（电力系统及其自动化专业论文）高速磁悬浮列车安全制动控制技术研究(1).pdf

a b s t r a e t a b s t r a c t m a g l e vv e h i c l eh a sb e c o m e o n eo f t h er e s e a r c hf o c u si nh i g h s p e e dt r a n s p o r t a t i o n i nt h ed e v e l o p e dc o u n t r i e si nr e c e n ty e a r sb e c a u s ei t sg o o ds p e c i a l t i e s ，s u c ha s e a s e m e n t 、s a f e t y 、h i g hs p e e d 、l o wn o i s ea n ds oo n m a g l e vv e h i c l ew i l la l s ob eo n e o f t h eg r e a t e s th i g h - s p e e dr a i l w a yd e v e l o p m e n t si nf u t u r e t h eo b j e c t i v eo ft h i sp a p e ri st or e s e a r c ht h es a f e l yb r a k i n gc o n t r o lt e c h n i q u eo f h i g h - s p e e dm a g l e vv e h i c l e ，a n dt h i sp a p e rb a s e do nt h en a t i o n a lp r o j e c t8 6 3n a m e d “t h eh i g h s p e e dm a g l e vt r a n s p o r t a t i o ne x p e r i m e n tb u i l d i n ga n di n t e g r a t i o nr e s e a r c h ” n l em a g l e vt r a i no f h i g hs p e e dn e e d st ob es a f e l yb r a k i n gc o n t r o l l e d , w h e nt h em a g l e v t r a i nm e e t sa n yt r o u b l e ，i tm u s ts t o pa to n c e ，a n da tt h i st i m ei ti sap r o b l e mt h a th o wt o m a k es l r et h et r a i ni ss a f e l ya n da c c u r a t e l ys t o p p e d b a s e do nt h i sp r o b l e m ，t h i sp a p e r d e s c r i b e st h et h e o r ya n dm e t h o do f h i g h - s p e e dm a g l e vv e h i c l es a f e l yb r a k i n gc o n t r 0 1 i nt h i st h e s i s ，t h ed e v e l o p m e n to fm a g l e vv e h i c l ea n dt h eb r a k i n gs y s t e m so f h i g h s p e e dt r a i na r ei n t r o d u c e df i r s t l yi nc h a p t e ro n e s u b s e q u e n t l y , t h ee d d yc u r r e n t b r a k ei sd e e p l ya n a l y z e di nc h a p t e rt w o i n c l u d i n ge d d yc u r r e n tb r a k et h e o r y 、b r a k i n g e q u i p m e n t 、b r a k i n gc h a r a c t e r i s t i ca n dt h ec a l c u l a t i o no fe d d yc u r r e n tb r a k ef o r c eb y f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) a n da n a l y t i c a lm e t h o d i nc h a p t e rt h r e et h ef r i c t i o n t h e o r y 、a t t r i t i o na n df r i c t i o nb a n da r ea n a l