高下沉率滑車永磁渦流制動系統的研制

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時滑車的安全制動問題，研制了一種基于永磁渦流的制動系統。本文首先全面分析了永磁渦流技術在垂直軌道滑車制動中的優勢，結合滑車和彈射塔垂直軌道的結構特點，研制出了高下沉率滑車制動系統。然后對系統的制動性能進行了計算分析，最后對全系統進行了試驗驗證，并對計算結果和試驗結果進行了對比分析。結果表明：永磁渦流制動系統制動性能指標滿足要求，系統工作穩定、可靠，有效解決了高下沉率彈射試驗時滑車的安全制動問題。

關鍵詞：滑車；下沉率；永磁渦流；制動系統

中圖分類號：TH139 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）15-0063-02

0 引言

根據某型彈射座椅總體的要求，座椅下沉率彈射速度需達到32m/s甚至更高。開展高下沉率彈射試驗時，滑車總質量達到4噸以上，這就要求滑車制動系統必須提供足夠大的制動力才能實現滑車的安全回收。

永磁渦流制動作為一項新型制動技術最早應用在鐵路機車制動裝置上。基于永磁渦流制動技術的獨特特點，線性永磁渦流制動在“過山車”和“自由落體”等直線運動類設備的制動系統中有著很好的應用前景[1]。

永磁渦流制動作為一種非粘著性制動方式，具有許多傳統制動方式無法比擬的優越性能：

（1）結構緊湊，能夠大幅度降低對制動單元安裝空間的要求[2]；節能、可靠，不存在斷電時制動失效的危險。（2）是非接觸制動，制動過程柔和、平穩。

由于彈射塔垂直軌道滑車對制動的要求是高可靠性、大制動力，同時不需要進行制動力的調節，永磁渦流制動較好的滿足了該設備對于制動的要求。

1 工作原理

1.1 渦流效應

渦流即電磁感應作用在導體內部所產生的電流。當導體在磁場中運動，或者導體靜止但存在于隨時間變化的磁場，都可以造成磁力線與導體的相對切割。按照電磁感應定律，切割磁感線就能在導體中產生感應電動勢，從而在導體內產生電流。這種引起的電流在導體中的分布隨著導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。

導體在非均勻磁場中移動或者處在隨時間變化的磁場中時，因渦流而導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、導體的運動、導體的幾何形狀、導體磁導率和電導率等因素有關。利用渦流損耗實現滑車的制動。

1.2 工作原理

動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極交錯排列，靜子采用不導磁的導體板，固定在彈射塔垂直軌道制動段的塔體上。

當永磁體靜止在制動段時，永磁體的氣隙中的磁感線垂直于導體板，導體板中沒有渦流。當滑車上的永磁體以一定速度通過制動段時，導體板切割磁感線，在導體板中感應出電動勢和電渦流。根據楞次定律可知，感應出的電渦流產生的磁場與永磁體原有磁場相反，兩種磁場相互作用，實現滑車的制動。

2 設計方案

2.1 總體設計要求

彈射塔垂直軌道總高度為120m，其中制動段高度設計為0～60m。開展下沉率試驗時，渦流制動系統可將總質量≥4800kg、最大下沉速度≥32m/s滑車減速至1m/s以下。

2.2 設計方案

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

2.2.1 車載永磁體

永磁體組件安裝在試驗滑車上，隨試驗滑車一起沿豎直方向運動。永磁體組件模塊左右兩部分對稱，滑車滑塊磨損和軌道不平順可能產生5mm以下的偏移，永磁體與感應板間隙設計為8mm。

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

永磁體模塊采用直線型Halbach結構，它將不同磁化方向的永磁體按照一定的順序排列，使工作區域的磁場強度大幅增強，非工作區域（側面、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周圍試驗設備的影響。

2.2.2 感應板組件

感應板組件沿彈射塔凹槽豎直方向分段鋪設安裝。

滑車剛進入制動系統時速度最大，宜采用電阻率小、制動力大的感應板材料，當速度降低到一定數值之后，宜采用電阻率較大的感應板材料。

依據制動要求，感應板分高速、中低速二段設計，具體如下：

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

3 制動性能分析

永磁體組件安裝與滑車底盤上，感應板組件安裝于0～60m高度的塔體上，滑車總質量4800kg。利用有限元分析軟件進行分析計算。

理想工況下，滑車無橫向偏移。

滑車無橫向偏移、以不同下沉速度進入制動段的制動數據見表1。

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

計算結果表明，橫向偏移變大時，制動力變大。

滑車橫向偏移5mm、以不同下沉速度進入制動段的制動數據見表2。

表1和表2數據說明，在60m處，正常情況下，滑車以不大于35m/s的下沉速度下落時，都能安全制動至末速度2m/s以內，制動距離不大于33m，安全距離不小于27m。

4 試驗驗證

為了驗證垂直軌道永磁渦流制動系統性能穩定、工作可靠，各項指標均符合要求，進行了下沉率彈射試驗，進入制動段的速度為31.46m/s和31.9m/s，并對各試驗工況進行了制動性能復算。

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

（2）工況2：31.9m/s制動速度。計算結果與試驗測試結果對比分析，選取若干特征點，誤差約為8.4%。

結果表明，試驗數據與計算數據基本一致，制動系統性能良好，工作可靠，滿足垂直軌道滑車安全制動的要求。

5 結語

垂直軌道永磁渦流制動系統性能穩定、工作可靠，各項指標均符合要求。垂直軌道永磁渦流制動系統的成功研制，徹底解決了彈射塔下沉率試驗時滑車制動技術難題，為多個重點型號的新一代彈射座椅的研制提供了重要的試驗技術保障。該系統的成功研制，是永磁渦流制動技術在大質量（4噸以上）、高下沉速度（30m/s以上）設備上的首次成功運用，展示了我國日益提高的科技水平。

參考文獻

[1] 朱仙福.線性渦流制動電磁分析[J].上海鐵道學院學報，1994，15（2）：55-63.

[2] 鞠成偉.永磁渦流制動技術在游樂設備中的應用[J].機電工程技術，2014，43（6）：186-190.

[3] 蔣冬清.旋轉型永磁渦流制動裝置的研究[D].中國優秀碩士學位論文全文數據庫，2011（S1）：33-52.