磁懸浮軌道幾何參數(shù)測量方法研究

張擁軍　陳勇　陳夏平　李婷

摘要：針對國內(nèi)磁懸浮軌道幾何參數(shù)測量技術(shù)發(fā)展滯后、第一代磁懸浮軌檢設(shè)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(yùn)行穩(wěn)定和安全的幾何參數(shù)評價(jià)體系，提出基于激光跟蹤儀的磁懸浮軌道幾何參數(shù)靜態(tài)標(biāo)定方法和磁懸浮軌檢設(shè)備的比對辦法。在唐山國家中低速磁浮交通試驗(yàn)基地的現(xiàn)場測量和比對實(shí)驗(yàn)表明，激光跟蹤儀現(xiàn)場測量的擴(kuò)展不確定度為0.50mm，基于激光跟蹤儀的現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)比對可以有效地揭示磁懸浮軌檢設(shè)備的系統(tǒng)誤差，為新出現(xiàn)的磁懸浮軌檢設(shè)備進(jìn)行整體量值溯源提供新的思路。

關(guān)鍵詞：磁懸浮軌道;幾何參數(shù);激光跟蹤儀;磁懸浮軌檢設(shè)備;量值溯源

中圖分類號：TP394.1

文獻(xiàn)標(biāo)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(jī)械噪音和磨耗問題，從根本上克服了傳統(tǒng)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(xiàn)代磁懸浮技術(shù)的發(fā)源地，德國人早在1934年就申請了磁懸浮列車的發(fā)明專利，20世紀(jì)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(shù)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(jìn)入到21世紀(jì)以后，中低速磁懸浮的發(fā)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(yùn)營線路[3]。2014年7月，韓國繼日本之后成為第2個(gè)擁有中低速磁懸浮線路的國家。

在中低速磁懸浮領(lǐng)域，我國歷經(jīng)30多年的探索和研究，已經(jīng)形成了完全的自主知識產(chǎn)權(quán)和應(yīng)用技術(shù)體系，是第3個(gè)掌握中低速磁懸浮技術(shù)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(yùn)營[4]。相比于國家磁浮建設(shè)的快速推進(jìn)，磁浮軌道幾何參數(shù)測量技術(shù)的發(fā)展是滯后的，本文以中低速磁懸浮軌道結(jié)構(gòu)為例，研究建立了一套影響列車運(yùn)行穩(wěn)定和安全的軌道幾何參數(shù)評價(jià)體系及其測量標(biāo)定方法，并在唐山磁浮試驗(yàn)線上進(jìn)行了驗(yàn)證，為磁浮軌道的精密調(diào)試和磁浮軌檢設(shè)備的量值統(tǒng)一提供了溯源依據(jù)。

1 中低速磁懸浮軌道的結(jié)構(gòu)形式和幾何參數(shù)體系

1.1 HSST系統(tǒng)軌道結(jié)構(gòu)形式

中低速磁浮軌道結(jié)構(gòu)形式有多種，其中最具代表性的是日本HSST（high speed surface transport）系統(tǒng)軌道結(jié)構(gòu)，主要由直線電機(jī)感應(yīng)板、F型導(dǎo)軌、軌枕、軌排接頭、扣件和軌道承臺等組成。軌道的基本結(jié)構(gòu)和技術(shù)原理如圖1所示，其采用的是常導(dǎo)電磁吸力懸浮模式，通電時(shí)，車載電磁鐵與F型導(dǎo)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(jī)來牽引列車運(yùn)行。車載電磁鐵與F型導(dǎo)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(lì)磁電流來保證穩(wěn)定的懸浮間隙[1]。

HSST軌道結(jié)構(gòu)的核心部件是F型導(dǎo)軌，目前我國萊鋼集團(tuán)已經(jīng)能夠自主生產(chǎn)。F型導(dǎo)軌是承受磁浮列車懸浮力、導(dǎo)向力和牽引力的基礎(chǔ)構(gòu)件，結(jié)構(gòu)如圖2所示[5]。

為確保磁浮列車安全、平穩(wěn)地行駛，F(xiàn)型導(dǎo)軌必須能夠有效約束列車懸浮狀態(tài)，盡可能提供連續(xù)、平順的磁極面，使F型導(dǎo)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(wěn)定均勻的懸浮間隙。由此可見，軌道幾何狀態(tài)直接關(guān)系到磁浮列車的安全和運(yùn)行的穩(wěn)定性。

1.2 F型導(dǎo)軌幾何參數(shù)體系

影響磁浮列車運(yùn)行的主要幾何狀態(tài)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(cè)F型導(dǎo)軌的任意橫截面上，懸浮檢測面中點(diǎn)連線的距離，用于描述左右F型導(dǎo)軌的橫向相對位置關(guān)系，如圖3所示。軌距參數(shù)的大小直接影響磁浮列車與軌道的側(cè)向間隙，會導(dǎo)致電磁吸力的側(cè)向分力和上浮分力發(fā)生變化，從而影響列車的運(yùn)行安全。

2）軌向

磁浮軌道的軌向是指F型導(dǎo)軌沿軌道延伸方向的橫向偏差，如圖4所示。由于F型導(dǎo)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(dǎo)致列車的蛇行、搖擺和振動，影響行車的平穩(wěn)和舒適。

