中低速磁浮線路智能養護技術及裝備

宗 斌 劉飛香 張 琨 張銀龍

1. 中國鐵建重工集團股份有限公司，長沙，410100 2. 中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢，430063 3. 武漢理工大學智能制造與控制研究所，武漢，430063

0 引言

在國家政策和戰略引導下，以中低速磁浮交通為代表的，具有綠色環保、造價低、占地少、運行噪聲小、適應性強、全天候運營等優勢屬性的中低運量新型軌道交通制式成為國內很多城市的選擇。中低運量新型軌道除可以滿足中小型城市主干線軌道交通的發展需求外，還可作為大中型城市的干線延伸、補充線路，以及與衛星城區的連接線路。另外，連接大型景區的游客集散中心與各個景點的軌道交通線路也是新型軌道交通的熱門應用方向。

2016年5月6日，長沙磁浮快線作為國內首條中低速磁浮線路正式投入商業運營，該線路采用常導吸式技術，利用電磁吸力將列車懸浮在軌道上方8±2 mm。為保證滿足8 mm的運行間隙，對磁浮承軌梁、軌排和接觸軌的制造、安裝以及維護都提出了毫米級甚至亞毫米級的極高要求。然而，相較于比較成熟的大鐵、地鐵等傳統軌道交通，以中低速磁浮為代表的新型軌道交通制式多數尚處于工程驗證、運維摸索的階段，維護、養護標準體系尚不健全，專業的針對性的智能化養護裝備更是嚴重缺失，與新型軌道交通發展嚴重不對稱，已經成為新型軌道交通系統的一塊短板，是新型軌道交通高效率、低成本、高可靠運營的一個制約因素。

1 中低速磁浮線路的特殊設備

1.1 中低速磁浮軌排

與傳統鐵路的工字型鋼軌不同，中低速磁浮軌排(圖1)由F形導軌、H形鋼枕和緊固件構成。其中的F形導軌為主要部件，由軋制的F形鋼毛坯和鋁感應板型材經過多斷面的亞毫米級機加工而成。長沙磁浮快線的軌排，采用12.5 m的標準長度，F形導軌(簡稱F軌)之間根據不同的情況設置有不同形式的伸縮接頭，全線大部分采用25 m長度的簡支梁，如圖2所示。

圖1 中低速磁浮軌排Fig.1 Medium-low speed maglev track

圖2 中低速磁浮簡支梁Fig.2 Medium-low speed maglev beam

中低速磁浮交通系統的車-軌關系是列車能否安全平穩運行的核心關鍵點，因此對中低速磁浮軌排的制造和安裝都有著很高的精度要求[1-2](表1、表2)，其中的軌距(軌排兩側F軌磁極面中心線之間的距離)、水平(兩側F軌頂面高差)、高低(軌道豎向的平順性)、方向(軌道橫向的平順性)、軌道接縫(也稱“錯臺”，相鄰兩軌排的豎向和橫向高差)以及軌縫(相鄰兩組軌排的間距)等指標直接反映了軌道的平順性。

表1 《湖南省中低速磁浮交通工程質量驗收標準》F軌機加工部分要求Tab.1 Machining requirements of F track in 《Standard of Hunan for quality acceptance of medium and low speed maglev transit engineering》

表2 《湖南省中低速磁浮交通設計標準》軌道平順度要求Tab.2 Track regularity requirements in 《Standard of Hunan for design of medium and low speed maglev transit》

1.2 軌道平順性指標對中低速磁浮列車的影響

由文獻[3-4]可知，在常導吸式懸浮系統中，電磁吸力F的計算公式為

(1)

從式(1)中可以看出，在不考慮空氣磁導率μ0、電磁鐵線圈匝數N變化的情況下，當軌道出現錯臺導致磁極面積A發生變化,或者軌道出現不平順導致懸浮間隙x發生變化時，為保障懸浮間隙控制在8±2 mm的安全范圍內，懸浮控制系統將通過調整控制電流i來調整電磁吸力。圖3為一組實際提取的懸浮間隙和控制電流的對比圖，可以看出在懸浮間隙出現明顯變化時，懸浮控制電流也出現了相應的較大波動。

圖3 懸浮間隙與控制電流實際對應關系Fig.3 Relationship between suspension gap and control current

以上現象及結論與文獻[5-6]所討論的結果一致。軌道的不平順會由懸浮間隙傳感器反映到懸浮控制器從而對懸浮狀態不斷進行調整，一定范圍內的懸浮狀態調整會反映于列車乘坐的舒適性，超出范圍的軌道不平順引起的懸浮狀態調整可能導致懸浮失穩，出現懸浮“掉點”甚至“砸軌”等故障現象，影響磁浮列車的舒適性和安全性。

