（机械工程专业论文）轨道车辆非粘着制动技术研究.pdf

摘要 摘要 传统的列车制动形式受列车粘着条件的限制，在高速时，轮轨间的粘着系数下降， 而且粘着系数受线路情况、天气情况的影响较大，单纯依靠粘着制动难以保证高速列车 在规定的制动距离内停车，因此要提高高速列车的制动能力必须采用非粘着制动技术。 本文首先研究了非粘着制动技术之一的磁轨制动技术，介绍了电磁式磁轨制动的基 本概念，研究了电磁式磁轨制动电磁单元的设计计算方法，概略介绍了永磁式磁轨制动 技术。 其次研究了涡流制动非粘着制动技术，通过对线性涡流制动装置的各项技术指标和 应用条件的探讨，结合我国速度设计时速最高的c w 一2 0 0 客车，认为它最适合该客车转 向架的需求，同时提出了涡流制动器的设计方案。 根据电磁式磁轨制动的基本原理和线性涡流制动器的设计方案，分别设计了2 种适 用于c w 2 0 0 客车的制动装置。为了使制动装置时刻保持正常工作状态，设计了制动系 统的电源。 针对本课题设计的经验和心得体会，对全文做了总结并对下一步工作做了展望。 关键词：铁道车辆；c w - 2 0 0 客车：电磁制动；涡流制动；电源 大连交通大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t t h et r a d i t i o n a lt r a i nb r a k et e c h n o l o g i e ss u f f e rf r o mt h et r a i na d h e s i o nc o n d i t i o nl i m i t ， w h e nh i 曲s p e e d ，f a c t o ro fa d h e s i o nb e t w e e nt h ew h e e l t r a c kd r o p s ，m o r e o v e rt h el i n e s i t u a t i o na n dt h ew e a t h e rs i t u a t i o ni n f l u e n c et h ea d h e s i o nc o e f f i c i e n tr a t h e rg r e a t ，i ti sd i f f i c u l t t og u a r a n t e et h eh i , s p e e dt r a i ns t o p p i n gi nt h es t i p u l a t i o ns t o p p i n gd i s t a n c ep u r e l yb y a d h e s i o nb r a k e ，t h e r e f o r ei tn e e d st od e v e l o p et h en o n a d h e s i v eb r a k et e c h n o l o g yt o i m p r o v et h eb r a k et e c h n o l o g yf o rh i g h - s p e e dt r a i n t h et r a c kb r a k em e t h o di sf i r s ts t u d i e di nt h et h e s i s b a s i cc o n c e p t so fe l e c t r o m a g n e t i s m t r a c kb r a k et e c h n o l o g ya lei n t r o d u c e d c a c u l a t i o nm e t h o df o rd e s i g n i n gt h ee l e c t r o m a g n e t i s m i sa l s op r o p o s e d p e r m a n e n tm a g n e tb r a k et e c h n o l o g yi si n 仃o d u c e di nt h el a s tp a r to ft h e c h a p t e r e d d yc u r r e n tb r a k i n gt e c h n o l o g yi ss t u d i e d i ti sr e c o m m e n d e dt h a tt h el i n e a le d d y c u r r e n tb r a k ed e v i c ei sm o s ts u i t a b l ef o rd e s i g n i n gt h eb o g i eo fc w 一2 0 0w h e nc o n s i d e r i n ga l l k i n d so fi t st e c h n o l o g yi n d e xa n da p p l i c t i o nc o n d i t i o n 1 1 1 ed e s i g ns c h e m eo fe d d yc u r r e n t b r a k ed e v i c ei