广州地铁直线电机高度调整装置结构优化和运用维护建议

唐 宋， 陈晓亮， 庄厚腾

(广州地铁集团有限公司 运营事业总部， 广州 510000)

广州地铁首次采用中大运量直线电机车辆运载系统，自2005年广州地铁4号线开通以来，5号、6号线陆续开通运营，这3条中大运量直线电机车辆线路在广州市城市轨道交通中发挥了重要作用，为直线电机车辆在中国的推广积累了宝贵经验。

直线电机高度值作为直线电机车辆重要技术参数，是保证车辆高效、安全运行最为重要的技术指标。直线电机高度调整装置作为直线电机高度调整部件，其结构的稳定性在结构设计和运用维护中需重点关注和防护。

1 直线电机高度调整装置结构特点

广州地铁直线电机转向架分为两种类型，庞巴迪BM3000型转向架和中车青岛四方SDB-LIM型转向架，电机高度调整方式对应采用无级螺纹式调整方式和垫片式高度调整方式。

(1)BM3000型转向架无级式电机高度调整装置结构特点

直线电机高度调整装置主要由双头螺柱、调节套筒、弹簧套管、支撑橡胶等主要部件组成，位于悬挂梁两端，如图1所示。电机高度调整方式采用无级式螺纹调整模式，作用原理是通过旋转调节套筒驱动弹簧套管内螺纹与调节套筒外螺纹啮合，实现悬挂梁高度的提升或下降，直线电机直接吊挂在悬挂梁上，即实现了电机高度的无级螺纹调整，保证电机气隙调整至额定范围内。弹簧套管内螺纹与调节套筒外螺纹均采用螺距P=2 mm 细牙螺纹，即螺纹旋转一圈可调整电机高度2 mm，调节套筒顺时针旋转实现电机高度上升、反之下降。

(2)SDB-LIM型转向架垫片式电机高度调整装置结构特点

悬挂梁与支撑箱的连接处设置直线电机高度调整装置，采用垫片式调整高度方式，如图2所示。直线电机悬挂梁弹性节点的耳轴部位，上下均预装规定数量和厚度的垫片，通过移动垫片位置可以达到抬高或降低悬挂梁高度的目的，再通过紧固件与特型螺母连接支撑箱与橡胶关节芯轴，实现直线电机高度调整。直线电机悬挂在独立的支撑箱上，保证了气隙的稳定性，同时采用独立二级大刚度橡胶关节悬挂，减低冲击和振动。

1-轴箱；2-电机调整装置；3-电机悬挂梁；4-止动挡圈；5-调节套筒；6-M42锁紧螺母；7-M20防松扭力螺母；8-止动挡板；9-M10防松扭力螺母；10-M10螺柱；11-双头螺柱；12-弹簧套管；13-支撑橡胶。图1 无级螺纹式高度调整装置结构图

1-紧固件；2-调整垫片；3-橡胶关节；4-特型螺母；5-橡胶关节芯轴；6-悬挂梁。图2 垫片式高度调整装置结构图

(3)两种电机高度调整装置的结构特点对比

两种电机高度调整装置结构相对比，无极螺纹式高度调整装置结构复杂，对啮合的螺牙强度要求以及各部件的防松要求较高，但螺纹调整高度数据控制更精准。垫片式高度调整装置结构简单、便于操作、可靠稳定，对悬挂梁橡胶关节要求较高，垫片调整高度数据精度控制相对宽泛。

2 直线电机高度调整装置的运用情况和风险分析

直线电机气隙作为直线电机车辆重要技术参数，气隙过大导致能耗增加，气隙过小动态情况下直线电机和感应板可能接触，影响车辆的运行安全，广州地铁控制直线电机的额定气隙ΔZ，如图3所示。当车轮磨耗、旋修以及电机高度调整装置失效，均可引起的电机高度下降、气隙变小，需在日常检修作业中定期对直线电机高度进行测量和调整。

2.1 高度调整装置的运用情况

BM3000型转向架电机高度调整装置经过改善紧固件配合、支撑橡胶换型、增加机械锁紧方式等改造仍有一些问题尚未解决，常见故障有M10螺母、M20螺母自锁失效，锁固板松动、双头螺柱滑牙、断裂，弹簧套管与调节套筒啮合螺纹卡滞等故障，调整装置严重失效将导致电机沉降、安全鼻刮伤车轴、电机刮伤感应板等，如图4所示。SDB-LIM型转向架电机高度调整装置经过调整垫片换型、悬挂梁换型和橡胶关节换型等改造，目前运用状态良好、结构和性能较为稳定。

