宗 斌 劉飛香 張 琨 張銀龍

1. 中國(guó)鐵建重工集團(tuán)股份有限公司，長(zhǎng)沙，410100 2. 中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢，430063 3. 武漢理工大學(xué)智能制造與控制研究所，武漢，430063

0 引言

在國(guó)家政策和戰(zhàn)略引導(dǎo)下，以中低速磁浮交通為代表的，具有綠色環(huán)保、造價(jià)低、占地少、運(yùn)行噪聲小、適應(yīng)性強(qiáng)、全天候運(yùn)營(yíng)等優(yōu)勢(shì)屬性的中低運(yùn)量新型軌道交通制式成為國(guó)內(nèi)很多城市的選擇。中低運(yùn)量新型軌道除可以滿(mǎn)足中小型城市主干線(xiàn)軌道交通的發(fā)展需求外，還可作為大中型城市的干線(xiàn)延伸、補(bǔ)充線(xiàn)路，以及與衛(wèi)星城區(qū)的連接線(xiàn)路。另外，連接大型景區(qū)的游客集散中心與各個(gè)景點(diǎn)的軌道交通線(xiàn)路也是新型軌道交通的熱門(mén)應(yīng)用方向。

2016年5月6日，長(zhǎng)沙磁浮快線(xiàn)作為國(guó)內(nèi)首條中低速磁浮線(xiàn)路正式投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)，該線(xiàn)路采用常導(dǎo)吸式技術(shù)，利用電磁吸力將列車(chē)懸浮在軌道上方8±2 mm。為保證滿(mǎn)足8 mm的運(yùn)行間隙，對(duì)磁浮承軌梁、軌排和接觸軌的制造、安裝以及維護(hù)都提出了毫米級(jí)甚至亞毫米級(jí)的極高要求。然而，相較于比較成熟的大鐵、地鐵等傳統(tǒng)軌道交通，以中低速磁浮為代表的新型軌道交通制式多數(shù)尚處于工程驗(yàn)證、運(yùn)維摸索的階段，維護(hù)、養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn)體系尚不健全，專(zhuān)業(yè)的針對(duì)性的智能化養(yǎng)護(hù)裝備更是嚴(yán)重缺失，與新型軌道交通發(fā)展嚴(yán)重不對(duì)稱(chēng)，已經(jīng)成為新型軌道交通系統(tǒng)的一塊短板，是新型軌道交通高效率、低成本、高可靠運(yùn)營(yíng)的一個(gè)制約因素。

1 中低速磁浮線(xiàn)路的特殊設(shè)備

1.1 中低速磁浮軌排

與傳統(tǒng)鐵路的工字型鋼軌不同，中低速磁浮軌排(圖1)由F形導(dǎo)軌、H形鋼枕和緊固件構(gòu)成。其中的F形導(dǎo)軌為主要部件，由軋制的F形鋼毛坯和鋁感應(yīng)板型材經(jīng)過(guò)多斷面的亞毫米級(jí)機(jī)加工而成。長(zhǎng)沙磁浮快線(xiàn)的軌排，采用12.5 m的標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度，F(xiàn)形導(dǎo)軌(簡(jiǎn)稱(chēng)F軌)之間根據(jù)不同的情況設(shè)置有不同形式的伸縮接頭，全線(xiàn)大部分采用25 m長(zhǎng)度的簡(jiǎn)支梁，如圖2所示。

圖1 中低速磁浮軌排Fig.1 Medium-low speed maglev track

圖2 中低速磁浮簡(jiǎn)支梁Fig.2 Medium-low speed maglev beam

中低速磁浮交通系統(tǒng)的車(chē)-軌關(guān)系是列車(chē)能否安全平穩(wěn)運(yùn)行的核心關(guān)鍵點(diǎn)，因此對(duì)中低速磁浮軌排的制造和安裝都有著很高的精度要求[1-2](表1、表2)，其中的軌距(軌排兩側(cè)F軌磁極面中心線(xiàn)之間的距離)、水平(兩側(cè)F軌頂面高差)、高低(軌道豎向的平順性)、方向(軌道橫向的平順性)、軌道接縫(也稱(chēng)“錯(cuò)臺(tái)”，相鄰兩軌排的豎向和橫向高差)以及軌縫(相鄰兩組軌排的間距)等指標(biāo)直接反映了軌道的平順性。