sa l s op r e s e n t e d t w ob r a k ed e v i c e sf o rc w 一2 0 0a r ed e s i g n e d t h ep o w e rs u p p l yf o rb r a k es y s t e mi sa l s o d e s i g n e dt ok e e pt h eb r a k es y s t e mw o r ki ng e a ra l lt h et i m e c o n c l u s i o n sa n df u t u r ew o r ka r eg i v e ni nt h ef i n a l k e yw o r d s ：t r a i n s ；c w 2 ；e l e c t r o m a g n e t i s mt r a c kb r a k e ；e d d yc u r r e n tb r a k e ； p o w e r s u p p l y 一一 一 i i 绪论 绪论 在我国高速铁路的建设进入了一个高速发展的时别1 1 ，高速化不仅对列车的牵引系 统提出了更高的要求，更对列车的制动能力提出了苛刻的要求。传统的列车制动形式包 括空气制动及电气制动，这些制动形势都是通过轮轨间的相互作用产生列车制动时所需 的制动力。这些制动力无论以何种方式产生，均受列车粘着条件的限制，列车的粘着条 件是轮轨制动的极限，而在高速时，轮轨间的粘着系数下降，而且粘着系数受线路情况、 天气情况的影响较大，单纯依靠粘着制动难以保证高速列车在规定的制动距离内停车【2 l ， 因此要提高高速列车的制动能力必须采用非粘着制动技术，以突破粘着极限对列车制动 能力的制约。 目前国际先进的高速列车采用的非粘着制动技术主要有磁轨制动技术和涡流制动 技术两种。 磁轨制动的全称是电磁轨道制动，它是通过安装在车辆转向架上的电磁铁吸附在轨 道上，并使车辆在轮轨上滑行产生的制动。磁轨制动属于非粘着制动，所以制动力不受 轮轨间粘着因数的限制。另外，由于磁轨制动时，电磁铁与钢轨之间的接触摩擦表面远 远大于滚动摩擦表面【3 】，因此，其产生的制动力也数倍于滚动摩擦力，其制动效率也远 远大于闸瓦和闸盘。可以作为一种辅助制动装置，用于粘着力不够高的高速旅客列车的 紧急制动中；也可以用于运行路程复杂多变的城市快轨和城市地铁车辆的常规或紧急制 动过程中。目前磁轨制动技术通过技术引进的方式仅在大连有轨电车及唐山机车车辆公 司为长春生产的- - n 城市有轨电车中得到采用，目前南车集团四方车辆有限公司出口伊 朗的地铁车辆拟采用磁轨制动技术，而在干线铁路尚未得到应用。 电磁轨道制动装置的设计是针对城市轨道车辆在紧急制动时，由于粘着条件的限 制，而产生的制动力不足的问题，而提出的一种解决方案。通过对电磁铁的工作特点的 分析，运用电磁基本定律以及磁路的基尔霍夫定律和电磁方面的理论，合理的进行电磁 铁的磁路设计，进而据此进行装置设计，并最终得出最佳实用制动力下所需的安匝数。 通过合理分析，本设计采用电磁单元的思想进行设计，其具有以下特点：1 ) 能合理的 根据不同车辆的需要，有目的的增减电磁单元的数量，从而得到不同大小的制动力，从 而能提高其通用性能，基于现有转向架构架尺寸设计，不需对转向架重大设计改动；2 ) 更方便维修检测，由于是单元设计，在某个电磁单元出现问题的情况下，可以方便的维 修或者再紧急情况下直接更换；3 ) 电磁单元结构紧凑，空间布置合理，能节约列车底 部空间，减小附加轴重。 大连交通大学工程硕士学位论文 总的来说，该磁轨制动解决了列车在高速制动情况下，由于粘着力不够，而导致的 制动力不足的问题，具有广泛的使用价值和应用前景。且由于其采用单元化设计，适用 范围更广，使用更方便更简单。目前我国乃至世界，列车的速度越来越快，特别是旅客 列车的高速化，对列车制动性能的要求越来越高，可以说制动性能的提高与否是关系到 列车速度是否能顺利提高的关键问题。各种常规制动方式往往受到粘着因数的限制，所 以迫切需要一种突破粘着因数这一瓶颈的限制，而电磁制动方式恰好扮演了这一关键角 色，所以应用前景十分广泛。 涡流制动技术是随着高速列车的快速发展，传统的列车制动系统已经难以满足使 用要求，高速列车的动能比普通列车的大几倍，而高速下轮轨间的粘着系数及闸瓦与 动轮之间的摩擦系数都降低了一个数量级，故高速列车必须采用新的制动体系，电阻 制动技术成熟，而再生制动能回收大部分动能，且制动特性较好。在直流牵引电动机 和交流同步、异步电动机驱动中得到广泛的应用。盘形制动在高速车辆上是必不可少 的，在非粘着的电气制动中，磁轨制动的磨耗大，适用于紧急制动，而轨道涡流制动 在8 0 3 0 0 k m h 速度内，制动特性平坦，制动力大，成为高速列车的一种应用前景广 泛的新技术。 涡流制动的原理早在1 9 世纪法国物理学家f o u c a u l t 就对其进行的阐述，但它真正 做为一项列车制动技术是在上世纪七十年代开始的，最早的是克诺尔制动公司对其进行 研究，目前这项技术最重要的应用是在德国的i c e 3 型高速客车上得以商业使用。