廣州地鐵直線電機(jī)高度調(diào)整裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化和運(yùn)用維護(hù)建議

唐 宋， 陳曉亮， 莊厚騰

(廣州地鐵集團(tuán)有限公司 運(yùn)營事業(yè)總部， 廣州 510000)

廣州地鐵首次采用中大運(yùn)量直線電機(jī)車輛運(yùn)載系統(tǒng)，自2005年廣州地鐵4號線開通以來，5號、6號線陸續(xù)開通運(yùn)營，這3條中大運(yùn)量直線電機(jī)車輛線路在廣州市城市軌道交通中發(fā)揮了重要作用，為直線電機(jī)車輛在中國的推廣積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

直線電機(jī)高度值作為直線電機(jī)車輛重要技術(shù)參數(shù)，是保證車輛高效、安全運(yùn)行最為重要的技術(shù)指標(biāo)。直線電機(jī)高度調(diào)整裝置作為直線電機(jī)高度調(diào)整部件，其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和運(yùn)用維護(hù)中需重點(diǎn)關(guān)注和防護(hù)。

1 直線電機(jī)高度調(diào)整裝置結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

廣州地鐵直線電機(jī)轉(zhuǎn)向架分為兩種類型，龐巴迪BM3000型轉(zhuǎn)向架和中車青島四方SDB-LIM型轉(zhuǎn)向架，電機(jī)高度調(diào)整方式對應(yīng)采用無級螺紋式調(diào)整方式和墊片式高度調(diào)整方式。

(1)BM3000型轉(zhuǎn)向架無級式電機(jī)高度調(diào)整裝置結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

直線電機(jī)高度調(diào)整裝置主要由雙頭螺柱、調(diào)節(jié)套筒、彈簧套管、支撐橡膠等主要部件組成，位于懸掛梁兩端，如圖1所示。電機(jī)高度調(diào)整方式采用無級式螺紋調(diào)整模式，作用原理是通過旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)套筒驅(qū)動彈簧套管內(nèi)螺紋與調(diào)節(jié)套筒外螺紋嚙合，實(shí)現(xiàn)懸掛梁高度的提升或下降，直線電機(jī)直接吊掛在懸掛梁上，即實(shí)現(xiàn)了電機(jī)高度的無級螺紋調(diào)整，保證電機(jī)氣隙調(diào)整至額定范圍內(nèi)。彈簧套管內(nèi)螺紋與調(diào)節(jié)套筒外螺紋均采用螺距P=2 mm 細(xì)牙螺紋，即螺紋旋轉(zhuǎn)一圈可調(diào)整電機(jī)高度2 mm，調(diào)節(jié)套筒順時針旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)電機(jī)高度上升、反之下降。

(2)SDB-LIM型轉(zhuǎn)向架墊片式電機(jī)高度調(diào)整裝置結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

懸掛梁與支撐箱的連接處設(shè)置直線電機(jī)高度調(diào)整裝置，采用墊片式調(diào)整高度方式，如圖2所示。直線電機(jī)懸掛梁彈性節(jié)點(diǎn)的耳軸部位，上下均預(yù)裝規(guī)定數(shù)量和厚度的墊片，通過移動墊片位置可以達(dá)到抬高或降低懸掛梁高度的目的，再通過緊固件與特型螺母連接支撐箱與橡膠關(guān)節(jié)芯軸，實(shí)現(xiàn)直線電機(jī)高度調(diào)整。直線電機(jī)懸掛在獨(dú)立的支撐箱上，保證了氣隙的穩(wěn)定性，同時采用獨(dú)立二級大剛度橡膠關(guān)節(jié)懸掛，減低沖擊和振動。

1-軸箱；2-電機(jī)調(diào)整裝置；3-電機(jī)懸掛梁；4-止動擋圈；5-調(diào)節(jié)套筒；6-M42鎖緊螺母；7-M20防松扭力螺母；8-止動擋板；9-M10防松扭力螺母；10-M10螺柱；11-雙頭螺柱；12-彈簧套管；13-支撐橡膠。圖1 無級螺紋式高度調(diào)整裝置結(jié)構(gòu)圖

