王　可， 丁福焰,2， 宋躍超， 張思遠(yuǎn),2， 李　輝

(1　北京縱橫機(jī)電技術(shù)開發(fā)公司， 北京 100094;2　中國(guó)鐵道科學(xué)研究院　機(jī)車車輛研究所， 北京 100081)

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地鐵與輕軌

低地板有軌電車磁軌制動(dòng)裝置的研究

王可1， 丁福焰1,2， 宋躍超1， 張思遠(yuǎn)1,2， 李輝1

(1北京縱橫機(jī)電技術(shù)開發(fā)公司， 北京 100094;2中國(guó)鐵道科學(xué)研究院機(jī)車車輛研究所， 北京 100081)

介紹了適用于低地板有軌電車的磁軌制動(dòng)裝置的應(yīng)用特點(diǎn)、作用原理及基本結(jié)構(gòu)，對(duì)其磁路計(jì)算、磁場(chǎng)分布及電磁鐵吸力特性進(jìn)行了研究，并通過(guò)電磁場(chǎng)有限元分析進(jìn)行了驗(yàn)證。設(shè)計(jì)開發(fā)了兩種規(guī)格的磁軌制動(dòng)裝置及相應(yīng)的性能測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)，并進(jìn)行了各種性能試驗(yàn)。試驗(yàn)表明，磁軌制動(dòng)裝置電磁吸力性能穩(wěn)定，響應(yīng)速度快，可承受沖擊、振動(dòng)和環(huán)境溫度變化，滿足設(shè)計(jì)使用要求。

磁軌制動(dòng)； 低地板有軌電車； 磁路計(jì)算； 吸力特性； 性能試驗(yàn)

低地板有軌電車一般是指在城市地面軌道線路上，可與其他地面交通車輛混行，地板面高度滿足無(wú)需站臺(tái)即可一步上下車要求，由多模塊組成的電動(dòng)車輛。低地板有軌電車上下車方便，能通過(guò)城市的小彎曲半徑線路，可以適應(yīng)既有的地面線路及站臺(tái)設(shè)施，線路投資少。1980年以來(lái)，低地板有軌電車在國(guó)外得到蓬勃發(fā)展，歐洲、美國(guó)、加拿大、日本等很多國(guó)家和地區(qū)已大量應(yīng)用[1]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)各主機(jī)廠也開始了低地板有軌電車的研發(fā)、生產(chǎn)工作[2]，并且長(zhǎng)春、沈陽(yáng)、蘇州等城市已開始應(yīng)用國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的低地板有軌電車。

由于有軌電車系統(tǒng)一般采用多種路權(quán)型式混合運(yùn)行，交通情況復(fù)雜，基于安全考慮，對(duì)車輛緊急制動(dòng)減速度要求較高。歐洲廣泛運(yùn)用的有軌電車要求車輛緊急制動(dòng)減速度達(dá)到1.5～2.5 m/s2，有些線路甚至要求緊急制動(dòng)減速度達(dá)到2.8 m/s2[3-4]。另一方面，低地板車輛地板下部空間狹小，車輪和制動(dòng)盤尺寸也不得不減小，盡管有電制動(dòng)和機(jī)械制動(dòng)共同作用，但因制動(dòng)力受輪軌黏著制約而難以獲得大減速度。因此，制動(dòng)系統(tǒng)面臨新的難題，僅僅依靠黏著制動(dòng)已經(jīng)無(wú)法滿足要求，需使用不依賴輪軌黏著的附加制動(dòng)力提高車輛緊急制動(dòng)效果。

磁軌制動(dòng)主要有以下特點(diǎn)：制動(dòng)作用不依賴于輪軌黏著，制動(dòng)效果顯著，可提高行車安全性；質(zhì)量輕，對(duì)轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)和車輛走行影響小；構(gòu)造簡(jiǎn)單，工作可靠，少維修；制動(dòng)時(shí)對(duì)軌面具有清掃作用，可改善輪軌黏著。盡管磁軌制動(dòng)是通過(guò)磁鐵與鋼軌之間的摩擦力起作用，但其僅用于緊急制動(dòng)，制動(dòng)區(qū)段不固定且使用不頻繁，因此，通過(guò)合理選擇摩擦材料，一般不會(huì)對(duì)鋼軌造成損傷。

