磁懸浮軌道幾何參數測量方法研究

張擁軍　陳勇　陳夏平　李婷

摘要：針對國內磁懸浮軌道幾何參數測量技術發展滯后、第一代磁懸浮軌檢設備量值溯源困難等問題，該文建立一套直接影響磁懸浮列車運行穩定和安全的幾何參數評價體系，提出基于激光跟蹤儀的磁懸浮軌道幾何參數靜態標定方法和磁懸浮軌檢設備的比對辦法。在唐山國家中低速磁浮交通試驗基地的現場測量和比對實驗表明，激光跟蹤儀現場測量的擴展不確定度為0.50mm，基于激光跟蹤儀的現場實驗比對可以有效地揭示磁懸浮軌檢設備的系統誤差，為新出現的磁懸浮軌檢設備進行整體量值溯源提供新的思路。

關鍵詞：磁懸浮軌道;幾何參數;激光跟蹤儀;磁懸浮軌檢設備;量值溯源

中圖分類號：TP394.1

文獻標志碼：A

文章編號：1674–5124（2019）03–0046–07

Research on the measurement for the geometric parameters of the maglev railway

ZHANG Yongjun， CHEN Yong， CHEN Xiaping， LI Ting （Hunan Institute of Metrology and Test， Changsha 410014， China）

Abstract： Aiming at the problems that the domestic measurement technology for the geometric parameters of the maglev railway lags behind and there is no effective method of quantity traceability for the maglev railway inspection equipments， the paper systematically analyzed the main geometric parameters affecting the operation of maglev train and organized them into a set of evaluation system， then， presented a way of static calibration for the geometric parameters of maglev railway and a method of comparison experiment for the maglev railway inspection equipments based on the laser tracker. The situ measurement implemented in the Tangshan Low/medium-speed Maglev Experimental Line shows that the expanded uncertainty of the laser tracker in the field is 0.50 mm. The comparison based on the laser tracker effectively reveals the systematic deviation of the maglev railway inspection equipments and provides a whole new way of thinking for integrated quantity traceability of the emerging maglev railway inspection equipments.

Keywords： maglev railway; geometric parameters; laser tracker; maglev railway inspection equipments; quantity traceability

0 引言

磁懸浮軌道交通是一種新型的軌道交通方式，磁懸浮列車用磁力懸浮支撐代替了車輪支撐，解決了機械噪音和磨耗問題，從根本上克服了傳統列車輪軌粘著限制，是人們夢寐以求的陸路交通工具。德國是現代磁懸浮技術的發源地，德國人早在1934年就申請了磁懸浮列車的發明專利，20世紀60年代以來，以德國和日本為代表的國家先后開始了磁浮鐵路的研究，但技術和成本的問題使得高速磁懸浮在全球的推廣之路異?？部繹1-2]。進入到21世紀以后，中低速磁懸浮的發展異軍突起，日本于2005年3月在愛知世博會上投入了世界上第1條中低速磁懸浮運營線路[3]。2014年7月，韓國繼日本之后成為第2個擁有中低速磁懸浮線路的國家。

在中低速磁懸浮領域，我國歷經30多年的探索和研究，已經形成了完全的自主知識產權和應用技術體系，是第3個掌握中低速磁懸浮技術的國家。2016年5月，我國第1條中低速磁懸浮線路長沙磁浮快線正式通車;2017年12月，我國第2條中低速磁懸浮線路北京S1線開通試運營[4]。相比于國家磁浮建設的快速推進，磁浮軌道幾何參數測量技術的發展是滯后的，本文以中低速磁懸浮軌道結構為例，研究建立了一套影響列車運行穩定和安全的軌道幾何參數評價體系及其測量標定方法，并在唐山磁浮試驗線上進行了驗證，為磁浮軌道的精密調試和磁浮軌檢設備的量值統一提供了溯源依據。

1 中低速磁懸浮軌道的結構形式和幾何參數體系

1.1 HSST系統軌道結構形式

中低速磁浮軌道結構形式有多種，其中最具代表性的是日本HSST（high speed surface transport）系統軌道結構，主要由直線電機感應板、F型導軌、軌枕、軌排接頭、扣件和軌道承臺等組成。軌道的基本結構和技術原理如圖1所示，其采用的是常導電磁吸力懸浮模式，通電時，車載電磁鐵與F型導磁軌道異性相吸，將列車向上吸起懸浮于軌道上，通過直線電機來牽引列車運行。車載電磁鐵與F型導磁軌道之間的懸浮間隙一般為8～10mm，列車通過控制車載電磁鐵的勵磁電流來保證穩定的懸浮間隙[1]。

