中低速磁浮转向架综合检测技术研究和设备研制

2018-10-20龚朴

新型工业化 2018年8期

龚朴

（北京磁悬浮交通发展有限公司长沙分公司，湖南长沙 410003）

0 引言

中低速磁浮交通技术是依靠电磁力将列车悬浮，利用直线电机驱动的轨道交通技术，运行时速为100～120千米。具有噪声低、环保性能好、线路适应性强(爬坡能力70‰)、乘坐舒适、运行安全可靠，建设、维护成本低、运营效益好等特点。适用于大中城市市内、近距离城市间和旅游景区的交通连接[1-2]。中低速磁浮列车的走行部由多个磁悬浮转向架组成，磁悬浮转向架是中低速磁浮列车的重要部件，在中低速磁浮列车中多个磁悬浮转向架之间的机械一致性直接影响磁浮列车的悬浮、导向、牵引和制动性能，是磁浮列车运行品质、运行效率、乘客舒适感以及安全性的保证。目前，磁悬浮转向架均是单个生产后再组装成磁浮列车，多个磁悬浮转向架之间的一致性主要依靠各磁悬浮转向架自身的制造和装配精度来保证，因此磁浮转向架在进行上轨装配后，需要对中低速磁浮转向架的关键参数进行测量[3-4]。

图1 中低速磁浮列车及转向架结构Fig.1 Medium low speed maglev train and the structure of maglev bogie

中低速磁悬浮转向架由左、右两个独立的悬浮模块和防滚解耦机构组成，左悬浮模块和右悬浮模块结构相同，对称布置在左右轨道上，两个独立的悬浮模块再通过防滚解耦机构连接。中低速磁悬浮转向架在上轨装配后，电机与轨道、电磁铁与轨道之间都会存在一定的垂向间隙，其中直线电机与轨道的垂向间隙称为电机气隙，影响转向架牵引运行效率，电磁铁与轨道之间的垂向间隙称为悬浮气隙，影响转向架悬浮承载力。上述两间隙过小时，还可能造成转向架与轨道之间的刮碰，影响磁悬浮列车运行安全性。所以上述两个间隙是转向架至关重要的性能参数，且这个两个间隙的测量只能在轨道上进行。另一方面，中低速磁悬浮转向架的左右悬浮模块存在绕各自轨道的侧滚，侧滚量与防滚解耦机构的初始位置和姿态有关，且随载荷变化而变化。悬浮模块的侧滚变化会改变电机与轨道、电磁铁与轨道之间的最小间隙。因此，中低速磁悬浮转向架悬浮模块绕轨道的侧滚量及其随载荷的变化曲线，也是转向架的关键性能指标。

1 设备研制的目的和意义

目前在国内，中低速磁悬浮车辆转向架上轨装配完成后，通常是采用卡尺、塞尺等间隙测量工具测量直线电机与轨道、电磁铁与轨道内外边沿之间的间隙，来计算电机气隙、悬浮气隙和模块侧滚量；再根据测量结果调整转向架防滚解耦机构中的可调节吊杆，循环上述步骤，直至达到转向架的设定要求。然后，在完成车体吊装和车辆满载后，分别测量上述两个气隙和模块侧滚量，并根据测量结果进一步调整可调节吊杆。上述检测过程通常在装车装置上通过手工测量的方式进行，没有一个系统的检测平台，其检测过程和检测设备过于简单，检测结果受轨道制造安装精度、直线电机和电磁铁等部件制造精度、以及测量人员人为因素的影响较大，存在检测准确性差、重复性差、检测过程长、载荷变化的可控性差等缺陷，给保证整车多个转向架的机械一致性带来很大困难。

2 研制任务来源

在北京市国资委国有资本经营预算“磁浮车辆转向架产业化”项目支持下，结合转向架试验验收条件，2014年5月开始进行磁浮车辆转向架综合测试检测装置的研制工作。目标是研制出能够综合评定磁悬浮转向架总成的制造和装配质量的检测装置，符合转向架产业化要求。

3 项目研究的主要内容和主要技术指标

3.1 使用范围

本设备主要用于以下三个方面：① 转向架总成生产厂对转向架出厂前进行质量检测；② 磁浮车辆总装厂在车辆总装前对转向架总成进行合格性检测；③ 磁浮线路车辆段转向架检修完工后，对转向架上车前进行质量检测。

