鄭奎濤 劉軍 王瑋華 沈文波

摘 要：為解決座椅高下沉率彈射試驗(yàn)時(shí)滑車的安全制動(dòng)問題，研制了一種基于永磁渦流的制動(dòng)系統(tǒng)。本文首先全面分析了永磁渦流技術(shù)在垂直軌道滑車制動(dòng)中的優(yōu)勢，結(jié)合滑車和彈射塔垂直軌道的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，研制出了高下沉率滑車制動(dòng)系統(tǒng)。然后對(duì)系統(tǒng)的制動(dòng)性能進(jìn)行了計(jì)算分析，最后對(duì)全系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，并對(duì)計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果表明：永磁渦流制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)性能指標(biāo)滿足要求，系統(tǒng)工作穩(wěn)定、可靠，有效解決了高下沉率彈射試驗(yàn)時(shí)滑車的安全制動(dòng)問題。

關(guān)鍵詞：滑車；下沉率；永磁渦流；制動(dòng)系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TH139 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）15-0063-02

0 引言

根據(jù)某型彈射座椅總體的要求，座椅下沉率彈射速度需達(dá)到32m/s甚至更高。開展高下沉率彈射試驗(yàn)時(shí)，滑車總質(zhì)量達(dá)到4噸以上，這就要求滑車制動(dòng)系統(tǒng)必須提供足夠大的制動(dòng)力才能實(shí)現(xiàn)滑車的安全回收。

永磁渦流制動(dòng)作為一項(xiàng)新型制動(dòng)技術(shù)最早應(yīng)用在鐵路機(jī)車制動(dòng)裝置上?；谟来艤u流制動(dòng)技術(shù)的獨(dú)特特點(diǎn)，線性永磁渦流制動(dòng)在“過山車”和“自由落體”等直線運(yùn)動(dòng)類設(shè)備的制動(dòng)系統(tǒng)中有著很好的應(yīng)用前景[1]。

永磁渦流制動(dòng)作為一種非粘著性制動(dòng)方式，具有許多傳統(tǒng)制動(dòng)方式無法比擬的優(yōu)越性能：

（1）結(jié)構(gòu)緊湊，能夠大幅度降低對(duì)制動(dòng)單元安裝空間的要求[2]；節(jié)能、可靠，不存在斷電時(shí)制動(dòng)失效的危險(xiǎn)。（2）是非接觸制動(dòng)，制動(dòng)過程柔和、平穩(wěn)。

由于彈射塔垂直軌道滑車對(duì)制動(dòng)的要求是高可靠性、大制動(dòng)力，同時(shí)不需要進(jìn)行制動(dòng)力的調(diào)節(jié)，永磁渦流制動(dòng)較好的滿足了該設(shè)備對(duì)于制動(dòng)的要求。

1 工作原理

1.1 渦流效應(yīng)

渦流即電磁感應(yīng)作用在導(dǎo)體內(nèi)部所產(chǎn)生的電流。當(dāng)導(dǎo)體在磁場中運(yùn)動(dòng)，或者導(dǎo)體靜止但存在于隨時(shí)間變化的磁場，都可以造成磁力線與導(dǎo)體的相對(duì)切割。按照電磁感應(yīng)定律，切割磁感線就能在導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，從而在導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生電流。這種引起的電流在導(dǎo)體中的分布隨著導(dǎo)體的表面形狀和磁通的分布有所不同，其路徑往往有如水中的漩渦，因此稱為渦流。

導(dǎo)體在非均勻磁場中移動(dòng)或者處在隨時(shí)間變化的磁場中時(shí)，因渦流而導(dǎo)致能量損耗稱為渦流損耗[3]。渦流損耗的大小與磁場的變化方式、導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)、導(dǎo)體的幾何形狀、導(dǎo)體磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率等因素有關(guān)。利用渦流損耗實(shí)現(xiàn)滑車的制動(dòng)。

1.2 工作原理

動(dòng)子永磁陣列固定在滑車車體底盤上，由鋼板和永磁體組成，永磁體的N、S極交錯(cuò)排列，靜子采用不導(dǎo)磁的導(dǎo)體板，固定在彈射塔垂直軌道制動(dòng)段的塔體上。

當(dāng)永磁體靜止在制動(dòng)段時(shí)，永磁體的氣隙中的磁感線垂直于導(dǎo)體板，導(dǎo)體板中沒有渦流。當(dāng)滑車上的永磁體以一定速度通過制動(dòng)段時(shí)，導(dǎo)體板切割磁感線，在導(dǎo)體板中感應(yīng)出電動(dòng)勢和電渦流。根據(jù)楞次定律可知，感應(yīng)出的電渦流產(chǎn)生的磁場與永磁體原有磁場相反，兩種磁場相互作用，實(shí)現(xiàn)滑車的制動(dòng)。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 總體設(shè)計(jì)要求

彈射塔垂直軌道總高度為120m，其中制動(dòng)段高度設(shè)計(jì)為0～60m。開展下沉率試驗(yàn)時(shí)，渦流制動(dòng)系統(tǒng)可將總質(zhì)量≥4800kg、最大下沉速度≥32m/s滑車減速至1m/s以下。