y z e d i nc h a p t e rf o u r , t h eb r a k i n gc o n t r o l s y s t e mo fm a g l e vt r a i ni sd i s c u s s e d ，i n c l u d i n gt h ef o r c ea n a l y z ei nt h es i t u a t i o no f r u n n i n ga n db r a k i n g ，t h es a f e t yb r a k i n gs p e e dc u r v e ，t h ee m e r g e n c ya p p l i c a t i o n v e l o c i t 3 ，- d i s t a n c ec u r v ea n dt h ep r o c e s so fm a g l e vt r a i ne m e r g e n c ya p p l i c a t i o n i n c h a p t e rf i v e ，t h es i m u l a t i o no f m a g l e vt r a i nb r a k i n g c o n t r o ls y s t e mi sd i s c u s s e d ，af u z z y c o n t r o l l e ri sd e s i g n e df i r s t l y , a n dam o d e li sf o u n d e di nm a t l a bs e c o n d l y ，a n df i n a l l yt h e s i m u l a t i o nr e s u l f sa r es h o w e d t h i sp a p e rd o e ss o m er e s e a r c hi nm a g l e vs a f e t yb r a k i n gc o n t r o l ，a n dw i l lg o o df o r t h eh o m e m a d em a g l e vt r a i n k e yw o r d s ：m a g l e vt r a i n , e d d yc u r r e n tb r a k e ，f r i c t i o nb r a k i n g ，f u z z yc o n t r o l ， s a f e t yb r a k i n gc o n t r o l i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：剃 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 亚勇 叩引鹏胭 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 整个人类交通发展的历史是一个速度不断提高的历史，每一种新型交通工 具的出现和重大技术的突破都伴随着速度的显著提高。在过去的1 0 0 年中，汽 车、火车与飞机都在不断刷新其速度的记录，这其中以磁悬浮列车的发展尤为 引人注目。 磁悬浮列车摆脱了轮轨关系的束缚，它以速度高、乘坐舒适、对地形适应 性强、选线较灵活、无污染和与环境兼容等诸多优点受到各国的广泛重视，虽 然磁悬浮列车发展时间不长，但己取得了可喜的成绩，显示出磁悬浮列车强大 的生命力。由于磁悬浮列车良好的乘坐舒适性、安全性、高速、高效以及无噪 声污染等优点，最近几十年成为世界发达国家在高速交通领域的研究热点之一， 并且发展成为一种全新的高速交通系统，近年来，德国与日本都制造出了磁悬 浮列车的原型车i l j 。 我国幅员辽阔、人口众多，中长距离的客运市场潜力巨大。随着国民经济 持续快速发展和人民生活水平的不断提高，我国将继续产生大量的高速客运交 通需求，而我国人均能源资源短缺，不可能完全依靠航空解决大量人员快速流 动的交通需求问题，迫切需要建设和发展与高速客运需求相适应的、可持续发 展的地面高速客运交通体系。1 9 9 1 年底，德国宣布其t r a n s r a p i d 高速磁悬浮铁 路系统技术己成熟，并于1 9 9 7 年4 月决定在柏林和汉堡之间建设一条磁悬浮铁 路，全长2 9 2 k m 。至此，人类在高速客运交通领域又获得了一项新的技术选择。 高速磁悬浮交通系统作为具有最高陆地运行速度并在旅行时白j 上可与航空媲美 的全新交通系统，在国际上引起极大关注，我国也因此将高速磁悬浮交通技术 纳入我国地面高速交通系统的决策研究范围。我国的第一条磁悬浮线路已经在 上海建成并投入使用，全长3 0 公里，连接浦东机场与龙阳路站，目前沪杭线也 j 下在准备当中。 随着速度不断的提高，作为高速列车关键技术之一的制动问题，就成为研 究的重点。与其它列车一样，高速列车也是依靠消耗列车运动产生的动能实现 第1 章绪论 列车的减速与停车。由于高速列车速度快，动能大，依靠单一的制动方式难以 实现在规定时间与距离内的制动要求，因此都是采用多种形式的联合制动方式。 