轨道交通车辆电磁制动技术开发与研究.doc

装订线轨道交通车辆电磁制动技术开发与研究1前言交通运输市场竞争的日益激烈促使高速列车的快速发展。随着运行速度的提高，高速列车对制动的要求也越来越严格。要保持高速列车安全运行需要研究先进的制动方式和制动系统部件。高速列车制动的初速度高，在规定的制动距离内转化并耗散巨大的列车动能，制动系统要求有很高的制动功率，任何一种单独的机械或电气制动系统均难以完成。因此高速列车多采用组合制动方式包括采用机械制动加上电磁制动。地面轨道交通车辆为保证地面运行安全，对制动要求提出更高要求。如现在大力发展的低地板轻轨车辆要求制动减速度达到1.4m/s2以上，因此须加装电磁制动。机械摩擦制动磨耗大，维护工作量大，维修费用高，不符合现代维修管理的要求。所以高速列车在制动形式方面，应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包括电磁制动。电磁制动一般包括磁轨制动和涡流制动。在高速列车运用过程中，由于磁轨制动作用钢轨，对钢轨和转向架冲击太大，因此国外发展高速列车电磁制动重点在涡流制动方面。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，减少制动距离，进一步优化运行质量，改善行车舒适性。制动力矩的大小可通过控制励磁电流来调节，易实现自动控制，且响应时间短，无明显时间滞后。涡流制动具有的这些优良特性，得到了研究高速交通工具技术界的重视和应用。以日本的高速电动车组为例，其100系、300系、700系车均采用了电气制动与机械制动相配合的方式，其中拖车的电气制动采用了圆盘涡流制动器。根据日本新干线实际使用情况，圆盘涡流制动器的采用可将机械制动器衬垫的更换周期从2万-3万公里提高到45万-60万公里（约一年）；圆盘涡流制动功率与动车电气制动功率的配合，可使列车运行平稳，减少撞、拉钩现象；除了可使机械制动器的保养费用大大降低外，设计合理、制作工艺考究的圆盘涡流制动器基本上可免维护运行。德国铁路公司的第三代高速列车ICE3已采用线性涡流制动装置(WB)。2002年8月1日ICE3列车在科隆-莱茵/美因这已高速行车线路区段投入商业运行的时候，直线涡流制动装置就运用在德国铁路公司（DBAG）的系列机车车辆中，并在300Km/h的速度、40的坡度上首次得到应用。试验表明：由于WB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，单电压系统的ICE3列车(403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，在科隆至莱茵高速行车区段，设计在40的下坡道上保持稳定的300kmh的行车速度，列车自动控制系统(LZB)控制减速度或停车延滞时间，单靠电气制动的制动力是不够的，拥有WB的组合制动系统就解决了上述问题。图1 线性涡流制动装置在ICE3“半全列”中的分布法国已经恢复了涡流制动的研究开发，未来几代TGV列车有可能加装涡流制动机。阿尔斯通公司与法国国营铁路（SNCF）开发了称为AGV的新产品。AGV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350200km/h之间时，每台转向架的涡流制动可以产生20kN的紧急制动力。常用制动的情况下，制动力可降低到10kN。日本高速电动车组制动时列车动能的80%97%由电制动负担，300系和700系电动车组动车采用再生制动、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。根据日本高速电动车组发展适合不同区域线路速度情况，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。国内正在研制发展高速列车，根据制动功率计算，在280km/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电磁制动类型列车电磁制动一般包括磁轨制动和涡流制动。磁轨制动(摩擦式轨道电磁制动)是在转向架的两个侧架下面，在同侧的两个车轮之间各安置一个制动用的电磁铁，制动时将它放下并利用电磁吸力紧压钢轨，通过电磁铁上的磨耗板与钢轨之间的滑动摩擦产生制动力。图 2 磁轨制动装置 涡流制动装置的类型涡流制动是利用在磁场下激发的电磁涡流与磁场耦合产生与物体运动方向相反的洛伦兹力来达到制动效果的。涡流制动可以分为两种形式，一种是线性涡流制动，也称轨道涡流制动，它属于非粘着制动。