黃　培

（江蘇建筑職業(yè)技術學院機電工程學院　徐州　221116）

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礦用電機車電控空氣制動系統(tǒng)的比例電磁鐵設計

黃培

（江蘇建筑職業(yè)技術學院機電工程學院徐州221116）

摘要比例電空閥是礦用電機車電控空氣制動系統(tǒng)中的一個重要控制元件，電機車的制動性能很大程度上取決于比例電空閥的特性。作為比例電空閥關鍵部件的比例電磁鐵設計合理時，其輸出的電磁力與線圈中的電流大小成正比關系，對提高比例電空閥的性能有很大幫助。文中對一種具有盆底結構的比例電磁鐵進行了結構設計，并對30Kg推力的比例電磁鐵關鍵參數(shù)進行了計算。

關鍵詞電空制動比例電磁鐵比例電空閥

The proportion electro-pneumatic changeover valve

一、前言

在礦用電機車電控空氣制動系統(tǒng)中，比例電空閥通過控制電流大小來控制輸出的空氣壓力，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的制動、保壓和緩解，它是整個電機車制動控制單元的關鍵部件［1］。在比例電空閥的設計中，需要有一個能把輸入電信號成比例地轉(zhuǎn)為機械信號的轉(zhuǎn)換裝置，這個裝置通常簡稱為電—機轉(zhuǎn)換元件。最常見的電—機轉(zhuǎn)換元件有直流伺服電機、力矩馬達、懸掛式力馬達和比例電磁鐵。比例電磁鐵一般有平底止座式、盆底止座式、錐底止座式三種，在實際應用中廣泛使用的是具有盆底結構的比例電磁鐵［2］。

二、比例電磁鐵的結構設計

當線圈9得電時，比例電磁鐵的銜鐵4由起始位置（圖中位置）向左推出，由推桿11帶動比例電空閥中的活塞桿運動，活塞桿克服平衡閥彈簧抗力打開總風缸，總風通過活塞桿外腔進入控制風缸實現(xiàn)電機車的制動；當線圈持續(xù)通電時，電空閥膜板上腔壓力與比例電磁鐵的推力相等，比例電空閥處于平衡狀態(tài)，控制風缸和總風斷開，制動系統(tǒng)處于保壓狀態(tài)；如果比例電磁鐵線圈無電流，彈簧使銜鐵回到起始位置，控制風缸壓力空氣全部排入大氣，系統(tǒng)制動力緩解［3］。比例電磁鐵結構如圖1所示。

三、參數(shù)計算

為了使具有盆底結構的比例電磁鐵更好的適應電機車制動系統(tǒng)的要求，現(xiàn)對30kg推力的比例電磁鐵關鍵參數(shù)進行設計計算，如圖2所示。

1、盆底結構計算

（1）最大電磁吸力Fm

磁感應強度B最大為1T，根據(jù)電工純鐵B—K？圖，取磁通系數(shù)Kφ取為11。

設計的最大行程δ0為0.5cm，代入?yún)?shù)，得到Fm為302 N。

（2）銜鐵截面積S0和d1、d2的計算

由

其中，取氣隙磁感應強度B0為1T，取空氣磁導率μ0為4π×10-7H/m，求得銜鐵截面積：

推力為302N時，推桿直徑d0經(jīng)計算為12mm，代入（3—4）式得d1為3.33cm。半徑間隙取0.02mm。

分配比：

經(jīng)驗值取k在0.6～0.7之間5。由（3—5）式得：

根據(jù)經(jīng)驗值，取分配比k為0.65，代入（3—6）式得d2為4.1665cm。半徑間隙取0.02mm。

（3）盆底的半錐角：

代入（3—7）式得α為39.9°，取40°。

（4）盆底深度：

2、線圈計算

（1）線圈安匝計算：

鐵磁材料影響系數(shù)λ1一般取值范圍為0.65～0.85，因B0較大，取小值0.65。氣隙系數(shù)λ2一般取值范圍為0.25 ～0.45，取中值0.4。代入（3—9）式得：