本文所研究的课题就是分析高速磁悬浮列车的涡流制动与摩擦制动理论以及对 制动控制系统的仿真。 1 2 磁悬浮列车在各国的发展 从整个交通的发展历史来看，高速一直是人们不懈追求的目标，铁路交通 作为一种重要的交通方式，当然也不例外。然而传统轮轨列车却由于其自身的 特点和缺陷，在速度的进一步提高上所剩的发展余地已经很小，这是由于轮轨 列车利用的是轮轨j 日j 的粘着力使列车前进，而粘着力的大小不仅与轮轨问的一 压力成正比，而且随速度的上升而减小。因此，高速运行时，粘着力迅速下降， 此时再增大牵引电动机的功率也不能提高列车的速度。实验表明，当列车速度 达到3 0 0 k m h 时，9 0 * , - 9 5 的牵引功率消耗于克服地面空气阻力，当然这是极 不合理的。为了突破这种速度限制，必须要探索一种全新的牵引方式，这就是 非轮轨接触方式的磁悬浮列车。磁悬浮列车最根本的优点是它不受轮轨接触的 粘着限制，同时也具有了其它重要的特点：如舒适、无摩擦、低噪声、易维护、 无污染、对地形适应性强、选线灵活等。由于其轨道特点，磁悬浮列车不会像 轮轨列车一样产生脱轨的现象，因此更加安全。这些优点使磁悬浮列车表现出 了强大的生命力，各国纷纷进行了研究，并取得了可喜的成绩。 1 2 1 在德国的发展状况 自德国人h e r m a n nk e m p e r 在二十世纪三十年代提出电磁悬浮理论后，法、 德、英、日、韩等国纷纷展开研究，并建成多条实验线。 在德国，经过对四种悬浮模式( 气垫悬浮、永磁悬浮、常导悬浮、超导悬 浮) 比较后，最终把常导悬浮作为发展方向，以长定子直线电机为驱动方式， 建成了多代磁悬浮列车，并建成了实验线【2 】。 1 9 7 1 年5 月，建成第一个常导悬浮试验装置，采用短定子直线电机，在6 6 0 m 长的线路上时速达到9 0 k m h 。 1 9 7 1 年8 月，建成t r a n s r a p i d0 2 型常导磁悬浮列车，采用短定子直线 2 第1 章绪论 电机，在9 2 0 m 长的线路上，达到1 6 3 k m h 。 1 9 7 4 年，建成t r a n s r a p i d0 4 型常导磁悬浮列车，采用短定子直线电机， 可乘坐2 0 人，在2 4 0 0 m 长的线路上，达到2 0 0 k m h 的速度。 1 9 7 6 年，型号为h m b 2 的试验车辆，是第一个以长定子直线电机驱动的载 人装置，它达到3 6 0 k m h 的速度。 1 9 8 8 年，建成n m n s r a p i d0 6 型常导磁悬浮列车，采用同步长定子直线 电机，在埃姆斯兰特试验基地开始进行接近于实用的持续运行试验。在3 5 k m 的 线路上，达到4 1 2 k m h 的速度。 1 9 9 3 年6 月，建成t r a n s r a p i d0 7 型常导磁悬浮列车，采用同步长定子 直线电机，在3 5 k m 的线路上，达到4 5 0 k m h 的速度。 1 9 9 9 年8 月，t r a n s r a p i d0 8 号试验系列车型提交给埃姆斯兰特试验基 地( t v e ) ，由3 节车厢组成，最高运行时速5 0 0 k m h 。 自2 0 0 0 年起，开始在国内外讨论备选线路，准备投入商业运用。 2 0 0 1 年1 月关于建设浦东机场磁悬浮高速铁路的合同在中国签字；3 月， 上海项目动工建设。 2 0 0 2 年1 2 月3 lr ，第一条磁悬浮商业试验线上海示范线丌始商业试运 行，运行速度为4 3 0 k m h 。 1 2 2 在日本的发展状况 在日本，早在7 0 年代中期，就认识到了高速磁悬浮铁路的优点，并进行了 有目的的开发工作，主要采用超导磁悬浮的模式。 1 9 6 2 年，开始直线电机驱动、悬浮铁路的研究。 + 1 9 7 2 年，第一辆研制的超导磁悬浮原理车辆问世，该车在4 8 0 m 长的试验 线路上达到了6 0 k m h 的速度。 1 9 7 7 年，建成“磁悬浮铁路宫崎试验中心”，并开始在“t ”型导轨上作走 行试验，试验车型为m l 5 0 0 。 1 9 7 9 年，代号为m l 一5 0 0 r 的无人驾驶试验车达到了5 1 7 k m h 的刨纪录速度。 1 9 8 0 年，车辆m l u 0 0 1 在宫崎试验线“u ”形导轨上丌始走行试验。 1 9 8 7 年，试验车m l u 0 0 2 在宫崎试验设施上做试验运行。载人行驶试验速 度达到3 0 6 k m h 。 3 第1 章绪论 1 9 8 9 年l1 月，m l u 0 0 2 无载人走行速度达到3 9 4 k m h 。 1 9 9 1 年1 0 月，宫崎试验线车辆m l u 0 0 2 发生火灾烧毁。 1 9 9 5 年，具有防火措施的m l u 0 0 2 n 载入走行速度达到4 1 l k m h 。 1 9 9 6 年7 月，“超导磁悬浮铁路山梨试验中心”建成，同年1 1 月，m l x 0 1 试验车开始牵引走行试验。 1 9 9 7 的山梨试验线路，计划全长4 2 8 k m ，先期建成1 8 4 k m 。