所以 可以说，涡流制动技术在客车制动方面还属于一个新兴的技术项目，国内目前的涡流制 动技术还未得到应用。涡流制动的基本原理与磁轨制动的原理相似，绕有线圈的铁心由 直流电源励磁，制动靴通过气动提升缸的作用下降并保持在轨面以上5 7 毫米处，制 动靴与轨面间的空间构成气隙。通过适当的绕组线圈可以获得交替的南极和北极，当列 车运行时，钢轨处于南北极产生的可变磁场之中，根据楞次定律，该磁场在钢轨产生感 应涡流，同时感应涡流又产生感应磁场，阻碍电磁铁磁场变化，感应磁通与电磁铁磁通 相互交替，使电磁铁磁通在列车运行的反方向发生畸变，产生两个力：阻碍运动的水平 制动力和垂直吸力。这种制动力的主要特点就是在高速的速度范围内制动力几乎是不 变。当然涡流制动也有许多需要克服的缺陷。涡流制动的能耗很高，短时间的制动也会 使励磁线圈达到很高的温度。当实施涡流制动的列车连续通过轨道的某一段区域时，钢 轨就会发热，会降低轨枕的稳定性。涡流制动时产生的磁场又会严重影响轨道设备的正 常运作。这些问题都是在我未来论文工作中过程中需要考虑的影响因素。 德国铁路公司的第三代高速列车i c e 3 已采用线性涡流制动装置( w b ) ，试验表明： 由于w b 的制动力在加速时保持着相对稳定，其制动功率与速度近似成正比地增加，对 2 绪论 摩擦制动的热负荷要求有明显降低例如，i c e 3 n 车( 4 0 3 型) 的所有拖车轮对上制动盘 的数量就从3 个减至2 个。高速列车在常用制动控制速度时应采用无磨损方式在科隆 一莱茵高速行车区段，设计在4 0 的下坡道上保持稳定的3 0 0k m h 的行车速度，列 车自动控制系统( l z b ) 控制减速度或停车延滞时间单靠动力制动的制动力是不够的， 拥有w b 的组合制动系统就解决了上述问题【4 l 。 法国已恢复了涡流制动的研究开发，未来几代t g v 歹u 车有可能加装涡流制动机 阿尔斯通公司与法国国营铁路( s n c f ) 开发了称为a g v 的新产品，a g v 歹u 车的第一台和最 后一台转向架上均装有涡流制动。速度在3 5 0 - - 2 0 0k m h 之间时，每台转向架的涡流 制动可以产生2 0 k n 的紧急制动力。常用制动的情况下，制动力可降低到l o k n 。 日本高速电动车组制动时列车动能的8 0 - - 9 7 由电制动负担，3 0 0 系和7 0 0 系电 动车组的动车采用再生制动，拖车采用盘形涡流制动，盘形涡流制动与再生制动具有 同样的特性和功率，根据1 3 本高速电动车组发展适合不同区域、线路、速度的情况， 采用动、拖车编组就可以符合运营功率需要，如为了减少全动车编组功率而重新研制 小功率的牵引电动机，则整列车造价太高，也不适合各动车联挂运营、检修等，在拖 车上应用电制动，即在转向架上安装盘形涡流制动是比较好的制动方案。 国内正在研制高速列车，在制动形式上，动力车设计采用再生制动，拖车则较多使 用机械盘形制动。根据制动功率计算，在3 0 0k m h 以上列车制动功率很大，现有机械 制动盘难以承受，且闸片磨耗也很大。如能在高速区使用涡流制动，在低速或即将停车 时再采用机械盘形制动，则能大大降低盘片磨耗，最大程度节省列车整备和检修时间， 充分利用高速列车运营效率。 涡流制动的作用机理是利用励磁电磁铁与感应体的相对运动，在感应体( 钢轨或 圆盘) 中产生涡流，涡流产生的磁场与励磁电磁铁产生的磁场相互作用，获得的与列 车前进方向相反的作用力分量，即为制动力。从能量的角度，可理解为感应涡流使列 车的动能变成感应体中的热能，通过感应体把热量散发出去。 涡流制动装置又分为线性和盘形两种。 线性涡流制动装置是位于线路钢轨上方，因此安装方案有两种：一是直接安装在车 辆车体底架上，二是安装在车辆转向架构架上。因为要保持电磁铁与钢轨之间的间隙， 为克服车辆振动，安装在车体上的电磁铁可顶压在钢轨表面，电磁铁结构下部安装滑轮。 而安装在转向架上，一般是在弹簧的下部。 线性涡流制动直接作用于钢轨上，制动力不受轮轨粘着限制，无磨耗，并且高速区 域制动力稳定，对列车制动减速有了非常理想的控制。这也是高速列车采用线性涡流制 动装置的先进性所在。线性涡流制动装置涡流制动力是电磁力直接作用在钢轨上，因此 大连交通大学工程硕士学位论文 制动产生的热量会增加钢轨温度，尤其在盛夏季节。对于线路上部结构，特别是桥梁位 置，产生超过预定的容许变形量，线路结构有可能要调整。此外电磁场对线路电信号有 影响，须增加电信号强度，并提高其抗电磁能力。电磁吸力在低速时很大，对转向架结 构有特别要求。 盘形涡流制动器是采用圆盘形感应盘和环状分布的电磁铁及安装机构。电磁钢材料 的感应盘通过盘毂安装在车轴上，涡流电磁铁呈半环状分布在钳形支架两侧板内侧，电 磁铁支架通过插销、螺栓安装在车辆转向架的构架上，电磁铁正好对应着感应盘外环两 侧面。当列车运动时，圆盘形感应盘随着车轴高速旋转，当涡流制动器电源接通，励磁 电磁铁产生磁通，在电磁铁与感应盘的气隙中建立移动磁场，使感应盘内产生感应电动 势与涡流。涡流产生的磁场使气隙中的合成磁场发生畸变，气隙中的磁力线发生倾斜， 在旋转的切线方向产生制动力矩。从能量的观点来看，列车的动能通过电磁铁与感应盘 问的电磁耦合，转化为感应盘的热能，通过辐射、对流、传导逸散到空气中去 5 。 