雙環外桶復式同步渦流制動機的設計分析

杜薇薇，崔世軒，黎 莎，王心哲，王延平

(大連工業大學 信息科學與工程學院,遼寧 大連 116034)

0 引 言

列車速度的不斷提高，極大促進了社會發展與民生改善，同時對制動系統的性能也提出了較高的要求，比如高鐵速度提升一倍，制動功率需要提升8倍[1]。目前高速列車的拖動技術完全可以實現時速700 km/h，但是由于制動技術的限制，超高速列車在現實生活中尚無法應用。在列車的運行起動、正常運行、制動階段中，制動階段的運行狀況最為惡劣，特別是緊急剎車、緊急減速時，常常導致惡性事故的發生，而列車制動過程中壓縮力和沖擊力是造成惡性事故的根源。出現壓縮力的主要原因是制動波的傳播速度慢，后面車廂對前面車廂產生極大的擠壓力；出現沖擊力的原因是由于各車廂的質量不同，在制動過程中慣性的差異導致各車廂的單位制動力不等，從而在車鉤之間產生巨大的沖擊力。當壓縮力與沖擊力疊加，會對部分車廂產生幾百甚至上千噸的總壓縮力，破壞車廂從而導致惡性事故的發生。

本研究提出一種高速列車的同步制動法，并依此設計一種寬速度、大制動力、低能耗、同步性極佳的同步渦流制動機。

1 現有的制動技術和制動方式

目前高速列車的制動方式總體分為兩類：接觸制動和無接觸制動。

1.1 接觸制動

接觸制動可分為空氣制動和磁軌制動，空氣制動又可分為閘瓦摩擦制動和盤型摩擦制動，制動力的傳導都是通過空氣壓力來實現。

閘瓦摩擦制動采用瓦輪接觸摩擦制動原理，因此存在可控精度差、同步性不高、響應速度慢等缺點，從而引發的制動事故相對較多。盤形摩擦制動通過推動制動夾鉗使閘片夾緊裝固在車軸或車輪輻板上的制動圓盤，使閘片與制動圓盤間產生摩擦，把動能轉變為熱能，達到制動的目的。優點是將輪對踏面與閘瓦間的摩擦轉換為閘片與制動盤間的摩擦，適合于高速列車使用；缺點是制動介質傳遞速度慢，高速下存在安全隱患。目前，我國的高速動車組、日本的新干線系列、法國的TGV以及德國的ICE高速動車組基本都采用了這種制動方式作為其聯合制動方式之一[2-3]。

磁軌制動通過安裝在轉向架下的電磁鐵在通電勵磁后產生磁力，在磁力作用下與鋼軌產生摩擦制動力。優點是屬于非黏著制動，制動力不受輪軌黏著系數的影響；缺點是對鋼軌磨損較大，且制動力不易調節。

1.2 無接觸制動

無接觸制動包含再生制動與渦流制動，渦流制動又可分為旋轉盤渦流制動和線型渦流制動。再生制動是將牽引電機變成發電機，把列車的動能轉化為電能，通過接觸網反饋回電網。起初的再生制動是用在長而陡的路況下(坡長10 km以上、坡度為2%～4%)，作為限速的手段來使用的。其適用條件是轉速大于同步轉速時才產生效用，如式(1)所示。

n=n1-Δn

(1)

式中：n1為同步轉速，n為轉速。

起初的再生制動動能回饋一般小于5%。當前，變頻調速技術已經可以改變同步轉速，從而使動能回饋效率接近60%，同步轉速計算如式(2)所示。

(2)

式中：f為電流頻率，p為磁極對數。

再生制動的優點是在實現列車制動的同時，還可以向電網回饋電能[4-5]；缺點是對變頻器進行頻率調節時的技術要求較高，費用較高。

線型渦流制動是將電流勵磁S-N陣列安裝在輪軸盤架上，與鋼軌保持一定的氣隙。線圈通電后，電磁鐵與鋼軌相對運動時在鋼軌中產生渦流。渦流與線圈主磁場作用產生切向分力，從而實現制動[6]。優點是制動力為非黏附力，減小制動距離；缺點是耗電大，成本高。