它利用安装在车辆两侧的条形磁铁励磁，以在钢轨上产生涡流使车辆制动，具有无摩擦，制动迅速的优点。制动状态时，由于电磁铁的N极和S极相对于钢轨运动，在钢轨内产生交变磁场，使钢轨产生涡流。涡流和磁场相互作用，产生一个垂直于钢轨面的吸引力和一个与车辆行进方向相反的制动力。涡流制动力及吸引力与导体的材料、电磁铁的结构和材料、钢轨和电磁铁的间隙及相对运动速度有关。欧洲发展涡流制动主要是这种模式，其主要使用在紧急制动区域，这种形式所占的制动功率比例比较大。 图3 线性涡流制动系统原理另一种是圆盘涡流制动，用它代替机械盘形制动，属于粘着制动。它利用安装在车轴上的圆盘切割磁场产生涡流和洛伦兹力。圆盘涡流制动主要用在常用制动。这两种涡流制动方式在电空制动系统中的应用有所区别。图4 盘形涡流制动系统原理涡流制动装置的制动磁铁可用永磁磁铁或电磁铁，各有利弊，可根据不同场合加以选择。永磁铁的制动力密度高，无电能损耗，能够高效制动，但制动力的大小较难调节，硬件设备也较复杂。电磁铁的制动力密度低，工作时还需要消耗电能，制动效率较永磁铁低，但可以通过调节电磁铁的励磁电流来控制不同情况下的制动力大小，所以电磁涡流制动有着更加广泛的应用。涡流制动形式包括轨道涡流制动和圆盘涡流制动两大类。轨道涡流制动又称线性涡流制动，它也是把电磁铁悬挂在转向架下面同侧的两个车轮之间。不同的是，轨道涡流制动的电磁铁在制动时只放下到离轨面几毫米处而不与钢轨接触。它利用电磁铁和钢轨的相对运动是钢轨感应出涡流，产生电磁吸力作为制动力。它是一种不受轮轨粘着系数限制的制动方式。圆盘涡流制动是在牵引电动机轴上装金属盘，制动时金属盘在电磁铁激发的磁场中旋转，盘的表面被感应出涡流产生电磁吸力，并发热消散于大气，从而产生制动作用。这种制动方式具有无摩擦、无噪声、体积小、制动力大的优点。其消耗的电能比较大，但可充分利用电力制动回馈的电能，这是未来智能型制动方式的一个研究方向。3国内外研究和发展的状况随着高速列车的发展，对列车制动性能的要求越来越高。要满足高速大功率制动要求，有必要进行非黏着制动如轨道涡流制动的研究。我国近几年来也投入了一定的人力财力开展高速列车的研究工作。就高速列车所需的制动方式来看，除应研制功率更大的盘形制动装置及研究提高动力制动技术外，同时也应对加强对非黏着制动如涡流制动的研究。并且，为考察涡流制动的特性，需研制模拟有关条件下涡流电磁铁与轨道相互运动关系的试验台。2000年夏季，参加德国汉诺威世界博览会的游人首次体验了投入商业运营的德国铁路ICE 3型高速列车。ICE 3上的创新零部件是轨道涡流制动，在欧洲，首次被安装在以创收为目的的列车上。涡流制动早已不是一个新概念，但要把摩耗制动变成为现实是困难的。该装置用于ICE 3列车仍然存在着几个难题，且涡流制动只能在某些条件下使用。其作用原理是将轨头作为线性电机的一个反作用件，通过沿绕阻长度反磁极排列的电磁体，在钢轨中感应涡流来产生制动力。电磁铁悬挂于列车转向架位于钢轨正上方，其悬挂方式与传统的磁轨制动相似。除无摩耗外，主要优点是在列车高速运行时能取得相对稳定的制动力。20世纪70年代，法国国营铁路在Z7001型试验性高速动车上进行了大量涡流制动开发工作。实验结果表明：在300km/h200km/h制动初速度下保持制动距离不变，可获得的减速度；低速下则联合使用传统制动。但试验也突出了许多问题，因而以往几代TGV列车都没有加装涡流制动机，法国已恢复了涡流制动的研究开发。相信未来几代TGV列车有可能加装涡流制动机。涡流制动的能耗很高，因此，即使短时的制动也会使励磁线圈达到很高的温度。例如在Z7001型列车上，仅施行100s制动的温度就达到。当实施涡流制动的列车连续通过轨道的某一区段时，钢轨就发热，当温升达到承受极限时相当危险。20世纪80年代，日本在100系动车组上首创了盘形涡流制动机。这一技术在日本铁路中心300系“希望号”动车组上获得了充分运用，涡流制动线圈安装在拖车的各轴上。80年代中期，前德国联邦铁路在城际试验样车上进行过轨道涡流制动试验。试验突出了几个问题，且当时没有降低成本的有效解决办法。问题之一是制动电磁场影响了轨道设备，有时设备遭受严重破坏。这一情况发生在某些计轴器上，在很大程度上限制了涡流制动机在装有轨道电路的线路上运用。第二个问题发生在铺有木质轨枕的线路上。木质轨枕的轨道稳定性比水泥轨枕差。钢轨温升会影响稳定性，不稳定性范围值会更低。因此，在铺有木质轨枕的轨道上，涡流制动仅限于紧急制动情况下使用。即使在诺伊包线路上和在为适应高速列车运行而加固的线路上，频繁使用涡流制动区段仍存在钢轨温升超过规定限度的危险。这就要求车载或轨旁专用设备监测钢轨温度。