表1 《湖南省中低速磁浮交通工程質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》F軌機(jī)加工部分要求Tab.1 Machining requirements of F track in 《Standard of Hunan for quality acceptance of medium and low speed maglev transit engineering》

表2 《湖南省中低速磁浮交通設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》軌道平順度要求Tab.2 Track regularity requirements in 《Standard of Hunan for design of medium and low speed maglev transit》

1.2 軌道平順性指標(biāo)對(duì)中低速磁浮列車(chē)的影響

由文獻(xiàn)[3-4]可知，在常導(dǎo)吸式懸浮系統(tǒng)中，電磁吸力F的計(jì)算公式為

(1)

從式(1)中可以看出，在不考慮空氣磁導(dǎo)率μ0、電磁鐵線(xiàn)圈匝數(shù)N變化的情況下，當(dāng)軌道出現(xiàn)錯(cuò)臺(tái)導(dǎo)致磁極面積A發(fā)生變化,或者軌道出現(xiàn)不平順導(dǎo)致懸浮間隙x發(fā)生變化時(shí)，為保障懸浮間隙控制在8±2 mm的安全范圍內(nèi)，懸浮控制系統(tǒng)將通過(guò)調(diào)整控制電流i來(lái)調(diào)整電磁吸力。圖3為一組實(shí)際提取的懸浮間隙和控制電流的對(duì)比圖，可以看出在懸浮間隙出現(xiàn)明顯變化時(shí)，懸浮控制電流也出現(xiàn)了相應(yīng)的較大波動(dòng)。

圖3 懸浮間隙與控制電流實(shí)際對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.3 Relationship between suspension gap and control current

以上現(xiàn)象及結(jié)論與文獻(xiàn)[5-6]所討論的結(jié)果一致。軌道的不平順會(huì)由懸浮間隙傳感器反映到懸浮控制器從而對(duì)懸浮狀態(tài)不斷進(jìn)行調(diào)整，一定范圍內(nèi)的懸浮狀態(tài)調(diào)整會(huì)反映于列車(chē)乘坐的舒適性，超出范圍的軌道不平順引起的懸浮狀態(tài)調(diào)整可能導(dǎo)致懸浮失穩(wěn)，出現(xiàn)懸浮“掉點(diǎn)”甚至“砸軌”等故障現(xiàn)象，影響磁浮列車(chē)的舒適性和安全性。

1.3 中低速磁浮接觸軌

接觸軌是為中低速磁浮列車(chē)輸送高壓電的設(shè)備，長(zhǎng)沙磁浮快線(xiàn)采用的是鋼鋁復(fù)合型接觸軌，截面為“C”形結(jié)構(gòu)(圖4)，每節(jié)供電軌長(zhǎng)約12 m，通過(guò)間隔為3 m的絕緣支撐固定在梁體兩側(cè)面預(yù)留的預(yù)埋槽道上，每約50 m設(shè)置一處膨脹接頭(圖4)，梁兩側(cè)分別為正極供電軌和負(fù)極回流軌。

圖4 C形接觸軌的膨脹接頭Fig.4 The expansion joint of C shape contact rail

由于列車(chē)采用側(cè)面受流方式，因此中低速磁浮系統(tǒng)的靴-軌(接觸軌)關(guān)系是列車(chē)安全平穩(wěn)運(yùn)行的又一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。理想的受流靴與接觸軌的接觸狀態(tài)為兩個(gè)平面的接觸，接觸軌的平順性情況直接影響列車(chē)受流的穩(wěn)定性和可靠性，超出合理范圍的不平順會(huì)引起受流靴在接觸軌面的“彈跳”，影響受流的穩(wěn)定，甚至產(chǎn)生“拉弧”現(xiàn)象，對(duì)供電系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊并灼傷接觸面，產(chǎn)生安全風(fēng)險(xiǎn)；超出合理范圍的軌縫會(huì)增大受電靴接觸面的磨耗，甚至導(dǎo)致靴-軌碰撞而影響列車(chē)安全運(yùn)行。