磁軌制動(dòng)的這些特點(diǎn)，使其在干線鐵路和城軌鐵路上均獲得了應(yīng)用。在低地板車方面，歐美早已研發(fā)、生產(chǎn)了適用的磁軌制動(dòng)裝置，并制定了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[4]，目前已在低地板車上普遍采用。國(guó)內(nèi)于20世紀(jì)90年代曾開展過(guò)磁軌制動(dòng)技術(shù)研究[5]，近年來(lái)一些高校和企業(yè)也開始了低地板車磁軌制動(dòng)產(chǎn)品的研發(fā)。

1　磁軌制動(dòng)裝置的基本結(jié)構(gòu)及原理

磁軌制動(dòng)主要作為輔助制動(dòng)手段，一般用于緊急制動(dòng)或快速制動(dòng)。磁軌制動(dòng)裝置按磁鐵懸掛方式可分為高懸掛和低懸掛磁軌制動(dòng)，按磁場(chǎng)產(chǎn)生方式可分為電磁式和永磁式磁軌制動(dòng)，按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可分為整體式和多節(jié)式磁軌制動(dòng)，但其核心均是磁鐵。高懸掛磁軌一般采用升降氣缸懸掛，適用于高速列車；低懸掛磁軌多采用彈簧懸掛，適用于城軌車輛和有軌電車等制動(dòng)系統(tǒng)。

圖1　整體式磁軌制動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

電磁式軌道制動(dòng)相對(duì)于永磁式軌道制動(dòng)有以下優(yōu)勢(shì)：電磁鐵主體材料為普通碳鋼，無(wú)需使用永磁體，造價(jià)經(jīng)濟(jì)；運(yùn)動(dòng)件少，在結(jié)構(gòu)上更加簡(jiǎn)單可靠，而永磁式磁軌制動(dòng)則需增設(shè)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。根據(jù)低地板有軌電車轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)和運(yùn)行特點(diǎn)，本文針對(duì)低懸掛、整體電磁式磁軌制動(dòng)裝置進(jìn)行研究開發(fā)。

磁軌制動(dòng)裝置一般包括懸掛單元、電磁鐵及導(dǎo)向裝置，安裝在轉(zhuǎn)向架兩側(cè)，位于鋼軌上方兩車輪之間并與鋼軌平行，每個(gè)轉(zhuǎn)向架安裝兩組。低懸掛、整體電磁式磁軌制動(dòng)裝置如圖1所示[6]。電磁鐵主要由電磁線圈、鐵芯、極靴及隔板等組成，其中極靴是電磁系統(tǒng)的兩個(gè)磁極，同時(shí)又是摩擦部件。由于具有彈性懸掛，因此磁軌制動(dòng)裝置不會(huì)增加簧下質(zhì)量。

磁軌制動(dòng)的基本工作原理是利用電磁鐵對(duì)磁導(dǎo)體(鋼軌)產(chǎn)生的吸力構(gòu)成正壓力，二者相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)便會(huì)形成摩擦力，即為制動(dòng)力。如圖2所示，車輛運(yùn)行時(shí)，懸掛單元使磁軌制動(dòng)裝置與鋼軌保持一定的氣隙。開始制動(dòng)時(shí)，磁軌電磁鐵通電，磁場(chǎng)生成，磁軌與鋼軌之間產(chǎn)生電磁吸力。在吸力作用下，磁軌制動(dòng)裝置吸附在鋼軌上，并通過(guò)鐵芯、極靴和鋼軌形成閉合磁路，吸力(正壓力)達(dá)到最大值。在車輛運(yùn)行的情況下，磁軌制動(dòng)裝置與鋼軌表面相互摩擦，從而產(chǎn)生制動(dòng)力。制動(dòng)力通過(guò)轉(zhuǎn)向架傳遞至車輛，制動(dòng)力大小由電磁吸力和摩擦系數(shù)確定。

圖2　磁軌制動(dòng)原理圖

2　磁軌制動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)開發(fā)

