廣州地鐵直線電機高度調整裝置結構優化和運用維護建議

唐 宋， 陳曉亮， 莊厚騰

(廣州地鐵集團有限公司 運營事業總部， 廣州 510000)

廣州地鐵首次采用中大運量直線電機車輛運載系統，自2005年廣州地鐵4號線開通以來，5號、6號線陸續開通運營，這3條中大運量直線電機車輛線路在廣州市城市軌道交通中發揮了重要作用，為直線電機車輛在中國的推廣積累了寶貴經驗。

直線電機高度值作為直線電機車輛重要技術參數，是保證車輛高效、安全運行最為重要的技術指標。直線電機高度調整裝置作為直線電機高度調整部件，其結構的穩定性在結構設計和運用維護中需重點關注和防護。

1 直線電機高度調整裝置結構特點

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

(1)BM3000型轉向架無級式電機高度調整裝置結構特點

直線電機高度調整裝置主要由雙頭螺柱、調節套筒、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。電機高度調整方式采用無級式螺紋調整模式，作用原理是通過旋轉調節套筒驅動彈簧套管內螺紋與調節套筒外螺紋嚙合，實現懸掛梁高度的提升或下降，直線電機直接吊掛在懸掛梁上，即實現了電機高度的無級螺紋調整，保證電機氣隙調整至額定范圍內。彈簧套管內螺紋與調節套筒外螺紋均采用螺距P=2 mm 細牙螺紋，即螺紋旋轉一圈可調整電機高度2 mm，調節套筒順時針旋轉實現電機高度上升、反之下降。

(2)SDB-LIM型轉向架墊片式電機高度調整裝置結構特點

懸掛梁與支撐箱的連接處設置直線電機高度調整裝置，采用墊片式調整高度方式，如圖2所示。直線電機懸掛梁彈性節點的耳軸部位，上下均預裝規定數量和厚度的墊片，通過移動墊片位置可以達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節芯軸，實現直線電機高度調整。直線電機懸掛在獨立的支撐箱上，保證了氣隙的穩定性，同時采用獨立二級大剛度橡膠關節懸掛，減低沖擊和振動。

1-軸箱；2-電機調整裝置；3-電機懸掛梁；4-止動擋圈；5-調節套筒；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 無級螺紋式高度調整裝置結構圖

1-緊固件；2-調整墊片；3-橡膠關節；4-特型螺母；5-橡膠關節芯軸；6-懸掛梁。圖2 墊片式高度調整裝置結構圖

(3)兩種電機高度調整裝置的結構特點對比

兩種電機高度調整裝置結構相對比，無極螺紋式高度調整裝置結構復雜，對嚙合的螺牙強度要求以及各部件的防松要求較高，但螺紋調整高度數據控制更精準。墊片式高度調整裝置結構簡單、便于操作、可靠穩定，對懸掛梁橡膠關節要求較高，墊片調整高度數據精度控制相對寬泛。

2 直線電機高度調整裝置的運用情況和風險分析

直線電機氣隙作為直線電機車輛重要技術參數，氣隙過大導致能耗增加，氣隙過小動態情況下直線電機和感應板可能接觸，影響車輛的運行安全，廣州地鐵控制直線電機的額定氣隙ΔZ，如圖3所示。當車輪磨耗、旋修以及電機高度調整裝置失效，均可引起的電機高度下降、氣隙變小，需在日常檢修作業中定期對直線電機高度進行測量和調整。

2.1 高度調整裝置的運用情況

BM3000型轉向架電機高度調整裝置經過改善緊固件配合、支撐橡膠換型、增加機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，彈簧套管與調節套筒嚙合螺紋卡滯等故障，調整裝置嚴重失效將導致電機沉降、安全鼻刮傷車軸、電機刮傷感應板等，如圖4所示。SDB-LIM型轉向架電機高度調整裝置經過調整墊片換型、懸掛梁換型和橡膠關節換型等改造，目前運用狀態良好、結構和性能較為穩定。