2 中低速磁浮線(xiàn)路養(yǎng)護(hù)的需求及現(xiàn)狀

根據(jù)中低速磁浮線(xiàn)路的特殊結(jié)構(gòu)、設(shè)備以及要求，結(jié)合運(yùn)維情況分析，線(xiàn)路養(yǎng)護(hù)的重點(diǎn)內(nèi)容及養(yǎng)護(hù)周期匯總?cè)绫?所示。

表3 中低速磁浮線(xiàn)路養(yǎng)護(hù)重點(diǎn)項(xiàng)目及解決方案Tab.3 Medium-low speed maglev maintenance key points and maintenance solution

以往在中低速磁浮線(xiàn)路的軌道和接觸軌的安裝、運(yùn)維中多采用人工測(cè)量的方式，基于較通用的懸線(xiàn)測(cè)量等方法，存在效率低、人工成本高、精度差、人為誤差不可控等問(wèn)題，在施工建設(shè)階段無(wú)法對(duì)全線(xiàn)的軌排安裝進(jìn)行統(tǒng)一的精度控制，也難以實(shí)現(xiàn)軌排狀態(tài)全生命周期的監(jiān)控。另外，中低速磁浮線(xiàn)路的梁體很多采用的是輕量化的簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)(例如長(zhǎng)沙磁浮快線(xiàn))，梁體外側(cè)、疏散平臺(tái)和梁體間的電纜通道等區(qū)域成為檢修人員難以到達(dá)的位置，使得這些位置的接觸軌、支座、線(xiàn)纜、支架和限界等的巡檢、養(yǎng)護(hù)難度加大，增加了安全風(fēng)險(xiǎn)。

從中低速磁浮線(xiàn)路的安全可靠運(yùn)營(yíng)，以及有效控制運(yùn)維成本的角度考慮，定制化、高精度的現(xiàn)代化養(yǎng)護(hù)裝備成為剛需。

3 中低速磁浮智能化養(yǎng)護(hù)裝備

針對(duì)中低速磁浮交通，建設(shè)領(lǐng)域目前已經(jīng)形成了具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的系統(tǒng)技術(shù)，但養(yǎng)護(hù)運(yùn)維仍然處于探索階段。基于近幾年的運(yùn)營(yíng)情況，對(duì)養(yǎng)護(hù)裝備的需求已經(jīng)逐漸清晰，并逐漸認(rèn)識(shí)到：基于中低速磁浮交通特殊的軌道形式和應(yīng)用環(huán)境，定制化的裝備是唯一選擇。針對(duì)表3中提出的不同養(yǎng)護(hù)項(xiàng)目需求和周期，并結(jié)合中低速磁浮工程車(chē)設(shè)計(jì)建議[7]，考慮軌排、接觸軌、梁和線(xiàn)路附屬設(shè)施等多個(gè)方面，討論并提出中低速磁浮系統(tǒng)的新型智能化養(yǎng)護(hù)和運(yùn)維裝備及系統(tǒng)的解決方案，簡(jiǎn)要分析如表3所示。

3.1 中低速磁浮智能巡檢車(chē)

中低速磁浮線(xiàn)路普遍采用高架形式，檢測(cè)精度和檢測(cè)頻率要求高，人力巡檢難度大，因此一種小型化、輕量化、智能化的巡檢車(chē)裝備成為合適的解決方案?；贏I圖像識(shí)別技術(shù)、“弦測(cè)法”軌檢儀技術(shù)以及基于大數(shù)據(jù)處理的全壽命周期管理技術(shù)，研發(fā)了高精度、高效率、高標(biāo)準(zhǔn)智能巡檢車(chē)。并基于中低速磁浮的特殊性能，進(jìn)行了多個(gè)方面的優(yōu)化設(shè)計(jì)：采用新能源蓄電池動(dòng)力，以滿(mǎn)足中低速磁浮綠色環(huán)保的屬性；采用特殊的膠輪，以輪軌形式走行在F軌的滑行面上，防止損壞F軌和鋁感應(yīng)板；以“抱軌”的形式，在軌排兩側(cè)設(shè)置安全輪，進(jìn)一步保證行車(chē)安全。研發(fā)的中低速磁浮智能巡檢車(chē)的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 磁浮智能巡檢車(chē)Fig.5 Medium-low speed maglev intelligent inspection vehicle