图3 直线电机气隙示意图

图4 BM3000型转向架电机高度调整装置故障和后果图

2.2 高度调整装置的风险评估分析

(1)风险评估

风险指的是损失的不确定性，对于地铁列车的运用风险评估体系，采用“风险量=损失发生的概率×损失程度”的原则进行评价。电机高度调整装置失效的概率是指电机高度各部件在运用过程中的故障概率，电机高度调整装置失效的损失量是指失效引起的沉降，产生安全鼻与车轴刮伤、电机与感应板刮伤等后果，如图5、表1所示。

图5 风险等级评价图

序号风险等级后果举例11(Ⅰ)可忽略风险电机高度调整装置零部件表面涂层腐蚀22(Ⅱ)可容许风险M10紧固螺母松动、锁固板松动但未脱落33(Ⅲ)中度风险M42、M20锁紧螺母松动,电机未沉降,紧固件脱落正线44(Ⅳ)重大风险弹簧套管和调节套筒螺纹啮合失效,电机沉降,电机刮伤感应板55(Ⅴ)不容许风险电机高度调整装置严重失效,电机沉降,电机与感应板干涉无法动车

(2)风险控制措施

常规的风险对策包括风险规避、减轻、自留、转移以及组合策略，降低风险的对策有两个方向，一方面减少风险发生的概率，另一方面降低风险产生的损失量，如图6所示。

图6 减低风险对策图

针对直线电机高度调整装置失效风险的控制步骤：

①制定隐患排查表和防范措施；

②制定检查和整改计划；

③跟踪检查和整改落实情况；

④建立电机高度调整装置的运用维护制度；

⑤对其结构进行优化改进；

⑥制定电机高度下降发生预案、应急处置程序，建立重大风险事件的信息通报及处理流程。

3 直线电机高度调整装置的结构优化和运用维护建议

根据直线电机车辆转向架结构特点，轮轨关系存在其复杂性和独特性。针对直线电机高度调整装置失效故障，一方面对关键部件进行结构优化加强，进一步提高系统内各部件的稳定性和可靠性，并规范和强化日常维护保养；另一方面从优化轮轨关系入手，降低轮轨振动，改善直线电机转向架电机高度调整装置的运用工况；同时增加电机状态的实时监测，保障正线运营安全。

3.1 优化设计结构

从减少电机高度调整装置失效的故障发生概率角度进行设计优化，需对现有的装置中薄弱部件进行加强，提高结构的可靠性；或者将无极螺纹式调整装置改造为性能稳定的垫片式调整装置。从降低高度调整装置失效的损失量角度进行设计优化，需减少电机沉降量，从而降低电机与感应板摩擦、干涉产生的损失。

(1)局部改造

①增加定位螺栓强度。加粗螺钉直径，由M10改为M12螺钉，增强螺钉强度。

②增加双侧定位。对锁固板(见图7)悬臂结构对称位置增加一套螺钉定位，增加定位强度。

③增加螺纹强度。调节套筒与弹簧套管的螺纹M42×2细牙螺纹改为M42×4粗牙螺纹，提升螺纹本身强度。

④增加螺纹啮合长度。增加弹簧套管螺纹长度，现有啮合长度为25 mm，可增长到45～50 mm，提高承载能力。

图7 锁固板双侧定位示意图

(2)整体改造

通过三维建模校核分析，BM3000型转向架无极螺纹式调整装置整体改造为SDB-LIM型转向架垫片式调整结构理论可行，如图8所示，需做相关的设计变更如下：

①BM3000型转向架轴箱体结构增加凸台设计；

②SDB-LIM型转向架悬挂梁设计长度加长；

③改造后的轴箱体和悬挂梁配合使用。

整体改造需进行试验验证、运营考核，同时考虑检修和设计变更的成本，需综合技术可行性和经济必要性进一步论证和决策。

图8 BM3000型转向架调整装置 改造为垫片式结构模拟图

(3)安全鼻耐磨性能优化(见图9)

安全鼻是直线电机上极其关键的安全防护部件，安装在直线电机的安全鼻安装座上，其作用为电机沉降后通过安全鼻仍可吊挂在车轴上，避免电机与感应板直接干涉，影响运营安全。当安全鼻挂在车轴上旋转摩擦，直接将受到轮轨冲击力及旋转切削力，安全鼻与车轴的磨损超过一定量，直线电机将与感应板干涉。

安全鼻需进行技术改造，应具有良好的抗压和抗破碎、低摩擦系数、少磨损量、良好耐摩擦温升性能，减轻车轴与安全鼻之间的磨损，避免因材料磨损导致电机再次下沉，可满足在列车退出服务之前不会出现电机与感应板干涉问题，提供可靠的安全保障。