1-緊固件；2-調(diào)整墊片；3-橡膠關(guān)節(jié)；4-特型螺母；5-橡膠關(guān)節(jié)芯軸；6-懸掛梁。圖2 墊片式高度調(diào)整裝置結(jié)構(gòu)圖

(3)兩種電機(jī)高度調(diào)整裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對比

兩種電機(jī)高度調(diào)整裝置結(jié)構(gòu)相對比，無極螺紋式高度調(diào)整裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對嚙合的螺牙強(qiáng)度要求以及各部件的防松要求較高，但螺紋調(diào)整高度數(shù)據(jù)控制更精準(zhǔn)。墊片式高度調(diào)整裝置結(jié)構(gòu)簡單、便于操作、可靠穩(wěn)定，對懸掛梁橡膠關(guān)節(jié)要求較高，墊片調(diào)整高度數(shù)據(jù)精度控制相對寬泛。

2 直線電機(jī)高度調(diào)整裝置的運(yùn)用情況和風(fēng)險分析

直線電機(jī)氣隙作為直線電機(jī)車輛重要技術(shù)參數(shù)，氣隙過大導(dǎo)致能耗增加，氣隙過小動態(tài)情況下直線電機(jī)和感應(yīng)板可能接觸，影響車輛的運(yùn)行安全，廣州地鐵控制直線電機(jī)的額定氣隙ΔZ，如圖3所示。當(dāng)車輪磨耗、旋修以及電機(jī)高度調(diào)整裝置失效，均可引起的電機(jī)高度下降、氣隙變小，需在日常檢修作業(yè)中定期對直線電機(jī)高度進(jìn)行測量和調(diào)整。

2.1 高度調(diào)整裝置的運(yùn)用情況

BM3000型轉(zhuǎn)向架電機(jī)高度調(diào)整裝置經(jīng)過改善緊固件配合、支撐橡膠換型、增加機(jī)械鎖緊方式等改造仍有一些問題尚未解決，常見故障有M10螺母、M20螺母自鎖失效，鎖固板松動、雙頭螺柱滑牙、斷裂，彈簧套管與調(diào)節(jié)套筒嚙合螺紋卡滯等故障，調(diào)整裝置嚴(yán)重失效將導(dǎo)致電機(jī)沉降、安全鼻刮傷車軸、電機(jī)刮傷感應(yīng)板等，如圖4所示。SDB-LIM型轉(zhuǎn)向架電機(jī)高度調(diào)整裝置經(jīng)過調(diào)整墊片換型、懸掛梁換型和橡膠關(guān)節(jié)換型等改造，目前運(yùn)用狀態(tài)良好、結(jié)構(gòu)和性能較為穩(wěn)定。

圖3 直線電機(jī)氣隙示意圖

圖4 BM3000型轉(zhuǎn)向架電機(jī)高度調(diào)整裝置故障和后果圖

2.2 高度調(diào)整裝置的風(fēng)險評估分析

(1)風(fēng)險評估

風(fēng)險指的是損失的不確定性，對于地鐵列車的運(yùn)用風(fēng)險評估體系，采用“風(fēng)險量=損失發(fā)生的概率×損失程度”的原則進(jìn)行評價。電機(jī)高度調(diào)整裝置失效的概率是指電機(jī)高度各部件在運(yùn)用過程中的故障概率，電機(jī)高度調(diào)整裝置失效的損失量是指失效引起的沉降，產(chǎn)生安全鼻與車軸刮傷、電機(jī)與感應(yīng)板刮傷等后果，如圖5、表1所示。

圖5 風(fēng)險等級評價圖

序號風(fēng)險等級后果舉例11(Ⅰ)可忽略風(fēng)險電機(jī)高度調(diào)整裝置零部件表面涂層腐蝕22(Ⅱ)可容許風(fēng)險M10緊固螺母松動、鎖固板松動但未脫落33(Ⅲ)中度風(fēng)險M42、M20鎖緊螺母松動,電機(jī)未沉降,緊固件脫落正線44(Ⅳ)重大風(fēng)險彈簧套管和調(diào)節(jié)套筒螺紋嚙合失效,電機(jī)沉降,電機(jī)刮傷感應(yīng)板55(Ⅴ)不容許風(fēng)險電機(jī)高度調(diào)整裝置嚴(yán)重失效,電機(jī)沉降,電機(jī)與感應(yīng)板干涉無法動車

