磁軌制動(dòng)器吸力特性研究*

高立群，丁福焰,3，王立寧，王立超，王 可

（1 中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車車輛研究所，北京100081；2 北京縱橫機(jī)電科技有限公司，北京100094；3 中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 高速鐵路與城軌交通系統(tǒng)技術(shù)國家工程研究中心， 北京100081）

磁軌制動(dòng)在世界軌道交通領(lǐng)域尤其在歐洲具有較多的應(yīng)用，除城市有軌電車外，干線鐵路和高速列車也應(yīng)用了磁軌制動(dòng)，如ICE1，ICE2 動(dòng)車組等［1-3］。隨著列車的速度逐漸提高，對(duì)安全性也提出了更高的要求。我國軌道交通車輛上采用的制動(dòng)方式主要是黏著制動(dòng)，在雨雪天氣及其他原因引起的低黏著條件下，緊急制動(dòng)距離難以保證，而采用不依賴輪軌黏著的附加制動(dòng)裝置，則可有效縮短制動(dòng)距離，提高運(yùn)行安全性。

磁軌制動(dòng)屬于非黏著制動(dòng)方式，制動(dòng)效果顯著，構(gòu)造簡單，工作可靠。研究表明，在相同情況下，采用磁軌制動(dòng)的列車比不采用磁軌制動(dòng)的列車可提速40 km/h，制動(dòng)距離可縮短20%～30%。其中，高懸掛多節(jié)式磁軌制動(dòng)裝置主要應(yīng)用于高速列車和干線鐵路，低懸掛剛性磁軌制動(dòng)裝置主要用于低地板有軌電車［4-6］。

磁軌制動(dòng)裝置與鋼軌之間的吸力是影響其制動(dòng)力的重要因素，研究磁軌制動(dòng)的吸力特性對(duì)了解其制動(dòng)性能具有重要意義。德國鐵路上世紀(jì)80年代已開展了磁軌制動(dòng)靜態(tài)吸力的試驗(yàn)研究［7］，克諾爾公司研制了剛性和鉸接（多節(jié)）式磁軌制動(dòng)裝置，并測(cè)試了磁吸力隨勵(lì)磁電流強(qiáng)度的變化規(guī)律［8］。國內(nèi)目前僅在低地板有軌電車上應(yīng)用了剛性磁軌制動(dòng)裝置，尚未實(shí)現(xiàn)多節(jié)式磁軌制動(dòng)裝置的工程應(yīng)用。20 世紀(jì)90 年代以來，我國一直在進(jìn)行磁軌制動(dòng)的研究，采用不同方法或技術(shù)手段對(duì)吸力特性進(jìn)行了探索，林臺(tái)平等研究了吸力的簡易測(cè)量方法［5］；王立超等研究了剛性式磁軌制動(dòng)器的吸力及優(yōu)化問題［6］；王勝等對(duì)多節(jié)式磁軌制動(dòng)器吸力進(jìn)行了仿真計(jì)算［9］。文中針對(duì)某高懸掛多節(jié)式磁軌制動(dòng)器，首先建立有限元模型，進(jìn)行3D 電磁場仿真分析，并采用磁軌制動(dòng)吸力試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)，從而驗(yàn)證仿真的合理性并獲得吸力特性。

1 磁軌制動(dòng)器的基本結(jié)構(gòu)及原理

高懸掛磁軌制動(dòng)器主要由線圈、極靴、極靴隔板、橫向拉桿、懸掛單元及導(dǎo)向機(jī)構(gòu)等組成。磁軌制動(dòng)器安裝在轉(zhuǎn)向架兩側(cè)，位于鋼軌上方兩車輪之間并與鋼軌平行，每個(gè)轉(zhuǎn)向架安裝2 組電磁鐵。磁軌制動(dòng)器安裝示意圖及其工作原理如圖1 所示。

