丁福焰，呂寶佳，顧磊磊

（中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所，北京100081）

早在1855年法國物理學家Léon Foucault就發(fā)現(xiàn)了渦流原理。1892年世界上第一個軌道車輛渦流制動專利在英國出現(xiàn)。1903年法國申報了世界上第一個汽車用渦流制動器專利。今天，渦流制動技術(shù)已在起重、汽車、軌道交通等行業(yè)得到了大量應用。

就軌道車輛應用而言，渦流制動可使列車保持較高的減速度，縮短制動距離，減少磨損，提高運行經(jīng)濟性。法國、德國和日本等均進行了長時間的研究和開發(fā)，在研發(fā)過程中解決了大量的技術(shù)和工程難題，例如制動特性及控制、工作氣隙、電磁鐵供電、軌道溫升、對軌道電路的影響、結(jié)構(gòu)和安裝等，豐富了高速列車的制動方式，獲得了較好的運用效果，其經(jīng)驗值得我們借鑒。

1 渦流制動的原理、分類及特點

1.1 渦流制動的基本原理

渦流制動的基本原理如圖1所示，磁鐵按照N、S極交替布置，并與導體（感應體）保持一定的氣隙。當勵磁線圈通電，導體與電磁鐵無相對運動（v=0）時，主磁通恒定，磁場是對稱的，導體中不產(chǎn)生渦流，電磁鐵與導體之間只有吸力（F=FA）而沒有制動力。當磁鐵與導體相對運動（v＞0）時，導體切割磁力線，根據(jù)電磁感應原理，導體內(nèi)將會產(chǎn)生閉合的漩渦狀感應電流，稱為電渦流，由電渦流產(chǎn)生的磁場使主磁場發(fā)生畸變，磁力線發(fā)生偏轉(zhuǎn)，生成切向分力FB，即為制動力。從能量轉(zhuǎn)換的角度來說，列車的動能通過感應體的渦流損耗，使感應體溫度升高，從而將列車的動能轉(zhuǎn)換成熱能消散于大氣，達到制動的目的［1-3］。

圖1 渦流制動原理圖

渦流制動的突出優(yōu)點是無機械磨損、無氣味、無噪聲，在很大的速度范圍內(nèi)制動力具有平坦的特性，且制動力可控，即可用于緊急制動，又可用于常用制動，可部分替代摩擦制動，減少制動盤、閘片的磨損和更換，優(yōu)化運行質(zhì)量，改善乘車舒適度。

1.2 渦流制動的分類

根據(jù)磁鐵和感應體的結(jié)構(gòu)型式，渦流制動可分為線性渦流制動和旋轉(zhuǎn)渦流制動。線性渦流制動又稱軌道渦流制動，是將鋼軌作為磁感應體，利用安裝在轉(zhuǎn)向架上的磁鐵與鋼軌產(chǎn)生相對運動，在鋼軌上感應出渦流并形成制動力。

線性渦流制動的優(yōu)點：

（1）屬于非黏著制動方式，不依賴于輪軌黏著系數(shù)；

（2）可產(chǎn)生強大的制動力，減小制動距離，提高行車安全性，特別適合高速應用；

（3）不會對軌道產(chǎn)生沖擊。

線性渦流制動存在的問題主要包括在同一線路區(qū)段頻繁制動，可能引起鋼軌發(fā)熱；低速時電磁吸力很大，因此不宜在低速下使用；電磁場對軌道電路的干擾作用，對于不同類型或制式的軌道道路，需要進行研究和試驗。

旋轉(zhuǎn)渦流制動又稱為盤式渦流制動，是在車軸上設置金屬圓盤作為磁感應體，磁鐵可安裝在金屬盤的一側(cè)或兩側(cè)，金屬感應盤在磁場中轉(zhuǎn)動時可感應出渦流，形成制動力矩，如圖2所示［4］。

