姚 明，何 仁

（江蘇大學 汽車與交通工程學院， 鎮江 212013）

0 引言

隨著列車的不斷提速，尤其是動車組在客運列車中的大規模應用，我國的鐵路客運開始進入高速列車的時代。隨之而來的就是對列車的安全性提出了更高的要求。目前, 鐵道車輛的主要制動方式是粘著制動，一般配備有踏面或盤形摩擦制動；而在高速列車中，為了避免輪對踏面被擦傷，其基礎制動形式普遍采用了盤形制動和電阻制動裝置。但這些制動方式都屬于粘著制動，制動力的大小受到粘著系數的限制；同時，粘著系數又隨列車制動初速度的增加而下降（圖 1），從而使得制動力也相應的隨制動初速度的增加而減小。此外，高速列車制動時初速度高，具有很大的動能，在規定的制動距離內要轉化并耗散這樣大的能量，單靠傳統的粘著制動方式也根本無法完成。這就使得高速列車必須改進原有的制動方式，采用新的制動體系。國外高速鐵路采用直流電機或同步電機傳動時，動車采用電阻制動和盤形制動，拖車采用永磁磁軌制動和盤形制動；采用交流異步電機傳動時，動車采用再生制動和盤形制動，拖車采用永磁磁軌制動和盤形制動[1]。在國內，根據現有的技術條件, 高速列車的制動采用粘著制動為主、磁軌制動等非粘著制動為補充的聯合制動系統, 是一種經濟效益和技術性能較好的制動系統。

圖1 列車行車速度與粘著系數的關系

磁軌制動技術是近幾十年發展起來的一種新型制動方式，因其原理簡單、無摩擦和高可靠性而在不同的領域都獲得應用。它包括電磁軌道制動和永磁軌道制動兩種形式，其中永磁軌軌制動以其不消耗能量、免維護、高速制動性能好等優點得到了廣泛的重視。同時永磁磁軌制動裝置應用于列車時不影響列車粘著，當列車運行在高速區間時制動特性平坦，制動力大，因而成為高速列車聯合制動方式中的一種。

1 永磁磁軌制動器的優點及工作原理

1.1 優點

在國外，城市輕型軌道列車上采用電磁軌道制動已經很多年。其基本結構是在轉向架上，同側兩輪之間正對鋼軌上方懸掛一條形電磁鐵。制動時電磁鐵勵磁，強大的吸力將電磁鐵吸于鋼軌表面，電磁鐵極靴與鋼軌表面滑動摩擦力即為制動力。永磁軌道制動相對于電磁軌道制動的本質區別在于，除了開始制動時需要提供驅動永磁軌道制動器的能源外，一旦制動, 永磁軌道制動不再需要外部能源。因此，在緊急制動過程中, 不需要蓄電池提供能量。當列車靜止時，制動仍將有效，而且在無外部能量供應的情況下可長期保持；因此它可用于列車停車時的防溜制動, 并可取代列車上的手制動，從而可以簡化列車制動結構，減少所需部件的數量，并有助于實現列車的輕量化。此外，由于磁軌制動屬于非粘著制動，因此其產生的制動力不僅與粘著系數無關，而且由于永磁體和軌道之間的吸力，反而可以改進輪軌間的粘著狀態，提高粘著系數，從而增強粘著制動力。

1.2 工作原理和結構

影響永磁磁軌制動器制動能力的因素主要包括永磁體所能產生的磁力大小、和軌道相接觸的磨耗板所使用的材料以及制動器的整體結構設計。永磁體所選用的材料不同，其磁能積也就會有很大的差別；目前在永磁體中廣泛采用的材料是以釹、鐵和硼等元素組成的化合物[2]，相比以前采用的碳鋼其磁能積提高了五十倍以上，這也使得制造由永久磁鐵來獲得制動力的新型磁軌制動器變得可行；此外，磁力線通路中的任何空氣間隙都將降低有效磁力（圖2），而永磁磁軌制動器最大的空氣間隙出現在磨耗板和軌道之間，因此需要從制動器的整體結構上來保證該氣隙最小。在此過程中，磨耗板與軌道摩擦產生的金屬碎屑將會進一步增大氣隙，因此需要在制造磨耗板的時候選擇合適的材料和結構。同時，選擇材料的差異將會影響到磨耗板與鋼軌間的摩擦系數，從而直接影響制動器所能產生的制動力的大小。

