中低速磁浮轨道动态检测系统及搭载安装解耦机构设计

张兴华，袁 伟，苏 款

（湖南凌翔磁浮科技有限责任公司，湖南 长沙 410007）

中低速磁浮列车沿轨道“零高度飞行”，虽然不接触轨道，但磁浮轨道状态直接影响行车安全和运行效率。中低速磁浮列车轨道采用高架F 型轨道，列车运行的稳定性、安全性及乘坐舒适性与F 型轨道的状态有关，需要定期对F 型轨道进行检测维护[1]。采用传统的磁浮轨道检测方法，存在诸多问题：一是高架夜间作业的人员安全难以保证；二是人工测量精度差、数据粗糙，长期数据累计挖掘难；三是人工测量劳动强度大、效率低。为解决上述问题，本项目研制一套中低速磁浮轨道动态测系统。本系统可安装在特种工程车或磁浮运营车辆上，是检查磁浮轨道线路病害、指导线路维修、保障行车安全的重要检查设备，可提高轨道建设维护的质量和效率，为磁浮线路建设以及运营期间线路验收、维护、保养提供支撑，也是磁浮轨道现代化科学管理的重要手段。

1.目的和意义

中低速磁浮列车的悬浮架分左右两个模块，通过防侧滚梁连接，实现了左右两侧运动和力的解耦。（悬浮架解耦，是指两个悬浮模块之间的相对姿态可以通过防侧滚梁各关节的机械运动来实现。）为了不影响悬浮架自身的解耦性能，现有的中低速磁悬浮列车动态轨检设备是采用分体式检测系统：即左右两侧各装一台检测单轨参数的设备，如图1 所示。

图1 单侧轨道检测设备

单侧轨道检测设备分别安装在悬浮架的左右电磁铁托臂连接座端部，其通过测量悬浮架与轨道相对运动和姿态等参数间接换算得到轨道的几何参数。这种分体式检测系统测量精度差、使用传感器多且部分直接安装在车上，致使检测系统独立性差、可移植性差。为了解决以上问题，有必要采用刚性测量架将检测传感器等安装在一个整体结构上。

2.系统设计方案

2.1 系统组成

F 轨道动态检测系统框图如图2 所示，主要包括激光位移计、加速度计、编码器、激光位移开光、记录仪、上位机等部分。其中激光位移计、加速度计、编码器、激光位移开关用于检测F 轨几何参数、相关的位置、加速度、里程等信息；记录仪用于处理传感器的数据并进行存储和传输；上位机对记录仪上传的数据进行分析处理，得到F 轨的几何参数，并给出分析报告。

图2 F 轨动态检测系统框图

2.2 功能参数

轨道动态检测系统可搭载在工程车或磁浮列车上，完成中低速磁悬浮F 型轨道的实时动态测量。主要检测项目包括F 型轨道里程、轨距、高低、轨向、轨缝、错牙等检测项目[2]，各参数指标如表1。

表1 轨道动态检测系统参数指标

2.3 检测原理

轨道动态系统采用惯性基准法检测轨道高低和轨向不平顺，利用加速度计建立基准线，获得测量架的空间运动轨迹，结合位移计测量的轨道与测量架的相对位移，计算得到轨道不平顺空间曲线。检测的项目包括定位检测、轨高检测、轨距检测、横坡角检测、高低检测、曲率检测、垂向错牙检测以及轨缝检测等。

3.刚性测量架结构设计

刚性测量架是测量系统的主要组成部分，如图3 所示。测量系统由刚性测量架、传感器组（包括激光位移计、里程激光开关和陀螺系统等）以及数据采集系统（记录仪）等组成，主要完成对轨道状态数据采集和记录。

图3 测量系统组成

测量架搭载在车辆悬浮架或车体上，通过左右两个具有解耦特性的支撑机构与搭载车辆相连。测量架采用轻量化设计，并可实现快速拆装。传感器组由高精度激光位移计、加速度计、激光位移开关和陀螺系统（包含陀螺仪和加速度计）系统等组成，是准确检测的度量基础。记录仪集成了多通道高精度数据采集器，准确地采集传感器信号并存储。