3）高低

磁浮軌道的高低是指F型導(dǎo)軌沿軌道延伸方向的垂向偏差，由于F型導(dǎo)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(jī)感應(yīng)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(jī)感應(yīng)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(dǎo)致磁浮列車浮沉運(yùn)動，甚至導(dǎo)致列車與軌道發(fā)生摩擦和碰撞。

4）水平

磁浮軌道的水平是指F型導(dǎo)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(diǎn)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(zhuǎn)彎時(shí)產(chǎn)生的離心力，保障列車平穩(wěn)運(yùn)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(yīng)對溫度變化導(dǎo)致的軌道熱脹冷縮，施工時(shí)在軌道拼接處預(yù)留的伸縮縫;2軌道鋪設(shè)施工時(shí)，拼接處高低不平產(chǎn)生的上下錯(cuò)縫;3軌道鋪設(shè)施工時(shí)，拼接處左右不平產(chǎn)生的左右錯(cuò)縫。后面兩種形式的軌縫可能會導(dǎo)致磁浮列車經(jīng)過時(shí)發(fā)生摩擦和碰撞，影響列車行駛安全，應(yīng)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(nèi)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(gè)磁極面的距離越穩(wěn)定均勻，產(chǎn)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(tài)幾何參數(shù)測量方法跟傳統(tǒng)的輪軌列車不同，磁浮列車采用抱軌行駛，因此整個(gè)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(tài)參數(shù)。在試驗(yàn)線上，目前我國主要是利用自動跟蹤全站儀和電子水準(zhǔn)儀對磁懸浮F型軌道進(jìn)行有限的靜態(tài)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(shí)現(xiàn)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(tài)。

2.1 軌向的測量方法

首先應(yīng)在F型導(dǎo)軌外磁極外側(cè)面布點(diǎn)，布點(diǎn)時(shí)可以根據(jù)需要選擇合適的步長，然后用激光跟蹤儀測量所布點(diǎn)的空間坐標(biāo)，再計(jì)算出軌向。

假設(shè)實(shí)驗(yàn)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?yàn)閅軸，垂直Y方向?yàn)閄軸建立空間直角坐標(biāo)系，測得的單側(cè)

點(diǎn)坐標(biāo)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(shí)測球可以搭配適當(dāng)?shù)男A具以保證所測點(diǎn)的相對位置一致。由于軌向有左軌向和右軌向之分，實(shí)際測量中需要左右兩邊分別設(shè)站，為了統(tǒng)一兩次設(shè)站的坐標(biāo)系，跳站時(shí)選取穩(wěn)定的基準(zhǔn)點(diǎn)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(jī)感應(yīng)板的高低（上高低）和懸浮檢測面的高低（下高低）。在感應(yīng)板和懸浮檢測面上分別布點(diǎn)，測得各點(diǎn)的空間坐標(biāo)，再計(jì)算出高低值。測量時(shí)測球也可以搭配適當(dāng)?shù)男A具以保證所測點(diǎn)的相對位置一致。測量高低時(shí)左右軌也需要分別設(shè)站，為了減少設(shè)站次數(shù)，單側(cè)軌向和高低可以同時(shí)測量。水平不需要單獨(dú)測量，可以根據(jù)測量高低時(shí)左右兩軌懸浮檢測面上的測量點(diǎn)坐標(biāo)值進(jìn)行計(jì)算，左右兩軌懸浮檢測面對應(yīng)測量點(diǎn)的高差即為水平值。

假設(shè)在上述2.1建立的直角坐標(biāo)系中，測得左側(cè)一長度為L的軌道懸浮檢測面的坐標(biāo)值：（xL1，yL1，zL1），（xL2，yL2，zL2），...，（xLn，yLn，zLn）;測得對應(yīng)右側(cè)長度為L的軌道懸浮檢測面的坐標(biāo)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(gè)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(zhì)上就是4個(gè)磁極的“水平”。先在F型導(dǎo)軌磁極面上布點(diǎn)，測得各點(diǎn)的空間坐標(biāo)，再計(jì)算出同一截面上4個(gè)點(diǎn)的最大高差，即為四磁極面直線度。為了減少設(shè)站，可以參照2.2所述的方式，在左邊設(shè)站時(shí)測量左側(cè)軌道所有布點(diǎn)，在右邊設(shè)站時(shí)測量右側(cè)軌道所有布點(diǎn)。

假設(shè)在上述2.1建立的直角坐標(biāo)系中，測得左側(cè)軌道兩個(gè)磁極面的坐標(biāo)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(cè)軌道兩個(gè)磁極面的坐標(biāo)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(diǎn)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(tài)幾何參數(shù)測量和計(jì)算方法，并在唐山國家中低速磁浮交通試驗(yàn)基地進(jìn)行了現(xiàn)場驗(yàn)證和比對實(shí)驗(yàn)?，F(xiàn)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(xiàn)場測量進(jìn)行了不確定度評定，其擴(kuò)展不確定度為0.50mm，這是由標(biāo)準(zhǔn)不確定度乘以包含因子k=2得到的，對于正態(tài)分布來說，對應(yīng)的包含概率約為95%。就懸浮檢測面的高低參數(shù)與國防科技大學(xué)最新研制的T型磁浮軌檢儀進(jìn)行了比對實(shí)驗(yàn)，有效地揭示了T型磁浮軌檢儀的系統(tǒng)偏差。

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

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（編輯：劉楊）