該磁浮智能巡檢車(chē)具備的主要功能如下：

(1)運(yùn)送人員及工具?？蛇\(yùn)送約4～6人的檢修班組及工具物料快速抵達(dá)作業(yè)地點(diǎn)，運(yùn)行速度宜為25 km/h左右，主要解決高架線(xiàn)路區(qū)間，檢修人員及物料快速安全抵達(dá)現(xiàn)場(chǎng)的問(wèn)題。

(2)日常巡檢。在感應(yīng)板、接觸軌、疏散平臺(tái)等區(qū)域用工業(yè)高速相機(jī)進(jìn)行圖像采集，解決以往人員不便到達(dá)位置的巡檢問(wèn)題。其中，對(duì)于感應(yīng)板的受損情況，可以引入AI圖像識(shí)別技術(shù)，篩選出可能存在問(wèn)題的點(diǎn)。

(3)線(xiàn)路檢測(cè)。針對(duì)軌排、供電軌等的線(xiàn)形平順性情況的檢測(cè)，采用成熟的“弦測(cè)法”[8]軌檢儀技術(shù)，以1 m固定弦長(zhǎng)的基本結(jié)構(gòu)，在弦兩端及弦中間位置分別設(shè)置誤差在0.01 mm以下的激光位移傳感器，形成“三點(diǎn)弦測(cè)法”的靜態(tài)軌檢模型，如圖6所示。將此模型布置在需要檢測(cè)的水平、高低、軌向等檢測(cè)面上，并采用“以小推大”的計(jì)算模型[9]，就可以測(cè)量出4 m或10 m弦長(zhǎng)的平順度情況，并對(duì)比相應(yīng)的允許偏差得出超差情況。

圖6 靜態(tài)軌檢模型Fig.6 Static detection module

對(duì)于軌排、供電軌的錯(cuò)臺(tái)、軌縫的超差情況，可利用同個(gè)或相鄰激光位移傳感器在軌排、供電軌接頭位置的直接測(cè)量值以及脈沖時(shí)差換算得出，然后對(duì)比相應(yīng)的允許偏差值就可得出超差情況。

(4)智能巡檢。結(jié)合智能運(yùn)維管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)線(xiàn)路檢測(cè)數(shù)據(jù)及結(jié)果的實(shí)時(shí)呈現(xiàn)，同時(shí)應(yīng)具有遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)傳輸、歷史數(shù)據(jù)比對(duì)、全生命周期管理等能力，結(jié)合云平臺(tái)技術(shù)實(shí)現(xiàn)裝備的智能化。

基于既有線(xiàn)路的運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)和養(yǎng)護(hù)需求，該裝備的使用頻率可為每周2～3次。

3.2 F軌綜合作業(yè)車(chē)

中低速磁浮F軌綜合作業(yè)車(chē)除了能夠應(yīng)對(duì)高架工況的簡(jiǎn)支梁側(cè)面等特殊位置檢修外，同時(shí)也能夠?qū)崿F(xiàn)與傳統(tǒng)輪軌制式類(lèi)似的故障列車(chē)救援功能，其結(jié)構(gòu)如圖7所示。同樣，為了更好地符合磁浮交通綠色、節(jié)能的理念，該作業(yè)車(chē)以高可靠、大牽引力為設(shè)計(jì)原則，采用新能源蓄電池組為動(dòng)力，采用膠輪走行的輪軌模式設(shè)置安全輪。該車(chē)具備的主要功能包括：①能夠滿(mǎn)足對(duì)故障磁浮列車(chē)在最大坡道工況下(中低速磁浮系統(tǒng)運(yùn)用的最大坡度為7%)的牽引救援，最大運(yùn)行速度約25 km/h；②為簡(jiǎn)支梁側(cè)面的作業(yè)區(qū)域提供檢修平臺(tái)，可采用伸縮/伸展式吊籃結(jié)構(gòu)，將檢修人員輸送至作業(yè)區(qū)域；③能夠?yàn)槁?lián)掛的其他特種作業(yè)平臺(tái)提供牽引動(dòng)力?；诩扔芯€(xiàn)路的運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)和養(yǎng)護(hù)需求，該車(chē)的使用頻率約為每月1次。

