現(xiàn)代有軌電車電磁軌道制動(dòng)方式初探*

裴玉春1，2，吳興東2，王 鵬2，吳海嶺2

（1 同濟(jì)大學(xué)，上海201804；2 上海龐豐交通設(shè)備科技有限公司，上海201802）

對(duì)軌道交通車輛非黏著電磁制動(dòng)方式進(jìn)行了研究，對(duì)國內(nèi)外電磁制動(dòng)方式的工作原理及優(yōu)劣點(diǎn)進(jìn)行了調(diào)研。相較于線性渦流制動(dòng)的電磁吸力影響構(gòu)架強(qiáng)度且低速時(shí)渦流制動(dòng)力衰減，永磁軌道制動(dòng)方式以其無電工作、制動(dòng)力穩(wěn)定等特點(diǎn)，適用于現(xiàn)代有軌電車。

制動(dòng)系統(tǒng)；永磁軌道制動(dòng)裝置；黏著；現(xiàn)代有軌電車

制動(dòng)系統(tǒng)作為城軌車輛的重要系統(tǒng)，直接涉及到車輛的運(yùn)行性能和安全，影響乘客的乘坐舒適度。傳統(tǒng)的制動(dòng)系統(tǒng)一般有3類制動(dòng)裝置，即機(jī)械摩擦制動(dòng)、動(dòng)力制動(dòng)（電制動(dòng)）與非黏著工作方式的電磁軌道制動(dòng)。

軌道交通運(yùn)輸系統(tǒng)的路權(quán)分為專用路權(quán)、隔離路權(quán)及共用路權(quán)等3種型式。有軌電車部分地面路段采用隔離路權(quán)，以柵欄或高低差與其他車流隔離，具半獨(dú)占性；有軌電車在平交道口采用共用路權(quán)，在街道上軌道與一般車流混合，為非獨(dú)占性路權(quán)［1］。

在實(shí)際應(yīng)用上，有軌電車系統(tǒng)大都根據(jù)當(dāng)?shù)丨h(huán)境現(xiàn)況，采用多種路權(quán)型式混合設(shè)計(jì)。由于有軌電車大多在街道上穿行，遇到意外情況需要以最快的速度停車，而露天的軌道會(huì)因天氣潮濕、油污灑落、樹葉覆蓋等環(huán)境影響降低軌面黏著條件。因此，歐洲國家規(guī)定這種在街道上運(yùn)行的車輛必須附加一套與輪軌黏著力無關(guān)的制動(dòng)裝置，以在緊急制動(dòng)時(shí)提高減速度，確保安全，這種制動(dòng)裝置大多為電磁軌道制動(dòng)器［2］。電磁軌道制動(dòng)器主要有兩種形式，渦流制動(dòng)和磁軌制動(dòng)。根據(jù)電磁制動(dòng)的制動(dòng)力施加型式分為旋轉(zhuǎn)型和直線型，其中旋轉(zhuǎn)型是通過車輪施加制動(dòng)力，屬于黏著制動(dòng)；直線型是直接在軌道與轉(zhuǎn)向架之間作用，屬于非黏著制動(dòng)。

由于渦流制動(dòng)造價(jià)高、低速區(qū)段制動(dòng)力下降等原因［3-4］，目前僅在個(gè)別高速列車上應(yīng)用，而進(jìn)行有軌電車的制動(dòng)方式選擇時(shí)，也不會(huì)考慮渦流制動(dòng)，本文重點(diǎn)論述磁軌制動(dòng)。

1　磁軌制動(dòng)

