丁福焰，王 可，宋躍超，李 輝，王立超

(1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車車輛研究所，北京 100081；2.北京縱橫機(jī)電科技有限公司 制動(dòng)開發(fā)部，北京 100094)

我國高速動(dòng)車組普遍采用盤形制動(dòng)與再生制動(dòng)復(fù)合制動(dòng)方式，制動(dòng)作用依賴于輪軌黏著狀態(tài)，在一般情況下可滿足350 km·h-1及以下制動(dòng)需求。但是，隨著動(dòng)車組向更高速度發(fā)展，盤形制動(dòng)裝置的熱負(fù)荷進(jìn)一步增大，摩擦副材料和結(jié)構(gòu)面臨新的挑戰(zhàn)，且輪軌黏著系數(shù)隨速度的提高而進(jìn)一步降低，導(dǎo)致高速區(qū)段制動(dòng)力不足，制動(dòng)距離加大，從而影響運(yùn)行安全性和線路通過能力。為此，應(yīng)研究非黏著制動(dòng)技術(shù)，特別是線性渦流制動(dòng)技術(shù)。

線性渦流制動(dòng)不依賴于輪軌黏著狀態(tài)，與鋼軌無接觸、無磨損，制動(dòng)力可控并在高速段具有平坦特性，制動(dòng)過程無氣味、無噪聲，既可用于緊急制動(dòng)，又可用于常用制動(dòng)，可以部分替代摩擦制動(dòng)，減少制動(dòng)盤、閘片的磨損和更換，改善運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，是一種適合高速列車應(yīng)用的非黏著制動(dòng)技術(shù)。

線性渦流制動(dòng)的基本原理見文獻(xiàn)[1—3]，在此不再贅述。線性渦流制動(dòng)的工程化研發(fā)始于20世紀(jì)60年代末，法國從早期的高速試驗(yàn)列車Z7001到TGV和AGV，在幾代高速列車上對(duì)線性渦流制動(dòng)進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究[4-5]。德國鐵路從20世紀(jì)80年代開始利用ICE-V試驗(yàn)列車開展線性渦流制動(dòng)試驗(yàn)，經(jīng)過多年研究和持續(xù)改進(jìn)，自1998年起在ICE3動(dòng)車組上批量裝車，2002年開始正式上線運(yùn)行，在世界上率先開啟了線性渦流制動(dòng)技術(shù)的商業(yè)應(yīng)用。截至2012年，線性渦流制動(dòng)裝置的裝車數(shù)量已超過80列，運(yùn)行在德國、荷蘭、比利時(shí)、瑞士、法國等歐洲多國線路上。線性渦流制動(dòng)的應(yīng)用，不僅縮短了制動(dòng)距離，而且減少了盤形制動(dòng)的磨耗，可滿足40‰坡道運(yùn)行要求，取得了良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果[6-8]。韓國自20世紀(jì)90年代起也開展了線性渦流制動(dòng)的研究，在2002年研制完成的HSR 350X高速動(dòng)車組上安裝了線性渦流制動(dòng)裝置[9]。近年來，日本鐵道綜合技術(shù)研究所采用直線感應(yīng)電機(jī)原理進(jìn)行了線性渦流制動(dòng)的研究與開發(fā)[10-11]。

了解和掌握渦流制動(dòng)力與控制參數(shù)及影響因素的關(guān)系，是線性渦流制動(dòng)裝置研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)之一。文獻(xiàn)[12]總結(jié)了渦流制動(dòng)性能的研究方法，主要有解析法、數(shù)值法和試驗(yàn)法3種。文獻(xiàn)[13—14]采用解析法對(duì)渦流制動(dòng)電磁場(chǎng)與制動(dòng)力進(jìn)行了理論分析；文獻(xiàn)[15—18]采用有限元方法進(jìn)行了渦流電磁場(chǎng)和制動(dòng)力仿真計(jì)算。

線性渦流制動(dòng)的磁場(chǎng)是三維動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)，具有高度非線性特征，制動(dòng)力與磁場(chǎng)之間缺乏確定的函數(shù)關(guān)系，并且受到速度、氣隙、溫度、集膚效應(yīng)等多種因素的影響，理論推導(dǎo)或計(jì)算過程中所做的假設(shè)或模型簡(jiǎn)化，往往導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果偏差較大。因此，試驗(yàn)仍然是目前渦流制動(dòng)性能研究最有效的方法。