圖7 F軌綜合作業(yè)車(chē)Fig.7 Multi-function maintenance vehicle

3.3 特種作業(yè)平臺(tái)車(chē)

針對(duì)除冰雪、更換軌排/供電軌等特種作業(yè)需求，本項(xiàng)目組設(shè)計(jì)研發(fā)了中低速磁浮特種作業(yè)平臺(tái)車(chē)，結(jié)構(gòu)如圖8所示，其自身可不帶動(dòng)力，由F軌綜合作業(yè)車(chē)提供牽引動(dòng)力?？刹捎媚K化設(shè)計(jì)原則，為除冰、除雪、換軌等不同作業(yè)需求設(shè)計(jì)相應(yīng)模塊，解決特殊情況下作業(yè)需求，在滿(mǎn)足功能需求的同時(shí)，提高裝備的利用率。根據(jù)線(xiàn)路情況的不同，該裝備的使用頻率約為每半年1次。

圖8 特種作業(yè)平臺(tái)車(chē)Fig.8 Special maintenance platform

3.4 智能運(yùn)維管理系統(tǒng)

目前國(guó)內(nèi)中低速磁浮交通作為交通輔助線(xiàn)、專(zhuān)線(xiàn)或旅游線(xiàn)等相對(duì)獨(dú)立運(yùn)行的模式，較市內(nèi)軌道交通系統(tǒng)更輕量化，但是其列車(chē)、軌道、道岔等設(shè)備的復(fù)雜和自動(dòng)化程度較高，適合針對(duì)性地開(kāi)發(fā)和配套基于云平臺(tái)技術(shù)的智能化、輕量化運(yùn)維管理系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖9所示?？衫梦锫?lián)網(wǎng)、5G傳輸?shù)燃夹g(shù)，綜合各智能巡檢、軌檢裝備的數(shù)據(jù)，以及整合磁浮列車(chē)、道岔、信號(hào)等系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)，通過(guò)人工智能、大數(shù)據(jù)分析等手段，將匯總的大量數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)、故障、處理情況進(jìn)行比對(duì)，經(jīng)過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)、預(yù)判自動(dòng)生成作業(yè)派單，指導(dǎo)各項(xiàng)設(shè)備設(shè)施的養(yǎng)護(hù)，對(duì)養(yǎng)護(hù)人員及設(shè)備進(jìn)行合理化調(diào)配，并監(jiān)控養(yǎng)護(hù)作業(yè)流程，施行閉環(huán)控制，達(dá)到避免出現(xiàn)養(yǎng)護(hù)真空期和過(guò)度養(yǎng)護(hù)的目的，可實(shí)現(xiàn)或部分實(shí)現(xiàn)由“故障修”向“狀態(tài)修”的改變，有效降低運(yùn)維成本。

圖9 智能運(yùn)維管理系統(tǒng)Fig.9 Intelligent operation and maintenance management system

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)中低速磁浮交通這類(lèi)新型軌道交通系統(tǒng)，定制化開(kāi)發(fā)專(zhuān)業(yè)的養(yǎng)護(hù)裝備是保障其穩(wěn)定安全運(yùn)營(yíng)的必要條件。針對(duì)中低速磁浮線(xiàn)路養(yǎng)護(hù)的高精度、高標(biāo)準(zhǔn)、高指標(biāo)，以及其特殊的應(yīng)用條件要求，自動(dòng)化、智能化的養(yǎng)護(hù)裝備能有效提高作業(yè)效率、降低人工成本、提高安全性，是其全生命周期管理的關(guān)鍵，也是中低速磁浮交通等新型軌道交通推廣應(yīng)用的重要因素。