中低速磁浮軌道動態(tài)檢測系統(tǒng)及搭載安裝解耦機構(gòu)設(shè)計

張興華，袁 偉，蘇 款

（湖南凌翔磁浮科技有限責(zé)任公司，湖南 長沙 410007）

中低速磁浮列車沿軌道“零高度飛行”，雖然不接觸軌道，但磁浮軌道狀態(tài)直接影響行車安全和運行效率。中低速磁浮列車軌道采用高架F 型軌道，列車運行的穩(wěn)定性、安全性及乘坐舒適性與F 型軌道的狀態(tài)有關(guān)，需要定期對F 型軌道進(jìn)行檢測維護(hù)[1]。采用傳統(tǒng)的磁浮軌道檢測方法，存在諸多問題：一是高架夜間作業(yè)的人員安全難以保證；二是人工測量精度差、數(shù)據(jù)粗糙，長期數(shù)據(jù)累計挖掘難；三是人工測量勞動強度大、效率低。為解決上述問題，本項目研制一套中低速磁浮軌道動態(tài)測系統(tǒng)。本系統(tǒng)可安裝在特種工程車或磁浮運營車輛上，是檢查磁浮軌道線路病害、指導(dǎo)線路維修、保障行車安全的重要檢查設(shè)備，可提高軌道建設(shè)維護(hù)的質(zhì)量和效率，為磁浮線路建設(shè)以及運營期間線路驗收、維護(hù)、保養(yǎng)提供支撐，也是磁浮軌道現(xiàn)代化科學(xué)管理的重要手段。

1.目的和意義

中低速磁浮列車的懸浮架分左右兩個模塊，通過防側(cè)滾梁連接，實現(xiàn)了左右兩側(cè)運動和力的解耦。（懸浮架解耦，是指兩個懸浮模塊之間的相對姿態(tài)可以通過防側(cè)滾梁各關(guān)節(jié)的機械運動來實現(xiàn)。）為了不影響懸浮架自身的解耦性能，現(xiàn)有的中低速磁懸浮列車動態(tài)軌檢設(shè)備是采用分體式檢測系統(tǒng)：即左右兩側(cè)各裝一臺檢測單軌參數(shù)的設(shè)備，如圖1 所示。

圖1 單側(cè)軌道檢測設(shè)備

單側(cè)軌道檢測設(shè)備分別安裝在懸浮架的左右電磁鐵托臂連接座端部，其通過測量懸浮架與軌道相對運動和姿態(tài)等參數(shù)間接換算得到軌道的幾何參數(shù)。這種分體式檢測系統(tǒng)測量精度差、使用傳感器多且部分直接安裝在車上，致使檢測系統(tǒng)獨立性差、可移植性差。為了解決以上問題，有必要采用剛性測量架將檢測傳感器等安裝在一個整體結(jié)構(gòu)上。

2.系統(tǒng)設(shè)計方案

2.1 系統(tǒng)組成

F 軌道動態(tài)檢測系統(tǒng)框圖如圖2 所示，主要包括激光位移計、加速度計、編碼器、激光位移開光、記錄儀、上位機等部分。其中激光位移計、加速度計、編碼器、激光位移開關(guān)用于檢測F 軌幾何參數(shù)、相關(guān)的位置、加速度、里程等信息；記錄儀用于處理傳感器的數(shù)據(jù)并進(jìn)行存儲和傳輸；上位機對記錄儀上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，得到F 軌的幾何參數(shù)，并給出分析報告。

圖2 F 軌動態(tài)檢測系統(tǒng)框圖

2.2 功能參數(shù)

軌道動態(tài)檢測系統(tǒng)可搭載在工程車或磁浮列車上，完成中低速磁懸浮F 型軌道的實時動態(tài)測量。主要檢測項目包括F 型軌道里程、軌距、高低、軌向、軌縫、錯牙等檢測項目[2]，各參數(shù)指標(biāo)如表1。

表1 軌道動態(tài)檢測系統(tǒng)參數(shù)指標(biāo)

2.3 檢測原理

軌道動態(tài)系統(tǒng)采用慣性基準(zhǔn)法檢測軌道高低和軌向不平順，利用加速度計建立基準(zhǔn)線，獲得測量架的空間運動軌跡，結(jié)合位移計測量的軌道與測量架的相對位移，計算得到軌道不平順空間曲線。檢測的項目包括定位檢測、軌高檢測、軌距檢測、橫坡角檢測、高低檢測、曲率檢測、垂向錯牙檢測以及軌縫檢測等。

3.剛性測量架結(jié)構(gòu)設(shè)計

剛性測量架是測量系統(tǒng)的主要組成部分，如圖3 所示。測量系統(tǒng)由剛性測量架、傳感器組（包括激光位移計、里程激光開關(guān)和陀螺系統(tǒng)等）以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（記錄儀）等組成，主要完成對軌道狀態(tài)數(shù)據(jù)采集和記錄。

圖3 測量系統(tǒng)組成

測量架搭載在車輛懸浮架或車體上，通過左右兩個具有解耦特性的支撐機構(gòu)與搭載車輛相連。測量架采用輕量化設(shè)計，并可實現(xiàn)快速拆裝。傳感器組由高精度激光位移計、加速度計、激光位移開關(guān)和陀螺系統(tǒng)（包含陀螺儀和加速度計）系統(tǒng)等組成，是準(zhǔn)確檢測的度量基礎(chǔ)。記錄儀集成了多通道高精度數(shù)據(jù)采集器，準(zhǔn)確地采集傳感器信號并存儲。