图9 普通安全鼻与耐磨安全鼻对比图

3.2 规范维护保养

(1)强化日常检修

为加强直线电机沉降风险的质量管控，保障检修质量得到有效落实，提高系统运行可靠性，根据直线电机转向架特点和现场运用经验，制定转向架系统的隐患排查表和车底周期检，对直线电机调整装置重点部件加大检查力度、加密检查周期，对检查内容进行细化并编写工艺指引，增加相关作业的工序卡，对员工资质等级要求明确规定，同时制定相关检修辅助手段(例如采用内窥镜等设备)，确保直线电机重大安全隐患得到有效控制。

(2)规范维护保养

规范日常检修直线电机高度调整装置关键零部件维护保养措施和无法调整的处置措施，保证调整装置内部各结构部件得到有效的维护保养，提高寿命和性能稳定性，具体措施如下：

①清洁：保证紧固件拆装过程中免受因污染造成的螺牙损伤。对紧固件拆装过程中啮合的螺纹部分进行清洁，避免螺牙损伤，清洁过程中注意保护橡胶件免受清洁剂腐蚀。

②检查：保证各紧固件装配状态正常。检查各紧固件自锁功能正常，自锁部分无裂纹及开裂情况，双头螺柱螺纹无滑牙，母底部无刮伤，弹簧套管倒角位置无磨损，调节套筒螺纹无损伤。

③润滑：增加螺纹啮合顺畅并保护螺纹。对螺纹啮合部分进行润滑，电机高度调整装置的螺纹啮合润滑剂宜采用二硫化钼(Molykote)，注意将紧固件的紧固面擦拭干净后安装。

④防护：防止螺纹啮合处进入尘污、铁屑等杂质。电机高度调整装置锁紧之后，将裸露的调整套筒用热缩套管加以防护，确保上部封口和下部衔接部位防护到位，避免杂质进入。

⑤操作控制：规范作业流程。当调整电机高度时发生卡滞，禁止用蛮力调整，需重新清洁和润滑后再调整。若仍有卡滞现象，则需落架对电机高度调整装置进行拆解，对弹簧套管和调节套筒进行清洁、检查和润滑，确认部件状态良好后装配。

⑥定期更新：规范紧固件的使用寿命、提高紧固可靠度。原则上M10锁紧螺母使用次数不超过4次，M20锁紧螺母使用次数不超过10次，M42锁紧螺母结合架修、大修定额更新。

3.3 改善轮轨关系

(1)优化轮轨维护规则

直线电机车辆对轮轨匹配要求较高，其维护标准也应高于普通线路情况。针对列车车轮维护方面，直线电机车辆采用周期性旋修的方式严格控制车轮不圆度的发展，降低车轮失圆产生的异常振动；而针对钢轨维护方面，除了常规的维修标准外，特别要关注钢轨短波波磨的情况，即使波磨深度值不大，也会对列车造成异常的高频振动激扰，破坏更为严重，因此需要有针对性的进行更严格的控制和治理。

(2)调节轨顶摩擦系数

为进一步优化轮轨关系，采用喷涂轨顶摩擦调节剂的设备(如图10所示)。列车在运行过程中通过轮轨的相互传递，可将摩擦调节剂均匀的涂覆于钢轨顶面和车轮踏面，形成稳定的固体薄膜(如图11所示)，把摩擦系数控制到最优摩擦系数范围内，降低由于蠕滑产生的高频噪声，降低列车脱轨风险，延长轨道使用寿命，降低滚动接触疲劳，延缓波磨的产生。

图10 轨顶摩擦调节设备

图11 钢轨形成油膜

(3)选配轨道减振技术

根据直线电机车辆对轮轨关系特点，应合理的选取减振扣件刚度。依据能量守恒定律和惯性减振原理，通常情况下可以考虑将轮轨接触冲击能量适当往下传递，例如采用钢弹簧浮置板整体道床技术，利用轨下支撑结构大质量惯性吸收耗散轮轨能量，并进一步做到轨下结构逐层减振优化设计方法，有效减少轮轨冲击接触振动。

3.4 监控电机状态

目前广州地铁直线电机线路正线均已安装直线电机气隙在线监测系统，可实时监测直线电机定子和感应板之间的气隙，对电机高度超标进行预警和报警。检修分部建立在线监测系统的波形故障评判标准，培训专业团队进行全面筛查，在4 min内完成异常情况的判断，同时建立相关应急响应制度，在一定程度上缩短应急处置时间，减轻或规避电机沉降带来安全风险的扩大，保障正线运营安全。

4 结束语

结合广州地铁4号、5号、6号线至今12年的运用经验，通过不断的摸索与探究与改进，直线电机高度调整装置结构与性能已趋于稳定。鉴于高度调整装置关系到电机沉降，直接影响列车的运营安全，其仍需进一步优化结构，日常加强结构装置和轮轨关系的维护保养，并实时监测直线电机运用状态，切实保障车辆高效、安全运行。