永磁磁軌制動(dòng)應(yīng)用及聯(lián)合控制策略研究

姚 明，何 仁

（江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院， 鎮(zhèn)江 212013）

0 引言

隨著列車的不斷提速，尤其是動(dòng)車組在客運(yùn)列車中的大規(guī)模應(yīng)用，我國的鐵路客運(yùn)開始進(jìn)入高速列車的時(shí)代。隨之而來的就是對(duì)列車的安全性提出了更高的要求。目前, 鐵道車輛的主要制動(dòng)方式是粘著制動(dòng)，一般配備有踏面或盤形摩擦制動(dòng)；而在高速列車中，為了避免輪對(duì)踏面被擦傷，其基礎(chǔ)制動(dòng)形式普遍采用了盤形制動(dòng)和電阻制動(dòng)裝置。但這些制動(dòng)方式都屬于粘著制動(dòng)，制動(dòng)力的大小受到粘著系數(shù)的限制；同時(shí)，粘著系數(shù)又隨列車制動(dòng)初速度的增加而下降（圖 1），從而使得制動(dòng)力也相應(yīng)的隨制動(dòng)初速度的增加而減小。此外，高速列車制動(dòng)時(shí)初速度高，具有很大的動(dòng)能，在規(guī)定的制動(dòng)距離內(nèi)要轉(zhuǎn)化并耗散這樣大的能量，單靠傳統(tǒng)的粘著制動(dòng)方式也根本無法完成。這就使得高速列車必須改進(jìn)原有的制動(dòng)方式，采用新的制動(dòng)體系。國外高速鐵路采用直流電機(jī)或同步電機(jī)傳動(dòng)時(shí)，動(dòng)車采用電阻制動(dòng)和盤形制動(dòng)，拖車采用永磁磁軌制動(dòng)和盤形制動(dòng)；采用交流異步電機(jī)傳動(dòng)時(shí)，動(dòng)車采用再生制動(dòng)和盤形制動(dòng)，拖車采用永磁磁軌制動(dòng)和盤形制動(dòng)[1]。在國內(nèi)，根據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)條件, 高速列車的制動(dòng)采用粘著制動(dòng)為主、磁軌制動(dòng)等非粘著制動(dòng)為補(bǔ)充的聯(lián)合制動(dòng)系統(tǒng), 是一種經(jīng)濟(jì)效益和技術(shù)性能較好的制動(dòng)系統(tǒng)。

圖1 列車行車速度與粘著系數(shù)的關(guān)系

磁軌制動(dòng)技術(shù)是近幾十年發(fā)展起來的一種新型制動(dòng)方式，因其原理簡單、無摩擦和高可靠性而在不同的領(lǐng)域都獲得應(yīng)用。它包括電磁軌道制動(dòng)和永磁軌道制動(dòng)兩種形式，其中永磁軌軌制動(dòng)以其不消耗能量、免維護(hù)、高速制動(dòng)性能好等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的重視。同時(shí)永磁磁軌制動(dòng)裝置應(yīng)用于列車時(shí)不影響列車粘著，當(dāng)列車運(yùn)行在高速區(qū)間時(shí)制動(dòng)特性平坦，制動(dòng)力大，因而成為高速列車聯(lián)合制動(dòng)方式中的一種。

1 永磁磁軌制動(dòng)器的優(yōu)點(diǎn)及工作原理

1.1 優(yōu)點(diǎn)

在國外，城市輕型軌道列車上采用電磁軌道制動(dòng)已經(jīng)很多年。其基本結(jié)構(gòu)是在轉(zhuǎn)向架上，同側(cè)兩輪之間正對(duì)鋼軌上方懸掛一條形電磁鐵。制動(dòng)時(shí)電磁鐵勵(lì)磁，強(qiáng)大的吸力將電磁鐵吸于鋼軌表面，電磁鐵極靴與鋼軌表面滑動(dòng)摩擦力即為制動(dòng)力。永磁軌道制動(dòng)相對(duì)于電磁軌道制動(dòng)的本質(zhì)區(qū)別在于，除了開始制動(dòng)時(shí)需要提供驅(qū)動(dòng)永磁軌道制動(dòng)器的能源外，一旦制動(dòng), 永磁軌道制動(dòng)不再需要外部能源。因此，在緊急制動(dòng)過程中, 不需要蓄電池提供能量。當(dāng)列車靜止時(shí)，制動(dòng)仍將有效，而且在無外部能量供應(yīng)的情況下可長期保持；因此它可用于列車停車時(shí)的防溜制動(dòng), 并可取代列車上的手制動(dòng)，從而可以簡化列車制動(dòng)結(jié)構(gòu)，減少所需部件的數(shù)量，并有助于實(shí)現(xiàn)列車的輕量化。此外，由于磁軌制動(dòng)屬于非粘著制動(dòng)，因此其產(chǎn)生的制動(dòng)力不僅與粘著系數(shù)無關(guān)，而且由于永磁體和軌道之間的吸力，反而可以改進(jìn)輪軌間的粘著狀態(tài)，提高粘著系數(shù)，從而增強(qiáng)粘著制動(dòng)力。