圖2 旋轉(zhuǎn)渦流制動原理圖

旋轉(zhuǎn)渦流制動的優(yōu)點：

（1）應用與線路無關(guān)，即不受軌道線路的限制；

（2）渦流感應盤的材料可以選擇；

（3）可在既有的機車車輛上補裝。

旋轉(zhuǎn)渦流制動的缺點：屬于黏著制動，對減少磨耗和維修有利，但對高速條件下提高制動減速度作用不大。

根據(jù)勵磁方式，渦流制動又可分為電磁渦流制動和永磁渦流制動。電磁渦流制動采用導磁率較高的鐵芯（或其他材料）磁極，周圍纏繞線圈繞組，由外部的供電電源提供勵磁，從而產(chǎn)生磁場并形成渦流制動力，通過調(diào)節(jié)勵磁電流，實現(xiàn)制動力的控制。其特點是可產(chǎn)生較大的制動力，且易于控制，可調(diào)節(jié)性好，但要消耗較大的電功率，線圈溫度高，低速時可用性差。

永磁渦流制動是用永磁材料制成的磁鐵取代電磁鐵，通過對永久磁鐵位置的調(diào)節(jié)實現(xiàn)渦流制動力的控制。其特點是無勵磁線圈，不需要外部供電裝置，質(zhì)量輕，熱負荷小，且可用作停車制動，可用性強，運用成本也較低，具有良好的發(fā)展前景。

2 渦流制動裝置的結(jié)構(gòu)與制動特性

2.1 結(jié)構(gòu)

圖3 ICE3的線性渦流制動裝置

安裝在一個轉(zhuǎn)向架上的線性渦流制動裝置主要包括電磁鐵、支承梁、傳力桿、支架、橫向拉桿、懸掛裝置等，圖3為德國ICE3動車組應用的渦流制動裝置。電磁鐵有兩組，分別布置在轉(zhuǎn)向架兩側(cè)、鋼軌中心線上方。支承梁用來固定電磁鐵，構(gòu)成閉合磁路，同時承受制動力和吸引力。支架中含有球鉸，允許支承梁和電磁鐵沿垂向移動。傳力桿負責傳遞制動力，橫向拉桿用來保持兩組電磁鐵的距離并與支承梁構(gòu)成整體框架，懸掛裝置用于支承梁和電磁鐵的升降。電磁鐵不工作時，通過懸掛裝置使其懸掛在轉(zhuǎn)向架上，此時制動裝置不會增加簧下質(zhì)量，對走行特性無影響。進行制動時，懸掛裝置可使電磁鐵下降到低位，此時制動裝置的質(zhì)量由輪對軸箱承受，變?yōu)榛上沦|(zhì)量，電磁鐵通電后在鋼軌中感應出渦流，達到制動目的［5-6］。

軌道車輛旋轉(zhuǎn)渦流制動裝置主要包括渦流制動盤或感應盤（轉(zhuǎn)子）和磁鐵（定子）兩部分，圖4為日本新干線動車組所用的旋轉(zhuǎn)渦流制動裝置［7］。感應盤安裝在車軸上，并隨車軸一同轉(zhuǎn)動。為加強散熱，可在盤上設置散熱孔或采用其他散熱結(jié)構(gòu)。電磁鐵布置在感應盤兩側(cè)，安裝在轉(zhuǎn)向架上。

圖4 新干線動車組的旋轉(zhuǎn)渦流制動裝置

2.2 制動特性

圖5 ICE3實測渦流制動力特性曲線

圖5所示為德國ICE3動車組實測的制動力與速度關(guān)系曲線［8］，由圖可見，低速時制動力隨速度的提高而快速增加，100km／h左右制動力達到最大，然后略有減小，但在很大的速度范圍甚至很高的速度下均可發(fā)揮近乎恒定的制動力。速度低于50km／h時，制動力快速衰減而垂向磁吸力不斷增大，實際使用時被關(guān)閉。

3 渦流制動的關(guān)鍵技術(shù)

渦流制動裝置的研發(fā)，是對電磁、機械、熱力學、控制及電氣等多種學科進行集成。其中的關(guān)鍵技術(shù)主要包括以下幾個方面：

3.1 電磁參數(shù)設計與優(yōu)化

為獲得理想的制動特性，且熱負荷和溫升滿足要求，應在電磁機理研究的基礎上，通過工程化的建模、解析和數(shù)值仿真，進行磁感應強度、線圈匝數(shù)、導線截面積、磁阻、極距、氣隙等參數(shù)和結(jié)構(gòu)尺寸的選擇、設計與優(yōu)化，這是渦流制動需要解決的根本問題，也是工程化研究的難點所在。