试验车辆经过 很大的改进，第一组车由三节组成，全长7 7 ，4 m ，可乘坐4 6 人，速度达5 5 0 k m h 。 第二组车由四节组成，全长1 0 1 9 m ，可乘坐7 0 人，速度5 5 0 k m h 。 1 9 9 9 年3 月1 8r ，m l x 0 1 型五节车创造了，5 4 8 k m _ h 的最大速度。同年4 月，5 节车创造了超过3 节车的速度记录，在人工驾驶下达到5 5 2 k m h 的最大速 度。 2 0 0 2 年6 月，新型试验车m l x 0 1 9 0 1 开始试验运行。 2 0 0 3 年6 月，山梨试验线列车累计行驶距离达到3 0 万公里。 1 2 3 其他国家的发展状况 在英国，1 9 7 4 年在德比进行了磁悬浮列车技术试验，采用3 5 m 长，3 吨重 的试验车，在l o o m 长的线路上走行。 1 9 8 4 年，建成伯明翰机场到国际博览会展区的线路，有三辆小型超导磁悬 浮列车往复运行，速度5 0 k m h ，它应用在正式的公共旅客运输上。 另外，加拿大、法国、瑞士等国对磁悬浮技术和驱动技术做了研究，并建 立了相应的试验设施。 ，在8 0 年代，我国一些高校和研究单位开始研究常导型磁悬浮列车，至今己 取得了一定的成果。 1 9 8 9 年3 月，国防科技大学研制成功了磁悬浮试验模型车。 1 9 9 4 年，西南交通大学研制成功我国第一台常导短定子双转向架磁悬浮试 验列车，通过铁道部科技成果鉴定，并在青城山建立了试验线。 2 0 0 0 年1 2 月，“高温超导磁悬浮车”在西南交通大学研制成功。 2 0 0 1 年4 月，常导中低速磁悬浮列车试验线主体工程在国防科技大学完成。 2 0 0 1 年3 月l 目，上海磁悬浮示范线动工建设。 2 0 0 2 年1 2 月3 1 同，上海磁悬浮线路开始试运营。 4 第1 章绪论 磁悬浮列车符合现代交通工具的要求，具有速度快、适应性强、无污染和 乘坐舒适等许多优点，尤其是环境保护问题日益突出的今天，磁悬浮列车和环 境兼容的特点更加突出，一般来说，磁悬浮列车的行车轨道架设在净高约4 5 m 的高处，它既不会切断地形，也不会破坏高大的建筑，磁悬浮轨道下的地面还 可以用于交通和农业生产，所以磁悬浮列车在城市交通中有广泛的应用i i 景。 1 3 列车制动 1 3 1 高速列车制动系统概述 目前世界上的高速列车以法国的t g v ，德国的i c e ，闩本的3 0 0 系列，5 0 0 系列等为代表 3 1 。高速列车的制动装置是在传统轮轨列车制动装置的基础上发展 和丰富起来的，用来满足列车高速制动的要求。综合来说，有以下一些制动装 最：闸瓦制动、盘形制动、电阻制动、磁轨制动、涡流制动。下面简要介绍一 下这些制动方式的制动特性。 1 闸瓦制动 闸瓦制动的允许极限速度为1 6 0 k m h ，在高速列车上只能起到辅助作用，是 作为诸如盘形、再生制动的辅助【4 】。 2 盘形制动 盘形制动的制动盘分轴装式和轮装式。轮装式的制动盘较贵且对运用环境 敏感，因此只用于动车组上，当轴中间的位置要留给动轮传动机构或由于轮对 本身轮径小，轴装盘较小而制动效率不够的情况下才采用轮装式。制动盘表面 采用烧结材料是一项新技术，烧结材料比合成材料具有更高的耐热性并能提高 4 0 的制动能力，前提是制动盘基体必须是高合金钢。研制的第一代烧结涂层在 制动盘上有燃烧斑点，并且磨耗很大，但不像合成材料涂层那样，潮湿时制动 力下降大。经工艺调整，磨耗问题有所好转，但又有了受潮后摩擦特性下降的 缺点。到目前为止，这一问题已经解决，但制造成本昂贵。 3 闸瓦与盘形联合制动 。 采用两种方式同时制动。通过闸瓦对轮对的清扫和打磨作用，可以使轮轨 粘着系数提高，闸瓦制动可承担2 5 的制动力。制动初速度为1 6 0 k m h 时，闸 瓦制动承担的制动力必须降低；制动初速度为2 0 0 k m h 时，则必须完全放弃闸 5 第1 章绪论 瓦制动，以降低踏面过热产生的负面影响。尽量避免使用闸瓦与盘形联合制动 的情况如下： ( 1 ) 装用防滑器后，联合制动不会缩短制动距离。 ( 2 ) 联合制动易使轮对产生滑槽，运行噪声增大。制动初速度为1 4 0 k m h 和1 6 0 k m h 时，在2 5 m 远测量噪声，联合制动要比纯盘形制动噪声高6 d b1 0 d b ， 且明显增加了车辆质量。 4 磁轨制动 磁轨制动的制动力取决于磁铁长度、磁铁对钢轨的吸引力和轨道与极靴白j 的摩擦系数。在速度为2 5 0 k m h 时，制动力达到3 k n 3 5 k n 。每辆车若装4 组 电磁铁，在高速下可实现o 2 5 m s 2 的制动减速度。由于磁轨制动对钢轨磨耗大， 故不作为常规制动方式，只在紧急制动情况下使用。由于极靴与钢轨白j 摩擦阻 力随速度降低而增加，故在速度为5 0 k m h 以下时应禁止使用。每块电磁铁的功 耗约为l k w ，极靴寿命的总制动距离可达2 0 0 0 k m 。磁轨制动与轮轨i 日j 粘着系数 无关，故受气候影n l a j d , 。