裴玉春 馮夫磊 周漢國(guó) 晉 紅 郭 帥 王 鵬

(上海龐豐交通設(shè)備科技有限公司,201802,上?！蔚谝蛔髡?工程師)

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現(xiàn)代有軌電車永磁軌道制動(dòng)裝置3D仿真分析

裴玉春 馮夫磊 周漢國(guó) 晉 紅 郭 帥 王 鵬

(上海龐豐交通設(shè)備科技有限公司,201802,上海∥第一作者,工程師)

基于永磁軌道制動(dòng)工作原理及結(jié)構(gòu)組成,運(yùn)用Ansoft Maxwell仿真軟件,對(duì)現(xiàn)代有軌電車的永磁軌道制動(dòng)裝置進(jìn)行三維仿真建模;對(duì)磁軌裝置的完全緩解狀態(tài)、初始制動(dòng)狀態(tài)、摩擦制動(dòng)已建立狀態(tài)及初始緩解狀態(tài)進(jìn)行研究分析。仿真結(jié)果從磁場(chǎng)強(qiáng)度、電磁吸力、漏磁等方面驗(yàn)證了磁軌裝置的制動(dòng)吸力和緩解殘余吸力滿足要求;同時(shí)也驗(yàn)證了磁軌裝置在不同工作位時(shí)對(duì)鋼軌側(cè)向力無(wú)影響,不影響列車動(dòng)力學(xué)性能。

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

Author′s address Shanghai Pangfeng Transportation Equipment Technology Co.,Ltd.,201802,Shanghai,China

制動(dòng)系統(tǒng)作為現(xiàn)代有軌電車的重要組成部分,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?，F(xiàn)代有軌電車制動(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))及非粘著工作方式的電磁軌道制動(dòng)。機(jī)械摩擦制動(dòng)一般選擇盤式摩擦制動(dòng),動(dòng)力制動(dòng)大多是再生制動(dòng)與電阻制動(dòng),電磁軌道制動(dòng)有電磁軌道渦流制動(dòng)與電磁軌道磁軌制動(dòng)兩種形式。

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)境影響降低軌面粘著條件。因此,歐洲國(guó)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粘著力無(wú)關(guān)的制動(dòng)裝置,以在緊急制動(dòng)時(shí)確保安全,而這種制動(dòng)裝置大多為電磁軌道制動(dòng)器。

3D靜磁場(chǎng)仿真分析可以求解電磁軌道制動(dòng)裝置中不規(guī)則結(jié)構(gòu)電磁設(shè)備的磁場(chǎng)分布,相比較2D靜磁場(chǎng)分析的部分結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化,可以更加完整地描述電磁設(shè)備磁力、轉(zhuǎn)矩、主磁路及漏磁分布,其結(jié)果對(duì)工程實(shí)際應(yīng)用更具指導(dǎo)意義。

1 永磁軌道制動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)組成及工作原理

圖1 a)所示為永磁軌道制動(dòng)裝置工作結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。由圖可見(jiàn)其結(jié)構(gòu)左右對(duì)稱,由頂蓋、側(cè)壁、軸心、軸體、底隔及極靴等組成。

圖1 永磁軌道制動(dòng)裝置剖面示意圖

永磁軌道制動(dòng)裝置工作原理是依據(jù)能量最小原理,磁力線總是沿著磁阻最小的路徑閉合,并力圖縮短磁通路徑以減小磁阻。其磁路由磁軸經(jīng)由側(cè)壁、極靴、工作氣隙、鋼軌、工作氣隙、極靴、側(cè)壁回到磁軸。圖1 b)為緩解狀態(tài),圖1 c)為制動(dòng)狀態(tài)。隨著工作氣隙不斷減小,主磁通不斷增加,而漏磁通不斷減小,使磁軸與鋼軌吸力不斷變化。

2 3D仿真模型建立

使用有限元仿真軟件(Ansoft Maxwell)對(duì)永磁軌道制動(dòng)裝置進(jìn)行靜態(tài)特性仿真時(shí),首先需要對(duì)進(jìn)行計(jì)算的實(shí)物進(jìn)行分析。永磁軌道制動(dòng)裝置除了需要計(jì)算校核其對(duì)鋼軌的垂向吸力外,也要考慮其對(duì)軌道產(chǎn)生的側(cè)向力,因此,需要對(duì)其進(jìn)行全模型建模。

頂蓋材料選用材料庫(kù)中stainless steel;軸心選用NdFeB35,充磁方向?yàn)樗匠浯?軸體、側(cè)壁、極靴作為磁軛,選用Steel_1008;鋼軌自定義軌道交通鋼軌材料U71Mn。在定義材料屬性后需要對(duì)激磁回路進(jìn)行參數(shù)設(shè)置,包括對(duì)初始工作間隙、永磁材料、磁路結(jié)構(gòu)以及磁場(chǎng)方向進(jìn)行設(shè)置。計(jì)算模型和剖分圖如圖2所示。

