智能螺栓在Monrail300 跨座式单轨及APM300 车辆中的应用

智能螺栓在Monrail300 跨座式单轨及APM300 车辆中的应用

夏正宝,  ,杨洋

中车浦镇阿尔斯通运输系统有限公司

摘要：螺栓连接具有拆卸简单、连接可靠、承载力高等优点，是日常生活中最常见的连接方式，被广泛应用于各种大型工程应用中。然而，螺栓连接部位在一个完整的结构体系中属于较为薄弱的部分，在实际工程应用中由于振动、荷载的存在，以及结构服役过程中的各种其他因素综合作用下，会使得螺栓产生轴向松动，从而对结构产生重大影响，降低结构可靠度和稳定性，产生较大的安全隐患。因此，本文主要结合笔者实践工作经验，提出了智能螺栓系统，并对其在我司的Monrail300 跨座式单轨及APM300 车辆检修中的具体应用展开详细探讨，希望能够为同类的工程实践提供有益的借鉴。

关键词：智能螺栓；跨座式单轨；APM300 车辆；应用

一、引言

跨座式单轨车辆为轨道交通的一种型式，车辆采用橡胶轮胎跨行于梁轨合一的轨道梁上，除走行轮外，在转向架两侧尚有导向轮和稳定轮，夹行与轨道梁两侧，保证车辆沿轨道安全平稳地运行。单轨交通通常为采用高架线路的立体型交通，拥有独立的路权，不会受地面其它交通工具和行人的干扰，可以快速行驶，其站间距一般为800-1500m。目前在Monrail300 跨座式单轨及APM300 车辆中采用的维保策略为周期性检修修，在一定程度上降低了故障率，但仍然存在“欠维修”和“过度维修”的情况。当前运维模式逐步向状态修、预知修、预测修过渡。其中静态监测和车载动态检测已经在城市轨道交通基础设施及车辆检测中大规模应用，监测及检测精度不断提高，监测检测数据量不断增大，大数据及人工智能等前沿信息技术在部分城市轨道交通运维过程中也逐步发挥作用。

二、智能螺栓系统相关概述

1、光纤式智能螺栓系统

光纤光栅传感器能够有效地解决实时监测的问题，利用光纤光栅传感器与螺栓结合进行螺栓预紧力监测是目前应用在螺栓预紧力上的新监测手段。而本文所提出的光纤式智能螺栓系统作为一套高性能模块化螺栓载荷在线监测系统，以支撑轨道客车新产品开发、试验验证、整机系统及材料研究为总体目标，能够对螺栓的轴力、剪切力、弯矩、温度等进行实时监测，并具备监测参数设置、数据存储、超限报警等功能，可应用于转向架等位置的关键螺栓的紧固状态的实时监测，实时掌握其紧固状态，保障车辆运行安全。

图1 光纤式智能螺栓结构图

2、松动传感器智能螺栓系统

ZHC-RASxx型松动螺栓传感器是一款专门用于监测螺栓/螺母连接副松动的传感器产品，使用时无需改变或改装原始螺栓螺母连接副结构，具有智能化、多功能、低成本、可快速拆装和重复使用等特点。该产品可实时在线监测螺母的相对位移变化量，在正常工作时，服务器软件通过智能网关自主查询的传感器相对位移数据，软件自主判断螺栓故障信息，并通过短信等方式提醒用户处理。

产品无线通讯方式为低功耗Lora，内置低功耗微处理器 MCU，具备自动休眠，可长期低功耗工作，内置能量型锂电池，最长使用寿命 2 年（低频度监测场合），可选配太阳供电版本，延续使用年限，满足户外智能物联网的使用场景需求。 传感器对螺母位移测量的预警范围是需要根据螺母的规格来换算，支持定时测量，并且网关储存当前最新的测量数据，保证电池电量低时，最新数据仍然保存。