3.2 磁性材料選擇與磁鐵制造工藝

對于電磁渦流制動，需研究和選擇鐵芯及線圈材料，探索制造工藝，提高絕緣和耐熱性能，并具有一定的強度，發(fā)揮較大的制動力；對永磁渦流制動來說，應研究和選擇合適的永磁材料，在保證性能的同時，又具有良好的經(jīng)濟性。

3.3 機械結(jié)構(gòu)設計

制動裝置整體應具有足夠的強度和剛度，能夠傳遞制動力而不會產(chǎn)生塑性變形或斷裂，并保持磁鐵與感應體的恒定間隙和相對位置，能夠承受高速運行所帶來的振動和沖擊，還包括輕量化技術(shù)，特別是減輕簧下質(zhì)量。

3.4 供電與勵磁控制

對電磁渦流制動而言，供電方案和勵磁電源設計也是很重要的，應具有較高的可靠性和可控性，提供合適的勵磁功率，以便獲得所需的制動力，并盡量減小質(zhì)量和體積。當渦流制動用作緊急制動時，要求在電網(wǎng)斷電的情況下也能發(fā)揮制動作用。

3.5 制動管理

為充分發(fā)揮渦流制動裝置的作用，并與其他制動方式協(xié)調(diào)工作，產(chǎn)生均勻的減速度，同時盡量減小磨損，提高運行經(jīng)濟性，研究制動力和能量的分配與優(yōu)化，從而指導渦流制動的控制，則是應用中必不可少的工作內(nèi)容。

4 國內(nèi)外渦流制動技術(shù)的研究與應用發(fā)展概況

盡管第一個渦流制動專利是針對軌道車輛的，但渦流制動卻首先在汽車上得到了應用，1936年世界第一臺汽車渦流制動器在法國誕生。汽車渦流制動裝置采用旋轉(zhuǎn)渦流型式，作為一種輔助制動手段，可提高車輛運行的安全性，延長機械制動器壽命，并降低車輛維修和運營費用。目前，在國外已被大量用于大型客車、載重汽車和特種車輛。

20世紀90年代渦流制動裝置進入我國汽車市場，被稱為電渦流緩速器（或緩行器）。1997年我國交通部頒布了JT／T 325《營運客車類型劃分及等級評定》標準，首次提出大型高三級營運客車應設有緩行器的要求。2002年修訂時，將緩行器安裝范圍擴大為中型客車高二級、大型客車高二和高三級。此后又在2004、2006和2010年進行了多次修訂，客車等級進一步細化，在2010年版本中規(guī)定，中型客車高二級及所有大型和特大型客車均應安裝緩速器［9］。這一標準對我國商用汽車緩速器的快速發(fā)展起到了積極的推動作用，掀起了汽車緩速器的研究、開發(fā)熱潮，一時出現(xiàn)了很多有關(guān)電渦流緩速器的論文和專利，生產(chǎn)和銷售渦流緩速器的企業(yè)發(fā)展到20多家。至2007年底，我國汽車緩速器產(chǎn)量達4.5萬臺，其中95%以上為電渦流緩速器。目前，電渦流緩速器已成為現(xiàn)代汽車制動系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一，各大客車制造廠、眾多公交和長途客運企業(yè)都已成為電渦流緩速器的客戶，部分重型貨車也開始裝用電渦流緩速器。營運客車和貨車安裝電渦流緩速器后，安全性和舒適度得到提高，并起到了節(jié)油效果（圖6）。

圖6 汽車電渦流緩速器

自20世紀60年代起，德、法、日等國一直對渦流制動用于軌道車輛進行研發(fā)和試驗。法國曾在TGV-001燃氣輪高速動車組Y225型轉(zhuǎn)向架上進行過旋轉(zhuǎn)型渦流制動裝置試驗，1972～1973年法國國營鐵路公司（SNCF）對線性渦流制動進行了首次線路運行試驗，1974年和1975年在Z7001動車組上也進行了試驗。其后，在TGV的Y229型轉(zhuǎn)向架上也曾采用線性渦流制動裝置進行試驗。20世紀90年代SNCF又與GEC-Alsthom、Knorr等專業(yè)廠商合作，對采用不同制造技術(shù)研發(fā)的兩種線性渦流制動裝置在360km／h的高速列車TGV-NG上進行裝車試驗［10］，最終在新一代高速列車AGV上安裝了2套線性渦流制動裝置。當行車速度在350～200km／h之間時，每臺轉(zhuǎn)向架的渦流制動裝置可產(chǎn)生20kN的緊急制動力［11］。