2.1設(shè)計(jì)原則

磁軌制動(dòng)裝置設(shè)計(jì)部件包括懸掛單元、導(dǎo)向裝置及制動(dòng)電磁鐵，其核心技術(shù)為電磁鐵設(shè)計(jì)計(jì)算。懸掛單元和導(dǎo)向裝置應(yīng)保證安全可靠，電磁鐵應(yīng)在磁軌結(jié)構(gòu)定型后能夠提供最大電磁吸力。

磁軌電磁鐵設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于線圈勵(lì)磁磁勢(shì)的設(shè)計(jì)及導(dǎo)磁材料的選取。為了使電磁鐵獲得盡量大的電磁吸力，線圈勵(lì)磁磁勢(shì)應(yīng)能使其工作在飽和區(qū)。根據(jù)極靴既是導(dǎo)磁元件又是摩擦元件的工況特點(diǎn)，其材料應(yīng)具有良好的導(dǎo)磁性及摩擦特性。

2.2電磁鐵設(shè)計(jì)計(jì)算

根據(jù)吸力要求、安裝接口方式不同，設(shè)計(jì)了兩種規(guī)格的磁軌制動(dòng)裝置，技術(shù)參數(shù)如表1。

表1　磁軌制動(dòng)裝置技術(shù)參數(shù)

2.2.1磁路計(jì)算

電磁鐵吸力大小取決于線圈勵(lì)磁磁勢(shì)、磁路材質(zhì)、磁路長(zhǎng)度及截面積等因素，且由磁軌制動(dòng)裝置安裝方式及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可以確定其基本形狀[7]。

根據(jù)TB/T 2344可知，60 kg/m熱軋鋼軌材料為U71Mn，考慮運(yùn)行速度、電磁鐵強(qiáng)度、導(dǎo)磁性及盡量減少鋼軌磨耗的特點(diǎn)，鐵芯及極靴材料選用低碳鋼，磁化曲線可由電磁鐵設(shè)計(jì)手冊(cè)或?qū)嶋H測(cè)試結(jié)果獲得。

電磁鐵線圈勵(lì)磁磁勢(shì)應(yīng)有足夠的能量使磁軌磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到飽和狀態(tài)，為此需進(jìn)行磁路磁阻計(jì)算。由圖3可知鐵芯磁通分布情況，磁通所走路徑共有兩處，即經(jīng)過(guò)主氣隙的主磁通φδ和不經(jīng)過(guò)氣隙的漏磁通φS，它們都是經(jīng)過(guò)激勵(lì)線圈的閉合線路，則總磁通：

(1)

圖3　磁路磁通分布示意圖

在磁路計(jì)算中，由于漏磁通的存在，而且鐵芯磁阻不是恒值，使計(jì)算很復(fù)雜，要準(zhǔn)確計(jì)算漏磁和鐵芯的磁阻的影響相當(dāng)困難，在此處工程計(jì)算中可以簡(jiǎn)化為一定的漏磁系數(shù)。

結(jié)合電磁鐵和鋼軌材料磁化曲線數(shù)據(jù)及式(2)～式(5)可以求得電磁鐵線圈飽和勵(lì)磁磁勢(shì)，進(jìn)而設(shè)計(jì)出鐵芯和極靴尺寸，確定線圈的電流、匝數(shù)及導(dǎo)線規(guī)格。

(2)

(3)

(4)

(5)

式中RX為各磁路段磁阻；RFe電磁體及鋼軌磁阻；Rδ為當(dāng)量氣隙磁阻；RM為磁路總磁阻；Lc為磁路長(zhǎng)度；μr為材料相對(duì)磁導(dǎo)率；Scm為磁路截面積；φδ為極靴磁通；φ0為鐵芯磁通；α為漏磁率；UM為線圈勵(lì)磁磁勢(shì)。

由設(shè)計(jì)結(jié)果可得，磁軌制動(dòng)裝置設(shè)計(jì)功率較小(<1 kW/個(gè))，可采用蓄電池電源供電，不依賴車輛電源，安全性高。