永磁機(jī)構(gòu)計(jì)算模型完成邊界條件定義后,對(duì)建立的仿真模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。筆者針對(duì)模型結(jié)構(gòu)采用四面體剖分單元,剖分網(wǎng)格是采用自適應(yīng)剖分。從圖2 a)中可看出,該永磁機(jī)構(gòu)計(jì)算模型分為導(dǎo)磁部分、非導(dǎo)磁部分和永磁體,分別由不同的灰度加以區(qū)分,以方便進(jìn)行比較和分析。采取實(shí)體剖分與表面剖分相結(jié)合的方法進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由圖2 b)中可以看出,導(dǎo)磁部分與氣隙的網(wǎng)格劃分很密集,非導(dǎo)磁部分與邊界網(wǎng)格密度相對(duì)較小。

圖2 永磁機(jī)構(gòu)計(jì)算模型與剖分圖

3 靜態(tài)磁場(chǎng)分布仿真分析

根據(jù)永磁軌道制動(dòng)裝置的制動(dòng)磁鐵中永磁體旋轉(zhuǎn)位置,靜態(tài)磁場(chǎng)工況分為制動(dòng)狀態(tài)和緩解狀態(tài)。若考慮整個(gè)磁軌裝置在車輛上的實(shí)際應(yīng)用,需要同時(shí)考慮極靴與鋼軌之間的工作氣隙、懸掛機(jī)構(gòu)的彈簧力及永磁體旋轉(zhuǎn)位置,則共有完全緩解狀態(tài)、初始施加制動(dòng)狀態(tài)、制動(dòng)已建立狀態(tài)、初始緩解狀態(tài)等幾種工況。這里對(duì)以上各種工況分別進(jìn)行靜態(tài)磁場(chǎng)分析。

首先,對(duì)磁軌裝置完全緩解狀態(tài)時(shí)機(jī)構(gòu)靜態(tài)磁場(chǎng)分布進(jìn)行分析。列車牽引、惰行或非緊急制動(dòng)狀態(tài)時(shí),懸掛裝置彈簧力將磁軌裝置保持在緩解位,極靴遠(yuǎn)離鋼軌,永磁體處于水平位置。圖3為磁軸處于原始位置時(shí)的磁場(chǎng)、磁密分布。此時(shí),由于鋼軌與極靴之間有很大的氣隙,大部分磁力線形成內(nèi)部回路,因此,通過(guò)鋼軌的磁力線非常少,磁軌裝置受到向下的吸力也非常小,此時(shí)通過(guò)設(shè)計(jì)合理的懸掛彈簧預(yù)拉力使磁軌保持在緩解位置。完全緩解狀態(tài)時(shí),磁軌裝置對(duì)鋼軌的垂直、橫向、縱向力分別為0.54 、9.67×10-6、7.50×10-4N。因這些數(shù)值極小,基本可以忽略。

其次,對(duì)磁軌裝置初始制動(dòng)狀態(tài)時(shí)機(jī)構(gòu)靜態(tài)磁場(chǎng)分布進(jìn)行分析。列車緊急制動(dòng)狀態(tài)時(shí),驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制軸心旋轉(zhuǎn),永磁體處于豎直位置,此時(shí)極靴距離鋼軌較遠(yuǎn),極靴對(duì)鋼軌吸力克服懸掛裝置彈簧力,磁軌裝置將從緩解位向制動(dòng)位靠近。圖4為磁軸處于制動(dòng)位置時(shí)的磁場(chǎng)、磁密分布。此時(shí),雖然鋼軌與極靴之間有較大的氣隙,但永磁體產(chǎn)生的磁力線經(jīng)過(guò)軸體、側(cè)壁、極靴、工作氣隙、鋼軌等導(dǎo)磁部分形成外部閉合曲線,產(chǎn)生向下的吸力克服彈簧拉力,產(chǎn)生磁軌裝置向鋼軌方向運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)。又因極靴與鋼軌這對(duì)摩擦副尚未接觸,故還沒(méi)有形成摩擦制動(dòng)力。初始制動(dòng)狀態(tài)時(shí),磁軌裝置對(duì)鋼軌的垂直、橫向、縱向力分別為808.1、0.2、0.1 N。垂向力的大小決定磁軌裝置貼合鋼軌的速度與時(shí)間(即永磁軌道制動(dòng)裝置制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間);而橫向及縱向兩個(gè)方向的力數(shù)值極小,基本可以忽略。