圖3 直線電機氣隙示意圖

圖4 BM3000型轉向架電機高度調整裝置故障和后果圖

2.2 高度調整裝置的風險評估分析

(1)風險評估

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

圖5 風險等級評價圖

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

(2)風險控制措施

常規的風險對策包括風險規避、減輕、自留、轉移以及組合策略，降低風險的對策有兩個方向，一方面減少風險發生的概率，另一方面降低風險產生的損失量，如圖6所示。

圖6 減低風險對策圖

針對直線電機高度調整裝置失效風險的控制步驟：

①制定隱患排查表和防范措施；

②制定檢查和整改計劃；

③跟蹤檢查和整改落實情況；

④建立電機高度調整裝置的運用維護制度；

⑤對其結構進行優化改進；

⑥制定電機高度下降發生預案、應急處置程序，建立重大風險事件的信息通報及處理流程。

3 直線電機高度調整裝置的結構優化和運用維護建議

根據直線電機車輛轉向架結構特點，輪軌關系存在其復雜性和獨特性。針對直線電機高度調整裝置失效故障，一方面對關鍵部件進行結構優化加強，進一步提高系統內各部件的穩定性和可靠性，并規范和強化日常維護保養；另一方面從優化輪軌關系入手，降低輪軌振動，改善直線電機轉向架電機高度調整裝置的運用工況；同時增加電機狀態的實時監測，保障正線運營安全。

3.1 優化設計結構

從減少電機高度調整裝置失效的故障發生概率角度進行設計優化，需對現有的裝置中薄弱部件進行加強，提高結構的可靠性；或者將無極螺紋式調整裝置改造為性能穩定的墊片式調整裝置。從降低高度調整裝置失效的損失量角度進行設計優化，需減少電機沉降量，從而降低電機與感應板摩擦、干涉產生的損失。

(1)局部改造

①增加定位螺栓強度。加粗螺釘直徑，由M10改為M12螺釘，增強螺釘強度。

②增加雙側定位。對鎖固板(見圖7)懸臂結構對稱位置增加一套螺釘定位，增加定位強度。

③增加螺紋強度。調節套筒與彈簧套管的螺紋M42×2細牙螺紋改為M42×4粗牙螺紋，提升螺紋本身強度。

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

圖7 鎖固板雙側定位示意圖

(2)整體改造

通過三維建模校核分析，BM3000型轉向架無極螺紋式調整裝置整體改造為SDB-LIM型轉向架墊片式調整結構理論可行，如圖8所示，需做相關的設計變更如下：

①BM3000型轉向架軸箱體結構增加凸臺設計；

②SDB-LIM型轉向架懸掛梁設計長度加長；

③改造后的軸箱體和懸掛梁配合使用。

整體改造需進行試驗驗證、運營考核，同時考慮檢修和設計變更的成本，需綜合技術可行性和經濟必要性進一步論證和決策。

圖8 BM3000型轉向架調整裝置 改造為墊片式結構模擬圖

(3)安全鼻耐磨性能優化(見圖9)

安全鼻是直線電機上極其關鍵的安全防護部件，安裝在直線電機的安全鼻安裝座上，其作用為電機沉降后通過安全鼻仍可吊掛在車軸上，避免電機與感應板直接干涉，影響運營安全。當安全鼻掛在車軸上旋轉摩擦，直接將受到輪軌沖擊力及旋轉切削力，安全鼻與車軸的磨損超過一定量，直線電機將與感應板干涉。

安全鼻需進行技術改造，應具有良好的抗壓和抗破碎、低摩擦系數、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，避免因材料磨損導致電機再次下沉，可滿足在列車退出服務之前不會出現電機與感應板干涉問題，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 規范維護保養