HSST軌道結構的核心部件是F型導軌，目前我國萊鋼集團已經能夠自主生產。F型導軌是承受磁浮列車懸浮力、導向力和牽引力的基礎構件，結構如圖2所示[5]。

為確保磁浮列車安全、平穩地行駛，F型導軌必須能夠有效約束列車懸浮狀態，盡可能提供連續、平順的磁極面，使F型導軌磁極面與懸浮電磁鐵磁極面之間形成相對閉合的磁場回路和穩定均勻的懸浮間隙。由此可見，軌道幾何狀態直接關系到磁浮列車的安全和運行的穩定性。

1.2 F型導軌幾何參數體系

影響磁浮列車運行的主要幾何狀態包括軌距、軌向、高低、水平、軌縫和四磁極面直線度等[6-8]。

1）軌距

磁浮軌道的軌距是指，在左右兩側F型導軌的任意橫截面上，懸浮檢測面中點連線的距離，用于描述左右F型導軌的橫向相對位置關系，如圖3所示。軌距參數的大小直接影響磁浮列車與軌道的側向間隙，會導致電磁吸力的側向分力和上浮分力發生變化，從而影響列車的運行安全。

2）軌向

磁浮軌道的軌向是指F型導軌沿軌道延伸方向的橫向偏差，如圖4所示。由于F型導軌有左右之分，軌向亦可分為左軌向和右軌向。軌向的不平順可導致列車的蛇行、搖擺和振動，影響行車的平穩和舒適。

3）高低

磁浮軌道的高低是指F型導軌沿軌道延伸方向的垂向偏差，由于F型導軌有左右之分，高低也可分為左高低和右高低。如圖5所示，直線電機感應板沿軌道延伸方向的垂向偏差為上高低，懸浮檢測面沿軌道延伸方向的垂向偏差為下高低;對于長為L的軌道，被測面（直線電機感應板或懸浮檢測面）上的最大垂向偏差h即為該段軌道的高低值。高低不平順會導致磁浮列車浮沉運動，甚至導致列車與軌道發生摩擦和碰撞。

4）水平

磁浮軌道的水平是指F型導軌的橫截面上左右兩軌的高度差。如圖6所示，水平也可用左右兩邊懸浮檢測面中點連線與水平線的夾角θ表示，一定的夾角可以平衡磁浮列車轉彎時產生的離心力，保障列車平穩運行，但是異常的水平高差又會妨礙列車安全行駛。

5）軌縫

軌縫是軌道拼接處的縫隙，如圖7所示，一般有3種形式：1為了應對溫度變化導致的軌道熱脹冷縮，施工時在軌道拼接處預留的伸縮縫;2軌道鋪設施工時，拼接處高低不平產生的上下錯縫;3軌道鋪設施工時，拼接處左右不平產生的左右錯縫。后面兩種形式的軌縫可能會導致磁浮列車經過時發生摩擦和碰撞，影響列車行駛安全，應該盡量避免。

6）四磁極面直線度

四磁極面直線度是指在軌道橫截面上左右兩軌內外磁極面的共線程度，如圖8所示。直線度越好，代表電磁鐵和4個磁極面的距離越穩定均勻，產生的電磁吸力也更一致。

2 基于激光跟蹤儀的中低速磁懸浮軌道靜

態幾何參數測量方法跟傳統的輪軌列車不同，磁浮列車采用抱軌行駛，因此整個磁浮軌道的上下工作面對于列車同樣重要，需要新的方法來精確地測量上述軌道幾何狀態參數。在試驗線上，目前我國主要是利用自動跟蹤全站儀和電子水準儀對磁懸浮F型軌道進行有限的靜態幾何檢測，效率低，功能有限。本文采用LeicaAT401激光跟蹤儀（測量范圍≥320m，MPE：±（15μm+6μm/m）），實現了磁浮軌道的三維測量，全方位的描述了磁浮軌道的空間幾何狀態。