圖1 高懸掛磁軌制動(dòng)器安裝示意圖及磁軌制動(dòng)器工作原理

制動(dòng)時(shí)，懸掛單元將制動(dòng)器下放到鋼軌上，線圈通電產(chǎn)生電磁場，通過極靴、鋼軌形成閉合回路，利用電磁鐵對(duì)磁導(dǎo)體的吸力，使制動(dòng)電磁鐵與鋼軌產(chǎn)生正壓力，列車運(yùn)行時(shí)便會(huì)產(chǎn)生摩擦制動(dòng)力。摩擦力與電磁吸力呈正比，電磁吸力越大，摩擦制動(dòng)力也越大。磁軌制動(dòng)裝置緩解時(shí)，切斷線圈電流，吸力消失，由懸掛單元懸掛在轉(zhuǎn)向架上。

2 磁軌制動(dòng)器電流與吸力特性仿真與試驗(yàn)對(duì)比分析

2.1 計(jì)算依據(jù)

靜磁場分析的有限元原理是將整個(gè)區(qū)域分割成許多很小的子區(qū)域，將求解邊界問題的原理應(yīng)用于這些子區(qū)域中，求解每個(gè)子區(qū)域的磁場分布結(jié)果。再采用虛功原理，即外表面剖分單元虛變，在虛位移s方向所受的力為式（1）［6］，虛功原理求吸力示意圖如圖2 所示。

圖2 虛功原理求吸力示意圖

式中：Fplate為吸力，N；W（s，i）為系統(tǒng)的磁場儲(chǔ)能，J；i為恒定電流，A；s為位移，m；V為模型的體積，m3；B為磁感應(yīng)強(qiáng)度；H為磁場強(qiáng)度。

目前國外產(chǎn)品的極靴材料主要有低碳鋼、鑄鐵、球墨鑄鐵、粉末冶金或其中2 種組合形式［7］，文中選用某低碳鋼，其實(shí)測(cè)B-H曲線如圖3 所示，鋼軌材料為U71Mn，其實(shí)測(cè)B-H曲線如圖4 所示。

圖3 某低碳鋼的B-H 曲線

圖4 鋼軌材料的B-H 曲線

2.2 仿真模型

文中以正在研制的某試驗(yàn)車用高懸掛、多節(jié)式磁軌制動(dòng)器為例，分析電流與吸力的關(guān)系。

磁軌制動(dòng)器的供電方式為110 V DC 電壓供電，環(huán)境溫度為常溫，但由于在試驗(yàn)過程中，長時(shí)間通電會(huì)導(dǎo)致線圈溫度升高、電阻增大，由于供電電壓不變，線圈電流會(huì)減小，從而吸力值會(huì)降低，測(cè)試過程中存在較大誤差，重復(fù)性差。因此為了考察磁軌制動(dòng)在常溫狀態(tài)下的吸力特性，將電壓換算成電流供電更為合理。

參 照EN 16207 標(biāo)準(zhǔn)［10］，吸力測(cè)試時(shí)的鋼軌選用60 kg/m 平鋼軌，即鋼軌頂面加工成平面，平頂寬度為63 mm，在電磁分析軟件Flux 中建立磁軌制動(dòng)器及鋼軌的模型。完整的制動(dòng)電磁鐵模型沿長度方向?qū)ΨQ，因此可取半模型并施加對(duì)稱邊界條件進(jìn)行計(jì)算，如圖5 所示。

圖5 磁軌制動(dòng)器的有限元模型

勵(lì)磁電流額定值為IN，為研究電流對(duì)吸力的影響，將線圈中的勵(lì)磁電流設(shè)置為變量并進(jìn)行參數(shù)化 掃 描，分 別 對(duì)70%IN、80%IN、90%IN、100%IN、110%IN、120%IN、130%IN勵(lì)磁電流下的吸力進(jìn)行仿真分析，設(shè)置吸力誤差不大于2%作為收斂條件，提取吸力數(shù)據(jù)。