3.1 设计原则及技术条件

3.1.1 设计原则

1)满足磁浮轨道检测设备的安装及功能实现；

2)保证不影响磁浮列车悬浮架的解耦；

3)保证与现有磁浮列车结构搭载物理接口一致(确保对接尺寸准确无误)；

4)结构尽量简化并容易实现；

5)能快速组装和拆卸。

3.1.2 技术条件

为描述方便，本文中定义沿轨道延伸方向为X 方向，垂直轨道纵截面方向为Y 方向，X 的法线方向为Z 方向，如图4 中低速磁浮列车悬浮架模型所示。

在车辆运行时，悬浮架单元的左右模块在一定范围内是相互解耦的，包括X、Y、Z 这3 个方向的平移自由度和Y、Z 这2 个方向的转动自由度。车辆在Y 向设有偏移限位滑块，限位间隙14 mm，磁浮列车起浮Z 向位移变化0-10 mm，磁浮列车通过曲线段时，左右模块异面。

3.2 搭载安装解耦机构运动原理

刚性测量架搭载安装在悬浮架的端部，为了不影响车辆的正常悬浮运行，需要设计一组安装解耦机构，以满足刚性测量架的安装需求。

3.2.1 解耦原理

刚性测量架与搭载安装解耦机构组成的运动原理图如图5所示，系统的运动自由度数计算如下：

（1）假定左右端支座固定为机架，左端支座1 与左端支承轴2、左端支承轴2 与刚性测量架3、右端支承轴5 与右端支座1 均以旋转副相联，刚性测量架3 与滑块4 组成移动副，滑块4 与右端支承轴5 以球面副相联。其中右端支承轴5 与右端支座1 组成的转动副与滑块4 与右端支承轴5 组成的球面副中沿Z 轴转动的转动副轴线相互重合，作用是一致的，为虚约束。因此在计算自由度时，应将虚约束去除不计。

根据自由度计算公式：

得，F=6 × 4 -5 × 4 -3 × 1 -1=0。F=0 表明该运功链中各构件已无相对运动，构成了一个刚性桁架。

假定左、右端支座其中一端固定，一端为原动件时：F=6 × 5 -5 × 4 -3 × 1 -1=6即该装置自由度为6。

根据自由度的计算可知，刚性测量架与搭载安装解耦机构组成的结构没有对悬浮架产生额外的约束，不会影响悬浮架的悬浮和自身解耦能力，满足设计要求。

3.2.2 工况分析

通过分析磁浮列车运行时的正常工况，并结合可能的故障工况，得到悬浮架以下3 种极端工况，在假设的极端工况下刚性测量架能满足与悬浮架之间的解耦。我们认为正常工况条件下刚性测量架结构也不会影响悬浮架的悬浮和解耦。

（1）悬浮架左、右模块一端悬浮一端不悬浮

在这种情况下，刚性测量架结构通过滑块4 的Y 向平动自由度，左端支承轴2 与刚性梁3、滑块4 与右端支承轴5 之间的X 向转动自由度，实现对悬浮架的解耦。

（2）悬浮架左、右模块X 方向错位

在这种情况下，刚性测量架架结构通过刚性梁3 与滑块4组成平动自由度，左端支座1 与左端支承轴2、右端支承轴5与右端支座1 之间的Z 向转动自由度，实现对悬浮架的解耦。

（3）曲线轨道通过

在这种情况下，悬浮架左右模块会发生异面，滑块4 与右端支承轴5 之间的球面副可以实现Y 方向的转动，再通过上述两种工况自由度的组合，实现对悬浮架的解耦。

3.3 搭载安装解耦结构模型设计

刚性测量架及搭载安装结构采用模块化设计，如图6 所示，包括刚性梁、支撑座(包括左右模块)、传感器安装臂(包括左右模块)、连接支座(包括左右模块)、直线滑轨单元。各模块采用非永久连接方式，可互换，可方便地拆卸和更换。

图6 搭载安装结构模型

在对轨道检测测量时，只需通过螺栓将左右搭载安装解耦机构的支撑座固定在悬浮架的左右电磁铁托臂连接座上，如图7 所示。

图7 动态轨检系统搭载安装在磁浮车端部悬浮架

动态轨检系统刚性测量架与搭载安装解耦机构的组合设计方案，不影响搭载磁浮车的运行，整体性好，同时实现了快速拆装的要求。

4.结论

本文以中低速磁浮动态轨道检测设备为研究对象，分析了系统整体组成和检测项目及指标，设计了动态轨检刚性测量架及安装解耦机构，并对安装解耦机构的运动原理进行了分析和自由度数计算，解耦机构满足了需求。