1.3 中低速磁浮接觸軌

接觸軌是為中低速磁浮列車輸送高壓電的設備，長沙磁浮快線采用的是鋼鋁復合型接觸軌，截面為“C”形結構(圖4)，每節供電軌長約12 m，通過間隔為3 m的絕緣支撐固定在梁體兩側面預留的預埋槽道上，每約50 m設置一處膨脹接頭(圖4)，梁兩側分別為正極供電軌和負極回流軌。

圖4 C形接觸軌的膨脹接頭Fig.4 The expansion joint of C shape contact rail

由于列車采用側面受流方式，因此中低速磁浮系統的靴-軌(接觸軌)關系是列車安全平穩運行的又一個關鍵點。理想的受流靴與接觸軌的接觸狀態為兩個平面的接觸，接觸軌的平順性情況直接影響列車受流的穩定性和可靠性，超出合理范圍的不平順會引起受流靴在接觸軌面的“彈跳”，影響受流的穩定，甚至產生“拉弧”現象，對供電系統產生沖擊并灼傷接觸面，產生安全風險；超出合理范圍的軌縫會增大受電靴接觸面的磨耗，甚至導致靴-軌碰撞而影響列車安全運行。

2 中低速磁浮線路養護的需求及現狀

根據中低速磁浮線路的特殊結構、設備以及要求，結合運維情況分析，線路養護的重點內容及養護周期匯總如表3所示。

表3 中低速磁浮線路養護重點項目及解決方案Tab.3 Medium-low speed maglev maintenance key points and maintenance solution

以往在中低速磁浮線路的軌道和接觸軌的安裝、運維中多采用人工測量的方式，基于較通用的懸線測量等方法，存在效率低、人工成本高、精度差、人為誤差不可控等問題，在施工建設階段無法對全線的軌排安裝進行統一的精度控制，也難以實現軌排狀態全生命周期的監控。另外，中低速磁浮線路的梁體很多采用的是輕量化的簡支梁結構(例如長沙磁浮快線)，梁體外側、疏散平臺和梁體間的電纜通道等區域成為檢修人員難以到達的位置，使得這些位置的接觸軌、支座、線纜、支架和限界等的巡檢、養護難度加大，增加了安全風險。

從中低速磁浮線路的安全可靠運營，以及有效控制運維成本的角度考慮，定制化、高精度的現代化養護裝備成為剛需。

3 中低速磁浮智能化養護裝備

針對中低速磁浮交通，建設領域目前已經形成了具有完全自主知識產權的系統技術，但養護運維仍然處于探索階段。基于近幾年的運營情況，對養護裝備的需求已經逐漸清晰，并逐漸認識到：基于中低速磁浮交通特殊的軌道形式和應用環境，定制化的裝備是唯一選擇。針對表3中提出的不同養護項目需求和周期，并結合中低速磁浮工程車設計建議[7]，考慮軌排、接觸軌、梁和線路附屬設施等多個方面，討論并提出中低速磁浮系統的新型智能化養護和運維裝備及系統的解決方案，簡要分析如表3所示。

3.1 中低速磁浮智能巡檢車

中低速磁浮線路普遍采用高架形式，檢測精度和檢測頻率要求高，人力巡檢難度大，因此一種小型化、輕量化、智能化的巡檢車裝備成為合適的解決方案。基于AI圖像識別技術、“弦測法”軌檢儀技術以及基于大數據處理的全壽命周期管理技術，研發了高精度、高效率、高標準智能巡檢車。并基于中低速磁浮的特殊性能，進行了多個方面的優化設計：采用新能源蓄電池動力，以滿足中低速磁浮綠色環保的屬性；采用特殊的膠輪，以輪軌形式走行在F軌的滑行面上，防止損壞F軌和鋁感應板；以“抱軌”的形式，在軌排兩側設置安全輪，進一步保證行車安全。研發的中低速磁浮智能巡檢車的結構如圖5所示。

圖5 磁浮智能巡檢車Fig.5 Medium-low speed maglev intelligent inspection vehicle

該磁浮智能巡檢車具備的主要功能如下：

(1)運送人員及工具。可運送約4～6人的檢修班組及工具物料快速抵達作業地點，運行速度宜為25 km/h左右，主要解決高架線路區間，檢修人員及物料快速安全抵達現場的問題。