2.2.2吸力特性計(jì)算

電磁軌道制動(dòng)裝置應(yīng)用時(shí)屬于平行磁極端面且氣隙相對(duì)較小的情況，其電磁吸力可由麥克斯韋吸力公式求得[8]：

(6)

式中Bδ為極靴飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，Gs；Sδ為極靴接觸面積，cm2。

磁軌制動(dòng)裝置吸力特性是指在勵(lì)磁一定的條件下，電磁吸力F隨氣隙δ變化的對(duì)應(yīng)關(guān)系。磁軌吸力特性的計(jì)算有利于磁軌懸掛裝置的設(shè)計(jì)及最大電磁吸力的確定。

鐵磁材料的相對(duì)磁導(dǎo)率可以高達(dá)空氣磁導(dǎo)率的2 000～6 000倍[9]，結(jié)合式(2)及式(3)可知，磁路總磁阻會(huì)隨氣隙增大而急劇增大。這意味著，當(dāng)勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)及電磁鐵結(jié)構(gòu)一定時(shí)，磁路磁通及磁感應(yīng)強(qiáng)度會(huì)急劇減小，則電磁吸力亦然。所以進(jìn)行吸力特性計(jì)算時(shí)需針對(duì)極靴氣隙的大小進(jìn)行分類：小氣隙(0～1 mm)和大氣隙(5～10 mm)，如圖4所示。

由圖4可知，磁軌電磁吸力受氣隙變化影響較大，尤其在小氣隙區(qū)域每增大0.1 mm氣隙，吸力則減小近5 kN。圖4(b)可以反映出安裝氣隙一定時(shí)電磁吸力大小，由此可以確定懸掛裝置彈簧單元相關(guān)參數(shù)，如彈簧系數(shù)、壓縮長(zhǎng)度等。

2.3磁軌制動(dòng)裝置仿真分析

根據(jù)磁軌制動(dòng)裝置理論設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)，利用相關(guān)軟件對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及電磁場(chǎng)分布仿真分析，進(jìn)一步驗(yàn)證磁軌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及關(guān)鍵參數(shù)選取是否合理，如圖5、圖6所示。

圖4　吸力特性計(jì)算曲線

圖5　磁軌制動(dòng)裝置零部件結(jié)構(gòu)受力模型

圖6　磁軌截面磁場(chǎng)分布云圖

經(jīng)仿真分析可知，磁軌零部件材料選用滿足強(qiáng)度要求，電磁鐵磁場(chǎng)分布和吸力與前述設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果相符。

2.4樣機(jī)試制

根據(jù)磁軌磁路及吸力特性計(jì)算結(jié)果，完成了兩種規(guī)格磁軌制動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)及試制加工，且重點(diǎn)研究了極靴材料選型及加工、電磁線圈繞制、結(jié)構(gòu)件焊接、極靴隔板裝配等工藝路線，奠定了批量生產(chǎn)的工藝基礎(chǔ)，樣機(jī)如圖7所示。

圖7　磁軌制動(dòng)裝置樣機(jī)

3　磁軌制動(dòng)裝置樣機(jī)性能試驗(yàn)

為了驗(yàn)證電磁軌道制動(dòng)裝置樣機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)及可靠性，研制了相應(yīng)的測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)，進(jìn)行了電磁吸力特性、響應(yīng)時(shí)間、振動(dòng)沖擊及高低溫等性能試驗(yàn)。以TKQ700-MB01型磁軌制動(dòng)裝置樣機(jī)為例進(jìn)行相關(guān)性能試驗(yàn)闡述。

3.1吸力特性及響應(yīng)時(shí)間試驗(yàn)

磁軌制動(dòng)裝置吸力較大，國(guó)內(nèi)研究一般采用鉸盤吊鏈拉脫試驗(yàn)測(cè)試磁軌吸力。鉸盤吊鏈拉脫試驗(yàn)方法可操作性較低、磁軌受力不均，試驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠性較差。針對(duì)磁軌性能試驗(yàn)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)開發(fā)了磁軌制動(dòng)裝置性能測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)吸力、響應(yīng)時(shí)間、吸合/緩解等性能和功能進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。磁軌制動(dòng)裝置在試驗(yàn)臺(tái)上的安裝狀態(tài)如圖8所示，磁軌吸力特性試驗(yàn)曲線如圖9所示。

