基于環(huán)形電磁線圈的輪軌增壓方案

應(yīng)之丁 李 藝 桂安登

(同濟(jì)大學(xué)鐵道與城市軌道交通研究院，201804，上海∥第一作者，副教授)

列車基礎(chǔ)制動力由輪軌間的相互黏著關(guān)系產(chǎn)生，提高輪軌間的黏著作用可以有效提高列車設(shè)計時速標(biāo)準(zhǔn)。文獻(xiàn)[1]研究發(fā)現(xiàn)，通過改善輪軌表面清潔、增加軸重等方法可以增大輪軌黏著系數(shù)。文獻(xiàn)[2]利用MMS-2A型微型計算機(jī)控制摩擦磨損試驗機(jī)進(jìn)行試驗，認(rèn)為輪軌接觸面積和黏著力隨著軸重的增加而增大。文獻(xiàn)[3]的研究表明，增加軸重負(fù)載會導(dǎo)致車輪黏著系數(shù)下降以及黏著力上升。

本文根據(jù)現(xiàn)有輪軌黏著關(guān)系及電磁學(xué)原理，提出一種輪軌電磁增壓方案。該方案通過電磁線圈磁化車輪，令輪軌間產(chǎn)生較大的垂向電磁吸力，從而達(dá)到增加軸重的目的。本文同時設(shè)置了內(nèi)嵌環(huán)形線圈勵磁模型和外置環(huán)形線圈勵磁模型，基于Ansoft Maxwell電磁場分析軟件分析了兩種模型的磁感應(yīng)強(qiáng)度、垂向電磁吸力等參數(shù)。所提方案可以改善列車運行過程中由于輪軌之間黏著力不足而引發(fā)的制動力不足問題，為列車輪軌增加黏著力問題提供解決思路。

圖1 基于車輪結(jié)構(gòu)的增壓方案示意圖Fig.1 Diagram of pressurization scheme based on wheel structure

1 增壓方案中施加電磁力的相關(guān)因素分析

基于車輪結(jié)構(gòu)的增壓方案示意圖如圖1所示。圖1的基本原理為將環(huán)繞車輪布置的勵磁線圈和車輪簡化為一個巨大的電磁鐵，勵磁電流輸入環(huán)形線圈產(chǎn)生磁場磁化車輪，同時對軌道產(chǎn)生電磁吸力，以實現(xiàn)增大輪軌間垂向作用力的目標(biāo)，即通過電磁作用增加軸重來提高輪軌黏著力。但由于輪軌間的復(fù)雜接觸關(guān)系、線圈尺寸及形式多樣等因素的影響，需要通過建立輪軌間的電磁場模型來分析各因素對電磁場形態(tài)的影響。

輪軌接觸關(guān)系示意圖如圖2所示，可采用經(jīng)驗公式計算電磁吸力。由于輪軌接觸面不固定，選取車輪踏面中段與上部軌面接觸這一位置進(jìn)行分析。車輛與軌道在列車運行過程中相互貼合，可忽略輪軌接觸面上的空氣間隙，分段計算電磁作用吸力。在計算電磁場時，需要對給定區(qū)域中的微積分方程進(jìn)行求解。由于輪軌模型幾何結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，通過數(shù)值計算方法離散求解區(qū)域[4]。

圖2 輪軌接觸關(guān)系示意圖Fig.2 Diagram of wheel-rail contact relationship

由于只計算垂向電磁作用力，所以采用縱向離散輪軌模型。利用能量法進(jìn)行推導(dǎo)，考慮到漏磁現(xiàn)象，對于離散模塊任一子單元的電磁力FΔS的計算公式為[5]：

(1)

式中：

BΔS——離散單元所處位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度，T；

S——車輪離散模塊投射到對應(yīng)軌道表面的投影面積，m2；

μ0——真空磁導(dǎo)率；

Kf——漏磁系數(shù)。

在計算過程中，可將輪軌貼合接觸面位置部分視為特殊形式的起重電磁鐵來計算[6]，輪軌接觸斑勵磁下對軌道的電磁吸引力FP為：

(2)

式中：

SP——輪軌接觸斑面積，mm2；

I——勵磁電流，A；

N——線圈匝數(shù)，匝；

B——磁感應(yīng)強(qiáng)度，T；

δ——集膚深度，mm。

根據(jù)經(jīng)驗，通常認(rèn)為輪軌貼合處接觸斑空氣隙為0.5 mm。綜上所述，總的電磁吸力可以表示為：

2 基于轉(zhuǎn)向架車輪結(jié)構(gòu)的增壓模型

根據(jù)上述環(huán)繞車輪布置線圈的電磁增壓原理，選擇車輪側(cè)面布置線圈，設(shè)置內(nèi)嵌環(huán)形線圈勵磁模型和外置環(huán)形線圈勵磁模型。內(nèi)嵌環(huán)形線圈勵磁模型如圖3所示。由圖3可知，線圈內(nèi)嵌在車輪輪轂內(nèi)側(cè)且相對車輪保持固定，勵磁線圈通電后可磁化車輪踏面，從而實現(xiàn)對軌道的吸附作用。該方案的優(yōu)點為：利用車輪內(nèi)部空間，不影響現(xiàn)有轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)；回路磁阻較小，在踏面處可獲得一定的磁感應(yīng)強(qiáng)度。