(2)日常巡檢。在感應板、接觸軌、疏散平臺等區域用工業高速相機進行圖像采集，解決以往人員不便到達位置的巡檢問題。其中，對于感應板的受損情況，可以引入AI圖像識別技術，篩選出可能存在問題的點。

(3)線路檢測。針對軌排、供電軌等的線形平順性情況的檢測，采用成熟的“弦測法”[8]軌檢儀技術，以1 m固定弦長的基本結構，在弦兩端及弦中間位置分別設置誤差在0.01 mm以下的激光位移傳感器，形成“三點弦測法”的靜態軌檢模型，如圖6所示。將此模型布置在需要檢測的水平、高低、軌向等檢測面上，并采用“以小推大”的計算模型[9]，就可以測量出4 m或10 m弦長的平順度情況，并對比相應的允許偏差得出超差情況。

圖6 靜態軌檢模型Fig.6 Static detection module

對于軌排、供電軌的錯臺、軌縫的超差情況，可利用同個或相鄰激光位移傳感器在軌排、供電軌接頭位置的直接測量值以及脈沖時差換算得出，然后對比相應的允許偏差值就可得出超差情況。

(4)智能巡檢。結合智能運維管理系統，實現線路檢測數據及結果的實時呈現，同時應具有遠程實時傳輸、歷史數據比對、全生命周期管理等能力，結合云平臺技術實現裝備的智能化。

基于既有線路的運營經驗和養護需求，該裝備的使用頻率可為每周2～3次。

3.2 F軌綜合作業車

中低速磁浮F軌綜合作業車除了能夠應對高架工況的簡支梁側面等特殊位置檢修外，同時也能夠實現與傳統輪軌制式類似的故障列車救援功能，其結構如圖7所示。同樣，為了更好地符合磁浮交通綠色、節能的理念，該作業車以高可靠、大牽引力為設計原則，采用新能源蓄電池組為動力，采用膠輪走行的輪軌模式設置安全輪。該車具備的主要功能包括：①能夠滿足對故障磁浮列車在最大坡道工況下(中低速磁浮系統運用的最大坡度為7%)的牽引救援，最大運行速度約25 km/h；②為簡支梁側面的作業區域提供檢修平臺，可采用伸縮/伸展式吊籃結構，將檢修人員輸送至作業區域；③能夠為聯掛的其他特種作業平臺提供牽引動力。基于既有線路的運營經驗和養護需求，該車的使用頻率約為每月1次。

圖7 F軌綜合作業車Fig.7 Multi-function maintenance vehicle

3.3 特種作業平臺車

針對除冰雪、更換軌排/供電軌等特種作業需求，本項目組設計研發了中低速磁浮特種作業平臺車，結構如圖8所示，其自身可不帶動力，由F軌綜合作業車提供牽引動力。可采用模塊化設計原則，為除冰、除雪、換軌等不同作業需求設計相應模塊，解決特殊情況下作業需求，在滿足功能需求的同時，提高裝備的利用率。根據線路情況的不同，該裝備的使用頻率約為每半年1次。

圖8 特種作業平臺車Fig.8 Special maintenance platform

3.4 智能運維管理系統

目前國內中低速磁浮交通作為交通輔助線、專線或旅游線等相對獨立運行的模式，較市內軌道交通系統更輕量化，但是其列車、軌道、道岔等設備的復雜和自動化程度較高，適合針對性地開發和配套基于云平臺技術的智能化、輕量化運維管理系統，系統結構如圖9所示。可利用物聯網、5G傳輸等技術，綜合各智能巡檢、軌檢裝備的數據，以及整合磁浮列車、道岔、信號等系統設備狀態數據，通過人工智能、大數據分析等手段，將匯總的大量數據與歷史數據、故障、處理情況進行比對，經過機器學習、預判自動生成作業派單，指導各項設備設施的養護，對養護人員及設備進行合理化調配，并監控養護作業流程，施行閉環控制，達到避免出現養護真空期和過度養護的目的，可實現或部分實現由“故障修”向“狀態修”的改變，有效降低運維成本。

圖9 智能運維管理系統Fig.9 Intelligent operation and maintenance management system

4 結語

針對中低速磁浮交通這類新型軌道交通系統，定制化開發專業的養護裝備是保障其穩定安全運營的必要條件。針對中低速磁浮線路養護的高精度、高標準、高指標，以及其特殊的應用條件要求，自動化、智能化的養護裝備能有效提高作業效率、降低人工成本、提高安全性，是其全生命周期管理的關鍵，也是中低速磁浮交通等新型軌道交通推廣應用的重要因素。