使用磁轨制动可改善轮轨粘着，其缺点是装备电磁制 动系统需要高额投资和附加每辆车1 5 t 自重【5 】。 5 再生制动与电阻制动 电力机车和电动车组制动时，把牵引电机转换成发电机，可使走行轮对在 无磨耗情况下制动，且制动力调节方便，产生的电能可以通过电阻释放或反馈 到电网。再生制动的缺点是，这种制动要受电网制约，当电网断电时，不能使 用再生制动，再生制动也与轮轨粘着系数有关，但轮轨粘着利用程度相对较好， 可达p = o 1 2 。 ” 6 涡流制动 涡流制动分轨道式和轮盘式两种。轨道式像磁轨制动一样以钢轨为作用对 象，制动电磁铁为沿轨道方向n 极、s 极交互布置。制动时钢轨感应出电流， 由于钢轨感应出的电流和磁场也是交变的，所以能产生制动力，列车动能转换 成热能移入钢轨。图1 1 中曲线l 、2 是电磁铁与轨道7 m mf b j 隙时制动力与速 度的关系，在v = 2 5 0 k m h 时，1 0 0 的励磁( 2 8 k w 的励磁功率) 可产生7 2 k n 的制动力；5 0 的励磁( 1 4 k w 的励磁功率) 可产生4 3 k n 的制动力。涡流制动 对电磁块与钢轨间的气隙很敏感，气隙每变l m m ，制动力变化1 0 ，随着速度 的增加，磁铁与钢轨垂直吸引力增加。这种制动方式无磨耗，无级可调且与轮 轨粘着无关，但有如下缺点： 6 第1 章绪论 ( 1 ) 消耗电能大，必须从列车汇流母线吸取电能； ( 2 ) 钢轨发热，在续发电车密集区段，影响线路稳定性： ( 3 ) 感应电磁场影响轨道通信。 轮盘涡流制动与轨道涡流制动原理相当，只是把感应对象变为镶在轮轴上 的感应制动转子，从而产生轮对上的制动力，难题是散热问题，目i j i 在德国极 少使用1 6 1 。 至 v r 需 蕃 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 制动时初速度( k m h ) 幽磁轨制动和满流制动的制动力与速度的关系 1 3 2 磁悬浮列车制动简述 磁悬浮列车像其他轨道交通车辆一样，也有制动问题。磁悬浮列车基本上 可以不考虑粘着问题，这是磁悬浮列车的一个显著的优点。制动时，可以采用 反向直线同步电机或异步电机的推力来制动，另外附加涡流制动。涡流制动的 基本原理比较简单，利用励磁电磁铁与钢轨或钢圆盘( 简称感应体) 的相对运 动，在感应体中产生感应( 动生或感生的) 电势，产生涡流，使列车的动能变 成感应体中的热能，并通过感应体把热量散发出去，也可解释为由于感应体中 的涡流产生的磁场与励磁电磁体产生的磁场相互作用，气隙中的磁场发生变化， 形成垂直分量与水平分量的作用力，水平分量的作用力与列车的i j 进方向相反， 即制动力【7 】【8 】【9 】。低速时，由于涡流制动产生的制动力比较小，磁悬浮列车要采 用其他措施，把涡流制动改变成异步发电机工作状态以及配合滑块摩擦制动来 7 第1 章绪论 解决。 磁悬浮列车主要采用3 种制动方式： 1 再生制动或电阻制动，一般采用电阻制动； 2 机械制动； 3 涡流制动。 电阻制动和涡流制动是高速时用于制动全程；机械制动是一种滑块制动， 仅在低速制停时使用。涡流制动是只有在紧急制动或者第一套制动装置( 电阻 制动) 失效时采用的一套独立的制动装型1 0 j 。 同时有的学者正在试着开发用于磁悬浮列车的油压制动装置。 1 3 3t r 0 8 车涡流制动系统的结构 磁悬浮列车t r 0 8 的制动系统是由再生制动( 上海磁悬浮列车t r s h a 采用 电阻制动) 、踏板摩擦制动和涡流制动三种制动形式组成，其中再生制动和踏板 摩擦制动是常规制动形式，而涡流制动系统仅在列车发生运行异常时采取的最 后制动措施，是一种安全制动控制措施。 。 磁悬浮列车车载涡流制动系统的组成包括向涡流制动装置提供制动命令的 列车运行控制系统( 即o c s 的部分功能) 、列车车载计算机控制系统、列车车载 检测诊断系统、向涡流制动装置提供电源的列车供电系统( 包括直线感应发电 机和蓄电池后备电源) 、涡流制动控制系统、涡流制动可控励磁电源、制动磁极、 连接支撑机构以及磨耗板、导向轨( 在涡流制动技术中称为感应板，安装在轨 道梁的侧面) 等组成。组成原理参见图1 2 ，结构原理参见图1 3 。 励磁电源的输出电流根据涡流制动控制系统的输出指令可以调整，通过控 制励磁电源的输出电流就可以控制和调整涡流制动装置所产生的制动力。另外， 涡流制动控制系统应当具有检测诊断功能，能够将涡流制动系统的运行状态反 馈给列车运行控制系统( o c s ) 。 8 第1 章绪论 图1 2 涡流制动系统的组成 图i 3 磁悬浮列车涡流制动系统结构原理 9 第1 章绪论 1 4 问题的提出 前面两节主要介绍了磁悬浮在世界各国的发展情况，以及磁悬浮列车的制 动系统，其中德国的t r a n s r a p i d 磁悬浮系统与日本的超导磁悬浮系统是当今世界 两个最先进的高速磁浮铁路系统，它们代表着磁浮铁路技术的最高水平。特别 地，我们针对德国t r 0 8 车的涡流制动系统进行了研究，采用涡流制动，相对于 同本超导磁浮系统的空气动力制动，制动效率高、维护方便( 无磨损) ，且涡流 制动技术是当今机车制动技术的一个发展方向，可以带动我国机车基础技术的 发展。 