1.2 工作原理和結(jié)構(gòu)

影響永磁磁軌制動(dòng)器制動(dòng)能力的因素主要包括永磁體所能產(chǎn)生的磁力大小、和軌道相接觸的磨耗板所使用的材料以及制動(dòng)器的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。永磁體所選用的材料不同，其磁能積也就會(huì)有很大的差別；目前在永磁體中廣泛采用的材料是以釹、鐵和硼等元素組成的化合物[2]，相比以前采用的碳鋼其磁能積提高了五十倍以上，這也使得制造由永久磁鐵來獲得制動(dòng)力的新型磁軌制動(dòng)器變得可行；此外，磁力線通路中的任何空氣間隙都將降低有效磁力（圖2），而永磁磁軌制動(dòng)器最大的空氣間隙出現(xiàn)在磨耗板和軌道之間，因此需要從制動(dòng)器的整體結(jié)構(gòu)上來保證該氣隙最小。在此過程中，磨耗板與軌道摩擦產(chǎn)生的金屬碎屑將會(huì)進(jìn)一步增大氣隙，因此需要在制造磨耗板的時(shí)候選擇合適的材料和結(jié)構(gòu)。同時(shí)，選擇材料的差異將會(huì)影響到磨耗板與鋼軌間的摩擦系數(shù)，從而直接影響制動(dòng)器所能產(chǎn)生的制動(dòng)力的大小。

圖2 磨耗板與軌道間的空氣間隙對(duì)磁力的影響

圖3 直線型永磁制動(dòng)器結(jié)構(gòu)

永磁制動(dòng)技術(shù)在軌道交通的應(yīng)用主要包括旋轉(zhuǎn)型永磁制動(dòng)器和直線型永磁制動(dòng)器兩種形式。由于旋轉(zhuǎn)型永磁制動(dòng)器需要安裝在車軸上來工作，而如今高速列車上粘著制動(dòng)普遍采用安裝在車軸上的盤形制動(dòng)器來提供制動(dòng)力，因此在布置位置上常常和盤形制動(dòng)器相沖突，所以在高速列車上通常采用直線型永磁制動(dòng)器。直線型永磁制動(dòng)器的安裝方式與電磁軌道制動(dòng)器相類似,安裝在轉(zhuǎn)向架的車軸之間，因此可以通過增加永磁體的長度來增加制動(dòng)力。直線型永磁制動(dòng)器組成如圖3所示,由制動(dòng)箱體、磨耗板、傳力導(dǎo)柱、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和懸掛裝置等組成。工作狀態(tài)時(shí)，升降氣缸作用使永磁制動(dòng)器靠近鐵軌。在旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)作用下,永磁體在制動(dòng)箱體中旋轉(zhuǎn)，磁力線在永磁體和鐵軌中形成閉合回路，磁鐵的吸引力使得磨耗板和鋼軌間產(chǎn)生壓力，從而產(chǎn)生摩擦力, 由此提供所需的制動(dòng)力。非工作狀態(tài)時(shí)，升降氣缸作用使永磁制動(dòng)器遠(yuǎn)離鐵軌。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)作用下，永磁體在制動(dòng)箱體中旋轉(zhuǎn)，磁力線被屏蔽在箱體內(nèi)，不通過鐵軌，從而不產(chǎn)生制動(dòng)力。

由于列車在運(yùn)行過程中，有些情況下可能要求制動(dòng)距離較短，此時(shí)就可利用磁軌制動(dòng)參于常規(guī)制動(dòng)或緊急制動(dòng)。同時(shí), 磁軌制動(dòng)系統(tǒng)增加了車輪與軌道的壓力從而也可以增強(qiáng)粘著制動(dòng)的效果。因此，在加速制動(dòng)或緊急制動(dòng)過程中，就會(huì)出現(xiàn)磁軌制動(dòng)與基礎(chǔ)制動(dòng)聯(lián)合工作的情形，此時(shí)就必須對(duì)多種制動(dòng)系統(tǒng)聯(lián)合工作時(shí)的控制策略進(jìn)行研究。