德國對軌道車輛渦流制動技術(shù)的研究大體始于上世紀70年代初，克諾爾公司曾多次參與法國、德國鐵路的試驗研究。從1985年起，德國鐵路（DB）利用ICE／V高速試驗動車組進行了長期、大量的線性渦流制動試驗研究。隨著新材料的發(fā)展，1996年研制成功新的電磁線圈，解決了電磁鐵的輕量化及其與傳統(tǒng)軌道線路匹配等問題，1998～2000年在ICE-S上進行了全面的試驗和運用考核。2002-08正式投入商業(yè)運營的ICE3高速動車組批量裝用了線性渦流制動裝置，在最大常用制動和快速制動中，渦流制動裝置可分別提供145kN和170kN的制動力，特別是在230km／h以上速度范圍，渦流制動力遠大于電制動力，取得了良好的應用效果，其300km／h、330km／h初速度下的制動距離不大于3 350m、4 200m，平均減速度不小于1.04m／s、1.00 m／s［2］［5-6］。至2009年底，至少已有67列ICE3動車組裝用了線性渦流制動裝置。同時，德國也在研究旋轉(zhuǎn)渦流制動技術(shù)在軌道車輛上的應用問題［12］。

日本新干線利用951型試驗電動車組曾對線性渦流制動裝置進行試驗，但當時考慮到軌道發(fā)熱等問題，新干線最終選擇了旋轉(zhuǎn)渦流制動裝置，100系、300系和700系動車組在拖車上均采用了旋轉(zhuǎn)渦流制動+空氣盤形制動的組合型式。其中，300系每軸2套，700系每軸1套（為減輕拖車軸重）。300系7級常用制動的能量分配為：再生制動占62%，渦流制動占35%，機械制動占3%［13］。近年來，日本又重拾軌道渦流制動，但有所創(chuàng)新，他們正在研究一種交流勵磁的軌道渦流制動裝置，它是利用直線感應電機原理，進行渦流制動的同時，可利用逆變器將一部分能量反饋到電網(wǎng)（再生制動）或通過電阻耗散（電阻制動），從而減小鋼軌的溫升［14-15］。

我國鐵路的渦流制動研究起步較晚，20世紀90年代，同濟大學（包括原上海鐵道大學）對渦流制動的電磁機理、制動特性等進行了分析、研究，發(fā)表了多篇論文［16-19］。他們還與株洲電力機車廠等單位合作，研制了小比例的線性渦流制動試驗臺［20-21］，并利用試驗臺進行了試驗，當試驗速度分別為250，300，350km／h時，對應制動時間分別為9.86，12s和12.27s［22］。西南交通大學等也于近期開展了永磁旋轉(zhuǎn)渦流制動的研究［23］。我國軌道車輛的渦流制動技術(shù)，總體上還處于理論研究階段，工程化的試驗和研發(fā)工作尚未真正開展。

近年來，中國高速鐵路發(fā)展迅速，目前運營的高速動車組在制動型式上，動車采用再生制動和盤形制動，拖車只采用盤形制動。300km／h以上等級列車的制動功率很大，制動盤將承受很高的熱負荷，其材料和結(jié)構(gòu)設計受到很大的挑戰(zhàn)，且閘片和制動盤磨耗加劇，運行成本加大。如果采用渦流制動，不僅可縮短緊急制動距離，提高列車安全性，而且可在常用制動中發(fā)揮作用，高速區(qū)段使用渦流制動和再生制動或電阻制動，低速區(qū)段使用空氣盤形制動補充，則可大大降低制動盤、閘片磨耗，節(jié)省運行成本，提高高速列車的運營效率。

自2009年起，中國鐵道科學研究院機車車輛研究所研制高速渦流制動試驗臺，目前正在進行安裝和調(diào)試。該試驗臺可1∶1地再現(xiàn)渦流制動的能量轉(zhuǎn)化過程，既可進行線性渦流制動試驗，又可進行旋轉(zhuǎn)渦流制動試驗。試驗臺建成后，將為我國高速列車和其他軌道車輛渦流制動技術(shù)的工程化研究與產(chǎn)品研發(fā)提供有力的技術(shù)支撐。