t r a n s r a p i d 高速磁悬浮系统所采用的制动技术复杂，涡流制动控制困难，且 德国t r a n s r a p i d 磁悬浮铁路是一个非常封闭的技术系统，它采用的各项技术都是 对外保密的。我国要发展高速磁浮铁路，首先应保证磁悬浮列车的运行安全， 避免故障发生时的财产损失，所以要研究磁悬浮列车紧急情况下安全制动的控 制，保证列车准确安全地停靠在前方停车点上。 1 5 本文所做的工作 本文针对高速磁悬浮列车的安全制动控制进行了研究，并做了以下相关工 作： 1 分析涡流制动的基本原理，并对涡流制动力进行了推导。 2 研究摩擦制动原理，以及对摩擦制动中磨损的分析，并对摩擦副做了系 统分析。 ， 3 本文通过对磁悬浮列车的受力分析，建立了磁悬浮列车的动力学模型。 4 采用模糊控制理论控制根据动力学模型建立的涡流制动系统。 1 0 第2 章磁悬浮列下的涡流制动 第2 章磁悬浮列车的涡流制动 2 1 涡流制动原理 1 9 0 6 年，吕登贝格在他的博士论文中提出了涡流效应的理论：如果一立体 导体在磁场内运动，那么在导体内将产生感应电势，在导体内产生电流。因为 在磁场内的运动过程所产生的电流通过导体电阻将产生发热，因而动能被转化 为热能。这样以来动能被减小，因此这种现象可以用于制动i lj 1 2 o 涡流制动装置是由软铁铁心和绕组构成的磁极、可控直流励磁电源、计算 机控制与检测装置以及安装支撑结构等组成。对于轮轨列车系统来说，涡流制 动有两种形式：一种是旋转型电磁涡流制动装置；另一种是线性( 轨道型) 电 磁涡流制动装置。两者都具有一个强大的电磁铁，通过电磁铁和电感应体的相 对运动，将列车的动能转化为电磁涡流产生的热能，达到制动的目的。磁悬浮 列车一般都采用线性涡流制动i i ”。 2 2 涡流制动装置 2 2 1 旋转型电磁涡流制动装置 旋转型电磁涡流制动的电磁感应体是旋转的，电磁感应体可以装在车轴上， 也可以直接装在牵引电机的电根轴头上，或者直接用车轮作电磁感应体，在感 应体单侧或两侧沿圆周方向排列4 g 个电磁铁。旋转型电磁涡流制动仍须经过轮 轨之间的粘着起作用，因此它仍属于粘着制动方式，在铁路车辆上很少采用， 主要用于大型载重卡车上。 根据电磁铁的结构，旋转型电磁涡流制动装置可以分为同极式、叠覆极式 和凸极式( 如图2 1 ) 。同极式结构简单，励磁效率高，磁场对两侧圆盘的吸力 平衡，对于两侧的间隙不敏感；叠覆极式结构也比较简单，励磁效率高：凸极 式一般制动功率可以设计得较大，法国t g v - 0 0 1 高速动车上所采用的就是这种 型式。 第2 章磁悬浮列午的涡流制动 2 2 2 轨道型电磁涡流制动装置 线性( 轨道型) 电磁涡流制动装置是铁道车辆上独特的一种制动装置，它 与旋转型的基本原理相同，但结构却与电磁轨道制动装置相似，是在转向架两 侧的两个车轮之白j 装设一个长度为1 2 0 0 2 0 0 0 m m 的条形磁铁，而电磁感应体则 是钢轨【1 4 】【1 5 l 。制动时，电磁铁被励磁，电磁铁磁极端面与钢轨表面保持至少6 m m 的间隙，由于电磁铁与钢轨相对运动，在钢轨头内产生感应涡流，因而产生制 动力。 涡流制动的励磁电磁铁的磁极沿钢轨轴线作多极分布，即磁极的n 、s 极作 交替地布置，磁极数在4 4 0 范围内选择，因此涡流制动的磁场沿着钢轨方向形 成多个闭合回路。如图2 2 表示出了轨道型电磁涡流制动装置中电磁铁磁极的 布置。 ( a ) 同极式( b ) 叠覆极式( c ) 凸极式 】- 一电磁铁氆板2 一励磁线匿3 一电磁盛应体 图2 ，1 旋转犁电磁涡流制动电磁铁的几种犁式 翻 f 万司1 磷 b 。匕 限 斗。e 扯 j 0 ；。、一 f b f a 7 一下、 ，7 1l 、 圈2 2 线性电磁涡流制动基本原理图 1 2 口嗣 第2 章磁悬浮列车的涡流制动 在列车静止状态( v = o ) 时将会产生垂直于轨面的垂向力。当涡流制动器对 于钢轨作相对运动时( v 0 ) ，将产生一个非恒定磁场，根据电磁感应定理 e = 一彩d t 时变磁通将感应出电压及涡流，此二次涡流的磁场是与制动器的磁场 反向的。磁场迭加的结果使得在运行方向上铁芯前端部分的磁场被削弱，后部 的磁场被加强，从而使垂向力减小，在与运行方向相反的方向上形成一个水平 分力，及制动力e 。 这种制动方式不受轮轨间粘着限制，电磁铁与钢轨不直接接触，不产生摩 擦从而无磨损，。电磁吸力使轴重有所增加从而提高了粘着力。在很大的制动速 度范围内，其制动力均有较好的数值。线性涡流制动的缺点是用电量较大，一 次性投资也较大。但维修保养简单，日常配件备用量也较小。另外，如果利用 动车组电阻制动所发出的电能为线性涡流制动装置的电磁铁励磁，则可能构成 一种经济效益和技术性能均较好的联合制动方式。 由上述可知，线性涡流制动是一种较好的高速列车制动方式。7 0 年代初期， 德国慕尼黑的克诺尔制动器公式首次研制成功了线性涡流制动装置，并与法国 国铁( s n c f ) 一起进行了试验。