而盘形涡流制动是产生涡流制动力矩，通过轮轨粘着起制动作用，涡流制动力矩稳 定、灵活可调，可用在常用制动工况。其突出优点是无磨耗，可与再生制动同步调整， 对安装要求不高，对线路无影响，适应性广。随着电磁铁制造工艺提高，结构更小巧， 质量更小。在高速列车制动要求中，制动力稳定且可调，大大减小磨耗是至关重要的， 而增加电源和电能消耗的问题与其相比就是次要的了。 盘形涡流制动器和线性涡流制动装置的工作原理、电磁结构和控制系统是一致的， 区别在于电磁铁分别作用在感应盘和钢轨上，以及产生制动力矩和制动力对车辆的作用 方面。由于电磁感应材质对制动力影响较大，研制盘形涡流制动，可以选择最合适材料 的电磁感应盘( 包括电磁特性、热敏性、强度和质量等) ，比线性涡流制动装置只作用在 钢轨上更能取得较好的制动特性。 涡流制动的基本原理与磁轨制动的原理相似，绕有线圈的铁心由直流电源励磁，制 动靴通过气动提升缸的作用下降并保持在轨面以上5 7 毫米处，制动靴与轨面间的空 间构成气隙。通过适当的绕组线圈可以获得交替的南极和北极，当列车运行时，钢轨处 于南北极产生的可变磁场之中，根据楞次定律，该磁场在钢轨产生感应涡流，同时感应 涡流又产生感应磁场，阻碍电磁铁磁场变化，感应磁通与电磁铁磁通相互交替，使电磁 铁磁通在列车运行的反方向发生畸变，产生两个力：阻碍运动的水平制动力和垂直吸力。 这种制动力的主要特点就是在高速的速度范围内制动力几乎是不变。当然涡流制动也有 许多需要克服的缺陷。涡流制动的能耗很高，短时间的制动也会使励磁线圈达到很高的 温度。当实施涡流制动的列车连续通过轨道的某一段区域时，钢轨就会发热，会降低轨 4 绪论 枕的稳定性。涡流制动时产生的磁场又会严重影响轨道设备的正常运作。这些问题都是 在我未来论文工作中过程中需要考虑的影响因素。 大连交通大学工程硕士学位论文 第一章磁轨制动 电磁轨道制动，又简称磁轨制动，是一种减少列车在高速时由于轮轨间粘着系数的 限制而导致制动力效率受到影响的高效制动方式。电磁轨道制动是装载在转向架的制动 电磁铁，通电后，电磁铁的极靴在电磁吸力的作用下与钢轨轨头接触摩擦，产生一定的 摩擦力，从而起到制动作用。其核心部件是电磁铁 6 1 。 电磁轨道制动的特点： 1 电磁轨道制动与其他制动方式不同，不通过轮轨间的粘着起作用，属于非粘着制 动方式。同时由于在制动的过程中不会发生轴重的转移，在一定的意义上，还使轴重稍 有增加，加之制动电磁铁对轨面的清扫作用，是轮轨粘着系数有所增加。 2 缩短制动距离。一般具有电磁轨道制动时，制动距离都可以大为缩减，而且效果 相当显著。 1 1 电磁式磁轨制动 1 1 1 制动电磁铁的功能及结构分析： 1 ： 电磁铁极靴2 电磁铁极靴即是磁路的导体，又是制动摩擦元件，如图1 2 。根据运 用条件所求的制动功率的大小和制动电磁铁的长度，极靴可以是整体式和多节式的。图 1 1 就是 图1 - 1 磁轨制动装置 6 第一章磁轨制动 一个典型的多节式的。 在多节式结构中，两头两对极靴起固定和支撑作用，而中间均为活动的极靴，有一 定的活动量，这样在经过线路轨面不平处或者通过弯道时可以起自动补偿作用，使极靴 与轨面的接触比较好，从而取得较好的制动效果。同时极靴的磨耗也比较均匀和避免了 由于热膨胀而产生制动电磁铁的扭曲变 形。电磁铁极靴在垂直于线路钢轨的方 向由左右相对的两块极靴用连接螺栓连 接而成。每个活结之间有隔板。 2 ： 极头隔离板j 装在每对极靴头的内 侧面。一方面可以保证两极靴头的间距； 一方面可以防止制动时磨耗下来的金属 屑和铁粉塞在两极头间，增加漏磁通， 减少次归制动力。 3 ： 制动线圈架4 和励磁线圈万线圈架 是由黄铜板焊接成h 型的断面的椭圆 形，励磁线圈用玻璃丝包的扁铜线绕制， 以提高填充系数，线圈架与线圈之间衬 有云母片绝缘，以保证高温的绝缘。 图1 - 2 电磁铁结构 1 极头隔板：2 极靴：3 极靴连接螺栓：4 线圈架 5 励磁线圈：6 引出端子 线圈的电气参数的设计取决于设计目的( 在励磁电压下尽可能使电磁铁工作在电磁 材料及钢轨二者的最小饱和磁通密度下) 。磁轨制动都用于紧急制动，制动时间短，所 以励磁线允许较大的电流密度。这样可以节省材料，降低重量。但是却导致绕组发热厉 害，加上制动过程中产生大量的摩擦热( 这种热远大于电流引起发热) ，因而电磁铁的 温度很高。有关资料表明，当初速度为2 5 0 l ( m h 制动后，摩擦表面内2 毫米处温度可达 6 0 0 摄氏度。因此制动电磁铁绕组均采用 h 级绝缘。 励磁线圈用扁铜线绕制，必须要有匝间绝缘。 电磁铁线圈绕组的励磁方法主要有： a 蓄电磁供电：这种供电方式安全可靠，励磁回路亦简单。但是蓄电磁耗功很大， 不经济。它适用于无其他电源的高速客车上。 7 大连交通大学工程硕士学位论文 b 动力供电：对于电动车、电力机车和电传动的内燃机车等有牵引电机的车来说， 制动时，牵引电机作为发电机发电，供给制动电磁铁励磁。这种方法最为经济，一方面 加大了动力制动力，同时又不消耗另外的电能。由于供电电压的控制，供电回路比较复 杂。 c 接触网供电：对于外电源的电动车可以用接触网电源供电励磁。