中低速磁浮轉向架綜合檢測技術研究和設備研制

龔樸

（北京磁懸浮交通發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是依靠電磁力將列車懸浮，利用直線電機驅動的軌道交通技術，運行時速為100～120千米。具有噪聲低、環保性能好、線路適應性強(爬坡能力70‰)、乘坐舒適、運行安全可靠，建設、維護成本低、運營效益好等特點。適用于大中城市市內、近距離城市間和旅游景區的交通連接[1-2]。中低速磁浮列車的走行部由多個磁懸浮轉向架組成，磁懸浮轉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向架之間的機械一致性直接影響磁浮列車的懸浮、導向、牽引和制動性能，是磁浮列車運行品質、運行效率、乘客舒適感以及安全性的保證。目前，磁懸浮轉向架均是單個生產后再組裝成磁浮列車，多個磁懸浮轉向架之間的一致性主要依靠各磁懸浮轉向架自身的制造和裝配精度來保證，因此磁浮轉向架在進行上軌裝配后，需要對中低速磁浮轉向架的關鍵參數進行測量[3-4]。

圖1 中低速磁浮列車及轉向架結構Fig.1 Medium low speed maglev train and the structure of maglev bogie

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

1 設備研制的目的和意義

目前在國內，中低速磁懸浮車輛轉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與軌道、電磁鐵與軌道內外邊沿之間的間隙，來計算電機氣隙、懸浮氣隙和模塊側滾量；再根據測量結果調整轉向架防滾解耦機構中的可調節吊桿，循環上述步驟，直至達到轉向架的設定要求。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滾量，并根據測量結果進一步調整可調節吊桿。上述檢測過程通常在裝車裝置上通過手工測量的方式進行，沒有一個系統的檢測平臺，其檢測過程和檢測設備過于簡單，檢測結果受軌道制造安裝精度、直線電機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，存在檢測準確性差、重復性差、檢測過程長、載荷變化的可控性差等缺陷，給保證整車多個轉向架的機械一致性帶來很大困難。

2 研制任務來源

在北京市國資委國有資本經營預算“磁浮車輛轉向架產業化”項目支持下，結合轉向架試驗驗收條件，2014年5月開始進行磁浮車輛轉向架綜合測試檢測裝置的研制工作。目標是研制出能夠綜合評定磁懸浮轉向架總成的制造和裝配質量的檢測裝置，符合轉向架產業化要求。

3 項目研究的主要內容和主要技術指標

3.1 使用范圍

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

3.2 基本功能

轉向架綜合檢測裝置具備以下功能[5-7]：

（1）轉向架總成關鍵裝配尺寸檢測；

（2）轉向架總成垂向加載；

（3）指導防滾梁吊桿長度調節；

（4）測量轉向架的防滾性能。

3.3 主要技術參數

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

表1 轉向架綜合檢測裝置主要技術參數Table 1 Main technical parameters of bogie comprehensive inspection device

4 設備的結構及組成

轉向架綜合檢測裝置的總體布局如圖2所示，主要由基準軌及結構平臺、間隙測量系統、滾動測量系統、垂向加載系統、液壓輪液路檢測裝置、測量控制與人機交互系統、剛性加載架、液壓系統和電控系統等組成[8-14]。

總體布局在5 m×5 m×2.8 m的空間內，可安裝在總裝廠房或檢修廠房內，也可與磁浮線路對接。設備下部設置基準軌及結構裝置模擬磁浮軌道，作為整個設備基礎平臺和檢測基準。

圖2 中低速磁浮車輛轉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

間隙測量系統是用于測量直線電機氣隙、電磁鐵氣隙的高精度測量系統，集自動運行、自動測量、自動記錄等多項功能[15-16]。間隙測量系統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構件與直線驅動裝置連接。測量時通過直線驅動裝置沿轉向架運行方向平移，進行轉向架裝配完成后的直線電機與基準軌之間的氣隙以及基準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。

基于間隙測量系統得到的測量數據，不但可以得到電機和電磁鐵氣隙的最小值，對轉向架總成的氣隙參數是否合格做出判斷，還可以通過適當的數據分析和特征提取，得出產生氣隙超差的可能原因，如近似估計直線電機極面的平面度、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間隙和電磁鐵間隙。對射式微光測微計選用專業光學傳感器，其測量精度和抗干擾能力完全滿足整機需要，間隙測量系統結構及測量原理如圖3所示。

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

4.2 滾動測量系統

滾動測量系統用于測量轉向架左右模塊繞基準軌的滾動量、綜合支架的高度、轉向架防滾柔（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構與傳感器支架連接。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，避免垂向加載系統工作時，傳感器支架變形，引起測量基準的變化[17-18]。

滾動測量系統布置在基準軌的上方對應四個托臂的位置，與基準軌形成“井”結構。通過其中兩個激光位移傳感器測量托臂內外側的高度，計算高度差，實現轉向架滾動量的測量；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，實現綜合支架安裝高度的測量，滾動測量系統結構及測量原理如4圖所示。

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

4.3 液壓系統及液壓垂向加載系統

液壓垂向加載系統用于測量轉向架剛度時，模擬實際載荷變化的系統，能夠完成0～1.5 T的加載力連續可調。為實現“托臂滾動量測量”“轉向架仿滾柔（剛）度測量”提供加載功能。液壓系統由油箱、油泵電機、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。

液壓系統設有壓力傳感器、比例伺服閥，具備閉環的壓力控制，以通過工控機控制實現無級壓力調整，并且可以預設壓力檔位，精確鎖定壓力值，自動方便地實現加載力的控制。通過恒壓變量泵和調節速度的比例伺服閥聯合控制，可精確的調整輸出流量，進而實現油缸對轉向架的精確加載壓力控制。對轉向架進行加載的4組油缸分別安裝在加載機架上，加載時通過比例閥實時調整流量，通過加載頭內部安裝的壓力傳感器進行實時反饋，從而達到規定的壓力值[19-20]。

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

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

5 主要的結構分析計算

中低速磁浮轉向架綜合設備對橫梁及磁懸浮F軌支撐結構（承重傳感器安裝臺）對測量的精度要求比較高；結構中的龍門式加載架在磁浮轉向架的檢修維護的中會反復加載和變形，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力水平[21-23]。

圖6 磁懸浮F軌支撐結構變形和應力Fig.6 Deformation and stress of meglve F rail support structure

磁懸浮F軌支撐結構在極限載荷下（每個加載點≥3 t），圖6顯示最大應力處應力表現為13.13 Mpa，橫梁所用材料為Q235焊接而成，屈服強度為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顯示最大應力處應力表現為5.85 Mpa，橫梁所用材料為Q235焊接而成，屈服強度為235 Mpa,所以完全滿足要求。

6 成果的應用情況

中低速磁浮轉向架綜合檢測技術研究和設備研制,全部系以北京S1線建設工程為依托,其應用情況分述如下。

（1）北京磁浮車輛轉向架產業化基地：設備于2016年3月安裝在北京天路機械有限公司，應用于北京S1線中低速磁浮轉向架的生產檢驗；

（2）北京S1線車輛段：設備于2017年8月安裝北京S1線門頭溝車輛段，應用于北京S1中低速磁浮轉向架的維護維修過程質量檢驗。

7 結語

中低速磁浮轉向架綜合檢測裝備在國內尚屬技術空白，該設備的研制和成功應用，為我國中低速磁浮建設提供的可靠的技術手段，提高了產品的質量和生產效率。