2.1 軌向的測量方法

首先應在F型導軌外磁極外側面布點，布點時可以根據需要選擇合適的步長，然后用激光跟蹤儀測量所布點的空間坐標，再計算出軌向。

假設實驗對象是一長度為L的平直軌道，以一水平參考面為XY平面，軌道延伸方向為Y軸，垂直Y方向為X軸建立空間直角坐標系，測得的單側

點坐標為（x1，y1，z1），（x2，y2，z2），...，（xn，yn，zn），則該段長度為L的軌道軌向測得值：{x1，x2，···，xi}max?{x1，x2，···，xi}min（1）測量時測球可以搭配適當的小夾具以保證所測點的相對位置一致。由于軌向有左軌向和右軌向之分，實際測量中需要左右兩邊分別設站，為了統一兩次設站的坐標系，跳站時選取穩定的基準點以減小誤差。

2.2 高低和水平的測量方法

高低包括直線電機感應板的高低（上高低）和懸浮檢測面的高低（下高低）。在感應板和懸浮檢測面上分別布點，測得各點的空間坐標，再計算出高低值。測量時測球也可以搭配適當的小夾具以保證所測點的相對位置一致。測量高低時左右軌也需要分別設站，為了減少設站次數，單側軌向和高低可以同時測量。水平不需要單獨測量，可以根據測量高低時左右兩軌懸浮檢測面上的測量點坐標值進行計算，左右兩軌懸浮檢測面對應測量點的高差即為水平值。

假設在上述2.1建立的直角坐標系中，測得左側一長度為L的軌道懸浮檢測面的坐標值：（xL1，yL1，zL1），（xL2，yL2，zL2），...，（xLn，yLn，zLn）;測得對應右側長度為L的軌道懸浮檢測面的坐標值：（xR1，yR1，zR1），（xR2，yR2，zR2），...，（xRn，yRn，zRn），則該段長度為L的軌道高低測得值：

該段長度為L的軌道上第i個截面的水平測得值：

2.3 四磁極面直線度的測量方法

四磁極面直線度本質上就是4個磁極的“水平”。先在F型導軌磁極面上布點，測得各點的空間坐標，再計算出同一截面上4個點的最大高差，即為四磁極面直線度。為了減少設站，可以參照2.2所述的方式，在左邊設站時測量左側軌道所有布點，在右邊設站時測量右側軌道所有布點。

假設在上述2.1建立的直角坐標系中，測得左側軌道兩個磁極面的坐標值分別為：（xa1，ya1，za1），（xa2，ya2，za2），...，（xan，yan，zan）和（xb1，yb1，zb1），（xb2，yb2，zb2），...，（xbn，ybn，zbn）;測得右側軌道兩個磁極面的坐標值分別為：（xc1，yc1，zc1），（xc2，yc2，zc2），...，（xcn，ycn，zcn）和（xd1，yd1，zd1），（xd2，yd2，zd2），...，（xdn，ydn，zdn），則第i點的四磁極面直線度測得值：

2）提出了基于激光跟蹤儀的靜態幾何參數測量和計算方法，并在唐山國家中低速磁浮交通試驗基地進行了現場驗證和比對實驗?，F場測得磁懸浮軌道的軌向、高低和水平的波動基本在–3～3mm之間，軌距的變化基本在–1～1mm之間。以下高低為例，對激光跟蹤儀的現場測量進行了不確定度評定，其擴展不確定度為0.50mm，這是由標準不確定度乘以包含因子k=2得到的，對于正態分布來說，對應的包含概率約為95%。就懸浮檢測面的高低參數與國防科技大學最新研制的T型磁浮軌檢儀進行了比對實驗，有效地揭示了T型磁浮軌檢儀的系統偏差。

3）隨著長沙和北京的中低速磁懸浮列車線路相繼進入運營階段，國內市場上出現了第一代中低速磁懸浮軌道檢測設備，磁浮軌檢設備基本都是比較大型的系統，把單個的傳感器拆分下來單獨進行溯源意義不大。本文提出的基于激光跟蹤儀的軌道標定和設備比對方法，既能滿足磁浮軌檢設備整體進行量值溯源的要求，又符合磁浮軌檢設備的實際應用工況，可以解決以國防科技大學T型磁浮軌檢儀為代表的磁浮軌檢設備量值溯源難的突出問題，為正在興起的磁浮產業保駕護航。

參考文獻

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（編輯：劉楊）