圖3 內(nèi)嵌環(huán)形線圈勵磁模型Fig.3 Embedded ring coil excitation model

外置環(huán)形線圈勵磁模型如圖4所示。在空間電磁場中，考慮到磁感線回路被約束在強(qiáng)鐵磁性材料邊界內(nèi)而不易穿過空氣-鐵磁性材料交界面的情況，選擇將線圈貼近輪軌接觸面，在車輪外側(cè)面外置勵磁裝置。環(huán)形線圈通電后構(gòu)成的磁感線閉合回路A如圖4 b)所示。由于回路中磁阻較小，相同電流激勵下所獲得的磁感應(yīng)強(qiáng)度更大。在輪軌接觸面上，磁感線方向與其法線方向重合，輪軌間電磁吸力的垂向分力最大。

圖4 外置環(huán)形線圈勵磁模型Fig.4 External ring coil excitation model

3 電磁增壓模型仿真

基于Ansoft Maxwell電磁場分析軟件，根據(jù)電磁場原理及實際線路情況向線圈輸入恒定直流電激勵產(chǎn)生恒穩(wěn)磁場，計算電磁場在輪軌間隙位置處的電磁吸力。

3.1 內(nèi)嵌環(huán)形線圈勵磁模型

靜磁場中，對線圈施加10 kAN(安匝數(shù))的直流電激勵，計算獲得軌道所受垂向電磁吸力為114.87 N。通過軟件仿真獲得的內(nèi)嵌環(huán)形線圈勵磁模型磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖如圖5所示，其中導(dǎo)磁外殼厚度為20 mm。由圖5可知，磁感線主要通過導(dǎo)磁殼體導(dǎo)流構(gòu)成回路，導(dǎo)磁殼體截面上的磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到了1.20 T。由圖5 b)可知，該處電磁場畸變突出，磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值達(dá)到了0.12 T。由于輪軌間不存在接觸，軌面其他部分的磁感應(yīng)強(qiáng)度只有0.08 T左右。

圖5 內(nèi)嵌環(huán)形線圈勵磁模型磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖

磁場主要集聚在輪轂內(nèi)側(cè)，由于車輪材料具有強(qiáng)鐵磁性，磁感線不易穿透車輪抵達(dá)軌道軌面，輪軌間隙位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度較低。選擇線圈勵磁直流電區(qū)間3～15 kAN，以1 kAN為步長，獲得輪軌間垂向電磁吸力隨著線圈勵磁安匝數(shù)的變化如圖6所示。由圖6可知，在提供激勵15 kAN的情況下，產(chǎn)生的電磁吸力仍不足300 N。由此可知，內(nèi)嵌環(huán)形線圈勵磁模型對輪軌的增壓效果不明顯，其增加軸重的調(diào)節(jié)效果不顯著。

圖6 內(nèi)嵌環(huán)形線圈勵磁模型中的垂向電磁吸力隨線圈勵磁安匝數(shù)的變化

3.2 外置環(huán)形線圈勵磁模型

靜磁場中，對線圈施加10 kAN的直流電激勵，計算獲得軌道所受垂向電磁吸力為3 979.80 N，其作用效果約是內(nèi)嵌環(huán)形線圈勵磁模型的34倍。通過軟件仿真獲得的外置環(huán)形線圈勵磁模型磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖如圖7所示。磁場在輪軌接觸面上的磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到了0.90 T，在軌面上的磁感應(yīng)強(qiáng)度均勻分布且數(shù)值在0.80 T左右。相比于內(nèi)嵌環(huán)形線圈勵磁模型，外置環(huán)形線圈勵磁模型可對輪軌接觸位置產(chǎn)生更加穩(wěn)定的勵磁作用，輪軌接觸面可獲得較大的磁感應(yīng)強(qiáng)度值，且其磁感線垂直于輪軌接觸面，即該處可獲得最大的垂向電磁吸力，對車輪增壓效果明顯。

圖7 外置環(huán)形線圈勵磁模型磁感應(yīng)強(qiáng)度分布

選擇線圈勵磁直流電區(qū)間3～15 kAN，以1 kAN為步長，獲得輪軌間垂向電磁吸力隨著線圈勵磁安匝數(shù)的變化如圖8所示。由圖8可知，垂向電磁吸力與線圈勵磁安匝數(shù)呈二次函數(shù)關(guān)系，符合電磁鐵電磁吸力簡化模型。對于軸重約為21～23 t的車輛，在10 kAN的線圈直流電激勵作用下, 所提模型可以增加3.5%左右的軸重，在15 kAN的線圈直流電激勵作用下, 所提模型可以獲得7.4%的補(bǔ)充軸重，初步滿足輪軌增壓需求。

圖8 外置環(huán)形線圈勵磁模型垂向電磁吸力隨線圈勵磁安匝數(shù)的變化

4 結(jié)語

本文根據(jù)輪軌現(xiàn)有結(jié)構(gòu)及電磁學(xué)基本原理提出環(huán)形電磁線圈增壓方案。利用電磁線圈磁化車輪，使其對軌道產(chǎn)生垂向電磁吸力以增加軸重，進(jìn)而增大輪軌間的最大制動力。內(nèi)嵌環(huán)形線圈模型充分利用了車輪內(nèi)部空間且相對車輪保持固定，不影響現(xiàn)有轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)。該方案輪軌間隙位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度較低，對輪軌的增壓效果不明顯，對軸重增加的調(diào)節(jié)平衡效果不顯著。外置環(huán)形線圈模型將線圈貼近輪軌接觸面的車輪外側(cè)面。相比于內(nèi)嵌環(huán)形線圈模型，外置環(huán)形線圈可對輪軌接觸位置產(chǎn)生更穩(wěn)定的勵磁作用，輪軌處可獲得較大的垂向電磁吸力，對車輪增壓效果明顯。