再次,對(duì)磁軌裝置摩擦制動(dòng)已建立狀態(tài)時(shí)機(jī)構(gòu)靜態(tài)磁場(chǎng)分布進(jìn)行分析。繼初始施加制動(dòng)狀態(tài)之后,磁軌裝置對(duì)鋼軌的吸力最終使得極靴貼合鋼軌,極靴與鋼軌這對(duì)摩擦副開(kāi)始工作,產(chǎn)生的摩擦力通過(guò)磁軌裝置的傳力機(jī)構(gòu)傳向車體,形成車輛的非粘著摩擦制動(dòng)力。圖5為磁軸處于非粘著摩擦制動(dòng)已建立時(shí)的磁場(chǎng)、磁密分布。此時(shí),鋼軌與極靴之間工作氣隙為零,永磁體產(chǎn)生的磁力線經(jīng)過(guò)軸體、側(cè)壁、極靴、鋼軌等導(dǎo)磁部分形成外部閉合曲線,產(chǎn)生向下的吸力保持磁軌裝置與鋼軌的吸合狀態(tài),從而形成持續(xù)的摩擦制動(dòng)力。摩擦制動(dòng)已建立狀態(tài)時(shí),磁軌裝置對(duì)鋼軌的垂直、橫向、縱向力分別為75 297.64、15.64、0.93 N。垂向力的大小與摩擦副之間的摩擦系數(shù)決定非粘著摩擦制動(dòng)力的大小;而橫向及縱向兩個(gè)方向的力數(shù)值極小,基本可以忽略。

圖4 初始制動(dòng)狀態(tài)時(shí)靜態(tài)磁場(chǎng)與磁密分布

圖5 制動(dòng)狀態(tài)已建立時(shí)靜態(tài)磁場(chǎng)與磁密分布

最后,對(duì)磁軌裝置初始緩解狀態(tài)時(shí)機(jī)構(gòu)靜態(tài)磁場(chǎng)分布進(jìn)行分析。當(dāng)列車停止后,需要緩解磁軌制動(dòng)時(shí),驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制磁軸旋轉(zhuǎn),永磁體處于水平位置,懸掛裝置的彈簧力克服磁軌裝置對(duì)鋼軌的吸力與磁軌裝置本身自重,使得磁軌裝置產(chǎn)生向上的力,并將脫離鋼軌。圖6為磁軸處于初始緩解位置時(shí)的磁場(chǎng)、磁密分布。此時(shí),雖然鋼軌與極靴之間工作氣隙為零,永磁體產(chǎn)生的磁力線大部分經(jīng)過(guò)軸體、側(cè)壁等導(dǎo)磁部分形成內(nèi)部閉合曲線,只有很少一部分磁力線通過(guò)鋼軌。此時(shí),彈簧力克服向下的吸力,將磁軌裝置與鋼軌從吸合狀態(tài)向脫離狀態(tài)轉(zhuǎn)變。初始緩解狀態(tài)時(shí),磁軌裝置對(duì)鋼軌的垂直、橫向、縱向力分別為1.10 、1.04×10-2、7.68×10-3N,垂向、橫向及縱向3個(gè)方向的力數(shù)值極小,基本可以忽略。

圖6 初始緩解時(shí)靜態(tài)磁場(chǎng)與磁密分布

4 結(jié)論

文中利用Ansoft Maxwell軟件建立永磁軌道制動(dòng)裝置仿真模型,對(duì)不同永磁體旋轉(zhuǎn)方向、工作氣隙等工況下電磁吸力進(jìn)行了校核,對(duì)靜態(tài)磁場(chǎng)分布進(jìn)行了分析,直觀地顯現(xiàn)出永磁回路中永磁材料、磁軛材料、極靴材料等的磁路飽和情況。仿真結(jié)果表明:該結(jié)構(gòu)既能滿足制動(dòng)狀態(tài)下電磁吸力的要求,又能滿足緩解狀態(tài)下鋼軌及極靴中殘余磁力線少、能夠進(jìn)行彈簧復(fù)位的要求。文中的永磁軌道制動(dòng)裝置在制動(dòng)、緩解等工況下的3D仿真結(jié)果對(duì)工程設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

[1] 高會(huì)軍,林萃,蔡志遠(yuǎn).永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)磁場(chǎng)計(jì)算及動(dòng)特性分析[J].沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2000,22(4):490.

[2] 盛劍霓.電磁場(chǎng)數(shù)值分析[M].西安:西安交通大學(xué)出版社,1991.

3D Simulation Analysis of Permanent Magnetic Track Brake

PEI Yuchun, FENG Fulei, ZHOU Hanguo, JING Hong, GUO Shuai, WANG Peng

Based on the Ansoft software, a3D simulation analysis is carried out on the structure and working principle of the permanent magnetic track brakeused in modern trams. The working conditions like completely remission,initial state of brake,established state of friction brake and initial remission of magnetic track device are analyzed. Simulation results from the aspects of magnetic field intensity,electromagnetic suction,magnetic flux leakage of magnetic track device show that this model could meet the demands of braking suction and relieve the residual suction. At the same time, it is verified that the track device in different working positions has no influence on the side force of the rail,and will not affect the train dynamics performance.

modern tram; braking system; permanent magnetic track brake; simulation analysis

U482.103

10.16037/j.1007-869x.2016.08.009

2014-09-17)