李承覬，張德遠

（1.中電科航空電子有限公司，成都 611731； 2.北京航空航天大學 機械工程及其自動化學院，北京 100191）

彈射座椅為飛行員專用座椅，在飛機失控狀態(tài)下，為保護飛行員的生命安全，而將飛行員彈離飛行器，并使其安全著陸的航空救生設備[1]。飛機座椅彈射試驗已成為飛機功能試驗必不可少的部分，具體試驗表現(xiàn)形式為水平姿態(tài)的火箭撬滑軌試驗和不利姿態(tài)的垂直塔軌道滑車自由落體墜落試驗[2]。傳統(tǒng)的垂直塔緩沖防墜系統(tǒng)采用的是固定在垂直塔上的摩擦片與滑車的車輪剛性摩擦減速[3]，抱死滑車后，再進行滑車的吊裝拆卸。試驗前后的準備時間較長，效率低，影響了整體的進度。

渦流制動采用永磁渦流制動或電磁渦流制動[4]，高速制動性能好。朱先福等人[5]進行了渦流制動的制動力分析與計算。童昕宏等人[6]進行了永磁渦流模擬仿真軟件設計。永磁渦流制動由于具備高速制動性能好、不引入外部能量、系統(tǒng)簡單等優(yōu)點，同時在永磁制動新材料的研發(fā)上不斷有新的突破，吸引了國內(nèi)外學者廣泛的重視[7]。

目前，永磁渦流制動系統(tǒng)一般應用于游樂場升降娛樂設施或高速軌道車輛上，鮮有將其應用于垂直塔座椅彈射試驗的報道。文中提出將永磁渦流系統(tǒng)用于垂直塔座椅彈射試驗中的制動系統(tǒng)，由于不需要車輪鋼性摩擦和吊裝拆卸，可大大縮短試驗周期，提高試驗效率。

1 永磁渦流制動器及其制動原理

永磁制動器結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括安裝在滑車上的動子板，固定在塔體的靜子板，其中，滑車動子板上布置了3個磁場，分別包括一塊相對設置的S極和N極板，安裝在塔體靜子板上的3個導體（如不銹鋼、銅鎳合金、7075鋁合金）分別插入動子板上布置的3個磁場中。緩沖過程中，安裝在滑車上的動子板（永磁體）與固定在塔體的靜子板（導體板）相對運動形成電磁拉力，對滑車的自由落體形成反向制動，即該系統(tǒng)實質(zhì)上是一種能量轉(zhuǎn)換裝置。在試驗過程中，滑車的重力勢能轉(zhuǎn)換為動能，再通過永磁渦流制動，將動能轉(zhuǎn)換成磁能和熱能[8]，從而達到制動的效果。由此產(chǎn)生的熱量，通過自然風冷進行熱交換。

圖1 永磁渦流制動系統(tǒng)原理 Fig.1 Principle of permanent magnet eddy current braking system

2 滑車試驗系統(tǒng)及試驗制動要求

滑車試驗系統(tǒng)主要包括垂直塔、滑車軌道、滑車、緩沖系統(tǒng)、制動系統(tǒng)?；囉?種類型，3、5 t各1臺，滑車軌道長度為120 m。試驗要求為3 t滑車下滑時，以最大速度30 m/s實施制動減速；5 t滑車下滑時，以最大速度60 m/s實施制動減速，制動過程中過載不大于6 G，制動距離不大于40 m。

垂直塔塔體有凹槽，槽內(nèi)豎直方向鋪有4根軌道，滑車可沿軌道作自由落體運動。永磁渦流制動系統(tǒng)包含動子板和靜子板，動子板安裝在滑車車座下，選用300 J/m3的釹鐵硼（N45或45M）[9]。靜子板固定在基座墩子，基座墩子與塔體凹槽內(nèi)的地腳螺栓固定在一起，作為固定靜子板的基礎。

3 模擬分析

3.1 磁感強度計算

渦流產(chǎn)生的磁場屬于時變場，是隨時間變化而變化的[10]。根據(jù)麥克斯韋方程計算磁感應強度B，見式（1）。

在固定磁體的磁軌和氣隙，矢量磁勢A分布見式（2）。

磁化強度為M，永磁體區(qū)域磁勢A分布見式（3），μ為永磁體磁導。

感應板區(qū)域矢量磁勢A分布見式（4）。

用若干個面積為1平方厘米的小正方形擺拼不同的圖形，通過拼組圖形使學生體會：盡管所拼圖形的形狀各不相同，但圖形的面積均相等。學生在操作中感受面積守恒。

式中：μr為感應板相對磁導率；μo為氣隙磁導；v為滑車速度；σ為電導率。

為了計算方便，將間斷的永磁體等效成連續(xù)的永磁體面，通過傅立葉變換得到等效后的磁化強度M，分別為n次傅里葉變換在水平和垂直方向的幅值[10]。

由式（1）—（5）得出感應板中的磁感應強度分布，見式（6）。

式中：d為永磁體厚度；g為氣隙。

3.2 制動力計算

由感應板的磁感應強度和麥克斯韋的應力張量法[11]，得到總制動力計算公式，見式（7）。

式中：r=1,3,5,…，取前五項，r=1,3,5,7,9；f為級距；p為極對數(shù)；lp為初級長度，lp=2pf；w為初級寬度；T為占空比，T=lm/f（lm為永磁體長度）；e為總氣隙；v為次級板（滑車）的速度。各參數(shù)的具體取值見表1。

表1 設計參數(shù) Tab.1 Design parameters

3.3 仿真計算

通過電磁場有限元仿真計算，針對3 t滑車下滑最大速度為30 m/s時實施制動減速。模擬了制動距離30 m、最高制動速度30 m/s的關(guān)系曲線，如圖2所示。