5 結(jié)束語

列車速度的提高，使制動系統(tǒng)不斷面臨新的挑戰(zhàn)。對于我國鐵路這類大運量運輸系統(tǒng)，保持較高的制動減速度水平，以縮短制動距離和追蹤間隔時間，將會獲得實際效益。同時，我們總是希望壽命周期成本最低，以獲得好的運行經(jīng)濟性。因此，探索多種制動方式相配合的復合制動系統(tǒng)技術(shù)，特別是非黏著制動的應用，仍是今后的研究課題。由前述分析可見，線性渦流制動是一種適用于現(xiàn)代高速應用的有效解決方案，而永磁渦流制動、交流勵磁渦流制動是兩個有吸引力的研究方向。

［1］Basics of Brake Technology，KNORR-BREMSE Systeme für Schienenfahrzeuge，2007.

［2］智廉清，林臺平，孫福祥.近代鐵道制動技術(shù)［M］，北京：人民鐵道出版社，1983.

［3］朱仙福.線性渦流制動電磁分析［J］，上海鐵道學院學報，1994，15（2）：55-63.

［4］小原孝則，等［日］.旋轉(zhuǎn)型永磁渦流制動裝置［J］，國外鐵道車輛，2003，40（1）：30-33.

［5］Prem，J.，等［德］.大功率常用制動系統(tǒng)——ICE3的渦流制動（一）［J］，變流技術(shù)與電力牽引，2005，（1）：7-12.

［6］Prem，J.，等［德］.大功率常用制動系統(tǒng)——ICE3的渦流制動（二）［J］，變流技術(shù)與電力牽引，2005，（3）：15-22.

［7］內(nèi)田 清五［日］.日本新干線列車制動系統(tǒng)［M］，北京：中國鐵道出版社，2004.

［8］Saumweber，E.［德］.軌道制動器領(lǐng)域的新發(fā)展［J］，電力牽引快報，1999，（4）：27-30.

［9］JT／T 325（1997，2002，2010.）營運客車類型劃分及等級評定［R］.

［10］Cauwel，P.等［法］.渦流制動器［J］，電力牽引快報，1997，（4），40-50.

［11］Briginshaw，David［荷］.法國新一代高速列車 AGV［J］，國外鐵道車輛，2001，38（4）：25-27.

［12］Sonntag，H.，等［德］.鐵道機車車輛通用旋轉(zhuǎn)式渦流制動（RWB）［J］，變流技術(shù)與電力牽引，2006，（4）：46-52.

［13］錢立新主編.世界高速鐵路技術(shù)［M］，中國鐵道出版社，2003.

［14］KASHIWAGI，T.，SAKAMOTO，Y.，SASAKAWA，T.，et al.Basic Characteristics of Rail Brake Systems U-sing Linear Motor Technology［J］，QR of RTRI，2009，50（3）：173-178.

［15］坂本 泰明，柏木 隆行，長谷川 均，等［日］.應用直線感應電機的軌道制動設計及試驗驗證［J］，電氣學會論文志，2011，（1）：127-134.（日文）

［16］朱仙福，張秀榮.高速列車軌道渦流制動的制動力分析與計算［J］，上海鐵道大學學報（自然科學版），1996，17（4）：1-8.

［17］朱仙福，羅會美，邵丙衡.磁懸浮列車的渦流制動問題［J］，機車電傳動，2001，（4）：32-34，40.

［18］郭其一，陳 鵬，駱廷勇，李維剛.基于解析法的渦流制動電磁機理研究［J］，機車電傳動，2006，（1）：30-32.

［19］應之丁.渦流制動技術(shù)在高速列車上的應用［J］，電力機車與城軌車輛，2004，27（5）：19-22.

［20］應之丁，夏寅蓀，邵丙衡.軌道渦流制動試驗與研究［J］，上海鐵道大學學報，1999，20（6）：93-97.

［21］夏為林，傅俊英，邵丙衡.高速列車軌道渦流制動試驗臺試制概述［J］，機車電傳動，1999，（6）：29-30，33.

［22］史萬周，張宗桐，吳定梁，何少波.高速列車渦流制動試驗臺研制［J］，電氣傳動自動化，2005，27（1）：38-40.

［23］蔣冬清，楊 璨，倪文波，等.基于ANSYS的永磁渦流制動機磁場分析［J］，鐵道機車車輛，2009，29（5）：8-10，51.