在巴黎罩昂线上的试验表明，制动效果良好， 但制动力较高的情况下，要求电磁铁有很大的励磁功率，从而温度很高产生 的热量过大，因而未推广使用。1 9 8 5 年，德国铁路研究中心( 明顿) 将陔制动 器装车进行了静止试验与区间运行试验，采用了加强通风冷却的方法以降低温 度，还减小了励磁绕组的电阻值，以降低电磁铁的功率，并于1 9 9 1 年成功地应 用在i c e 高速列车上。 2 3 涡流制动实验系统 2 3 1 概述 涡流制动试验系统的作用主要有以下3 个方面：测量不同速度条件下涡 流制动力的大小，用于分析涡流制动力与速度之间的关系；提供数据用于分 析制动力与气隙大小、磁极数、励磁电流、温升、电磁铁结构、材质等因素之 间的关系；为磁悬浮列车的涡流制动系统设计方案提供实用数据。 整个试验系统包括：模拟制动能量子系统，包括轨道轮、惯性轮，主轴、 轴承、皮带轮等；模拟电磁铁与钢轨之间作用子系统，包括电磁铁和气隙调 】3 第2 章磁悬浮列车的涡流制动 整机构及扇形支架；信息采集及控制子系统，包括拉力和压力传感器、速度 传感器、电流传感器、信号调理电路、研华数据采集卡、工控机以及励磁电源 柜、控制转速的变频器掣1 6 ”】。此外，还包括将轨道轮和惯性轮带到指定速度 的动力装置，包括电动机及传动机构等。 整个试验系统如图2 3 所示。试验控制是由工控机发出的模拟量信号和数 字量信号分别对励磁电源柜和变频器实施控制。励磁电源柜提供励磁电流以产 生励磁磁通。在制动试验开始前，先利用变频器驱动电动机，带动轨道轮使其 转速达到设定值。通过两组传感器测出涡流制动力( 沿轨道轮切线方向) 和电 磁吸引力( 垂直于轮面方向) 。 堂拦貅 1 ( 4 个) 广11 ： 壁壁纠拉盘然叫1 塑 1 ( 1 0 个) l 巴 苤堡亟亟h 互 一电篇卜 ( 4 个) l 流传动系统il 叫车载电源模拟系统 模拟量栉制信 信号 采纂 与处 理控 制箱 2 3 2 涡流制动试验台 图2 3 涡流试验系统原理图 羽f 侣 l 抨 机 涡流制动试验台以轨道轮和惯性轮的转动惯量模拟实际车辆直线运动的动 能，以旋转的轨道轮和扇形结构中电磁铁之间的相互作用模拟实际状况下钢轨 与线性涡流电磁铁的相对运动关系。涡流制动试验台总体设计是将电磁铁置于 轨道轮两侧的扇形支架中，每侧6 个电磁铁，整个支架安装在主轴上，支架可 通过轴承绕主轴旋转。这样设计是为了最大程度地减少重力、摩擦力等对测量 涡流制动力和电磁吸引力的干扰。扇形支架中电磁铁与轨道轮作用力可分解为 沿轨道轮切线方向的涡流制动力和垂直于轨道轮方向的电磁吸引力，因此在这 1 4 第2 章磁悬浮列车的涡流制动 两个方向上分别设置测力传感器。为了便于分别测出电磁吸力和涡流制动力并 使两者不互相干扰，将整个测力机构分成两个部分：测电磁吸引力的拉力传感 器，安装在扇形支架内部，一端固定在扇形支架中，另一端固定在电磁铁上： 测涡流制动力的压力传感器，安装在扇形支架外部的2 个测力座上，其上沿轨 道轮切线方向安装的4 个压力传感器分别项在扇行支架的两边，与涡流制动力 等值的反作用力使得扇形支架摆动，因此压力传感器测出的就是涡流制动力。 1 试验台机械部分 线性涡流制动试验台机械部分是一个须承受因高速旋转和瞬间制动而产生 振动和很大转动惯量冲击的机构，既要求其机械传动部分、电磁铁与轮轨问的 气隙灵活可调，又要求其基座部分牢固可靠。车辆涡流制动试验台系国内首创 结构，结构选型只能参考国外类似试验台资料，结构原理采取以传动轮( 惯性 轮组装和测试轮组装) 能量来模拟机车运行时产生能量的方法，然后通过电磁 铁进行涡流制动。即由一台3 7 k w ，额定转速1 4 5 0 r p m 的电机提供动力，通过 转速比为1 ：1 1 的皮带轮传至主轴上( 惯性轮组装和测试轮组装) 。而产生涡流 制动的是安装在磁轭上的1 2 个电磁铁，磁轭经过测力机构固定在左右支架上， 为了减少阻力，避免不必要能量损失，这套支架安装在可绕主轴旋转的调心轴 承上，为了增加机构的刚性，整个机构座安装在一块重7 吨的底座上，通过地 脚螺栓固定在水泥地面上，使机构稳定可靠【1 8 】【j 9 】。 2 试验台电磁部分 电磁铁的设计是根据t r 0 8 车上励磁线圈的相关参数，并结合本实验台特点 进行分析计算完成的。由于试验台中的电磁铁与反应板之间的相对运动为周期 性的圆周运动，与t r 0 8 车的电磁铁一分为二，将其分布在作圆周运动的反应板 的两侧。为了获得较大的制动力，尽量把6 个电磁铁作横向分布在半圆上的圆 周边缘处( 见图2 4 ) 。这样布景后铁轭的尺寸应该为1 5 0 m m 厚，但是由于制造 加工的原因把原1 5 0 m m 厚的磁极分成了两个部分，其中8 0 m m 厚的材料为电工 纯铁，其余部分为铸钢组成。这样对制动力有所降低，为此把铁心尺寸从原来 的8 0 m m * 1 5 0 m m 改成9 0 r a m * 1 5 0 r a m 。线圈为铜泊导线绕制的泊式线圈，线圈的 匝数与t r 0 8 车的一样，为3 5 0 匝。为了在低速时能进行交流励磁，线圈在一个 心柱上作上下布置，每层1 7 5 匝，两层之间由厚l m m 的绝缘板隔开。