圖1　磁軌裝置組成

磁軌制動(dòng)技術(shù)是近幾十年發(fā)展起來的一種新型制動(dòng)方式，因其原理簡(jiǎn)單、構(gòu)造簡(jiǎn)單、維修量少和高可靠性而在不同的領(lǐng)域都獲得應(yīng)用［5］。磁軌制動(dòng)裝置如圖1所示，主要由電磁本體、傳力機(jī)構(gòu)、升降風(fēng)缸或彈簧等懸掛機(jī)構(gòu)、極靴磨耗板等組成。磁軌制動(dòng)是在轉(zhuǎn)向架兩個(gè)側(cè)架下面同側(cè)的兩個(gè)車輪之間各安裝一個(gè)電磁鐵，利用升降氣缸或彈簧進(jìn)行懸掛安裝，利用定位裝置使得橫向搖擺限于最小程度并傳遞制動(dòng)力。制動(dòng)時(shí)將它放下并利用電磁吸引力使其緊壓在鋼軌上，不但不會(huì)引起軸重轉(zhuǎn)移，反而在制動(dòng)時(shí)使軸重稍有增加，對(duì)黏著制動(dòng)有利；同時(shí)制動(dòng)時(shí)電磁鐵對(duì)鋼軌表面有機(jī)械清掃作用，特別是雪天或軌面被污染時(shí)可將軌面清理干凈，改善了輪軌黏著，使得車輪和軌道間的黏著力增加，減少了高速滑行的危險(xiǎn)。磁軌制動(dòng)的環(huán)境適應(yīng)性也很好，在大雨和冰凍以及低溫的惡劣天氣條件下也能可靠地工作。通過磁鐵上的磨耗板與鋼軌之間的滑動(dòng)摩擦產(chǎn)生制動(dòng)力，把列車動(dòng)能變成熱能耗散在空氣中，從而達(dá)到制動(dòng)的效果。極靴做成特殊形狀的前段部分，可以平穩(wěn)地通過鐵軌的道岔，部分設(shè)計(jì)中采用分離式極靴，增加對(duì)軌道表面的適應(yīng)性。磁軌制動(dòng)的制動(dòng)力取決于磁鐵長(zhǎng)度、磁鐵對(duì)鋼軌的吸引力和軌道與極靴間的摩擦系數(shù)。根據(jù)磁場(chǎng)源的不同，分為勵(lì)磁軌道制動(dòng)和永磁軌道制動(dòng)兩種形式。

1.1勵(lì)磁軌道制動(dòng)

勵(lì)磁軌道制動(dòng)首先用于城市有軌電車。在國外，城市輕型軌道列車上采用勵(lì)磁軌道制動(dòng)已經(jīng)很多年。勵(lì)磁軌道制動(dòng)是利用電磁鐵勵(lì)磁后與鋼軌吸合電磁鐵的極靴壓在鋼軌上與鋼軌產(chǎn)生摩擦的制動(dòng)方式，這種制動(dòng)方式最大的好處是不受黏著的限制，電磁鐵通常安裝在轉(zhuǎn)向架的兩個(gè)輪對(duì)之間，吊掛在轉(zhuǎn)向架上，如圖2所示。電磁鐵在有軌電車上可由接觸網(wǎng)獲得電能，也可由蓄電池供電，勵(lì)磁線圈可以選擇橫向或縱向繞制。根據(jù)前蘇聯(lián)在PT200、ЭP200型高速列車及ПЭ3、ПЭ2M、ОПЭ2、СПЭ1А型動(dòng)車組上應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)，磁軌制動(dòng)裝置與踏面或盤形制動(dòng)裝置配合使用時(shí)，可縮短制動(dòng)距離40%。為了拆卸維護(hù)方便和提高極靴與軌道的接觸面積，有些采用多節(jié)結(jié)構(gòu)極靴［6］，計(jì)算吸力在76.35～77.08 kN/m，質(zhì)量在178～189 kg/m。根據(jù)knorr公司針對(duì)地鐵、有軌電車、礦石列車、市郊列車及準(zhǔn)軌列車等不同應(yīng)用場(chǎng)合，有多種型號(hào)［7］，吸力在52～83.64 kN/ m，質(zhì)量在127.5～207.5 kg/m。

圖2　勵(lì)磁軌道制動(dòng)裝置線圈布置圖

1.2永磁軌道制動(dòng)

永磁軌道制動(dòng)相對(duì)于勵(lì)磁軌道制動(dòng)的本質(zhì)區(qū)別在于其動(dòng)力源是永磁體固有的磁場(chǎng)而非勵(lì)磁線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)，除了開始制動(dòng)時(shí)需要提供驅(qū)動(dòng)永磁軌道制動(dòng)器的能源外，一旦制動(dòng)，永磁軌道制動(dòng)不再需要外部能源。因此，在緊急制動(dòng)過程中，不需要蓄電池提供能量，可提供安全制動(dòng)功能。當(dāng)列車靜止時(shí)，制動(dòng)仍將有效，而且在無外部能量供應(yīng)的情況下可長(zhǎng)期保持。因此，它可用作列車坡道防溜的停放制動(dòng)，實(shí)現(xiàn)有軌電車要求在黏著條件很差的情況下能在80‰的坡道上可靠停車，并可取代列車上的彈簧蓄能式機(jī)械停放制動(dòng)，從而可以簡(jiǎn)化列車制動(dòng)結(jié)構(gòu)，減少所需部件的數(shù)量，并有助于實(shí)現(xiàn)列車的輕量化。由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，磁軌制動(dòng)裝置無需清潔作業(yè)，可大大減少維修費(fèi)用，國外DD-IRM車使用的永磁體軌道制動(dòng)器經(jīng)驗(yàn)證明，其維修周期最低為5年，而且維修時(shí)只需更換制動(dòng)靴［8］。