20世紀(jì)60—70年代，原西德分別利用1∶1試驗(yàn)臺(tái)和縮比試驗(yàn)臺(tái)開展試驗(yàn)研究[1]。90年代，原上海鐵道大學(xué)等也研制了渦流制動(dòng)縮比試驗(yàn)臺(tái)并進(jìn)行試驗(yàn)[19]。由于渦流磁場(chǎng)的非線性，縮比試驗(yàn)難以得到定量的結(jié)果，無法有效指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)和產(chǎn)品研發(fā)。法、德等國利用線路運(yùn)行試驗(yàn)獲得了大量數(shù)據(jù)，但需要付出高昂的研發(fā)成本，且周期較長；日本利用帶軌道輪的制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)對(duì)直線電機(jī)原理的渦流制動(dòng)技術(shù)進(jìn)行研究，開展了1∶1制動(dòng)性能試驗(yàn)[20]。目前，國內(nèi)外無論試驗(yàn)室試驗(yàn)還是線路運(yùn)行試驗(yàn)，渦流制動(dòng)最高速度均不超過350 km·h-1。

為進(jìn)行高速列車線性渦流制動(dòng)(以下簡(jiǎn)稱渦流制動(dòng))的制動(dòng)力特性研究，研制了試驗(yàn)用渦流制動(dòng)電磁鐵，利用高速渦流及磁軌制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)首次在國內(nèi)開展1∶1線性渦流制動(dòng)性能試驗(yàn)，試驗(yàn)速度在國際上首次突破400 km·h-1，在更寬的速度范圍內(nèi)驗(yàn)證了渦流制動(dòng)力的變化規(guī)律，可為我國下一代更高速度動(dòng)車組的發(fā)展和渦流制動(dòng)裝置的研發(fā)提供參考依據(jù)，本文概述試驗(yàn)研究內(nèi)容和結(jié)論。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)方法和原理

采用軌道輪模擬實(shí)際線路鋼軌，采用與軌道輪相匹配的弧形電磁鐵模擬直線型制動(dòng)電磁鐵，以軌道輪的轉(zhuǎn)動(dòng)代替列車相對(duì)鋼軌的直線運(yùn)動(dòng)，以轉(zhuǎn)動(dòng)慣量模擬制動(dòng)質(zhì)量(軸重)，由可調(diào)速電機(jī)拖動(dòng)主軸——軌道輪和慣性輪系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到預(yù)定車速后，為電磁鐵通電實(shí)施制動(dòng)，在軌道輪上感應(yīng)出電渦流，完成制動(dòng)能量的轉(zhuǎn)化過程，并采集制動(dòng)性能相關(guān)數(shù)據(jù)。

試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)原理如圖1所示?；⌒坞姶盆F安裝在磁極座上，磁極座通過液壓缸吊掛在支架上，液壓缸與1個(gè)力傳感器及調(diào)節(jié)螺桿相連，可帶動(dòng)磁極座沿導(dǎo)軌垂向運(yùn)動(dòng)，調(diào)節(jié)螺桿用于電磁鐵氣隙的調(diào)整，力傳感器可測(cè)量電磁吸力。制動(dòng)電磁鐵通過磁極座和導(dǎo)軌將制動(dòng)力傳遞到梯形支架上，支架可繞主軸擺動(dòng)，在支架側(cè)下方安裝力傳感器，通過力傳感器和固定力臂測(cè)量制動(dòng)扭矩并換算為制動(dòng)力。

圖1 線性渦流制動(dòng)試驗(yàn)裝置示意圖

試驗(yàn)臺(tái)的渦流制動(dòng)電磁鐵勵(lì)磁控制原理如圖2所示，輸入電壓為三相AC600V，經(jīng)隔離變壓器降壓后進(jìn)入整流器進(jìn)行整流，IGBT斬波器根據(jù)計(jì)算機(jī)的設(shè)定值進(jìn)行斬波控制，并經(jīng)電抗器平波后輸出試驗(yàn)所需的直流電。勵(lì)磁控制電路帶有電流和電壓傳感器，用于勵(lì)磁控制和測(cè)試。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備為中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司機(jī)車車輛研究所2013年研制完成的高速渦流及磁軌制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)，如圖3所示。該試驗(yàn)臺(tái)是1套多功能制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)設(shè)備，具有渦流制動(dòng)、磁軌制動(dòng)和盤形制動(dòng)試驗(yàn)功能，1∶1再現(xiàn)制動(dòng)能量轉(zhuǎn)化過程。對(duì)于渦流制動(dòng)，試驗(yàn)臺(tái)可模擬的最大軸重為19 t，最高速度為500 km·h-1，是目前世界上速度最高的渦流制動(dòng)試驗(yàn)裝備。