圖2 磨耗板與軌道間的空氣間隙對磁力的影響

圖3 直線型永磁制動器結構

永磁制動技術在軌道交通的應用主要包括旋轉型永磁制動器和直線型永磁制動器兩種形式。由于旋轉型永磁制動器需要安裝在車軸上來工作，而如今高速列車上粘著制動普遍采用安裝在車軸上的盤形制動器來提供制動力，因此在布置位置上常常和盤形制動器相沖突，所以在高速列車上通常采用直線型永磁制動器。直線型永磁制動器的安裝方式與電磁軌道制動器相類似,安裝在轉向架的車軸之間，因此可以通過增加永磁體的長度來增加制動力。直線型永磁制動器組成如圖3所示,由制動箱體、磨耗板、傳力導柱、旋轉機構和懸掛裝置等組成。工作狀態時，升降氣缸作用使永磁制動器靠近鐵軌。在旋轉機構作用下,永磁體在制動箱體中旋轉，磁力線在永磁體和鐵軌中形成閉合回路，磁鐵的吸引力使得磨耗板和鋼軌間產生壓力，從而產生摩擦力, 由此提供所需的制動力。非工作狀態時，升降氣缸作用使永磁制動器遠離鐵軌。旋轉機構作用下，永磁體在制動箱體中旋轉，磁力線被屏蔽在箱體內，不通過鐵軌，從而不產生制動力。

由于列車在運行過程中，有些情況下可能要求制動距離較短，此時就可利用磁軌制動參于常規制動或緊急制動。同時, 磁軌制動系統增加了車輪與軌道的壓力從而也可以增強粘著制動的效果。因此，在加速制動或緊急制動過程中，就會出現磁軌制動與基礎制動聯合工作的情形，此時就必須對多種制動系統聯合工作時的控制策略進行研究。

2 聯合制動分析及控制目標的確定

由于高速列車制動初速度高，其動能是常速列車的幾倍,采用單一的輪軌制動方式根本無法滿足制動距離的要求，因此高速列車在制動過程中通常采用盤形制動、電阻制動、磁軌制動、渦流制動、再生制動等多種制動模式相結合的形式。由于各種制動方式均具有不同的特點，如電阻制動技術成熟；再生制動能回收大部分動能；磁軌制動磨耗大,適用于緊急制動；盤形制動是高速列車主要制動方式；渦流制動波動小，制動力矩較大。因此多種制動方式協同工作，可充分發揮各自的特點，提高列車高速時的制動能力。

列車高速制動時，輪對粘著系數下降，盤形制動又由于升溫過快過高導致摩擦面間磨損加劇，摩擦系數不穩定，使制動效能降低。因此在列車高速緊急制動時，可以利用磁軌制動來增加制動效能，提高粘著系數，縮短制動距離；當列車常規制動時，則可輔以磁軌制動來改善主制動器的工作狀況，減少摩擦面的磨損，提高使用壽命；當列車停車時,則可用磁軌制動來做為列車的駐車制動。由此可實現多種用途，起到簡化制動系統結構，保護盤形制動器的目的。

根據文獻[3]中的規定，運行速度160km/h以上至200km/h的旅客列車其緊急制動距離的限值為2000m，而速度大于200km/h的高速列車的制動距離現在還未明確限定。根據此項規定，可以確定速度為200km/h的高速列車緊急制動時的控制目標為：

3 聯合制動策略的制定

根據以上分析，聯合制動的控制策略可以分成以下三個部分：

1）第一部分（Ⅰ）：緊急制動過程

此階段由于需要滿足制動距離的強制要求，因此需要多種制動方式同時工作，并且達到最大的制動能力；此時磁軌制動也需要充分發揮其制動效能，從而起到提高粘著能力縮短制動距離，的作用。

2）第二部分（Ⅱ）：常用制動過程

此階段沒有強制限定制動距離，而且從列車的乘坐舒適性考慮，制動強度相對較低，因此通常盤形制動器就可以滿足制動要求；此階段磁軌制動器可發揮部分的制動能力，從而改善主制動器的工作狀況，減少摩擦副的磨損，提高使用壽命。