(1)強化日常檢修

為加強直線電機沉降風險的質量管控，保障檢修質量得到有效落實，提高系統運行可靠性，根據直線電機轉向架特點和現場運用經驗，制定轉向架系統的隱患排查表和車底周期檢，對直線電機調整裝置重點部件加大檢查力度、加密檢查周期，對檢查內容進行細化并編寫工藝指引，增加相關作業的工序卡，對員工資質等級要求明確規定，同時制定相關檢修輔助手段(例如采用內窺鏡等設備)，確保直線電機重大安全隱患得到有效控制。

(2)規范維護保養

規范日常檢修直線電機高度調整裝置關鍵零部件維護保養措施和無法調整的處置措施，保證調整裝置內部各結構部件得到有效的維護保養，提高壽命和性能穩定性，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行清潔，避免螺牙損傷，清潔過程中注意保護橡膠件免受清潔劑腐蝕。

②檢查：保證各緊固件裝配狀態正常。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，調節套筒螺紋無損傷。

③潤滑：增加螺紋嚙合順暢并保護螺紋。對螺紋嚙合部分進行潤滑，電機高度調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：防止螺紋嚙合處進入塵污、鐵屑等雜質。電機高度調整裝置鎖緊之后，將裸露的調整套筒用熱縮套管加以防護，確保上部封口和下部銜接部位防護到位，避免雜質進入。

⑤操作控制：規范作業流程。當調整電機高度時發生卡滯，禁止用蠻力調整，需重新清潔和潤滑后再調整。若仍有卡滯現象，則需落架對電機高度調整裝置進行拆解，對彈簧套管和調節套筒進行清潔、檢查和潤滑，確認部件狀態良好后裝配。

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

3.3 改善輪軌關系

(1)優化輪軌維護規則

直線電機車輛對輪軌匹配要求較高，其維護標準也應高于普通線路情況。針對列車車輪維護方面，直線電機車輛采用周期性旋修的方式嚴格控制車輪不圓度的發展，降低車輪失圓產生的異常振動；而針對鋼軌維護方面，除了常規的維修標準外，特別要關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，破壞更為嚴重，因此需要有針對性的進行更嚴格的控制和治理。

(2)調節軌頂摩擦系數

為進一步優化輪軌關系，采用噴涂軌頂摩擦調節劑的設備(如圖10所示)。列車在運行過程中通過輪軌的相互傳遞，可將摩擦調節劑均勻的涂覆于鋼軌頂面和車輪踏面，形成穩定的固體薄膜(如圖11所示)，把摩擦系數控制到最優摩擦系數范圍內，降低由于蠕滑產生的高頻噪聲，降低列車脫軌風險，延長軌道使用壽命，降低滾動接觸疲勞，延緩波磨的產生。

圖10 軌頂摩擦調節設備

圖11 鋼軌形成油膜

(3)選配軌道減振技術

根據直線電機車輛對輪軌關系特點，應合理的選取減振扣件剛度。依據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往下傳遞，例如采用鋼彈簧浮置板整體道床技術，利用軌下支撐結構大質量慣性吸收耗散輪軌能量，并進一步做到軌下結構逐層減振優化設計方法，有效減少輪軌沖擊接觸振動。

3.4 監控電機狀態

目前廣州地鐵直線電機線路正線均已安裝直線電機氣隙在線監測系統，可實時監測直線電機定子和感應板之間的氣隙，對電機高度超標進行預警和報警。檢修分部建立在線監測系統的波形故障評判標準，培訓專業團隊進行全面篩查，在4 min內完成異常情況的判斷，同時建立相關應急響應制度，在一定程度上縮短應急處置時間，減輕或規避電機沉降帶來安全風險的擴大，保障正線運營安全。

4 結束語

結合廣州地鐵4號、5號、6號線至今12年的運用經驗，通過不斷的摸索與探究與改進，直線電機高度調整裝置結構與性能已趨于穩定。鑒于高度調整裝置關系到電機沉降，直接影響列車的運營安全，其仍需進一步優化結構，日常加強結構裝置和輪軌關系的維護保養，并實時監測直線電機運用狀態，切實保障車輛高效、安全運行。