取整為3500安匝。

（2）線圈長度計算

溫升公式：

ls，bs分別為線圈長度及厚度。設C = ls / bs，將ls = C bs代入（3—11）式得到線圈長度方程：

工作溫度為90度時的電阻率ρx取為2.2×10-8Ω /m，C一般取為5，線圈填充系數(shù)ft取為0.6，溫升［θ］取為90度，65度時散熱系數(shù)μs的取值為12×10-4W / m2C，代入（3—12）式求得線圈的長度為101mm。

（3）初定線圈的內(nèi)、外直徑

線圈內(nèi)徑DN= d2≈4.2 cm

線圈外徑Dw=d2+2bs+0.05≈8.25 cm

（4）計算導線直徑和線圈能容納的匝數(shù)

根據(jù)電壓方程公式：

gx為導線截面面積（mm2），Rx為線圈總電阻（Ω），Dx為線圈平均直徑（mm），推出導線直徑方程：

電壓U取110V，將各參數(shù)代入電壓方程得導線直徑約為0.417mm。

參考線規(guī)表，選漆包線內(nèi)徑為0.41 mm，外徑為0.45mm，計算外徑取0.5mm。

容量計算：

初步選電流I =1安，線圈共3500匝。選線圈長度為100mm，厚度為24mm，那么：

縱向可排1 00÷0.5=200列，橫向可排20÷0.5=40層，總共可容納8000匝。

（5）估算線圈電阻

線圈總長：

查表得導線每米長電阻為0.132Ω，算出總電阻為89.9Ω，取90Ω。因電壓為110V，額定電流為1安，所以還應串聯(lián)20Ω的電阻。

四、結束語

針對礦用電機車制動系統(tǒng)比例電磁鐵存在的線性差、靈敏度不高等突出性問題，本文在分析了各種結構比例電磁鐵優(yōu)缺點的基礎上，設計出的盆地結構比例電磁鐵具有性能可靠、抗干擾性好、在允許溫升下能穩(wěn)定工作等優(yōu)點，并且具有水平吸力特性，能把電信號按比例地、連續(xù)地轉(zhuǎn)換成機械信號輸出。相信該電磁鐵在實際中的使用必能提高礦用電機車電控空氣制動系統(tǒng)比例電空閥的制動性能。

參考文獻

［1］章宏甲，黃誼，王積偉.液壓與氣壓傳動［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2012.5.

［2］姚壽文.長大貨物列車電控空氣制動系統(tǒng)及防滑器的智能控制研究［R］.北京：鐵道部科學研究院，2010.6.

［3］王愛樂，卜慶華.比例電磁閥用直線電機幾個關鍵參數(shù)的設計［J］.微電機，2012（2）：24～27.

［4］龍海濤，夏寅蓀，謝勝強.高速列車制動系統(tǒng)電空轉(zhuǎn)換裝置［J］.上海鐵道大學學報，2008，19（10）：73-77.

［5］聶曉文，韓曉暉，王萬賓.電空制動系統(tǒng)電空閥作用原理分類淺析［J］.鐵道車輛，2008，36（7）：28-30.

Design of the Proportional Electromagnetism in Trolley Locomotive's Electro-pneumatic Brake System

Huang Pei
（College of Mechanical and Electrical Engineering，Jiangsu Institute of Architectural Technology Xuzhou 221116）

AbstractThe proportional electromagnetic valve is the key control part of the electro-pneumatic brake system in trolley locomotives，and the brake capability of the trolley locomotives partly lie on the proportional electromagnetic valve.As the key part of the proportional velectromagnetic valve，the proportional electromagnetism plays a crucial part，its output's electromagnetic force is proportioned with the electricity in the the winding. Lastly designed a kind of bottom-structure proportion electromagnetism，and calculated the key parameter of the 30 kilogram-force's bottom-structure proportion electromagnetism.

KeywordsThe electro-pneumatic brake The proportion electromagnetism

中圖分類號TM574.3

文獻標識碼A

文章編號160223-7210

作者簡介

黃培（1981年～），性別男，江蘇徐州人，2005年畢業(yè)于西安科技大學大學機械電子專業(yè)，獲碩士學位，講師，現(xiàn)為江蘇建筑職業(yè)技術學院教師；主要從事電氣自動化與控制系統(tǒng)的教學與研究。