現代有軌電車永磁軌道制動裝置3D仿真分析

裴玉春 馮夫磊 周漢國 晉 紅 郭 帥 王 鵬

(上海龐豐交通設備科技有限公司,201802,上海∥第一作者,工程師)

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現代有軌電車永磁軌道制動裝置3D仿真分析

裴玉春 馮夫磊 周漢國 晉 紅 郭 帥 王 鵬

(上海龐豐交通設備科技有限公司,201802,上海∥第一作者,工程師)

基于永磁軌道制動工作原理及結構組成,運用Ansoft Maxwell仿真軟件,對現代有軌電車的永磁軌道制動裝置進行三維仿真建模;對磁軌裝置的完全緩解狀態、初始制動狀態、摩擦制動已建立狀態及初始緩解狀態進行研究分析。仿真結果從磁場強度、電磁吸力、漏磁等方面驗證了磁軌裝置的制動吸力和緩解殘余吸力滿足要求;同時也驗證了磁軌裝置在不同工作位時對鋼軌側向力無影響,不影響列車動力學性能。

現代有軌電車; 制動系統; 永磁軌道制動裝置; 仿真分析

Author′s address Shanghai Pangfeng Transportation Equipment Technology Co.,Ltd.,201802,Shanghai,China

制動系統作為現代有軌電車的重要組成部分,直接涉及到車輛的運行性能和安全,影響乘客的乘坐舒適度?，F代有軌電車制動系統一般有3類制動裝置,即機械摩擦制動、動力制動(電制動)及非粘著工作方式的電磁軌道制動。機械摩擦制動一般選擇盤式摩擦制動,動力制動大多是再生制動與電阻制動,電磁軌道制動有電磁軌道渦流制動與電磁軌道磁軌制動兩種形式。

由于有軌電車大多在街道上穿行,遇到意外情況需要以最快的速度停車,而露天的軌道會因天氣潮濕、油污灑落、樹葉覆蓋等環境影響降低軌面粘著條件。因此,歐洲國家規定這種在街道上運行的車輛必須附加一套與輪軌粘著力無關的制動裝置,以在緊急制動時確保安全,而這種制動裝置大多為電磁軌道制動器。

3D靜磁場仿真分析可以求解電磁軌道制動裝置中不規則結構電磁設備的磁場分布,相比較2D靜磁場分析的部分結構簡化,可以更加完整地描述電磁設備磁力、轉矩、主磁路及漏磁分布,其結果對工程實際應用更具指導意義。

1 永磁軌道制動裝置結構組成及工作原理

圖1 a)所示為永磁軌道制動裝置工作結構簡圖。由圖可見其結構左右對稱,由頂蓋、側壁、軸心、軸體、底隔及極靴等組成。

圖1 永磁軌道制動裝置剖面示意圖

永磁軌道制動裝置工作原理是依據能量最小原理,磁力線總是沿著磁阻最小的路徑閉合,并力圖縮短磁通路徑以減小磁阻。其磁路由磁軸經由側壁、極靴、工作氣隙、鋼軌、工作氣隙、極靴、側壁回到磁軸。圖1 b)為緩解狀態,圖1 c)為制動狀態。隨著工作氣隙不斷減小,主磁通不斷增加,而漏磁通不斷減小,使磁軸與鋼軌吸力不斷變化。

2 3D仿真模型建立

使用有限元仿真軟件(Ansoft Maxwell)對永磁軌道制動裝置進行靜態特性仿真時,首先需要對進行計算的實物進行分析。永磁軌道制動裝置除了需要計算校核其對鋼軌的垂向吸力外,也要考慮其對軌道產生的側向力,因此,需要對其進行全模型建模。

頂蓋材料選用材料庫中stainless steel;軸心選用NdFeB35,充磁方向為水平充磁;軸體、側壁、極靴作為磁軛,選用Steel_1008;鋼軌自定義軌道交通鋼軌材料U71Mn。在定義材料屬性后需要對激磁回路進行參數設置,包括對初始工作間隙、永磁材料、磁路結構以及磁場方向進行設置。計算模型和剖分圖如圖2所示。

永磁機構計算模型完成邊界條件定義后,對建立的仿真模型進行網格劃分。筆者針對模型結構采用四面體剖分單元,剖分網格是采用自適應剖分。從圖2 a)中可看出,該永磁機構計算模型分為導磁部分、非導磁部分和永磁體,分別由不同的灰度加以區分,以方便進行比較和分析。采取實體剖分與表面剖分相結合的方法進行網格劃分。由圖2 b)中可以看出,導磁部分與氣隙的網格劃分很密集,非導磁部分與邊界網格密度相對較小。

圖2 永磁機構計算模型與剖分圖

3 靜態磁場分布仿真分析

根據永磁軌道制動裝置的制動磁鐵中永磁體旋轉位置,靜態磁場工況分為制動狀態和緩解狀態。若考慮整個磁軌裝置在車輛上的實際應用,需要同時考慮極靴與鋼軌之間的工作氣隙、懸掛機構的彈簧力及永磁體旋轉位置,則共有完全緩解狀態、初始施加制動狀態、制動已建立狀態、初始緩解狀態等幾種工況。這里對以上各種工況分別進行靜態磁場分析。

