jié)構(gòu)件與直線驅(qū)動裝置連接。測量時通過直線驅(qū)動裝置沿轉(zhuǎn)向架運(yùn)行方向平移，進(jìn)行轉(zhuǎn)向架裝配完成后的直線電機(jī)與基準(zhǔn)軌之間的氣隙以及基準(zhǔn)軌與電磁鐵磁極面之間的氣隙測量，并記錄測量過程中氣隙的變化量。

基于間隙測量系統(tǒng)得到的測量數(shù)據(jù)，不但可以得到電機(jī)和電磁鐵氣隙的最小值，對轉(zhuǎn)向架總成的氣隙參數(shù)是否合格做出判斷，還可以通過適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)分析和特征提取，得出產(chǎn)生氣隙超差的可能原因，如近似估計直線電機(jī)極面的平面度、電磁鐵極面的平面度等。

對射式微光測微計用于測量直線電機(jī)間隙和電磁鐵間隙。對射式微光測微計選用專業(yè)光學(xué)傳感器，其測量精度和抗干擾能力完全滿足整機(jī)需要，間隙測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及測量原理如圖3所示。

圖3 間隙測量系統(tǒng)Fig.3 Clearance measuring system

4.2 滾動測量系統(tǒng)

滾動測量系統(tǒng)用于測量轉(zhuǎn)向架左右模塊繞基準(zhǔn)軌的滾動量、綜合支架的高度、轉(zhuǎn)向架防滾柔（剛）度，具有自動測量、自動記錄等功能。滾動測量系統(tǒng)由三個激光位移傳感器、傳感器支架、滾動測量控制程序組成，激光位移傳感器通過專用安裝結(jié)構(gòu)與傳感器支架連接。傳感器支架采用龍門架的形式，置于剛性加載架中間，與剛性加載架無連接，避免垂向加載系統(tǒng)工作時，傳感器支架變形，引起測量基準(zhǔn)的變化[17-18]。

滾動測量系統(tǒng)布置在基準(zhǔn)軌的上方對應(yīng)四個托臂的位置，與基準(zhǔn)軌形成“井”結(jié)構(gòu)。通過其中兩個激光位移傳感器測量托臂內(nèi)外側(cè)的高度，計算高度差，實現(xiàn)轉(zhuǎn)向架滾動量的測量；通過另一個激光位移傳感器再測出綜合支架上表面的高度，計算測量托臂上表面和綜合支架上表面的高度差，實現(xiàn)綜合支架安裝高度的測量，滾動測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及測量原理如4圖所示。

圖4 滾動測量系統(tǒng)及測量原理Fig.4 Rolling measurement system and measuring principle

4.3 液壓系統(tǒng)及液壓垂向加載系統(tǒng)

液壓垂向加載系統(tǒng)用于測量轉(zhuǎn)向架剛度時，模擬實際載荷變化的系統(tǒng)，能夠完成0～1.5 T的加載力連續(xù)可調(diào)。為實現(xiàn)“托臂滾動量測量”“轉(zhuǎn)向架仿滾柔（剛）度測量”提供加載功能。液壓系統(tǒng)由油箱、油泵電機(jī)、油泵、集成塊、液壓閥、壓力傳感器、壓力表、過濾器、管路等組成，所有液壓元器件均裝在油箱上，通過油管與各油缸相聯(lián)。

液壓系統(tǒng)設(shè)有壓力傳感器、比例伺服閥，具備閉環(huán)的壓力控制，以通過工控機(jī)控制實現(xiàn)無級壓力調(diào)整，并且可以預(yù)設(shè)壓力檔位，精確鎖定壓力值，自動方便地實現(xiàn)加載力的控制。通過恒壓變量泵和調(diào)節(jié)速度的比例伺服閥聯(lián)合控制，可精確的調(diào)整輸出流量，進(jìn)而實現(xiàn)油缸對轉(zhuǎn)向架的精確加載壓力控制。對轉(zhuǎn)向架進(jìn)行加載的4組油缸分別安裝在加載機(jī)架上，加載時通過比例閥實時調(diào)整流量，通過加載頭內(nèi)部安裝的壓力傳感器進(jìn)行實時反饋，從而達(dá)到規(guī)定的壓力值[19-20]。

液壓系統(tǒng)配備有安全閥，防止系統(tǒng)過載，同時配備液壓鎖緊功能，確保斷電時安全固定20分鐘以上。液壓系統(tǒng)還設(shè)計有一個熱交換器和一個冷卻風(fēng)扇以保證設(shè)備連續(xù)24小時而不會在油溫上出現(xiàn)問題。

圖5 液壓加載系統(tǒng)Fig.5 Hydraulic loading system

5 主要的結(jié)構(gòu)分析計算

中低速磁浮轉(zhuǎn)向架綜合設(shè)備對橫梁及磁懸浮F軌支撐結(jié)構(gòu)（承重傳感器安裝臺）對測量的精度要求比較高；結(jié)構(gòu)中的龍門式加載架在磁浮轉(zhuǎn)向架的檢修維護(hù)的中會反復(fù)加載和變形，因此從安全和疲勞等方面的考慮，需要控制龍門加載架的變形和應(yīng)力水平[21-23]。

圖6 磁懸浮F軌支撐結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力Fig.6 Deformation and stress of meglve F rail support structure

磁懸浮F軌支撐結(jié)構(gòu)在極限載荷下（每個加載點≥3 t），圖6顯示最大應(yīng)力處應(yīng)力表現(xiàn)為13.13 Mpa，橫梁所用材料為Q235焊接而成，屈服強(qiáng)度為235 Mpa，所以完全滿足要求。

圖7 龍門加載架橫梁變形和應(yīng)力Fig.7 Deformation and stress of loading beam in Longmen

橫梁在最大載荷下（每個加載點2 t），圖7顯示最大應(yīng)力處應(yīng)力表現(xiàn)為5.85 Mpa，橫梁所用材料為Q235焊接而成，屈服強(qiáng)度為235 Mpa,所以完全滿足要求。

6 成果的應(yīng)用情況

中低速磁浮轉(zhuǎn)向架綜合檢測技術(shù)研究和設(shè)備研制,全部系以北京S1線建設(shè)工程為依托,其應(yīng)用情況分述如下。

（1）北京磁浮車輛轉(zhuǎn)向架產(chǎn)業(yè)化基地：設(shè)備于2016年3月安裝在北京天路機(jī)械有限公司，應(yīng)用于北京S1線中低速磁浮轉(zhuǎn)向架的生產(chǎn)檢驗；

（2）北京S1線車輛段：設(shè)備于2017年8月安裝北京S1線門頭溝車輛段，應(yīng)用于北京S1中低速磁浮轉(zhuǎn)向架的維護(hù)維修過程質(zhì)量檢驗。

7 結(jié)語

中低速磁浮轉(zhuǎn)向架綜合檢測裝備在國內(nèi)尚屬技術(shù)空白，該設(shè)備的研制和成功應(yīng)用，為我國中低速磁浮建設(shè)提供的可靠的技術(shù)手段，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。