3.1 設(shè)計原則及技術(shù)條件

3.1.1 設(shè)計原則

1)滿足磁浮軌道檢測設(shè)備的安裝及功能實現(xiàn)；

2)保證不影響磁浮列車懸浮架的解耦；

3)保證與現(xiàn)有磁浮列車結(jié)構(gòu)搭載物理接口一致(確保對接尺寸準(zhǔn)確無誤)；

4)結(jié)構(gòu)盡量簡化并容易實現(xiàn)；

5)能快速組裝和拆卸。

3.1.2 技術(shù)條件

為描述方便，本文中定義沿軌道延伸方向為X 方向，垂直軌道縱截面方向為Y 方向，X 的法線方向為Z 方向，如圖4 中低速磁浮列車懸浮架模型所示。

在車輛運行時，懸浮架單元的左右模塊在一定范圍內(nèi)是相互解耦的，包括X、Y、Z 這3 個方向的平移自由度和Y、Z 這2 個方向的轉(zhuǎn)動自由度。車輛在Y 向設(shè)有偏移限位滑塊，限位間隙14 mm，磁浮列車起浮Z 向位移變化0-10 mm，磁浮列車通過曲線段時，左右模塊異面。

3.2 搭載安裝解耦機構(gòu)運動原理

剛性測量架搭載安裝在懸浮架的端部，為了不影響車輛的正常懸浮運行，需要設(shè)計一組安裝解耦機構(gòu)，以滿足剛性測量架的安裝需求。

3.2.1 解耦原理

剛性測量架與搭載安裝解耦機構(gòu)組成的運動原理圖如圖5所示，系統(tǒng)的運動自由度數(shù)計算如下：

（1）假定左右端支座固定為機架，左端支座1 與左端支承軸2、左端支承軸2 與剛性測量架3、右端支承軸5 與右端支座1 均以旋轉(zhuǎn)副相聯(lián)，剛性測量架3 與滑塊4 組成移動副，滑塊4 與右端支承軸5 以球面副相聯(lián)。其中右端支承軸5 與右端支座1 組成的轉(zhuǎn)動副與滑塊4 與右端支承軸5 組成的球面副中沿Z 軸轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)動副軸線相互重合，作用是一致的，為虛約束。因此在計算自由度時，應(yīng)將虛約束去除不計。

根據(jù)自由度計算公式：

得，F(xiàn)=6 × 4 -5 × 4 -3 × 1 -1=0。F=0 表明該運功鏈中各構(gòu)件已無相對運動，構(gòu)成了一個剛性桁架。

假定左、右端支座其中一端固定，一端為原動件時：F=6 × 5 -5 × 4 -3 × 1 -1=6即該裝置自由度為6。

根據(jù)自由度的計算可知，剛性測量架與搭載安裝解耦機構(gòu)組成的結(jié)構(gòu)沒有對懸浮架產(chǎn)生額外的約束，不會影響懸浮架的懸浮和自身解耦能力，滿足設(shè)計要求。

3.2.2 工況分析

通過分析磁浮列車運行時的正常工況，并結(jié)合可能的故障工況，得到懸浮架以下3 種極端工況，在假設(shè)的極端工況下剛性測量架能滿足與懸浮架之間的解耦。我們認(rèn)為正常工況條件下剛性測量架結(jié)構(gòu)也不會影響懸浮架的懸浮和解耦。

（1）懸浮架左、右模塊一端懸浮一端不懸浮

在這種情況下，剛性測量架結(jié)構(gòu)通過滑塊4 的Y 向平動自由度，左端支承軸2 與剛性梁3、滑塊4 與右端支承軸5 之間的X 向轉(zhuǎn)動自由度，實現(xiàn)對懸浮架的解耦。

（2）懸浮架左、右模塊X 方向錯位

在這種情況下，剛性測量架架結(jié)構(gòu)通過剛性梁3 與滑塊4組成平動自由度，左端支座1 與左端支承軸2、右端支承軸5與右端支座1 之間的Z 向轉(zhuǎn)動自由度，實現(xiàn)對懸浮架的解耦。

（3）曲線軌道通過

在這種情況下，懸浮架左右模塊會發(fā)生異面，滑塊4 與右端支承軸5 之間的球面副可以實現(xiàn)Y 方向的轉(zhuǎn)動，再通過上述兩種工況自由度的組合，實現(xiàn)對懸浮架的解耦。

3.3 搭載安裝解耦結(jié)構(gòu)模型設(shè)計

剛性測量架及搭載安裝結(jié)構(gòu)采用模塊化設(shè)計，如圖6 所示，包括剛性梁、支撐座(包括左右模塊)、傳感器安裝臂(包括左右模塊)、連接支座(包括左右模塊)、直線滑軌單元。各模塊采用非永久連接方式，可互換，可方便地拆卸和更換。

圖6 搭載安裝結(jié)構(gòu)模型

在對軌道檢測測量時，只需通過螺栓將左右搭載安裝解耦機構(gòu)的支撐座固定在懸浮架的左右電磁鐵托臂連接座上，如圖7 所示。

圖7 動態(tài)軌檢系統(tǒng)搭載安裝在磁浮車端部懸浮架

動態(tài)軌檢系統(tǒng)剛性測量架與搭載安裝解耦機構(gòu)的組合設(shè)計方案，不影響搭載磁浮車的運行，整體性好，同時實現(xiàn)了快速拆裝的要求。

4.結(jié)論

本文以中低速磁浮動態(tài)軌道檢測設(shè)備為研究對象，分析了系統(tǒng)整體組成和檢測項目及指標(biāo)，設(shè)計了動態(tài)軌檢剛性測量架及安裝解耦機構(gòu)，并對安裝解耦機構(gòu)的運動原理進(jìn)行了分析和自由度數(shù)計算，解耦機構(gòu)滿足了需求。