2 聯(lián)合制動(dòng)分析及控制目標(biāo)的確定

由于高速列車制動(dòng)初速度高，其動(dòng)能是常速列車的幾倍,采用單一的輪軌制動(dòng)方式根本無法滿足制動(dòng)距離的要求，因此高速列車在制動(dòng)過程中通常采用盤形制動(dòng)、電阻制動(dòng)、磁軌制動(dòng)、渦流制動(dòng)、再生制動(dòng)等多種制動(dòng)模式相結(jié)合的形式。由于各種制動(dòng)方式均具有不同的特點(diǎn)，如電阻制動(dòng)技術(shù)成熟；再生制動(dòng)能回收大部分動(dòng)能；磁軌制動(dòng)磨耗大,適用于緊急制動(dòng)；盤形制動(dòng)是高速列車主要制動(dòng)方式；渦流制動(dòng)波動(dòng)小，制動(dòng)力矩較大。因此多種制動(dòng)方式協(xié)同工作，可充分發(fā)揮各自的特點(diǎn)，提高列車高速時(shí)的制動(dòng)能力。

列車高速制動(dòng)時(shí)，輪對(duì)粘著系數(shù)下降，盤形制動(dòng)又由于升溫過快過高導(dǎo)致摩擦面間磨損加劇，摩擦系數(shù)不穩(wěn)定，使制動(dòng)效能降低。因此在列車高速緊急制動(dòng)時(shí)，可以利用磁軌制動(dòng)來增加制動(dòng)效能，提高粘著系數(shù)，縮短制動(dòng)距離；當(dāng)列車常規(guī)制動(dòng)時(shí)，則可輔以磁軌制動(dòng)來改善主制動(dòng)器的工作狀況，減少摩擦面的磨損，提高使用壽命；當(dāng)列車停車時(shí),則可用磁軌制動(dòng)來做為列車的駐車制動(dòng)。由此可實(shí)現(xiàn)多種用途，起到簡化制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，保護(hù)盤形制動(dòng)器的目的。

根據(jù)文獻(xiàn)[3]中的規(guī)定，運(yùn)行速度160km/h以上至200km/h的旅客列車其緊急制動(dòng)距離的限值為2000m，而速度大于200km/h的高速列車的制動(dòng)距離現(xiàn)在還未明確限定。根據(jù)此項(xiàng)規(guī)定，可以確定速度為200km/h的高速列車緊急制動(dòng)時(shí)的控制目標(biāo)為：

3 聯(lián)合制動(dòng)策略的制定

根據(jù)以上分析，聯(lián)合制動(dòng)的控制策略可以分成以下三個(gè)部分：

1）第一部分（Ⅰ）：緊急制動(dòng)過程

此階段由于需要滿足制動(dòng)距離的強(qiáng)制要求，因此需要多種制動(dòng)方式同時(shí)工作，并且達(dá)到最大的制動(dòng)能力；此時(shí)磁軌制動(dòng)也需要充分發(fā)揮其制動(dòng)效能，從而起到提高粘著能力縮短制動(dòng)距離，的作用。

2）第二部分（Ⅱ）：常用制動(dòng)過程

此階段沒有強(qiáng)制限定制動(dòng)距離，而且從列車的乘坐舒適性考慮，制動(dòng)強(qiáng)度相對(duì)較低，因此通常盤形制動(dòng)器就可以滿足制動(dòng)要求；此階段磁軌制動(dòng)器可發(fā)揮部分的制動(dòng)能力，從而改善主制動(dòng)器的工作狀況，減少摩擦副的磨損，提高使用壽命。

圖4 聯(lián)合制動(dòng)控制過程示意圖

圖5 整個(gè)控制策略流程圖

3）第三部分（Ⅲ）：駐車制動(dòng)過程

此時(shí)列車處于靜止?fàn)顟B(tài)，磁軌制動(dòng)器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的手制動(dòng)實(shí)行防溜制動(dòng)。為了保證列車駐車可靠，此時(shí)磁軌制動(dòng)器應(yīng)該發(fā)揮最大制動(dòng)效能。由于此時(shí)磨耗板與鋼軌間沒有相對(duì)滑動(dòng)，故駐車制動(dòng)對(duì)磁軌制動(dòng)器不產(chǎn)生磨損和熱量。同時(shí)，制動(dòng)施行后不需外部能量供應(yīng)，因此可以長時(shí)間的可靠制動(dòng)。