圖4 聯合制動控制過程示意圖

圖5 整個控制策略流程圖

3）第三部分（Ⅲ）：駐車制動過程

此時列車處于靜止狀態，磁軌制動器代替傳統的手制動實行防溜制動。為了保證列車駐車可靠，此時磁軌制動器應該發揮最大制動效能。由于此時磨耗板與鋼軌間沒有相對滑動，故駐車制動對磁軌制動器不產生磨損和熱量。同時，制動施行后不需外部能量供應，因此可以長時間的可靠制動。

駐車制動時，只單獨采用磁軌制動方式；其他情況下則采用多種制動方式的聯合制動；緊急制動時，各種制動方式制動強度達到最大，常用制動時，則根據列車運行工況進行調整。

圖4是聯合制動控制過程示意圖，圖5是整個控制策略流程圖。

4 采用聯合控制后列車制動距離分析

采用上述控制策略后，可以通過計算緊急制動距離來對比采用磁軌制動器前后的制動距離的變化。根據文獻[4]提出的列車緊急制動距離限值的核定原則及方法，輪軌式高速列車緊急制動距離的計算可以按式(2)進行。

式中，SX為緊急制動距離計算值（m）；Sk為緊急制動空走距離（m）；Se為緊急制動有效距離（m）； Δ為安全距離（m）；tk為緊急制動空走時間（s）；vmax為允許的最高運營速度（km/h）；v為列車實際運行速度（km/h），緊急制動時按照v=vmax/2進行簡化處理[5]；γ為回轉質量系數；μb為制動粘著系數；ω為列車單位基本阻力（N/kN）；α為非粘制動力與粘著制動力的比值，即非粘制動比例系數； x為粘著系數利用程度。

在式(2)中，通過系數α考慮了磁軌制動等非粘制動方式對制動距離的貢獻，當只使用粘著制動時，取α=0，而當需要采用非粘制動方式時，α=0.1～0.2，最高可取到0.4。

以X2000擺式電動車組為例，根據該型列車的相關參數[6]，計算列車以最高運行時速200km/h進行緊急制動時的制動距離，表1為公式(2)～(4)中的各系數取值；表2為x及α分別取不同值時的緊急制動距離。

表1 緊急制動時各系數的取值

由表2數據可以看出，當高速列車僅采用粘著制動時，若粘著系數利用程度x=0.9，此時列車緊急制動距離剛好滿足文獻[3]中規定的要求(Sx=1966m)；一旦粘著制動系統不能可靠工作且磁軌制動系統不參與工作（x=0.8，α=0），由表2數據可得該工況下列車的制動距離Sx=2177m，將顯著超過制動距離2000m的限定要求。若此時能引入磁軌制動（x=0.8，α=0.1），制動距離則能基本滿足要求（Sx=2004m）。若進一步提高磁軌制動的比例系數（x=0.8，α=0.2），則制動距離可以進一步縮短（Sx=1860m），完全滿足限定值要求。由此表明，相比單一粘著制動，采用聯合制動后，列車的制動距離有顯著縮小，說明磁軌制動作為輔助制動可有效的發揮作用。

表2 緊急制動距離計算值 單位：m

5 結論

高速列車的制動系統是一個多部件，多種制動方式相結合的系統，它的動態特性復雜，并且制動性能直接影響整車的性能和行駛的安全性。采用磁軌制動系統作為輔助制動方式，可以有效的縮短制動距離，緩解主制動方式的工作狀況，提高制動系統使用壽命。多制動系統的聯合控制，則可使多種制動方式協同工作，發揮相互的互補作用，提高列車的制動安全性和行駛可靠性。

[1] 何仁,牛潤新.永磁磁軌制動技術在軌道交通中的應用[J].中國安全科學學報,2007,17 (1 ):167-171.

[2] 范燕.永磁軌道制動[J].國外鐵道車輛,1997(5):34-37.

[3] 中華人民共和國鐵道部.列車牽引計算規程[M].北京:中國鐵道出版社,1999.

[4] 黃問盈,楊寧清,黃民.我國鐵道列車緊急制動距離限值核定原則的探討[J].中國鐵道科學,2003,24 (1):79-87.

[5] 陳士全,孫中央.列車制動距離計算方法的簡化[J].鐵道機車車輛,2000(2):28-29.

[6] 孫中央.列車牽引計算規程實用教程[M].北京:中國鐵道出版社,1999.