涡流制动产生1kN制动力大约需要4kW的电能。在ICE样车上，采用蓄电池防止列车供电故障。但存在增重和占用空间的问题。每台转向架上的制动电磁铁重约1.2t，而磁轨制动不足500kg。使用条件涡流制动只能用于基础结构已作改进，达到使用涡流制动条件的线路。重新装备ICE 3线路的工程已开始实施。这就需要更换计轴器、电磁接触器以及车速监测装置。在改进后的线路上，涡流制动就不再仅限于紧急制动了。因为钢轨温度只想当于施行磁轨制动的程度。唯一的例外是两信号间的距离小于1000m，要求速度限制在160km/h。只有轨道能承受列车连续通过的预期温升，涡流制动才允许用于常用制动。采用UIC60型钢轨、B70W型轨枕、钢轨温度不超过、无道喳的平直轨道符合此条件。这种线路通常配有速度超过160km/h使用的LZB型感应列车控制装置。图1 车速在50km/h以上时，涡流制动将提供很大的制动力因此，德国联邦铁路决定，只能在装有LZB的线路上施行涡流常用制动。即使如此，在铺设木质轨枕或对钢轨温度有限制（如桥梁）的区段，也将限制涡流制动的使用。德国联邦铁路打算通过LZB来传输受限路段的详细信息，以防止在受限区域使用涡流制动。ICE 3列车将在下列2种线路上运行：允许使用涡流紧急制动及LZB允许列车无限制使用但有禁止使用涡流常用制动区段的线路。这意味着将有一个过渡阶段，在此期间ICE 3列车必须在特定的规范下运行。自由使用这一有前景的制动技术只能在成为规范的今后。总之，随着列车运行速度的不断提高，对于列车制动的要求也日益提高，单一的制动方式已经越来越不能够满足相应的制动要求。对于其他制动方式的研究已经越来越体现出其必要性和重要性。速列车在采用的制动形式方面，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，以减少在如此大的制动功率下机械制动的剧烈磨耗，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，但在如何具体应用于高速列车方面仍是个非常关键而复杂的难题。涡流制动可避免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。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。日本高速电动车组制动时列车动能的80%97%由电制动负担， 300系和700系电动车组动车采用再生制动、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。根据日本高速电动车组发展适合不同区域线路速度情况，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。德国铁路公司的第三代高速列车ICE3已采用线性涡流制动装置(WB)，试验表明：由于WB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，单电压系统的ICE3列车(403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40的下坡道上保持稳定的300 kmh的行车速度，列车自动控制系统(LZB)控制减速度或停车延滞时间，单靠电气制动的制动力是不够的，拥有WB的组合制动系统就解决了上述问题。国内正在研制发展高速列车，根据制动功率计算，在280km/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。涡流制动设计须考虑的有关方面涡流制动装置结构是根据列车制动系统对涡流制动力要求，进行电磁铁结构设计，同时考虑材料、加工工艺、重量和热量限制要求，对线路的要求。分析确定励磁电流与感应涡流产生的制动力矩的关系是涡流制动器的关键技术。2）电磁铁在持续不变的励磁情况下，制动功率引起轨道发热问题。由于涡流制动所需能量非常大，在ICE3样车上，每产生lkN的制动力，涡流制动装置需要4kW的功率。所以即使是较短时间的制动，其提供能量线圈的温度也会很高。例如法国的Z70O1试验车在仅仅制动了100秒之后，其温度就达到210。因此对线路和桥梁有可能要改造和加强。3）为防止列车供电故障，备用蓄电池，但存在增重和占用空间的问题。德国联邦铁路设计了整体构架使每台转向架的质量减到870 kg。采用牵引电动机的再生功率技术免去了备用电池。4）为克服对计轴器的干扰，在制动磁铁上加装有源天线、改进计轴器、采用三元层状铁心重新设计涡流电磁铁，并采用玻璃钢代替金属外壳。高速线路基础设施须进行专项