試驗(yàn)臺(tái)主機(jī)由底座、動(dòng)力與慣量艙及2個(gè)試驗(yàn)艙組成。動(dòng)力與慣量艙包括驅(qū)動(dòng)單元、緊急制動(dòng)裝置和2個(gè)機(jī)械慣量單元，主電機(jī)功率為650 kW，由變頻控制裝置提供驅(qū)動(dòng)控制，2個(gè)試驗(yàn)艙內(nèi)可分別安裝盤形制動(dòng)和渦流/磁軌制動(dòng)試件。

圖2 試驗(yàn)臺(tái)電磁鐵勵(lì)磁控制原理

圖3 高速渦流及磁軌制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)

慣量系統(tǒng)包括機(jī)械慣量和電模擬慣量，其中機(jī)械慣量由2個(gè)慣量單元、多個(gè)慣性輪組合而成，通過慣性輪的組合及電慣量補(bǔ)償，可實(shí)現(xiàn)不同試驗(yàn)軸重的匹配和精確模擬。

軌道輪設(shè)計(jì)為組合式結(jié)構(gòu)，包括輪芯和2組圓盤軌道，軌道外圓輪廓按照標(biāo)準(zhǔn)60 kg·m-1鋼軌的軌頭形狀設(shè)計(jì)。

測(cè)控系統(tǒng)采用以太網(wǎng)架構(gòu)，由主控計(jì)算機(jī)、PXI總線測(cè)控平臺(tái)、視頻計(jì)算機(jī)、以太網(wǎng)交換機(jī)、傳感器、視頻攝像機(jī)、繼電器、控制和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成。主控計(jì)算機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送指令，接收測(cè)控平臺(tái)的數(shù)據(jù)并進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)和分析。PXI測(cè)控平臺(tái)執(zhí)行數(shù)據(jù)采集和控制任務(wù)，將數(shù)據(jù)上傳到主控計(jì)算機(jī)。視頻計(jì)算機(jī)按照主控計(jì)算機(jī)指令，控制視頻攝像機(jī)進(jìn)行圖像的顯示和記錄。制動(dòng)過程中，測(cè)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集和計(jì)算速度、勵(lì)磁電流、勵(lì)磁電壓、制動(dòng)力、減速度、制動(dòng)功率、溫度等數(shù)據(jù)，以獲得制動(dòng)性能曲線及相關(guān)統(tǒng)計(jì)參數(shù)。

1.3 試驗(yàn)樣件

根據(jù)試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)和安裝空間，研制了渦流制動(dòng)電磁鐵試驗(yàn)樣件，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。該樣件共含有6對(duì)磁極，分為2組布置，分別與2組圓盤軌道相對(duì)。每1組電磁鐵樣件包括1個(gè)弧形磁軛和3對(duì)磁極，N極和S極交替排列，2組電磁鐵之間采用電氣串聯(lián)方式連接。按照額定氣隙6 mm進(jìn)行磁路計(jì)算，綜合考慮導(dǎo)磁性和力學(xué)性能要求，選擇15號(hào)鋼作為鐵芯和磁軛材料。電磁線圈參照旋轉(zhuǎn)電機(jī)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，按S3,25%工作制設(shè)計(jì)，采用H級(jí)絕緣漆包銅線繞制。由于電磁鐵為弧形，上、下極距不相等，為使鋼軌表面處的極距與直線模型相近，同時(shí)又滿足匝數(shù)要求，因此將線圈繞制成塔形，底部弧長917 mm，通過連接板和螺栓將電磁鐵樣件固定在試驗(yàn)臺(tái)的磁極座上，樣件在試驗(yàn)臺(tái)上的安裝如圖5所示。該樣件的設(shè)計(jì)未考慮轉(zhuǎn)向架的軸距和安裝空間，工程研發(fā)時(shí)可根據(jù)動(dòng)車組的實(shí)際要求適當(dāng)縮減尺寸。