(2)風(fēng)險控制措施

常規(guī)的風(fēng)險對策包括風(fēng)險規(guī)避、減輕、自留、轉(zhuǎn)移以及組合策略，降低風(fēng)險的對策有兩個方向，一方面減少風(fēng)險發(fā)生的概率，另一方面降低風(fēng)險產(chǎn)生的損失量，如圖6所示。

圖6 減低風(fēng)險對策圖

針對直線電機(jī)高度調(diào)整裝置失效風(fēng)險的控制步驟：

①制定隱患排查表和防范措施；

②制定檢查和整改計(jì)劃；

③跟蹤檢查和整改落實(shí)情況；

④建立電機(jī)高度調(diào)整裝置的運(yùn)用維護(hù)制度；

⑤對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)；

⑥制定電機(jī)高度下降發(fā)生預(yù)案、應(yīng)急處置程序，建立重大風(fēng)險事件的信息通報及處理流程。

3 直線電機(jī)高度調(diào)整裝置的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和運(yùn)用維護(hù)建議

根據(jù)直線電機(jī)車輛轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，輪軌關(guān)系存在其復(fù)雜性和獨(dú)特性。針對直線電機(jī)高度調(diào)整裝置失效故障，一方面對關(guān)鍵部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化加強(qiáng)，進(jìn)一步提高系統(tǒng)內(nèi)各部件的穩(wěn)定性和可靠性，并規(guī)范和強(qiáng)化日常維護(hù)保養(yǎng)；另一方面從優(yōu)化輪軌關(guān)系入手，降低輪軌振動，改善直線電機(jī)轉(zhuǎn)向架電機(jī)高度調(diào)整裝置的運(yùn)用工況；同時增加電機(jī)狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)測，保障正線運(yùn)營安全。

3.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

從減少電機(jī)高度調(diào)整裝置失效的故障發(fā)生概率角度進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，需對現(xiàn)有的裝置中薄弱部件進(jìn)行加強(qiáng)，提高結(jié)構(gòu)的可靠性；或者將無極螺紋式調(diào)整裝置改造為性能穩(wěn)定的墊片式調(diào)整裝置。從降低高度調(diào)整裝置失效的損失量角度進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，需減少電機(jī)沉降量，從而降低電機(jī)與感應(yīng)板摩擦、干涉產(chǎn)生的損失。

(1)局部改造

①增加定位螺栓強(qiáng)度。加粗螺釘直徑，由M10改為M12螺釘，增強(qiáng)螺釘強(qiáng)度。

②增加雙側(cè)定位。對鎖固板(見圖7)懸臂結(jié)構(gòu)對稱位置增加一套螺釘定位，增加定位強(qiáng)度。

③增加螺紋強(qiáng)度。調(diào)節(jié)套筒與彈簧套管的螺紋M42×2細(xì)牙螺紋改為M42×4粗牙螺紋，提升螺紋本身強(qiáng)度。

④增加螺紋嚙合長度。增加彈簧套管螺紋長度，現(xiàn)有嚙合長度為25 mm，可增長到45～50 mm，提高承載能力。

圖7 鎖固板雙側(cè)定位示意圖

(2)整體改造

通過三維建模校核分析，BM3000型轉(zhuǎn)向架無極螺紋式調(diào)整裝置整體改造為SDB-LIM型轉(zhuǎn)向架墊片式調(diào)整結(jié)構(gòu)理論可行，如圖8所示，需做相關(guān)的設(shè)計(jì)變更如下：

①BM3000型轉(zhuǎn)向架軸箱體結(jié)構(gòu)增加凸臺設(shè)計(jì)；

②SDB-LIM型轉(zhuǎn)向架懸掛梁設(shè)計(jì)長度加長；

③改造后的軸箱體和懸掛梁配合使用。

整體改造需進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證、運(yùn)營考核，同時考慮檢修和設(shè)計(jì)變更的成本，需綜合技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)必要性進(jìn)一步論證和決策。

圖8 BM3000型轉(zhuǎn)向架調(diào)整裝置 改造為墊片式結(jié)構(gòu)模擬圖

(3)安全鼻耐磨性能優(yōu)化(見圖9)