接触网供电的 磁轨制动，其结构复杂，费用高，电压较高，但制动力大，一般用于电气化铁路区段，在西 方国家被普遍应用于各种铁道客车上。 4 ： 导框：它与转向架的立柱配合，以传递制动力。 5 ： 提升缸座用来安装提升缸，每个制动电磁铁通过两个提升缸悬挂在转向架上。 1 1 2 磁轨制动力的影响因数 磁轨制动的制动力f 的计算公式为： f = b 二x s x v 2 l n ( 1 1 ) 试；b - 磁感应强麦 s 摩擦表面积 u 磁轨与钢轨间摩擦系数( 与磁铁材质有关) 真空导磁率 可见，要提高磁轨制动力，可以从提高磁感应强度口和增大磁轨接触面积s 两方面 入手。 1 1 3 电磁轨道制动种类的分析 按磁铁悬挂方式，磁轨制动可分为高悬挂磁轨制动和低悬挂磁轨制动【7 】。高悬挂磁 轨制动一般用于高速列车( 如最高时速为2 8 0 k m h 的城际快车和最高时速为2 0 0 k m h 的 长途客车) ，在列车高速运行中，如果磁铁悬挂过低易被异物打断，具有一定的危险性，故 磁铁距轨道平面一般为1 2 0 , 、, 1 6 0 m m ；低悬挂磁轨制动用于城市有轨电车、地铁列车和轻 轨列车，时速在1 2 0 k m h 以下，运行区间在5 0 - - - 1 0 0 k m 。高悬挂磁轨制动又分上作用和下 作用两种。上作用是指升降风缸活塞上部充气，活塞下移，电磁铁下落制动：下作用是指 升降风缸下部充气，活塞上移，通过传动机构，电磁铁下落制动。 按励磁供电方式，磁轨制动可分为蓄电池供电、接触网供电2 种。蓄电池供电的磁 轨制动，其电气回路简单，安全可靠，分2 4 v 和4 8 v 两种，但蓄电池功耗大，制动力小：接触 第章磁轨制动 网供电的磁轨制动，其结构复杂，费用高，电压较高，但制动力大，一般用于电气化铁路区 段，在西方国家被普遍应用于各种铁道客车上。 本设计是针对大连人有轨电车来进行的，通过上述的阐述分析，可以选用低悬挂 式，接触网供电 1 1 3 电磁单元的设计计算 制动电磁铁电磁单元的计算，是在确定了其几何尺寸，形状，以及所选择的磁导体 材料后进行的。实际上，电磁单元的设计归根到底就是电磁磁路的设计。因此合理的布 置磁路走向，优化电磁单元结构设计，这两方面便成为电磁单元设计首要考虑问题。根 据设计任务要求，在转向架有限的空间内，合理的设计电磁铁的结构，使得在要求励磁 电压下，通过钢轨、气隙间的工作磁路主磁通，尽可能达到钢轨材料的饱和磁通。 在这种条件下，必须首先确定线圈的磁势( 安匝数w i ) ，这是保证在给定条件下所能产 生最大电磁吸力所必须的。 1 1 4 电磁吸力方程式 制动电磁铁磁系统的计算，是在确定了它的形状、几何尺寸以及选择了磁导体的 材料后进行的。必须确定的参数为线圈的磁势，这个磁势是保证给定的吸力( 铁芯与钢 轨之间的力) ( 船回所必需的，按公式： = b 2x s # 2 # 0 f bxs( 1 2 ) = ( 1 ) 在确定磁感应强度时可能要涉及到空气隙的磁感应强度，因此电磁铁系统的磁计 算问题可能是直接计算问题，也可能是要按磁路的克希霍夫定理来计算。 上试也可以改成方便的计算形式： ，= ( 兰一) 2s 公斤 ( 1 3 ) 、50 0 0 、7 式邙：b _ 磁感直强麦( 高斯) s 摩擦面积( 鼍跫紧) 从式中可以看出：要得到大的电磁吸力，就要增加磁感应强度和摩擦表面积。但是 当制动电磁铁的长度一定时，摩擦表面积s 就受到钢轨头宽度的限制，所以主要从磁感 应强度占方面来考虑。其磁通主要是受钢轨材料所限制，极靴材料不会限制磁通。 根据磁路的基尔霍夫第二定律：在任何一个闭合磁路内，各部分的磁压降的代数和 环绕这个闭合磁路的磁势之和，即 尺，10 一= hx l = i xw ( 1 4 ) 9 大连交通大学工程硕士学位论文 o 磁通( 韦伯) l 一磁路长麦( 厘米) r m 磁阻( 1 亭) h 磁场强度( 安匝厘米) i w 磁势 由上式可知，当闭合磁路的结构一定时，虽然磁阻随磁势增加，但是磁势的增加， 能使主磁通则增加。但是磁势增加到某一数值，逐渐使磁路饱和，电磁吸力上升就变缓。 而且励磁电流增大后会导致线圈过热。不过为了改善电磁铁与钢轨面的接触状态，通常 制动电磁铁工作在过励磁状态。 1 1 5 磁路的设计及磁路材料 对于一个高效率的制动电磁铁，与其说是取决于励磁电流，倒不如说关键问题是磁 路的设计。一个电磁铁由励磁磁势产生的磁通主要有两部分：通过工作气隙闭合的磁通 叫主磁通，只有主磁通才产生有效的的电磁吸力。通过励磁线圈以及周围空间而闭合的 磁通叫漏磁通，它是无用磁通。在制动电磁铁的磁路中，凡是通过电磁铁极靴和工作气 隙及钢轨头而闭合的磁通即为主磁通，而通过其它空气隙的闭合磁通，特别是通过左右 两极靴之间的的内侧面，其间距为a 而闭合的磁通则为制动电磁铁的漏磁通。且左右两 极靴之间的漏磁通所占总漏磁通比例相当大。当磁势一定是，总的磁通也基本恒定，若 漏磁通增加，则主磁通减小，导致电磁吸力下降。如果左右两块极靴内侧面距离a 过小， 漏磁通就会增加。而间距过大，虽然漏磁通减小了，但是极靴与钢轨间的摩擦表面积减 小了，仍会使主磁通减小。有关资料表明：间距a 对于一个特定的电磁铁有一个最佳值。 