中低速磁浮軌道動態檢測系統及搭載安裝解耦機構設計

張興華，袁 偉，蘇 款

（湖南凌翔磁浮科技有限責任公司，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，列車運行的穩定性、安全性及乘坐舒適性與F 型軌道的狀態有關，需要定期對F 型軌道進行檢測維護[1]。采用傳統的磁浮軌道檢測方法，存在諸多問題：一是高架夜間作業的人員安全難以保證；
二是人工測量精度差、數據粗糙，長期數據累計挖掘難；
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測系統。本系統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、指導線路維修、保障行車安全的重要檢查設備，可提高軌道建設維護的質量和效率，為磁浮線路建設以及運營期間線路驗收、維護、保養提供支撐，也是磁浮軌道現代化科學管理的重要手段。

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

圖1 單側軌道檢測設備

單側軌道檢測設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等參數間接換算得到軌道的幾何參數。這種分體式檢測系統測量精度差、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構上。

2.1 系統組成

F 軌道動態檢測系統框圖如圖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、激光位移開關用于檢測F 軌幾何參數、相關的位置、加速度、里程等信息；
記錄儀用于處理傳感器的數據并進行存儲和傳輸；
上位機對記錄儀上傳的數據進行分析處理，得到F 軌的幾何參數，并給出分析報告。

圖2 F 軌動態檢測系統框圖

2.2 功能參數

軌道動態檢測系統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]，各參數指標如表1。

表1 軌道動態檢測系統參數指標

2.3 檢測原理

軌道動態系統采用慣性基準法檢測軌道高低和軌向不平順，利用加速度計建立基準線，獲得測量架的空間運動軌跡，結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。

剛性測量架是測量系統的主要組成部分，如圖3 所示。測量系統由剛性測量架、傳感器組（包括激光位移計、里程激光開關和陀螺系統等）以及數據采集系統（記錄儀）等組成，主要完成對軌道狀態數據采集和記錄。

圖3 測量系統組成

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與搭載車輛相連。測量架采用輕量化設計，并可實現快速拆裝。傳感器組由高精度激光位移計、加速度計、激光位移開關和陀螺系統（包含陀螺儀和加速度計）系統等組成，是準確檢測的度量基礎。記錄儀集成了多通道高精度數據采集器，準確地采集傳感器信號并存儲。

3.1 設計原則及技術條件

3.1.1 設計原則

1)滿足磁浮軌道檢測設備的安裝及功能實現；

2)保證不影響磁浮列車懸浮架的解耦；

3)保證與現有磁浮列車結構搭載物理接口一致(確保對接尺寸準確無誤)；

4)結構盡量簡化并容易實現；

5)能快速組裝和拆卸。

3.1.2 技術條件

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 個方向的轉動自由度。車輛在Y 向設有偏移限位滑塊，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，需要設計一組安裝解耦機構，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組成的運動原理圖如圖5所示，系統的運動自由度數計算如下：

（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 均以旋轉副相聯，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。其中右端支承軸5 與右端支座1 組成的轉動副與滑塊4 與右端支承軸5 組成的球面副中沿Z 軸轉動的轉動副軸線相互重合，作用是一致的，為虛約束。因此在計算自由度時，應將虛約束去除不計。

根據自由度計算公式：

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

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。

根據自由度的計算可知，剛性測量架與搭載安裝解耦機構組成的結構沒有對懸浮架產生額外的約束，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，并結合可能的故障工況，得到懸浮架以下3 種極端工況，在假設的極端工況下剛性測量架能滿足與懸浮架之間的解耦。我們認為正常工況條件下剛性測量架結構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，剛性測量架結構通過滑塊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 向轉動自由度，實現對懸浮架的解耦。

（2）懸浮架左、右模塊X 方向錯位

在這種情況下，剛性測量架架結構通過剛性梁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 向轉動自由度，實現對懸浮架的解耦。

（3）曲線軌道通過

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

3.3 搭載安裝解耦結構模型設計

剛性測量架及搭載安裝結構采用模塊化設計，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 搭載安裝結構模型

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 動態軌檢系統搭載安裝在磁浮車端部懸浮架

動態軌檢系統剛性測量架與搭載安裝解耦機構的組合設計方案，不影響搭載磁浮車的運行，整體性好，同時實現了快速拆裝的要求。

本文以中低速磁浮動態軌道檢測設備為研究對象，分析了系統整體組成和檢測項目及指標，設計了動態軌檢剛性測量架及安裝解耦機構，并對安裝解耦機構的運動原理進行了分析和自由度數計算，解耦機構滿足了需求。