圖8　磁軌制動(dòng)裝置功能與性能試驗(yàn)臺(tái)

圖9　磁軌吸力特性試驗(yàn)曲線圖

對(duì)比圖4及圖9可知，TKQ700-MB01型磁軌制動(dòng)裝置吸力特性試驗(yàn)結(jié)果與設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果基本相符，符合設(shè)計(jì)需求。

響應(yīng)時(shí)間是指磁軌制動(dòng)裝置從得電開始至與鋼軌完全吸合所經(jīng)歷的時(shí)間。經(jīng)磁軌制動(dòng)裝置試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試，TKQ700-MB01型磁軌制動(dòng)裝置響應(yīng)時(shí)間不大于0.7 s，滿足技術(shù)要求。

3.2振動(dòng)沖擊及高低溫試驗(yàn)

依據(jù)GB/T 21563二類試驗(yàn)工況，采用電動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行磁軌制動(dòng)裝置振動(dòng)沖擊試驗(yàn)，如圖10所示。

利用高低溫交變濕熱試驗(yàn)箱進(jìn)行磁軌高低溫試驗(yàn)，設(shè)置低溫環(huán)境為-25℃(48 h)、高溫環(huán)境為+40℃(48 h)，如圖11所示。

圖10　磁軌振動(dòng)沖擊試驗(yàn)

圖11　磁軌高低溫試驗(yàn)

磁軌制動(dòng)裝置經(jīng)振動(dòng)沖擊及高低溫試驗(yàn)后，利用磁軌制動(dòng)裝置性能試驗(yàn)臺(tái)驗(yàn)證其性能參數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果表明：磁軌吸合動(dòng)作及吸力特性正常，滿足振動(dòng)沖擊及高低溫試驗(yàn)要求。

4　結(jié)　論

通過(guò)對(duì)磁軌制動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)和電磁參數(shù)研究，設(shè)計(jì)了兩種適用于低地板有軌電車的磁軌制動(dòng)裝置，并進(jìn)行了性能試驗(yàn)，可以得出以下結(jié)論：

(1) 整體式電磁軌道制動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、響應(yīng)速度快、消耗功率低，可采用蓄電池供電，緊急制動(dòng)安全性高，適合于低地板有軌電車應(yīng)用要求。

(2) 磁軌電磁吸力受極靴氣隙變化影響較大，掌握其吸力特性規(guī)律有利于磁軌制動(dòng)裝置整體設(shè)計(jì)。

(3) 性能試驗(yàn)結(jié)果滿足磁軌制動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)要求，且試制開發(fā)過(guò)程奠定了批量生產(chǎn)的工藝基礎(chǔ)。

(4) 對(duì)于磁軌制動(dòng)裝置的摩擦特性有待進(jìn)一步試驗(yàn)研究，以便確定制動(dòng)力與電磁吸力的關(guān)系，完善磁軌制動(dòng)裝置的技術(shù)條件。

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Study of Magnetic Track Brake Equipment for Low Floor Tramcar

WANGKe1,DINGFuyan1,2,SONGYuechao1,ZHANGSiyuan1,2,LIHui1

(1Beijing Zongheng Electro-mechanical Technology Development Co., Beijing 100094, China;2Locomotive & Car Research Institute, China Academy of Railway Sciences， Beijing 100081, China)

The paper describes the application features, work principle and structure of magnetic track brake for low floor tramcar, studies the characteristics of electromagnetic attraction, the distribution of magnetic field, and magnetic circuit calculation. The design method of magnetic circuit is verified by element analysis. Two types of practical magnetic track brakes for tramcar and a performance test stand are designed and developed, and various tests are performed. Research shows the magnetic track brakes developed have stable attraction performance and fast response and capabilities of bearing shock, vibration and environment change as well, and meet requirements of design and use.

magnetic track brake; low floor tramcar; characteristics of electromagnetic attraction, magnetic circuit calculation; performance test

1008-7842 (2016) 03-0092-05

男，工程師(

2015-11-30)

U239.5

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.03.20