在結(jié)構(gòu)上，與勵(lì)磁軌道制動(dòng)裝置相比，取消供電線路，增設(shè)一個(gè)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，在不需工作時(shí)，如圖3所示，將磁軸旋轉(zhuǎn)90℃，在內(nèi)部形成閉合磁力線回路，將對(duì)軌道的吸力降為0。根據(jù)文獻(xiàn)［9］介紹永磁軌道制動(dòng)裝置工作狀態(tài)能夠產(chǎn)生約100 kN/m的吸力。

圖3　永磁軌道制動(dòng)裝置橫斷面剖視

2　有軌電車非黏著制動(dòng)方式選擇

有軌電車對(duì)車輛制動(dòng)系統(tǒng)有大減速度的要求，其在制動(dòng)配置中必須選擇非黏著制動(dòng)方式，來保證達(dá)到規(guī)定的制動(dòng)減速度。表1中介紹了幾種非黏著電磁制動(dòng)方式的工作特點(diǎn)。

表1　電磁制動(dòng)方式特點(diǎn)比較

在這里，從實(shí)際應(yīng)用及制動(dòng)系統(tǒng)配置角度，對(duì)幾種制動(dòng)方式進(jìn)行分析及比較，選出適應(yīng)于有軌電車運(yùn)行工況的制動(dòng)方式。

磁軌制動(dòng)器近20多年以來在許多鐵路上得到了應(yīng)用?？酥Z爾公司近年在磁軌制動(dòng)的設(shè)計(jì)及使用上進(jìn)行了大量研究及改進(jìn)，借助磁場(chǎng)計(jì)算改善制動(dòng)器的幾何形狀，在保障黏著力與制動(dòng)力穩(wěn)定的前提下，減輕質(zhì)量和縮小安裝高度，同時(shí)研制新型極靴材料，在保障總制動(dòng)里程的前提下，提高制動(dòng)力。

在圖4中顯示了軌道渦流制動(dòng)與磁軌制動(dòng)的制動(dòng)力特性曲線［10］。從曲線可以看出，渦流制動(dòng)能力在低速區(qū)段基本無制動(dòng)能力，隨速度的升高，在50 km/h后逐漸穩(wěn)定，達(dá)到理想制動(dòng)狀態(tài)；與此相反，磁軌制動(dòng)能力在低速區(qū)段較高，隨速度的提升逐漸衰減。

圖4　磁軌制動(dòng)、渦流制動(dòng)的制動(dòng)力—速度曲線

根據(jù)有軌電車一般運(yùn)行速度低于100 km/h的特點(diǎn)，在100 km/h速度點(diǎn)時(shí)，渦流制動(dòng)力偏大，兩者制動(dòng)力基本接近，而在中低速區(qū)段，特別是80 km/h以下時(shí)，磁軌制動(dòng)力遠(yuǎn)超渦流制動(dòng)力。

完整的制動(dòng)系統(tǒng)不僅要求具備使列車定點(diǎn)停車的常用制動(dòng)功能，遇到緊急或意外情況需要最快安全停車的緊急制動(dòng)功能，還要能夠保證實(shí)現(xiàn)列車的停放制動(dòng)，避免列車在坡道停放時(shí)溜車。顯然，渦流制動(dòng)方式不具備這個(gè)功能，在整個(gè)制動(dòng)方式配置里面，就需要電液制動(dòng)系統(tǒng)配備彈簧儲(chǔ)能式的液壓夾鉗，這種夾鉗相較主動(dòng)式的液壓夾鉗來說，不僅體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、質(zhì)量重，而且因停放功能的施加次數(shù)少，而降低了其使用率，是設(shè)計(jì)上的一種浪費(fèi)。因此，與渦流制動(dòng)方式比較，磁軌制動(dòng)憑借其能在制動(dòng)過程的高速階段和低速階段均能正常發(fā)揮作用的速度適應(yīng)性、制動(dòng)系統(tǒng)控制簡(jiǎn)單、可簡(jiǎn)化制動(dòng)系統(tǒng)配置等優(yōu)勢(shì)，更適應(yīng)有軌電車對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)的技術(shù)要求。