三、智能螺栓系统在跨坐式单轨及车辆检修中的应用

1、应用智能螺栓的必要性

跨座式单轨的预防性维护作业主要分为:车内作业、车外作业、功能测试（有电）及车下作业，其中车下作业主要包括检查各个系统箱体的安装紧固件，连接器的状态检查，转向架位置的关键螺栓的连接检查，半永久车钩的安装螺栓检查，轮胎的外观检查等。车下作业检修项点最多，检修难度最大，耗费工时最长。车辆车下关键部位的螺栓连接是保证车辆安全行驶的重要保障，需要按照规定的周期进行状态检测，但部分螺栓在实际工况下，受到空间因素限制，无法完全目视检查螺栓状态。而通过安装智能螺栓传感器可对关键部位的螺栓连接进行实时监测，实时掌握其紧固状态，保障车辆运行安全。

2、智能螺栓的应用优势

光纤式螺栓的工艺层面的可行性主要体现在，一是光纤式智能螺栓可保持原结构的螺纹连接形式、装配关系和装配精度，可以确保原设计装配强度得到保障；二是光纤式智能螺栓可保持与原螺栓的型号规格相同，表面处理方法一致，性能等级相同或优于原螺栓，保证了部件安装的可靠性，也为螺栓预紧力的采集提供稳定环境；三是光纤式智能螺栓可以承受原螺栓所处的工况，可能包括轴向力、横向力和弯矩等，根据原螺栓所处位置决定，可以适用于车下不同位置的装配环境，提高了智能螺栓安装的适配性，例如：牵引拉杆安装、横向拉杆安装、辅助转向缸安装等。

3、智能螺栓对检修工艺的优化

    车辆的状态检查是每天对单轨车辆必要的检修任务。一般放在每天的运营结束后，列车回库后进行。车辆状态检查的目的是确保车辆关键部位或功能状态良好，为车辆的正常运营提供安全保障，所以车辆状态检查是检修任务至关重要的组成部分。在车辆状态检查任务中车下作业检修项点最多，检修难度最大，耗费工时最长。

使用光纤式智能螺栓替代现有紧固件安装，实现对车下关键部位紧固件预紧力的实施监测，可以有效的提高检修效率，节约人力成本。以芜湖项目为例，车辆状态检查芜湖单轨2人进行一列车日检作业编制体系，完成一列车的日检作业约需要50min，采用智能螺栓辅助作业后，日检工时可节省15~20min左右，一号线28列车一共可以节省工时8h/天，二号线18列车5h/天。另外，根据智能螺栓的实时监测结果分析，还可以有针对性对局部位置的紧固件进行重点检查，及时排查安全隐患。

4、智能螺栓的适配性

智能螺栓系统与各子系统类似，可以分为中心和站点2 个层级。站点层相对比较独立，它是由分布在车下的各个传感器设备组成。中心层由集中管理服务器、操作终端等设备组成。站点层和中心层需要通过传输网络建立数据交互通道。通过区间96 芯主干光缆进行连接，提供光纤、以太网等数据通道，不需要另外敷设线缆组网。智能螺栓系统为新增系统，与既有设备相互独立，不会对既有系统产生任何影响。

四、结束语

通过本文对智能螺栓在Monrail300 跨座式单轨及APM300 车辆检修中的应用论述，笔者认为，针对目前轨道交通运维模式存在的问题，需要加快对智能运维系统应用的研究，并通过推进智能运维系统的建设，智能螺栓的应用实现对关键螺栓全生命周期的管理，提高设备的整体运维水平，预防和减少设备发生故障，降低了维护成本，为单轨运营安全、运输效率以及服务质量提供了保障。

参考文献：

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[2]张硕硕.FBG光纤智能螺栓应变传递的有限元分析[J].江苏建筑,2020(03):28-31+46.

[3]张洪英. 光纤智能螺栓及其在电网中的应用[D].哈尔滨工程大学,2019.

作者简介：夏正宝，职业:运维工程师，学历:硕士研究生，现职称：工程师，

研究方向：城市轨道交通运营及维护，出生日期：1984年11月，籍贯：山东青岛.