旋盤渦流制動是將制動盤安裝在車軸上，將勵磁盤安裝在轉向架下，渦流盤和勵磁盤間有氣隙(一般為10 mm左右)。當加載勵磁電流、制動盤隨軸轉動切割勵磁磁場時在盤內產生渦流，渦流與勵磁主磁場相排斥，從而形成制動力，渦流轉化為熱量。日本新干線和德國ICE3均采用了此項技術。優點是在很大的速度范圍內制動力具有平坦的特性。但由于氣隙較大，且輪盤尺寸有限，要想獲得足夠的制動力，所消耗的電流過大[7-10]。

我國高速列車采用再生制動為主、盤形摩擦制動為補充的聯合制動系統。一般再生制動在列車運行50 km/h以上使用，50 km/h以下采用盤形摩擦制動[11-12]。由于盤形摩擦制動是通過閘片與制動盤間的摩擦實現制動，我國一列動車組一年需更換剎車片3～4次，而國外對剎車片技術一直嚴格封鎖，中國50%的摩擦片被德國的克諾爾公司壟斷，在使用中磨耗大、費用高[13]。

通過比較各種制動技術和目前高速列車的制動系統，均無法實現同步制動。綜合幾十年列車速度不斷提高的應用經驗，車速越高列控自走(由于慣性、風力等原因列車在制動過程中的滑行狀態)的制動模式優勢越明顯，已經形成行業的常識性共識，即制動分散到每節車廂同步控制。在此共識下，來分析討論最佳制動模式，研制最適合的制動技術裝備，才能在技術應用上承上啟下。

2 雙環外桶復式同步渦流制動機的設計

2.1 同步制動系統提案

由于空氣的傳遞速度慢，機械制動中存在著充氣、放氣等因素，導致各車廂之間的制動機不同步，在高速下易失控。傳統渦流制動機不論是內桶渦流制動機還是盤形渦流制動機，存在散熱性能差和勵磁消耗功率大的缺陷。目前運行的高速動車組采用再生制動與盤形摩擦制動(接觸制動)的混合制動方式。列車運行過程中電機既要完成列車牽引又要進行高速制動，電機長期處于運轉狀態，并且制動過程是電機運行的最惡劣狀態，嚴重影響電機的使用壽命，也是高鐵成本居高不下的原因之一。此外，另一主要缺陷是中速以下無法實現同步制動，即動車帶動拖車進行制動，且在電、機制動轉換時存在失控區。

基于制動系統對高速列車安全性能的影響，為實現高速下同步制動、提高高速列車的運能的目的，提出一種同步制動的提案。該提案將桶形渦流制動與盤形摩擦制動合二為一，設計研制了同步渦流制動機。外桶形渦流制動用于高速下快速制動，并將速度降至約5 km/h及更低速度后采用盤形摩擦制動(目前高鐵一般降至50 km/h就開始采用盤形摩擦制動)，實現低速下目的停車。該提案集合了渦流制動和盤形摩擦制動的優點，可用于限速、緊急制動、正常制動等多種制動狀態，可提高制動的安全性、降低高速列車制動的運營成本，如圖1所示。

圖1 同步制動系統提案Fig.1 A system proposal of synchronous braking

2.2 結構與原理

為滿足高速列車最佳制動功能需求，研制了一種雙環外桶復式同步渦流制動機，簡稱SWFTWZ(S—三層雙環，W—外桶，F—雙環復式，T—同步，W—渦流，Z—制動機)，如圖2所示。

1.制動盤;2.外渦流圓桶;3.勵磁線圈;4.磁極鐵芯;5.絕緣墊圈;6.定子磁軛;7.空心軸;8.輪軸;9.鍵;10.旋轉端蓋;11.外軸承;12.內軸承;13.內環止口圖2 SWFTWZ結構圖及A-A向剖視圖Fig.2 The structure diagram of SWFTWZ and section view of A-A