2.2 設(shè)計(jì)方案

垂直軌道永磁渦流制動(dòng)系統(tǒng)（見圖1）主要由車載永磁體、塔體感應(yīng)板、軌道末端緩沖臺(tái)、控制系統(tǒng)等組成。

2.2.1 車載永磁體

永磁體組件安裝在試驗(yàn)滑車上，隨試驗(yàn)滑車一起沿豎直方向運(yùn)動(dòng)。永磁體組件模塊左右兩部分對(duì)稱，滑車滑塊磨損和軌道不平順可能產(chǎn)生5mm以下的偏移，永磁體與感應(yīng)板間隙設(shè)計(jì)為8mm。

永磁體是系統(tǒng)的核心組件之一，在滿足制動(dòng)性能的前提下，為了保證制動(dòng)系統(tǒng)的可靠性，選用耐沖擊性較好的N45M。單個(gè)永磁鐵外形尺寸為：100X30X25mm。

永磁體模塊采用直線型Halbach結(jié)構(gòu)，它將不同磁化方向的永磁體按照一定的順序排列，使工作區(qū)域的磁場強(qiáng)度大幅增強(qiáng)，非工作區(qū)域（側(cè)面、背面等）的磁場被大幅減小，這種陣列不僅可以減少永磁體的用量，還可以減少永磁體對(duì)周圍試驗(yàn)設(shè)備的影響。

2.2.2 感應(yīng)板組件

感應(yīng)板組件沿彈射塔凹槽豎直方向分段鋪設(shè)安裝。

滑車剛進(jìn)入制動(dòng)系統(tǒng)時(shí)速度最大，宜采用電阻率小、制動(dòng)力大的感應(yīng)板材料，當(dāng)速度降低到一定數(shù)值之后，宜采用電阻率較大的感應(yīng)板材料。

依據(jù)制動(dòng)要求，感應(yīng)板分高速、中低速二段設(shè)計(jì)，具體如下：

（1）高速制動(dòng)段：高度50m至高度60m，采用厚度為8mm的銅鎳合金板。（2）中低速制動(dòng)段：高度0m至高度50m，采用厚度為8mm的鋁合金板。

3 制動(dòng)性能分析

永磁體組件安裝與滑車底盤上，感應(yīng)板組件安裝于0～60m高度的塔體上，滑車總質(zhì)量4800kg。利用有限元分析軟件進(jìn)行分析計(jì)算。

理想工況下，滑車無橫向偏移。

滑車無橫向偏移、以不同下沉速度進(jìn)入制動(dòng)段的制動(dòng)數(shù)據(jù)見表1。

由于滑塊間隙、滑塊磨損量、感應(yīng)板安裝精度等因素，滑車滑行過程中存在橫向偏移。存在橫向偏移時(shí)，不同偏移量下制動(dòng)力與速度的關(guān)系。

計(jì)算結(jié)果表明，橫向偏移變大時(shí)，制動(dòng)力變大。

滑車橫向偏移5mm、以不同下沉速度進(jìn)入制動(dòng)段的制動(dòng)數(shù)據(jù)見表2。

表1和表2數(shù)據(jù)說明，在60m處，正常情況下，滑車以不大于35m/s的下沉速度下落時(shí)，都能安全制動(dòng)至末速度2m/s以內(nèi)，制動(dòng)距離不大于33m，安全距離不小于27m。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證垂直軌道永磁渦流制動(dòng)系統(tǒng)性能穩(wěn)定、工作可靠，各項(xiàng)指標(biāo)均符合要求，進(jìn)行了下沉率彈射試驗(yàn)，進(jìn)入制動(dòng)段的速度為31.46m/s和31.9m/s，并對(duì)各試驗(yàn)工況進(jìn)行了制動(dòng)性能復(fù)算。

（1）工況1：31.46m/s制動(dòng)速度。計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)測試結(jié)果對(duì)比分析見圖3和圖4，滑車進(jìn)入制動(dòng)段的感應(yīng)板后受到制動(dòng)力，開始減速。在銅鎳合金段，隨著速度減小，制動(dòng)力逐漸減小，進(jìn)入鋁合金段，制動(dòng)力有所增大，并且隨著速度減小先增大后減小，直到最后制動(dòng)力與重力平衡，勻速下落。選取若干特征點(diǎn)，誤差約為8.6%。

（2）工況2：31.9m/s制動(dòng)速度。計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)測試結(jié)果對(duì)比分析，選取若干特征點(diǎn)，誤差約為8.4%。

結(jié)果表明，試驗(yàn)數(shù)據(jù)與計(jì)算數(shù)據(jù)基本一致，制動(dòng)系統(tǒng)性能良好，工作可靠，滿足垂直軌道滑車安全制動(dòng)的要求。

5 結(jié)語

垂直軌道永磁渦流制動(dòng)系統(tǒng)性能穩(wěn)定、工作可靠，各項(xiàng)指標(biāo)均符合要求。垂直軌道永磁渦流制動(dòng)系統(tǒng)的成功研制，徹底解決了彈射塔下沉率試驗(yàn)時(shí)滑車制動(dòng)技術(shù)難題，為多個(gè)重點(diǎn)型號(hào)的新一代彈射座椅的研制提供了重要的試驗(yàn)技術(shù)保障。該系統(tǒng)的成功研制，是永磁渦流制動(dòng)技術(shù)在大質(zhì)量（4噸以上）、高下沉速度（30m/s以上）設(shè)備上的首次成功運(yùn)用，展示了我國日益提高的科技水平。

參考文獻(xiàn)

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