2.3 試驗(yàn)裝置

為了進(jìn)行磁軌制動(dòng)器吸力及電磁性能的試驗(yàn)驗(yàn)證，基于EN 16207 設(shè)計(jì)了磁軌制動(dòng)吸力試驗(yàn)臺(tái)，并在試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)該磁軌制動(dòng)器進(jìn)行吸力測(cè)試，如圖6 所示。

圖6 磁軌制動(dòng)吸力試驗(yàn)臺(tái)

將磁軌制動(dòng)器安裝在試驗(yàn)臺(tái)上，通過軟件控制試驗(yàn)臺(tái)，進(jìn)行電流與吸力關(guān)系測(cè)試，通過改變線圈 的 勵(lì) 磁 電 流，分 別 測(cè) 試70%IN、80%IN、90%IN、100%IN、110%IN、120%IN、130%IN條件下的吸力。

2.4 結(jié)果

通過仿真計(jì)算和試驗(yàn)，可以得出不同勵(lì)磁電流下的吸力值，結(jié)果見表1。

表1 不同勵(lì)磁電流條件下吸力的仿真值與試驗(yàn)值對(duì)比

將試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果分別繪制散點(diǎn)圖并擬合進(jìn)行對(duì)比，如圖7 所示。從圖7 可以看出，隨著電流的增加，吸力逐漸增加，但吸力增加的速率略有減小。另外可以發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)與仿真計(jì)算的吸力值相差不大，同等條件下二者的偏差小于2%，表明該仿真模型的準(zhǔn)確性較高，可用于磁軌制動(dòng)器的設(shè)計(jì)并進(jìn)一步探究其吸力特性。

圖7 勵(lì)磁電流與吸力關(guān)系仿真和試驗(yàn)曲線

2.5 分析

為了進(jìn)一步了解吸力隨電流變化的原因，對(duì)鋼軌表面磁密進(jìn)行分析。當(dāng)勵(lì)磁電流分別為70%IN、100%IN、130%IN時(shí)，鋼軌上的磁密分布如圖8～圖10 所示。

圖8 勵(lì)磁電流為70%IN 時(shí)鋼軌表面磁密分布云圖

圖9 勵(lì)磁電流為100%IN 時(shí)鋼軌表面磁密分布云圖

圖10 勵(lì)磁電流為130%IN 時(shí)鋼軌表面磁密分布云圖

從磁密分布云圖上可以看出，隨著勵(lì)磁電流的增加，鋼軌表面的磁密逐漸增加，根據(jù)電磁鐵吸力F為式（2）［7］：

式中：S為極靴與鋼軌接觸面積；μ為磁導(dǎo)率。

其中磁導(dǎo)率μ=B/H。從磁密分布云圖中可以看出，當(dāng)電流從70%IN變化至130%IN時(shí)，鋼軌表面最大磁密從1.63 T 升高至1.9 T，而從圖4 鋼軌材料的B-H曲線中可知，其飽和磁密約為1.7 T。即隨著電流升高，鋼軌表面磁場從接近飽和變化至完全飽和，則磁導(dǎo)率μ值隨著電流升高首先逐漸減小而后幾乎保持不變。

由此可知，電流線性增大，接觸面積S不產(chǎn)生變化，磁導(dǎo)率μ先略微減小而后保持不變，故電磁鐵吸力F增大，且由于磁導(dǎo)率μ，吸力F增加的速率略有減小。

3 結(jié) 論

文中利用Flux 電磁仿真軟件建立某高懸掛磁軌制動(dòng)器有限元模型，研究不同勵(lì)磁電流大小對(duì)磁軌制動(dòng)器吸力特性的影響，通過吸力試驗(yàn)驗(yàn)證了仿真計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，并根據(jù)電流和磁導(dǎo)率的變化分析了吸力曲線變化的原因。主要結(jié)論如下：

（1）通過Flux 建立的該有限元模型可正確模擬磁軌制動(dòng)器的吸力變化。

（2）磁軌制動(dòng)器以額定電流工作時(shí)，鋼軌表面的磁密接近飽和。

（3）磁軌制動(dòng)器的吸力隨勵(lì)磁電流增加而增加，但增加速率逐漸減小。