制动时，制动电磁铁与钢轨接触，但并不是一点没有工作气隙。因为在运行中，长 形的制动电磁铁与钢轨不可能完全接触，而即使他们之间存在着很小的气隙，对电磁吸 力的影响也是很大的。表卜1 为制动电磁铁对钢轨间的单位压力与工作气隙和磁势的关 系。从表中的参数可以看出，当气隙有很小的增加时，其影响比磁势增加的影响要大的 多。 表1 - 1 制动电磁铁对于钢轨的单位压力与工作气隙和磁势的关系 工作气隙磁势( 安匝) 2 0 0 0 3 0 0 04 0 0 05 0 0 0 ( 毫米) 单位压力( 公斤厘米2 ) 0 3 2 53 63 84 1 0 2 2 7 53 23 43 6 l o 第一章磁轨制动 0 42 22 52 7 52 9 0 61 8 2 1 2 32 6 5 磁路材料：制动电磁铁的极靴既是磁路的导磁材料，又是制动摩擦元件，因此在选 择极靴材料时，必须从这两方面来考虑。极靴的磁导率高，则在同样的磁势作用下，主 磁通就可以高，从而电磁铁吸力大。因此在某些地方，早期的制动电磁铁选用了碾压低 炭钢。它在低速范围内还是可以的，而速度高时，对钢轨的磨损比较厉害。所以以后就 选用了球墨铸铁。球墨铸铁不论耐磨性和对线路的影响都由于低碳钢，不过导磁率不如 低碳钢。同时目前为了适应高速的要求，研制了组合极靴的制动电磁铁。整个磁路可以 充分考虑导磁性能，而与钢轨接触面磨耗的极靴头部，则充分考虑耐磨性及对钢轨的影 响。如采用球墨铸铁，甚至采用粉末冶金的材料，虽然他的导磁率比较小，但是摩擦系 数高，因此电磁制动力仍然能符合要求。组合电磁铁的电磁制动，由于其极靴的特殊设 计，一般用于1 6 0 2 5 0 l ( m h 的速度甚至更高。 1 2 永磁式磁轨制动 最近几年，推出了一种由永久磁铁来获得制动力的新型磁轨制动。此类制动系统变 得可行，要归功于永磁技术的迅猛发展。通过利用新的合成材料，可将磁f l 皂( b h ) 提高到 最大限度。目前用的稀土磁铁的组成元素是钕、铁和硼的化合物md 2 f e l 4 b ) 。 ok e 公司开发的永磁轨道制动被命名为p ms ( 德语简称，p e r ma n e nt ma g n e t 2 s e hi e n e n br e ms e ) 。它的作用原理和电磁轨道制动相同：制动时将永磁铁放下至轨面，由 于磁铁的吸引力而产生压力，在磨耗板和钢轨间产生摩擦力，由此提供所需的制动力。 详细情况请参考文献 2 3 】。 本章小结 本章主要介绍了电磁轨道制动的基本概念，基本计算公式，并给出了相关的结构图， 为后面章节设计电磁轨道装置打下了良好理论基础，同时介绍了永磁式电磁轨道制动技 术。 大连交通大学工程硕士学位论文 第二章涡流制动 目前，高速列车在制动形式方面，普遍采用多种制动方式组合，制动系统设计尽量 利用电制动，以减少机械制动磨耗，节省列车整备检修时间 7 。作为电制动形式之一 的涡流制动具有优良特性，得到了研究高速交通工具技术界的重视和应用。与其它机械 摩擦式的制动方式相比之下，涡流制动技术的优点是十分明显的。其中最主要的是这种 非摩擦式的制动方式可以避免因高速运行而造成的粘着系数下降的问题，而且没有磨 耗，制动力可调等。另外涡流制动在列车高速时能获得恒定的制动力，有效减小制动距 离，进一步优化运行质量，提高列车的运营效率，改善乘车的舒适度。因此涡流制动技 术是高速列车的一种十分安全有效的制动方式。 2 1 涡流制动技术概述 随着高速列车的发展，对列车制动性能要求越来越高。高速列车在制动形式方面， 普遍采用多种制动方式组合，制动系统设计尽量利用电制动，以减少机械制动磨耗，节 省列车整备检修时间。作为电制动形式之一的涡流制动具有优良特性，得到了研究高速 交通工具技术界的重视和应用。 涡流制动可避免列车高速运行时车轮与闸瓦或盘形制动装置中闸片与制动盘之间 的剧烈摩擦，大幅减少车轮或制动盘等部件的机械磨损，以及噪声、摩擦热应力和维修 工作量。另外涡流制动在列车高速时能获得恒定的制动力，减小制动距离，进一步优化 运行质量，改善乘车的舒适度。 德国铁路公司的第三代高速列车i c e 3 已采用线性涡流制动装置，试验表明：由于w b 线性涡流制动装置的制动力在加速时保持着相对稳定，其制动功率与速度近似成正比地 增加，对摩擦制动的热负荷要求有明显降低。例如，i c e 3 列车( 4 0 3 型) 的所有拖车轮对 上制动盘的数量就从3 个减至2 个。高速列车在常用制动控制速度时应采用无磨损方式。 在科隆一莱茵高速行车区段，设计在4 0 的下坡道上保持稳定的3 0 0k m h 的行车速度， 列车自动控制系统控制减速度或停车延滞时间。单靠动力制动的制动力是不够的，拥有 线性涡流制动装置的组合制动系统就解决了上述问题。 法国已恢复了涡流制动的研究开发，未来几代t g v 歹i j 车有可能加装涡流制动机。阿 尔斯通公司与法国国营铁路( s n c f ) 开发了称为a g v 的新产品。a 6 v 列车的第一台和最后一 台转向架上均装有涡流制动。速度在2 0 0 - - - 3 5 0k l n h 之间时，每台转向架的涡流制动可 以产生2 0 k n 的紧急制动力。常用制动的情况下，制动力可降低至- u i ok n 。 