安全鼻是直線電機(jī)上極其關(guān)鍵的安全防護(hù)部件，安裝在直線電機(jī)的安全鼻安裝座上，其作用為電機(jī)沉降后通過安全鼻仍可吊掛在車軸上，避免電機(jī)與感應(yīng)板直接干涉，影響運(yùn)營安全。當(dāng)安全鼻掛在車軸上旋轉(zhuǎn)摩擦，直接將受到輪軌沖擊力及旋轉(zhuǎn)切削力，安全鼻與車軸的磨損超過一定量，直線電機(jī)將與感應(yīng)板干涉。

安全鼻需進(jìn)行技術(shù)改造，應(yīng)具有良好的抗壓和抗破碎、低摩擦系數(shù)、少磨損量、良好耐摩擦溫升性能，減輕車軸與安全鼻之間的磨損，避免因材料磨損導(dǎo)致電機(jī)再次下沉，可滿足在列車退出服務(wù)之前不會出現(xiàn)電機(jī)與感應(yīng)板干涉問題，提供可靠的安全保障。

圖9 普通安全鼻與耐磨安全鼻對比圖

3.2 規(guī)范維護(hù)保養(yǎng)

(1)強(qiáng)化日常檢修

為加強(qiáng)直線電機(jī)沉降風(fēng)險的質(zhì)量管控，保障檢修質(zhì)量得到有效落實(shí)，提高系統(tǒng)運(yùn)行可靠性，根據(jù)直線電機(jī)轉(zhuǎn)向架特點(diǎn)和現(xiàn)場運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)，制定轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)的隱患排查表和車底周期檢，對直線電機(jī)調(diào)整裝置重點(diǎn)部件加大檢查力度、加密檢查周期，對檢查內(nèi)容進(jìn)行細(xì)化并編寫工藝指引，增加相關(guān)作業(yè)的工序卡，對員工資質(zhì)等級要求明確規(guī)定，同時制定相關(guān)檢修輔助手段(例如采用內(nèi)窺鏡等設(shè)備)，確保直線電機(jī)重大安全隱患得到有效控制。

(2)規(guī)范維護(hù)保養(yǎng)

規(guī)范日常檢修直線電機(jī)高度調(diào)整裝置關(guān)鍵零部件維護(hù)保養(yǎng)措施和無法調(diào)整的處置措施，保證調(diào)整裝置內(nèi)部各結(jié)構(gòu)部件得到有效的維護(hù)保養(yǎng)，提高壽命和性能穩(wěn)定性，具體措施如下：

①清潔：保證緊固件拆裝過程中免受因污染造成的螺牙損傷。對緊固件拆裝過程中嚙合的螺紋部分進(jìn)行清潔，避免螺牙損傷，清潔過程中注意保護(hù)橡膠件免受清潔劑腐蝕。

②檢查：保證各緊固件裝配狀態(tài)正常。檢查各緊固件自鎖功能正常，自鎖部分無裂紋及開裂情況，雙頭螺柱螺紋無滑牙，母底部無刮傷，彈簧套管倒角位置無磨損，調(diào)節(jié)套筒螺紋無損傷。

③潤滑：增加螺紋嚙合順暢并保護(hù)螺紋。對螺紋嚙合部分進(jìn)行潤滑，電機(jī)高度調(diào)整裝置的螺紋嚙合潤滑劑宜采用二硫化鉬(Molykote)，注意將緊固件的緊固面擦拭干凈后安裝。

④防護(hù)：防止螺紋嚙合處進(jìn)入塵污、鐵屑等雜質(zhì)。電機(jī)高度調(diào)整裝置鎖緊之后，將裸露的調(diào)整套筒用熱縮套管加以防護(hù)，確保上部封口和下部銜接部位防護(hù)到位，避免雜質(zhì)進(jìn)入。

⑤操作控制：規(guī)范作業(yè)流程。當(dāng)調(diào)整電機(jī)高度時發(fā)生卡滯，禁止用蠻力調(diào)整，需重新清潔和潤滑后再調(diào)整。若仍有卡滯現(xiàn)象，則需落架對電機(jī)高度調(diào)整裝置進(jìn)行拆解，對彈簧套管和調(diào)節(jié)套筒進(jìn)行清潔、檢查和潤滑，確認(rèn)部件狀態(tài)良好后裝配。