制動盤安裝在輪軸上，其中制動盤兩端為對稱結構，位于制動盤兩端的輪軸上的結構對稱，從而消除兩側產生的剪切力。位于制動盤兩端的輪軸上均套裝有空心軸，輪軸與空心軸通過連接鍵連接。空心軸上套裝有定子磁軛，定子磁軛兩端均安裝有內軸承，內軸承安裝在定子磁軛與空心軸之間的軸承室內，通過內軸承使所述空心軸與定子磁軛之間留有間隙。定子磁軛上套裝有外渦流圓桶，外渦流圓桶一端安裝在制動盤的內環止口內，另一端與旋轉端蓋相連，通過內環止口保證制動盤兩端的外渦流圓桶在制動盤上的精度、同心度以及牢固度。旋轉端蓋套裝在定子磁軛上，定子磁軛與旋轉端蓋之間安裝有外軸承。空心軸與定子磁軛之間設置有磁極鐵芯，磁極鐵芯安裝在定子磁軛上，磁極鐵芯與外渦流圓桶之間留有間隙。磁極鐵芯上安裝有勵磁線圈，勵磁線圈與定子磁軛之間安裝絕緣墊圈。SWFTWZ原理驗證樣機及其尺寸如圖3所示。

圖3 SWFTWZ樣機及尺寸Fig.3 The prototype and size diagram of SWFTWZ

綜上所述，SWFTWZ樣機采用機、電、磁一體化的設計方法，其結構為“外轉子渦流圓桶—中定子—內轉軸空心軸”運行的三層結構。在運行過程中，渦流圓桶與輪對同步旋轉，切割主磁極產生的磁力線在圓桶內產生渦流。渦流與主磁通相互作用，產生與輪對旋轉方向相反的力矩，完成制動的過程。

SWFTWZ設計具有如下特點：(1)SWFTWZ外圓桶進行散熱，可實現對流、傳導、輻射三者散熱方法同步進行，散熱性能更好。(2)由于制動力矩與主磁通有關，即與勵磁電流有關，所以控制勵磁電流即可控制力矩，實現單位制動力相等的目的，進而減小車廂間的沖擊力。(3)由于可實現制動力的可變控制，SWFTWZ可將列車減速至更低速度后再采用盤形摩擦制動，大大降低摩擦損耗。(4)SWFTWZ的桶形結構同心度高，磁通路中的空氣間隙小(可做到2 mm)，所以磁通路中的勵磁損耗小，無須大功率輸入勵磁電流，減少耗能。(5)由于轉向架下方到鋼軌的空間有限，SWFTWZ的桶形設計減小了徑向尺寸和整體的幾何尺寸，滿足了空間有限的要求。從而，SWFTWZ可同時固定在每節車廂的輪軸上，結合傳感技術，可大大減小各車廂之間由于不同步制動和單位制動力不等而產生的巨大總壓縮力和沖擊力，消除了制動中的空走及隱患。(6)機、電、磁一體的復式結構設計省去了傳動結構，使制動效率提高，并減少了整個制動機的質量。

2.3 系統力學參數及性能

以高速列車的制動過程為分析順序，估算列車在運行中SWFTWZ的制動時間、制動距離、摩擦損耗，并與現行的高速列車制動要求進行對比。

2.3.1 制動時間與制動距離估算

由于車輛的重力作用，產生車輛輪軌之間的黏附力。黏附力是實現車輛制動的關鍵，除了與車輛質量有關，還與黏著系數有關。黏著系數公式是基于大量的實驗結果總結而成，根據我國鐵道部鐵科院提出的黏著系數(ψ)計算公式對相關參數進行半算。

(3)

其中ψ是速度的函數，其取值采用交通部標準，如表1所示。

表1 黏著系數關于速度的函數取值Tab.1 ψ values of velocity function

路軌黏附力是制動的基礎，且制動系統的制動力不得大于黏附力(Fa)，否則車輪進入抱死滑行狀態。

Fa=mgψ

(4)

式中：Fa為黏附力，m為列車質量，g為重力系數，ψ為黏著系數。

一節列車的質量為60～70 t，以質量為65 t為例。黏著系數以CRH380AL動車組運行速度為250 km/h對應的數值為例，黏著系數取值為0.1[14]。由此計算出黏附力為

Fa=6.37×104N

(5)

列車制動過程中，黏附力轉化為軸力，每節車廂4個軸，故每個軸的軸力為

Fr=1.592 5×104N

(6)

每個軸的制動力矩為

MZ=Frr

(7)

式中：MZ為每個軸的制動力矩，Fr為每個軸的軸力，r為車輪半徑。

我國和諧號系列告訴動車組車輪直徑一般為d=912 mm，則半徑r=456 mm，可得每個軸的制動力矩

MZ=7 261.8 N·m

(8)