圖5 安裝在試驗(yàn)臺(tái)上的渦流制動(dòng)電磁鐵試驗(yàn)樣件

1.4 試驗(yàn)條件與試驗(yàn)過程

基本試驗(yàn)條件見表1。按照試驗(yàn)所需軸重配置機(jī)械慣量，機(jī)械慣量不足部分由電模擬慣量補(bǔ)償。調(diào)整好氣隙，載入預(yù)先編寫的試驗(yàn)程序并選擇起始節(jié)點(diǎn)后，試驗(yàn)臺(tái)便可按程序自動(dòng)控制試驗(yàn)進(jìn)程，順序執(zhí)行各制動(dòng)循環(huán)。每一制動(dòng)循環(huán)開始時(shí)，首先啟動(dòng)主電機(jī)，拖動(dòng)主軸運(yùn)轉(zhuǎn)并實(shí)時(shí)控制轉(zhuǎn)速，當(dāng)達(dá)到預(yù)定的制動(dòng)速度且主控溫度在設(shè)定范圍內(nèi)時(shí)，立即按照設(shè)定的勵(lì)磁實(shí)施制動(dòng)，并同步采集各通道數(shù)據(jù)。當(dāng)速度降至設(shè)定的緩解速度時(shí)，勵(lì)磁電源停止供電，1次制動(dòng)完成；再次升速對(duì)樣件進(jìn)行適當(dāng)冷卻后，進(jìn)入下一制動(dòng)循環(huán)。試驗(yàn)過程中可按設(shè)定的風(fēng)速進(jìn)行通風(fēng)控制，模擬氣流環(huán)境對(duì)樣件進(jìn)行冷卻，同時(shí)監(jiān)測(cè)軌道輪溫度，可自動(dòng)進(jìn)行強(qiáng)制冷卻，抑制軌道輪溫升。

表1 基本試驗(yàn)條件

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。其中，平均制動(dòng)力取從勵(lì)磁上升到設(shè)定值的90%開始至緩解的過程(即有效制動(dòng)過程)中瞬時(shí)渦流制動(dòng)力的平均值，勵(lì)磁上升時(shí)間一般按2 s控制；平均減速度取從發(fā)出制動(dòng)指令開始(包含勵(lì)磁上升階段)至緩解全過程中瞬時(shí)減速度的平均值。由表2可知：當(dāng)工作氣隙為6 mm時(shí)，不同制動(dòng)初速度下，100%勵(lì)磁的平均制動(dòng)力大于11 kN，平均減速度大于0.63 m·s-2，最大制動(dòng)功率為1 177 kW；制動(dòng)初速度為350 km·h-1，125%勵(lì)磁時(shí)，平均制動(dòng)力為13.199 kN，平均減速度為0.756 m·s-2，最大制動(dòng)功率為1 193 kW；氣隙變化時(shí)，對(duì)應(yīng)的性能參數(shù)均相應(yīng)變化。圖6為不同試驗(yàn)條件下的平均制動(dòng)力散點(diǎn)圖及擬合曲線。

不同氣隙、不同勵(lì)磁條件下制動(dòng)力—速度特性曲線如圖7—圖9所示。氣隙為6 mm、制動(dòng)初速度為350 km·h-1條件下不同勵(lì)磁時(shí)的制動(dòng)力—速度特性曲線如圖8所示，勵(lì)磁100%、制動(dòng)初速度為350 km·h-1條件下不同氣隙時(shí)的制動(dòng)力—速度特性曲線如圖9所示。

表2 試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

圖6 不同試驗(yàn)條件下的平均制動(dòng)力

由圖6和表2可知：在氣隙不變的條件下，平均制動(dòng)力隨勵(lì)磁的增加而單調(diào)增加，如6 mm氣隙時(shí)，勵(lì)磁從50%增加到125%，平均制動(dòng)力從約6.7 kN升至13 kN以上，并且在一定范圍內(nèi)可按線性擬合，但平均制動(dòng)力受制動(dòng)初速度的影響較小。盡管根據(jù)理論推導(dǎo)，渦流制動(dòng)力與勵(lì)磁電流之間并非簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，但在特定結(jié)構(gòu)且氣隙不變的條件下，飽和磁路的磁阻變化很小，則磁感應(yīng)強(qiáng)度在一定范圍內(nèi)隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加近似線性增長，但增長幅度微小，或可視為恒定，而磁場(chǎng)強(qiáng)度與勵(lì)磁電流成正比，因此在工程應(yīng)用上，可將平均制動(dòng)力與勵(lì)磁電流在一定范圍內(nèi)近似視為線性關(guān)系。

由圖6、圖9和表2可知：在勵(lì)磁不變的條件下，不同氣隙的制動(dòng)力—速度曲線具有相似性，平均制動(dòng)力隨氣隙的增加而單調(diào)減小，如氣隙從4 mm增加到8 mm，100%勵(lì)磁的平均制動(dòng)力從12 kN以上減小到約9.4 kN，但未顯示出明確的線性關(guān)系。這是因?yàn)闅庀堕L度的增加會(huì)導(dǎo)致氣隙磁阻的增大和磁感應(yīng)強(qiáng)度的減小，從而使鋼軌中的渦流和/或渦流密度減小，因此制動(dòng)力隨之下降。在大氣隙條件下，靜態(tài)磁阻與氣隙近似呈線性關(guān)系，但動(dòng)態(tài)氣隙磁阻及其對(duì)整個(gè)磁路磁阻的影響還有待進(jìn)一步研究。本文僅在3個(gè)氣隙下進(jìn)行了試驗(yàn)，數(shù)據(jù)尚不充分。