⑥定期更新：規(guī)范緊固件的使用壽命、提高緊固可靠度。原則上M10鎖緊螺母使用次數(shù)不超過4次，M20鎖緊螺母使用次數(shù)不超過10次，M42鎖緊螺母結(jié)合架修、大修定額更新。

3.3 改善輪軌關(guān)系

(1)優(yōu)化輪軌維護(hù)規(guī)則

直線電機(jī)車輛對輪軌匹配要求較高，其維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)也應(yīng)高于普通線路情況。針對列車車輪維護(hù)方面，直線電機(jī)車輛采用周期性旋修的方式嚴(yán)格控制車輪不圓度的發(fā)展，降低車輪失圓產(chǎn)生的異常振動；而針對鋼軌維護(hù)方面，除了常規(guī)的維修標(biāo)準(zhǔn)外，特別要關(guān)注鋼軌短波波磨的情況，即使波磨深度值不大，也會對列車造成異常的高頻振動激擾，破壞更為嚴(yán)重，因此需要有針對性的進(jìn)行更嚴(yán)格的控制和治理。

(2)調(diào)節(jié)軌頂摩擦系數(shù)

為進(jìn)一步優(yōu)化輪軌關(guān)系，采用噴涂軌頂摩擦調(diào)節(jié)劑的設(shè)備(如圖10所示)。列車在運(yùn)行過程中通過輪軌的相互傳遞，可將摩擦調(diào)節(jié)劑均勻的涂覆于鋼軌頂面和車輪踏面，形成穩(wěn)定的固體薄膜(如圖11所示)，把摩擦系數(shù)控制到最優(yōu)摩擦系數(shù)范圍內(nèi)，降低由于蠕滑產(chǎn)生的高頻噪聲，降低列車脫軌風(fēng)險，延長軌道使用壽命，降低滾動接觸疲勞，延緩波磨的產(chǎn)生。

圖10 軌頂摩擦調(diào)節(jié)設(shè)備

圖11 鋼軌形成油膜

(3)選配軌道減振技術(shù)

根據(jù)直線電機(jī)車輛對輪軌關(guān)系特點(diǎn)，應(yīng)合理的選取減振扣件剛度。依據(jù)能量守恒定律和慣性減振原理，通常情況下可以考慮將輪軌接觸沖擊能量適當(dāng)往下傳遞，例如采用鋼彈簧浮置板整體道床技術(shù)，利用軌下支撐結(jié)構(gòu)大質(zhì)量慣性吸收耗散輪軌能量，并進(jìn)一步做到軌下結(jié)構(gòu)逐層減振優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，有效減少輪軌沖擊接觸振動。

3.4 監(jiān)控電機(jī)狀態(tài)

目前廣州地鐵直線電機(jī)線路正線均已安裝直線電機(jī)氣隙在線監(jiān)測系統(tǒng)，可實(shí)時監(jiān)測直線電機(jī)定子和感應(yīng)板之間的氣隙，對電機(jī)高度超標(biāo)進(jìn)行預(yù)警和報警。檢修分部建立在線監(jiān)測系統(tǒng)的波形故障評判標(biāo)準(zhǔn)，培訓(xùn)專業(yè)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行全面篩查，在4 min內(nèi)完成異常情況的判斷，同時建立相關(guān)應(yīng)急響應(yīng)制度，在一定程度上縮短應(yīng)急處置時間，減輕或規(guī)避電機(jī)沉降帶來安全風(fēng)險的擴(kuò)大，保障正線運(yùn)營安全。

4 結(jié)束語

結(jié)合廣州地鐵4號、5號、6號線至今12年的運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)，通過不斷的摸索與探究與改進(jìn)，直線電機(jī)高度調(diào)整裝置結(jié)構(gòu)與性能已趨于穩(wěn)定。鑒于高度調(diào)整裝置關(guān)系到電機(jī)沉降，直接影響列車的運(yùn)營安全，其仍需進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)，日常加強(qiáng)結(jié)構(gòu)裝置和輪軌關(guān)系的維護(hù)保養(yǎng)，并實(shí)時監(jiān)測直線電機(jī)運(yùn)用狀態(tài)，切實(shí)保障車輛高效、安全運(yùn)行。