要保證非抱死狀態下正常制動，則制動開始時制動力矩不能大于7 261.8 N·m。由于每個軸上有兩個制動系統，每個制動系統的制動力矩M′Z要小于等于0.5MZ，取M′Z=3 630 N·m。每節車廂可以使用8個渦輪制動機，故總制動力為

(9)

減速度(a)與列車質量有關。

(10)

式中：a為列車減速度，Fb為總制動力，m為列車質量。

減速度約為1 m/s，國內現行動車組緊急制動中初速度為250 km/h的平均減速度為0.754 m/s[15]，符合標準。列車制動的初速度v0為250 km/h(約為70 m/s)為例，由減速度及初速度可求得制動時間約為

(11)

制動距離為

(12)

3 200 m為國內現行動車組緊急制動中初速度為250 km/h的制動距離限值[16]。由表1可知速度越小制動力矩越大，制動能力越強。式(12)的制動距離是在最高行駛速度的情況下計算得出，隨著速度的降低制動能力也將增強，所以求得的S為最遠制動距離。2 500 m為規定的最長制動距離，符合制動標準。由于SWFTWZ的勵磁大小可通過輸入電流控制，制動力大小精準可控。在實際制動過程中，可調節SWFTWZ的制動力隨速度的降低而不斷增大，進而制動距離將會更短。

2.3.2 摩擦損耗估算

摩擦耗損與開始采用摩擦制動時的速度有關，速度越高，摩擦損耗越大。損耗與速度關系如圖4所示。

圖4 摩擦損耗與速度關系圖Fig.4 Diagram of friction loss and velocity

摩擦耗損與速度的關系是一個下凹曲線，如圖4所示。目前的高鐵運行速度為50 km/h左右時就開始采用摩擦制動，而使用SWFTWZ系統可將速度減至5 km/h。在實驗過程中，勵磁電流在列車速度降至5 km/h時為最佳經濟點，所以在列車運行5 km/h后采用摩擦制動。各制動模式對比如圖5所示。

圖5 SWFTWZ與目前高鐵制動模式Fig.5 Braking model of SWFTWZ and the current braking types

二者的耗損比為

(13)

式中：vn為目前高鐵的摩擦速度，km/h；vs為SWFTWZ的摩擦速度，km/h。

取目前的高鐵的摩擦速度50 km/h，SWFTWZ摩擦速度5 km/h，則由上式可以得出高鐵的摩擦耗損是SWFTWZ的100倍。

3 性能比較

對目前3種傳統制動方式和SWFTWZ各方面的性能進行比較，由表2比較結果可知，不論在可控性和安全性上，SWFTWZ都比其他制動方式更為優越。SWFTWZ采用機電磁一體化設計，SWFTWZ可控性、散熱性、同步性、快速性極佳，可將列車減速至5 km/h后再進行摩擦制動，有效提升制動能力和安全性，極大降低摩擦制動產生的成本，進而實現擴大編組的目的。

表2 4種制動機性能比較Tab.2 Performances comparison of the four brake types

4 結 論

本研究所研制的三層結構的圓桶渦流制動機，在機械設計上，利用外圓桶做轉子切割磁力線，解決了傳統二層渦流圓桶的散熱問題。在電磁應用上，可通過改變電流實現對制動力的可變控制，進而實現列車各車廂之間的同步制動和單位制動力相等的控制，減小甚至可以消除造成安全隱患的壓縮力和沖擊力，極大地提高了安全性能，進而提升列車的運能。桶形結構可減小空氣間隙(小于2 mm)，勵磁電流耗損小，可減小制動機的整體尺寸。該制動機可實現高速下同步制動、低速下目的停車的目的，是高速鐵路制動技術的有效備選方案。

未來隨著功率半導體技術的不斷發展，金氧半場效晶體管(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor，MOSFET)、絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)等功率器件的工作頻率及負載特性的不斷提高，從而使勵磁相應速度越來越快，勵磁精度越來越高，渦流制動的優勢進一步被體現出來，從而所設計的SWFTWZ不僅可用于高鐵上，還可用于飛機著艦等大動能、大慣性、高精度的時變便民系統上。