圖2 30 m距離制動力與速度的關(guān)系曲線 Fig.2 Relationship between braking force and speed at the braking distance of 30 m

在30 m，制動速度為30 m/s的情況下，隨著滑車速度的持續(xù)減小，電磁制動力先增加、后減小，在6 m/s時達到最大。這是由于滑車速度減小，氣隙中磁力線的傾斜度不斷增加，增大了制動力；隨著滑車速度持續(xù)減小，制動力增大到最大峰值后，同動子板交接的磁力線密度增大過密，漏磁也不斷加大，此時制動力開始減小[13]。最后電磁拉力在速度達到2 m/s時，不再減小，完成了制動緩沖過程。由圖3和圖4得出，制動速度、制動距離與制動時間參數(shù)的關(guān)系是制動速度隨著制動時間的增加而持續(xù)減小，最終勻速運動，制動距離隨著制動時間的增加而持續(xù)增加，最終停留在35 m處。能夠滿足試驗總體制動距離不超過40 m的要求。

圖3 30 m距離制動速度與時間曲線 Fig.3 Relationship between braking speed and time at the braking distance of 30 m

圖4 30 m/s制動速度下距離制動距離與時間曲線 Fig.4 Relationship curve between braking distance and time at the braking speed of 30 m/s

4 系統(tǒng)優(yōu)化

為研究靜子板感應材料對制動系統(tǒng)制動效果的影響，分別研究了不同材料作為靜子板感應材料的情況下制動系統(tǒng)的制動效果。一般常用的導體是不銹鋼、銅鎳合金和7075鋁合金等，分別選取同樣高度的不銹鋼、銅鎳合金和7075鋁合金作為永磁渦流制動靜子板的感應板材料。針對5 t滑車下滑最大速度為60 m/s實施制動減速的試驗工況，通過仿真計算來模擬極限工況下的制動力隨滑車運動速度變化的特征曲線，如圖5所示。

圖5 不同材料的制動力與滑車速度關(guān)系曲線 Fig.5 Relationship between braking force and pulley speed of different materials

當靜子感應板采用不銹鋼時，隨著速度變小，其制動力平穩(wěn)變化。這是由于不銹鋼的電導率小，磁導率大，產(chǎn)生渦流以及制動力較平穩(wěn)，同時不銹鋼電導率比其他材料小，所以峰值制動力相對較小。在速度為55 m/s時，產(chǎn)生最大拉力?？傮w制動速度變化過程相對平穩(wěn)。

當靜子板感應板采用銅鎳合金或鋁合金7075時，由于二者的電導率大，磁導率小，永磁體產(chǎn)生的絕大部分磁通會選擇相對磁阻較小的路徑，而不與靜子板的銅板或鋁合金板交鏈而形成漏磁[14]。在高速時，產(chǎn)生渦流的磁通較少，所以制動力較小。隨著速度的持續(xù)減小，產(chǎn)生渦流的磁通較多，再加上銅鎳合金或鋁合金的電導率大，這樣產(chǎn)生的峰值制動力較大。最終，采用銅鎳合金和鋁合金7075作為動子感應板時，分別在速度為25 m/s和12 m/s產(chǎn)生最大制動力，之后制動力平穩(wěn)減小。

動子板隨滑車自由落體，經(jīng)過靜子板區(qū)域，因制動過程產(chǎn)生渦流，在高電導率的感應板中涌動，而磁通通過高磁導率的感應板形成閉合回路。對于不同材料的靜止板感應材料，由于電阻率的差別（鋼的電阻率高于鋁，鋁高于銅），導致渦流制動的力學性能不同[15]。從圖5可以看出，同一工況下能夠產(chǎn)生的峰值制動力均在450 kN左右，但達到峰值的制動速度不一樣（不銹鋼為65 m/s，銅鎳合金為25 m/s，鋁為12 m/s）。因此，對于速度區(qū)間較低的制動，采用銅鎳合金或者鋁合金會比不銹鋼的制動效果更好一些；而對于速度較高的制動中，不銹鋼的制動效果較好一些。

基于此，文中對永磁制動系統(tǒng)的靜子板材料進行優(yōu)化：高速制動段采用不銹鋼，中速制動段采用銅鎳合金，低速制動段采用鋁合金。

5 結(jié)論

文中提出了采用永磁渦流制動的方法來實現(xiàn)試驗滑車的制動，通過對磁場的模擬，制動力的計算，模擬分析了永磁渦流制動過程，得出了30 m制動距離下制動力與速度、制動距離與時間的關(guān)系，驗證了永磁渦流制動系統(tǒng)能夠滿足垂直塔座椅彈射試驗對制動系統(tǒng)的要求（總體制動距離不超過40 m）。同時，模擬分析了靜子感應板不同材料對制動效果的影響，并基于研究結(jié)果提出了對永磁制動系統(tǒng)靜子板的材料進行優(yōu)化的方案。

盡管永磁渦流系統(tǒng)能夠滿足制動試驗的要求，但目前永磁渦流制動仍存在兩個弊端：軌道溫升問題和制動特性不易調(diào)節(jié)。具體體現(xiàn)在，根據(jù)能量守恒定律，由渦流制動產(chǎn)生的制動力沿著豎直軌道所做的電磁拉力功與該段軌道勢能減少、動能減小以及由制動導致增加的熱能是恒定的，因此制動段制動系統(tǒng)的溫升是必然的[16]。同時，永磁渦流制動系統(tǒng)的永磁材料與其他參數(shù)對于系統(tǒng)制動具有唯一性，因此不能兼顧其他制動要求[17]，永磁體渦流制動最終不會將滑車停止。因此，需要外加輔助系統(tǒng)進行停止制動。因此，如何有效解決以上幾個問題將是今后該領(lǐng)域進一步研究的方向。