导线尺寸 为4 2 0 m m * 0 2 5 m m 的铜泊，导线的绝缘为0 0 3 m m 厚的聚酰亚胺薄膜。 1 5 第2 章磁悬浮列车的涡流制动 2 4 涡流制动的制动特性 圈2 4 磁极分布图 2 4 1 涡流制动低速区的制动特性 涡流制动的物理过程非常复杂，它的理论根据是麦克斯韦方程。下面推导 低速条件下的制动特性方程i 刎【2 】1 2 2 】。 假设电导率盯和相对磁导率以为常数，则 b = t o t ，h ( 2 1 ) 上式表明，磁感应雪正比于磁场强度疗，其中- t o 是磁导率常数。 电流密度- ，正比于电场强度云 ，= 仃罾 为了确定电场和磁场，列出下列方程组： ( 2 2 ) r o t b 一声，拶三：0 ( 2 3 ) 设v 为x 方向的速度，则有方程 1 6 第2 章磁悬浮列车的涡流制动 又 v 丝+ r o t e ：o 苏 d i v b = 0 ( 2 4 ) ( 2 5 ) d i v e ；0( 2 6 ) 最后，每单位面积的力f 由下列l o r e l l z 关系确定 f = 仃e b ( 2 7 ) 设k 是与极距有关的，由磁导率常数和涡流磁铁几何尺寸决定的常数，并 且令： 。 名：一v ( 2 ，8 ) k 这罩是特征速度，在后面的计算中取4 0 0 k r n & 。则制动力r 可以写成下 列简单的关系式： ” f b = k b 2 而 其中，b 为气隙中的磁感应强度。方程( 2 9 ) 即是涡流制动低速情况下的 制动特性方程。可见，停车时的制动力昂等于零，运行时按速度的函数变化。 此时，以还与磁感应b 的平方有关。按式( 2 1 ) b 与磁场强度h 和相对磁导 率胁有关。 当h 正比于励磁电流时，空气中的以大约为1 ，电磁铁中的t z ，大于1 0 0 0 ； 等磁势增大到一定程度时以开始变小，而且会小得多，以后电磁铁达到了饱和 状态。从这个考虑出发可以得出下列结论：在小励磁电流范围内，磁感应强度b 正比于励磁电流上升；在饱和开始时，b 上升的速度减慢：等电磁铁完全处于饱 和状态时，励磁电流的升高不会使b 进一步提高。 同样，气隙( 艿) 的影响也可以用一些简化考虑来表示。由励磁电流i 、单 位长度匝数n 和磁力线长度，( ，= ，n + b ) 得到磁感应强度： h ：型 ( 2 1 0 ) 各段的磁势 第2 章磁悬浮列车的涡流制动 r t = h a t ( 2 1 1 ) 根据磁势定律 y = f h d = 。 ( 2 1 2 ) 其中磁势0 是励磁电流i 和线圈单位长度匝数n 的乘积。因为磁通 m = b a( 2 1 3 ) 其中，a 是磁力线穿过的面积，所以按( 2 1 ) 、( 2 1 0 ) 和( 2 1 1 ) 得到铁( f e ) 中的磁通： 中心：彳n o ，善& ( 2 1 4 ) i f e 根据磁路欧姆定律确定的磁阻为 耻； 根据式( 2 1 4 ) 可以求出铁中的磁阻 气隙中的磁通为 由此得到气隙磁阻 整个磁路的磁阻变成 胄。凡= 瓦i i f e 而 ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 。j ：粤监如 ( 2 1 7 ) l 占 = 岳= 志 c z r m = r m f e + r j ( 2 1 9 ) 根据式( 2 1 6 ) 和式( 2 1 8 ) 得 r 。= 丽l f e + 且i z o a 6 ( 2 2 0 ) 如果假定磁力线穿过空气和电磁铁的面积相同( 即彳凡= a g = a ) ，则得到 1 8 第2 章磁悬浮列车的涡流制动 心：丛! 芷建 p q ”，a 根据式( 2 1 2 ) 和式( 2 1 5 ) 得 巾：旦 r 。 用式( 2 2 1 ) 得到 巾：竺：生：竺q ：丝 弘r 。| 6 + i f e 根据式( 2 1 3 ) 磁感应得 。 口：旦：竺q ：竺：丝：! ：竺q ：竺1 2 4 2 涡流制动高速区的制动特性 ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) 涡流制动实质上是个变边界的三维交变电磁场问题，精确求解此类问题， 一般用有限元法。本文为了得出特性方程的解析法，通过电磁理论建立电磁场 方程求出钢轨中的b ，然后求出钢轨中涡流电流密度，再通过能量守恒定律求制 动力。 电磁场的分析如下：( 1 ) 设电磁铁磁极下的磁场在钢轨的轴向是币弦分和 ( 当列车停止时，这个假设是成立的，但当列车的速度上升后，由于合成磁场 的畸变，所以只能用等效的正弦波代替畸变的波形) ，在钢轨的截面上看作是一 个方波。( 2 ) 由于所研究的问题属于似稳交变的电磁场，所以可以忽略自由电 荷与位移电流，即电磁场方程中的a 别国= 0 ，v c p = 0 式中西一一电位移矢量， c p 一一标量电位。由电磁场理论得： v 2 j 一z 0 4 pa t v 2 j = ( j c o u p ) 2 ( 2 2 5 ) 其中j 一一矢量磁位向量 1 9 一。d =嘶 一 v 有以所 第2 章磁悬浮列车的涡流制动 口一一钢轨的电阻率 一一钢