日本高速电动车组制动时列车动能的8 0 - - 9 7 由电制动负担，3 0 0 系和7 0 0 系电 动车组的动车采用再生制动，拖车采用盘形涡流制动。盘形涡流制动与再生制动具有同 1 2 第二章涡流制动 样的特性和功率。根据日本高速电动车组发展适合不同区域、线路、速度的情况，采用 动、拖车编组就可以符合运营功率需要。如为了减少全动车编组功率而重新研制小功率 的牵引电动机，则整列车造价太高，也不适合各动车联挂运营、检修等。在拖车上应用 电制动，即在转向架上安装盘形涡流制动是比较好的制动方案。 国内正在研制高速列车，在制动形式上，动车设计采用再生制动，拖车则较多使用 机械盘形制动。根据制动功率计算，在3 0 0k m h 以上列车制动功率很大，现有机械制 动盘难以承受，且闸片磨耗也很大。如能在高速区使用涡流制动，在低速或即将停车时 再采用机械盘形制动，则能大大降低盘片磨耗，最大程度节省列车整备、检修时间，充 分利用高速列车运营效率。 2 2 涡流制动的基本原理及优劣势 涡流制动的作用机理是利用励磁电磁铁与感应体的相对运动，在感应体中产生涡 流，涡流产生的磁场与励磁电磁铁产生的磁场相互作用，获得的与列车前进方向相反的 作用力分量，即为制动力。从能量的角度，可理解为感应涡流使列车的动能变成感应体 中的热能，通过感应体把热量散发出去。悬挂在列车转向架上的制动电磁铁正对着轨道 面，这与传统的轨道磁力制动系统的安装方位相似。由于轨道涡流制动避免了列车高速 运行时车轮与闸瓦或盘型制动装置中闸片与制动盘之间剧烈的机械摩擦，大幅减少了车 轮或制动盘等部件的机械磨损，以及噪音、摩擦热应力和维修工作量，从而延长了使用 寿命。 轨道涡流制动技术除了无摩擦的优点之外，另一个优点就是在列车高速运行时能获 得恒定的制动力，进一步优化运行质量，改善乘车的舒适度。当列车以较低的速度运行 时还要配合使用常规的摩擦制动。 但是涡流制动在应用中也存在一些问题： 能耗很高：产生lk n 的制动力大约需要4k w 的电能，且随制动电磁铁的温度上升后， 要达到相同的制动力，将使励磁功率增加。 温升：实施制动时励磁线圈达到很高温度，如z 7 0 0 1 歹l j 车，施行1 0 0s n 动的电磁铁 温度达蛰j 2 1 0 ；当实施涡流制动的列车连续通过轨道的某一区段时，钢轨发热会很严 重。 粘着控制：盘形涡流制动仍属于粘着制动方式，轨道涡流制动不受此限制。 对其它设备的影响：制动电磁场将影响某些轨道设备的使用；另外制动时，对轨道 产生一个很大的向上的力。 2 3 设计方案 1 涡流制动器结构设计原则 1 3 大连交通大学工程硕士学位论文 为产生尽可能大的非粘着制动力，这就意味着制动器的长度应该尽可能长，以布置 更多的电磁单元。但制动器是在两轮对之间布置的，其长度就受到轴距限制。所以根据 c w 一2 0 0 转向架的实际情况，考虑两轮对间的距离，设计尽可能长的制动器。 2 电磁单元电磁设计原则 按钢轨材料最大磁通量来确定电磁铁，以保证磁场即可能强。先对整个电磁单元 进行磁路分析，计算磁路各段磁阻，进而确定磁势，按磁势进行电磁铁设计。应保证铁 芯的磁通量高于钢轨的磁通量。 3 涡流制动器悬挂装置设计 悬挂方案：挂在构架上或挂在轮轴上。 构架悬挂：车辆在运行过程中不可避免会出现轻微振动，而两侧车轮的振动幅度不 可能时时相同，于是会出现转向架轻微倾斜，这样就不能严格保证涡流制动器的气隙。 轮轴悬挂：采用这种悬挂方式的话，由于车轴相对于轨面的高度是一定的，气隙容 易保证。但却不能在现有轴箱上进行改动，因为现有轴箱上设有弹性元件，使轴箱不能 时时保证水平，故需改造轴箱。 经过两种方案对照比较，选用比较合理的轮轴悬挂。 4 涡流制动器升降装置设计 涡流制动器的升降是靠升降风缸来实现的。当紧急制动时，升降风缸充气，推动活 塞，使制动器落在离钢轨7 m m 处；而在一般情况下，制动器处于钢轨上方约5 0 r a m 处。而 对于升降风缸的选取，则要对制动器重量以及制动力大小进行计算。然后选取弹簧，进 行风缸结构设计。 5 涡流制动装置传力机构设计 传力机构是把制动器产生的制动力传给转向架的装置，也是整个涡流制动装置受力 的部分，因此在设计中，要时时处处的保证传力机构强度满足要求。设计时传力杆应该 在允许的情况下设计的尽可能结实。 本章小结 本章主要介绍了涡流制动的基本概念，基本计算公式，分析了线性涡流制动器的技 术指标，根据线性涡流制动器的设计原理提出了线性涡流制动器的设计方案，后面章节 将按照本方案进行详细设计。 1 4 第三章c w - - 2 0 0 磁轨制动装置设计 第三章c w - 2 0 0 磁轨制动装置设计 3 1 电磁单元结构、磁路设计计算 设计计算设计到主要尺寸和参数之间的关系可以按以下公式进行初步设计计算i 引。 