電磁軌道制動(dòng)裝置雖然勵(lì)磁功率較小，約1 kW，但要依賴于蓄電池供電，因此與永磁軌道制動(dòng)器相比，可用性較低；另外，電磁線圈勵(lì)磁作用，長(zhǎng)時(shí)間通電仍會(huì)導(dǎo)致溫度升高，性能不穩(wěn)定，因此一般用作緊急制動(dòng)。此外，永久磁鐵的軌道制動(dòng)作為停放制動(dòng)，可以替代被動(dòng)式的彈簧蓄能夾鉗的停放功能，簡(jiǎn)化電液制動(dòng)的基礎(chǔ)制動(dòng)裝置，同時(shí)減輕了彈簧儲(chǔ)能制動(dòng)夾鉗的質(zhì)量，節(jié)省了安裝彈簧儲(chǔ)能制動(dòng)夾鉗的安裝空間，也有利于有軌電車運(yùn)營公司的維護(hù)保養(yǎng)，減少備品備件庫存，同時(shí)在新車配置時(shí)不需再增加費(fèi)用，節(jié)約采購成本。

另外，制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則是故障導(dǎo)向安全，這也就是說：在發(fā)生最惡劣情況時(shí)，制動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)處于制動(dòng)狀態(tài)而不是制動(dòng)失效。勵(lì)磁軌道制動(dòng)裝置工作需要?jiǎng)?lì)磁電源，雖然可以采用安裝大容量的電池作為后備電源，但當(dāng)電路失效時(shí)由于失去勵(lì)磁將直接導(dǎo)致制動(dòng)力喪失，且影響了列車的輕量化。對(duì)于有軌電車來說，當(dāng)列車電源因線纜短路、車輛各編組脫開等意外情況發(fā)生時(shí)，不需要依賴于蓄電池供電的永磁軌道制動(dòng)裝置才能實(shí)現(xiàn)制動(dòng)，更可保證列車安全。

3　結(jié) 論

對(duì)于一般最大運(yùn)行速度低于100 km/h而最大減速度不低于2.2 m/s2的有軌電車來說，在制動(dòng)系統(tǒng)不同制動(dòng)方式的配置當(dāng)中，一定要有不依賴于黏著的制動(dòng)方式，而永磁軌道制動(dòng)裝置以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、不依賴車輛電源的安全性、在制動(dòng)時(shí)不需提供大量的電能的節(jié)能意義、制動(dòng)能力的速度適應(yīng)性、持續(xù)制動(dòng)能力、簡(jiǎn)化制動(dòng)系統(tǒng)配置、節(jié)約LCC等特點(diǎn)，成為現(xiàn)代有軌電車的選擇方式。

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Research on Electromagnetic Track Brake of Modern Trams

PEI Yuchun1，2，WU Xingdong2，WANG Peng2，WU Hailing2
（1 Institute of Railway and Urban Mass Transit，Tongji University，Shanghai 201804，China；2 Shanghai Pangfeng Transportation Equipment Technology Co.，Ltd.，Shanghai 201802，China）

In this paper，the influence of nonadhesive electro magnetic brake is researched，and the virtues and defects of means about electro magnetic brake in China and Foreign Countries are discussed.The force of attraction and braking force on rail eddy current of track eddy current braking device is highly sensitive to the vehicle speed，and otherwise，once it shut off power，the permanent magnetic track brake device can remain working and remain static for the output，and it is suitable for modern trams.

brake system；permanent magnetic track brake device；adhesion；modern trams

運(yùn)用與檢修

U239.5

A doi：10.3969/j.issn.1008-7842.2015.04.19

1008-7842（2015）04-0084-03

1—）男，工程師（

2015—02—27）

*常州市科技支撐計(jì)劃（工業(yè)）項(xiàng)目（C E20110086）