首先,對磁軌裝置完全緩解狀態時機構靜態磁場分布進行分析。列車牽引、惰行或非緊急制動狀態時,懸掛裝置彈簧力將磁軌裝置保持在緩解位,極靴遠離鋼軌,永磁體處于水平位置。圖3為磁軸處于原始位置時的磁場、磁密分布。此時,由于鋼軌與極靴之間有很大的氣隙,大部分磁力線形成內部回路,因此,通過鋼軌的磁力線非常少,磁軌裝置受到向下的吸力也非常小,此時通過設計合理的懸掛彈簧預拉力使磁軌保持在緩解位置。完全緩解狀態時,磁軌裝置對鋼軌的垂直、橫向、縱向力分別為0.54 、9.67×10-6、7.50×10-4N。因這些數值極小,基本可以忽略。

其次,對磁軌裝置初始制動狀態時機構靜態磁場分布進行分析。列車緊急制動狀態時,驅動機構控制軸心旋轉,永磁體處于豎直位置,此時極靴距離鋼軌較遠,極靴對鋼軌吸力克服懸掛裝置彈簧力,磁軌裝置將從緩解位向制動位靠近。圖4為磁軸處于制動位置時的磁場、磁密分布。此時,雖然鋼軌與極靴之間有較大的氣隙,但永磁體產生的磁力線經過軸體、側壁、極靴、工作氣隙、鋼軌等導磁部分形成外部閉合曲線,產生向下的吸力克服彈簧拉力,產生磁軌裝置向鋼軌方向運動的趨勢。又因極靴與鋼軌這對摩擦副尚未接觸,故還沒有形成摩擦制動力。初始制動狀態時,磁軌裝置對鋼軌的垂直、橫向、縱向力分別為808.1、0.2、0.1 N。垂向力的大小決定磁軌裝置貼合鋼軌的速度與時間(即永磁軌道制動裝置制動響應時間);而橫向及縱向兩個方向的力數值極小,基本可以忽略。

再次,對磁軌裝置摩擦制動已建立狀態時機構靜態磁場分布進行分析。繼初始施加制動狀態之后,磁軌裝置對鋼軌的吸力最終使得極靴貼合鋼軌,極靴與鋼軌這對摩擦副開始工作,產生的摩擦力通過磁軌裝置的傳力機構傳向車體,形成車輛的非粘著摩擦制動力。圖5為磁軸處于非粘著摩擦制動已建立時的磁場、磁密分布。此時,鋼軌與極靴之間工作氣隙為零,永磁體產生的磁力線經過軸體、側壁、極靴、鋼軌等導磁部分形成外部閉合曲線,產生向下的吸力保持磁軌裝置與鋼軌的吸合狀態,從而形成持續的摩擦制動力。摩擦制動已建立狀態時,磁軌裝置對鋼軌的垂直、橫向、縱向力分別為75 297.64、15.64、0.93 N。垂向力的大小與摩擦副之間的摩擦系數決定非粘著摩擦制動力的大小;而橫向及縱向兩個方向的力數值極小,基本可以忽略。

圖4 初始制動狀態時靜態磁場與磁密分布

圖5 制動狀態已建立時靜態磁場與磁密分布

最后,對磁軌裝置初始緩解狀態時機構靜態磁場分布進行分析。當列車停止后,需要緩解磁軌制動時,驅動機構控制磁軸旋轉,永磁體處于水平位置,懸掛裝置的彈簧力克服磁軌裝置對鋼軌的吸力與磁軌裝置本身自重,使得磁軌裝置產生向上的力,并將脫離鋼軌。圖6為磁軸處于初始緩解位置時的磁場、磁密分布。此時,雖然鋼軌與極靴之間工作氣隙為零,永磁體產生的磁力線大部分經過軸體、側壁等導磁部分形成內部閉合曲線,只有很少一部分磁力線通過鋼軌。此時,彈簧力克服向下的吸力,將磁軌裝置與鋼軌從吸合狀態向脫離狀態轉變。初始緩解狀態時,磁軌裝置對鋼軌的垂直、橫向、縱向力分別為1.10 、1.04×10-2、7.68×10-3N,垂向、橫向及縱向3個方向的力數值極小,基本可以忽略。

圖6 初始緩解時靜態磁場與磁密分布

4 結論

文中利用Ansoft Maxwell軟件建立永磁軌道制動裝置仿真模型,對不同永磁體旋轉方向、工作氣隙等工況下電磁吸力進行了校核,對靜態磁場分布進行了分析,直觀地顯現出永磁回路中永磁材料、磁軛材料、極靴材料等的磁路飽和情況。仿真結果表明:該結構既能滿足制動狀態下電磁吸力的要求,又能滿足緩解狀態下鋼軌及極靴中殘余磁力線少、能夠進行彈簧復位的要求。文中的永磁軌道制動裝置在制動、緩解等工況下的3D仿真結果對工程設計具有指導意義。

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[2] 盛劍霓.電磁場數值分析[M].西安:西安交通大學出版社,1991.

3D Simulation Analysis of Permanent Magnetic Track Brake

PEI Yuchun, FENG Fulei, ZHOU Hanguo, JING Hong, GUO Shuai, WANG Peng

Based on the Ansoft software, a3D simulation analysis is carried out on the structure and working principle of the permanent magnetic track brakeused in modern trams. The working conditions like completely remission,initial state of brake,established state of friction brake and initial remission of magnetic track device are analyzed. Simulation results from the aspects of magnetic field intensity,electromagnetic suction,magnetic flux leakage of magnetic track device show that this model could meet the demands of braking suction and relieve the residual suction. At the same time, it is verified that the track device in different working positions has no influence on the side force of the rail,and will not affect the train dynamics performance.

modern tram; braking system; permanent magnetic track brake; simulation analysis

U482.103

10.16037/j.1007-869x.2016.08.009

2014-09-17)