在本设计要求中，首先假设描述磁场特性的各个量之间有下列积分关系： 全电流定律： , t , g d 7 = f ( 3 1 ) 式中：i 启流皴翻) 卜一积分廓线基本长度( 米) 根据磁力线连续的原则： b d s = 0 ( 3 2 ) 在矢量b 与日之间具有下列关系： b = th( 3 3 ) 式中：百磁癌笾穑泼矢量( w b m 2 ) i 磁场强度矢量( a m ) l t 磁性材料的磁导率 用于计算磁通的公式： = l b d s ( 3 4 ) 式中： ；一袤面缴示 在一定条件下，上述关系可以关系可以表示为磁路的欧姆定律和克希霍夫定律： = 0 ( 3 5 ) _ 一 、一， 舰= w i ( 3 6 ) = 等 ( 3 7 ) ， r m = 古 ( 3 8 ) 式中： 制势r 人) r m 磁阻( h _ ) 大连交通大学工程硕士学位论文 l 磁体长度 u 磁导体的导磁系数 s 磁导体横截面积 根据磁场特性，最经济的磁导体的形状为：磁导体各个截面的磁场强度均相等。但是， 磁导体的布置地位、运用条件和制造工艺无法实现这样的铁芯结构。实际上采用的磁导 体的形状如图3 1 所示。分析表明，铁芯几何尺寸在三根坐标轴是可以度量的。在l 图3 一l电磁铁磁路等效磁阻 2 1 十5 段内，磁场明显不均匀。在3 - 4 段具有最强的漏磁通。在结构方面，铁 芯由若干节极靴组成，每一节由相同的两半身组成。组装后，各节之间具有空气隙。 1 6 第三章c w 2 0 0 磁轨制动装置设计 铁芯的所有这些结构特点很难用积分方程式的计算来表明，这将影响到计算结果的精确 度。由于铁芯横截面相对于纵坐标对称，因此，只要计算一半截面，然后相结果加倍即 可。 建立磁势方程：其目的是为了求出电磁铁正常工作状态下所需的激磁磁势值，也即 求出起激磁线圈所需要产生的的安匝数。 线圈的安匝数可以表示成： i n = ( 肼) 艿+ ( 州) 所+ ( 州) ，= 争+ 日埘三m + 日，三， p o m = lm = l ( 3 9 ) 式邙 l i n 、) ，空气隙的总磁压降 0 i n ) m 铁心回路等i 作磁路的总磁压降 、f 非i 作气隙漏磁的总磁医降 h m l m 铁心回路( 包括铁心柱、极靴、磁轭等) h f l f 非i 作气隙回路 据以上分析对磁体各单元磁路磁势进行初步设计计算： 1 电磁单元各部分尺寸及磁力线分布情况 据表3 - 1 ，考虑到空气隙对电磁铁工作产生的单位压力的影响，本设计中取保守估 计，所以选取较大的空气隙，选用空气隙为1 毫米，根据经验钢轨内部的磁力线长度一 般为6 8 毫米，在长度为6 9 0 r a m 的转向构架上设计适应于城市轨道车辆的电磁制动装置， 各部分磁力线的长度按设计电磁铁各部分结构估计取值1 9 1 。各部分具体估算值如下表： 表3 1 电磁单元各部分尺寸及磁力线分布情关系 单元名称序号磁力线长度单元宽度制动电磁铁在该单 l ( m )a ( m )元的长度l ( m m ) 1 空气隙 1 1 0 32 5 1 0 一3 6 9 0 2 钢轨6 8 1 0 31 0 7 9 5 1 0 3 6 9 0 3 磨耗板4 0 1 0 32 5 1 0 3 6 9 0 4 极靴第一部分3 5 1 0 33 0x1 0 3 6 9 0 5 极靴第二部分6 5 1 0 33 5 1 0 3 6 9 0 6 铁芯6 0 1 0 33 5 l o 一3 6 9 0 1 7 大连交通大学工程硕十学位论文 2 各部分磁性参数计算 考虑到本电磁轨道制动的应用工况条件，假设其各部分的磁感应强度不随电磁铁极 靴发生突变，另外由于制动电磁铁在制动过程中作为机车的辅助制动装置，在紧急情况 下进行制动控制，运行时间短，故暂不考虑电磁铁由于热效应而引起的磁势的变化情况。 本设计要求是在转向架有限的空间内，合理的设计电磁铁的结构，使得在要求励磁 电压下，通过钢轨、气隙间的工作磁路主磁通，尽可能达到钢轨材料的饱和磁通。 从中资料中查得电磁铁各部分饱和磁通密度，分析得限制主磁通大小的主要因数是气隙 和钢轨的饱和磁通密度，通过合理取值，本设计选取钢轨饱和磁通密度为1 2w b m 2 。 因为过钢轨的主磁通为工作磁通，且为饱和磁通，故以通过钢轨，气隙的磁通为基准， 考虑到各部分的漏磁通，通过材料以及磁场强度的不同来对各部分磁通大小的估计，来 确定极靴，磨耗板等部分工作时的磁通密度的大小，进而求出磁势，得出安匝数。 且由于该制动电磁单元具有结构对称关系，故在计算其磁路时，只需对其进行一半 磁路分析计算。 其磁通的大小由于漏磁的关系，从铁芯到钢轨总的趋势是减小的。具体估算过程如 下表3 2 所示。 表3 - 2 磁通与漏磁的关系 按磁导体的各单元的横截向回积磁感应强磁通磁场强度磁势 计算顺序 s = a l ( m 2 ) 度( m w b )h ( a m )u ( 安匝) b ( w b m 2 ) 第一单元空气隙1 7 2 5 1 0 2 1 22 0 6 4 9 6 x1 0 南 1 9 2 0 o = b o s o h o = 岛a o u = 2 风乇 a o = 4 7 r x l 0 7 ( h m ) 第二单元钢轨 1 22 0 6 41 1 9 4 38 1 2 g5 o 唿= 8 0 u = h 0 9 p s = 8 0 0 9 0 1 8 第三章c w - - 2 0 0 磁轨制动装黄设计 第三单元磨耗板1 7 2 5 x1 0 2 1 42 4 1 51 11 4 6 8 5 2 叱= 最最= 峨+ 熊= 1 0 0 0 硒 u = 始 第四单元极靴第一2 0 7 1