3.2 基本功能

转向架综合检测装置具备以下功能[5-7]：

（1）转向架总成关键装配尺寸检测；

（2）转向架总成垂向加载；

（3）指导防滚梁吊杆长度调节；

（4）测量转向架的防滚性能。

3.3 主要技术参数

转向架综合检测装置除以上基本功能外，还可以进行转向架的防滚性能的测量、自动生成转向架检测报告等，其具体的技术参数如下所示：

表1 转向架综合检测装置主要技术参数Table 1 Main technical parameters of bogie comprehensive inspection device

4 设备的结构及组成

转向架综合检测装置的总体布局如图2所示，主要由基准轨及结构平台、间隙测量系统、滚动测量系统、垂向加载系统、液压轮液路检测装置、测量控制与人机交互系统、刚性加载架、液压系统和电控系统等组成[8-14]。

总体布局在5 m×5 m×2.8 m的空间内，可安装在总装厂房或检修厂房内，也可与磁浮线路对接。设备下部设置基准轨及结构装置模拟磁浮轨道，作为整个设备基础平台和检测基准。

图2 中低速磁浮车辆转向架综合测试检测装置Fig.2 Comprehensive inspection device of bogie for medium low speed maglev vehicle

4.1 间隙测量系统

间隙测量系统是用于测量直线电机气隙、电磁铁气隙的高精度测量系统，集自动运行、自动测量、自动记录等多项功能[15-16]。间隙测量系统由对射式激光测微计、高精度磁栅尺位移传感器和间隙测量控制程序组成。

对射式微光测微计通过专用结构件与直线驱动装置连接。测量时通过直线驱动装置沿转向架运行方向平移，进行转向架装配完成后的直线电机与基准轨之间的气隙以及基准轨与电磁铁磁极面之间的气隙测量，并记录测量过程中气隙的变化量。

基于间隙测量系统得到的测量数据，不但可以得到电机和电磁铁气隙的最小值，对转向架总成的气隙参数是否合格做出判断，还可以通过适当的数据分析和特征提取，得出产生气隙超差的可能原因，如近似估计直线电机极面的平面度、电磁铁极面的平面度等。

对射式微光测微计用于测量直线电机间隙和电磁铁间隙。对射式微光测微计选用专业光学传感器，其测量精度和抗干扰能力完全满足整机需要，间隙测量系统结构及测量原理如图3所示。

图3 间隙测量系统Fig.3 Clearance measuring system

4.2 滚动测量系统

滚动测量系统用于测量转向架左右模块绕基准轨的滚动量、综合支架的高度、转向架防滚柔（刚）度，具有自动测量、自动记录等功能。滚动测量系统由三个激光位移传感器、传感器支架、滚动测量控制程序组成，激光位移传感器通过专用安装结构与传感器支架连接。传感器支架采用龙门架的形式，置于刚性加载架中间，与刚性加载架无连接，避免垂向加载系统工作时，传感器支架变形，引起测量基准的变化[17-18]。

滚动测量系统布置在基准轨的上方对应四个托臂的位置，与基准轨形成“井”结构。通过其中两个激光位移传感器测量托臂内外侧的高度，计算高度差，实现转向架滚动量的测量；通过另一个激光位移传感器再测出综合支架上表面的高度，计算测量托臂上表面和综合支架上表面的高度差，实现综合支架安装高度的测量，滚动测量系统结构及测量原理如4图所示。

图4 滚动测量系统及测量原理Fig.4 Rolling measurement system and measuring principle

4.3 液压系统及液压垂向加载系统

液压垂向加载系统用于测量转向架刚度时，模拟实际载荷变化的系统，能够完成0～1.5 T的加载力连续可调。为实现“托臂滚动量测量”“转向架仿滚柔（刚）度测量”提供加载功能。液压系统由油箱、油泵电机、油泵、集成块、液压阀、压力传感器、压力表、过滤器、管路等组成，所有液压元器件均装在油箱上，通过油管与各油缸相联。

液压系统设有压力传感器、比例伺服阀，具备闭环的压力控制，以通过工控机控制实现无级压力调整，并且可以预设压力档位，精确锁定压力值，自动方便地实现加载力的控制。通过恒压变量泵和调节速度的比例伺服阀联合控制，可精确的调整输出流量，进而实现油缸对转向架的精确加载压力控制。对转向架进行加载的4组油缸分别安装在加载机架上，加载时通过比例阀实时调整流量，通过加载头内部安装的压力传感器进行实时反馈，从而达到规定的压力值[19-20]。

液压系统配备有安全阀，防止系统过载，同时配备液压锁紧功能，确保断电时安全固定20分钟以上。液压系统还设计有一个热交换器和一个冷却风扇以保证设备连续24小时而不会在油温上出现问题。