(a)氣隙6 mm、勵(lì)磁100%

(b)氣隙8 mm、勵(lì)磁75%

(c)氣隙4 mm、勵(lì)磁50%

圖8 不同勵(lì)磁時(shí)的制動(dòng)力—速度曲線

圖9 不同氣隙時(shí)的制動(dòng)力—速度曲線

由圖7—圖9可知：制動(dòng)力—速度曲線分為2個(gè)階段。低速階段，隨著速度的提高，制動(dòng)力快速上升，直至臨界速度時(shí)達(dá)到最大值；大于臨界速度后，制動(dòng)力隨速度的提高而略有下降，但總體變化不大，在大范圍內(nèi)呈現(xiàn)平坦特性。與文獻(xiàn)[6—7]的ICE3整車運(yùn)行試驗(yàn)曲線對(duì)比，制動(dòng)力隨速度的變化規(guī)律基本一致，但本文所獲得的制動(dòng)力曲線更加平坦，可能的原因如下。

(1)受試驗(yàn)臺(tái)軌道輪的直徑限制，模擬鋼軌的長度和熱容量遠(yuǎn)小于實(shí)際線路上的鋼軌，而磁化頻率卻遠(yuǎn)大于實(shí)際鋼軌，導(dǎo)致軌道輪的磁滯和溫升都比較大，電阻率也會(huì)隨之增大，從而對(duì)制動(dòng)力特性產(chǎn)生一定的影響。

(2)由于電磁鐵試樣呈弧形，其彎曲剛度大于實(shí)際使用的直線型電磁鐵，與線路運(yùn)行相比，試驗(yàn)臺(tái)振動(dòng)較小，且?guī)缀醪缓瑳_擊成分，因此在制動(dòng)過程中磁軛變形微小，氣隙基本恒定。實(shí)際應(yīng)用中，受電磁吸力和振動(dòng)、沖擊等影響，承載梁(磁軛)存在較大的撓曲變形，工作氣隙不夠穩(wěn)定。

(3)在ICE3的實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)速度降至100 km·h-1以下時(shí)，勵(lì)磁會(huì)逐漸減小，以降低制動(dòng)電磁鐵與鋼軌之間的吸力，從而造成100 km·h-1以下的制動(dòng)力下降較快。

3 結(jié) 論

(1)線性渦流制動(dòng)力在寬廣的速度范圍內(nèi)具有平坦特性，不同試驗(yàn)條件下，制動(dòng)力變化規(guī)律基本一致，制動(dòng)過程平穩(wěn)，適合高速列車應(yīng)用。本文研制的試驗(yàn)樣件在6 mm氣隙、100%勵(lì)磁條件下，從420 km·h-1制動(dòng)至10 km·h-1時(shí)的平均制動(dòng)力大于11 kN，17 t軸重制動(dòng)質(zhì)量的平均減速度約為0.64 m·s-2；如果根據(jù)德國ICE3動(dòng)車組的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，渦流制動(dòng)在50 km·h-1時(shí)緩解，則平均制動(dòng)力還會(huì)略有增加?？紤]實(shí)車轉(zhuǎn)向架的軸距、安裝空間及車輛限界要求，實(shí)際渦流制動(dòng)裝置的電磁鐵尺寸可能需要適當(dāng)縮減，制動(dòng)力或許略有下降，但制動(dòng)效果仍然顯著。

(2)在氣隙不變的條件下，平均制動(dòng)力與勵(lì)磁電流在一定范圍內(nèi)呈近似線性關(guān)系，但受制動(dòng)初速度的影響較小，易于實(shí)現(xiàn)渦流制動(dòng)力的控制，滿足不同級(jí)別的常用制動(dòng)需求。

(3)在勵(lì)磁不變的條件下，隨著氣隙的增加，平均制動(dòng)力單調(diào)減小。因此，在渦流制動(dòng)裝置的研發(fā)和應(yīng)用中，應(yīng)注意盡量保持氣隙的一致性，以便發(fā)揮穩(wěn)定的制動(dòng)性能。渦流制動(dòng)力與氣隙之間的確切對(duì)應(yīng)關(guān)系還有待深入研究，試驗(yàn)中氣隙的調(diào)節(jié)方法也需要進(jìn)一步改進(jìn)。