駐車制動(dòng)時(shí)，只單獨(dú)采用磁軌制動(dòng)方式；其他情況下則采用多種制動(dòng)方式的聯(lián)合制動(dòng)；緊急制動(dòng)時(shí)，各種制動(dòng)方式制動(dòng)強(qiáng)度達(dá)到最大，常用制動(dòng)時(shí)，則根據(jù)列車運(yùn)行工況進(jìn)行調(diào)整。

圖4是聯(lián)合制動(dòng)控制過程示意圖，圖5是整個(gè)控制策略流程圖。

4 采用聯(lián)合控制后列車制動(dòng)距離分析

采用上述控制策略后，可以通過計(jì)算緊急制動(dòng)距離來對(duì)比采用磁軌制動(dòng)器前后的制動(dòng)距離的變化。根據(jù)文獻(xiàn)[4]提出的列車緊急制動(dòng)距離限值的核定原則及方法，輪軌式高速列車緊急制動(dòng)距離的計(jì)算可以按式(2)進(jìn)行。

式中，SX為緊急制動(dòng)距離計(jì)算值（m）；Sk為緊急制動(dòng)空走距離（m）；Se為緊急制動(dòng)有效距離（m）； Δ為安全距離（m）；tk為緊急制動(dòng)空走時(shí)間（s）；vmax為允許的最高運(yùn)營速度（km/h）；v為列車實(shí)際運(yùn)行速度（km/h），緊急制動(dòng)時(shí)按照v=vmax/2進(jìn)行簡化處理[5]；γ為回轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù)；μb為制動(dòng)粘著系數(shù)；ω為列車單位基本阻力（N/kN）；α為非粘制動(dòng)力與粘著制動(dòng)力的比值，即非粘制動(dòng)比例系數(shù)； x為粘著系數(shù)利用程度。

在式(2)中，通過系數(shù)α考慮了磁軌制動(dòng)等非粘制動(dòng)方式對(duì)制動(dòng)距離的貢獻(xiàn)，當(dāng)只使用粘著制動(dòng)時(shí)，取α=0，而當(dāng)需要采用非粘制動(dòng)方式時(shí)，α=0.1～0.2，最高可取到0.4。

以X2000擺式電動(dòng)車組為例，根據(jù)該型列車的相關(guān)參數(shù)[6]，計(jì)算列車以最高運(yùn)行時(shí)速200km/h進(jìn)行緊急制動(dòng)時(shí)的制動(dòng)距離，表1為公式(2)～(4)中的各系數(shù)取值；表2為x及α分別取不同值時(shí)的緊急制動(dòng)距離。

表1 緊急制動(dòng)時(shí)各系數(shù)的取值

由表2數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)高速列車僅采用粘著制動(dòng)時(shí)，若粘著系數(shù)利用程度x=0.9，此時(shí)列車緊急制動(dòng)距離剛好滿足文獻(xiàn)[3]中規(guī)定的要求(Sx=1966m)；一旦粘著制動(dòng)系統(tǒng)不能可靠工作且磁軌制動(dòng)系統(tǒng)不參與工作（x=0.8，α=0），由表2數(shù)據(jù)可得該工況下列車的制動(dòng)距離Sx=2177m，將顯著超過制動(dòng)距離2000m的限定要求。若此時(shí)能引入磁軌制動(dòng)（x=0.8，α=0.1），制動(dòng)距離則能基本滿足要求（Sx=2004m）。若進(jìn)一步提高磁軌制動(dòng)的比例系數(shù)（x=0.8，α=0.2），則制動(dòng)距離可以進(jìn)一步縮短（Sx=1860m），完全滿足限定值要求。由此表明，相比單一粘著制動(dòng)，采用聯(lián)合制動(dòng)后，列車的制動(dòng)距離有顯著縮小，說明磁軌制動(dòng)作為輔助制動(dòng)可有效的發(fā)揮作用。

表2 緊急制動(dòng)距離計(jì)算值 單位：m

5 結(jié)論

高速列車的制動(dòng)系統(tǒng)是一個(gè)多部件，多種制動(dòng)方式相結(jié)合的系統(tǒng)，它的動(dòng)態(tài)特性復(fù)雜，并且制動(dòng)性能直接影響整車的性能和行駛的安全性。采用磁軌制動(dòng)系統(tǒng)作為輔助制動(dòng)方式，可以有效的縮短制動(dòng)距離，緩解主制動(dòng)方式的工作狀況，提高制動(dòng)系統(tǒng)使用壽命。多制動(dòng)系統(tǒng)的聯(lián)合控制，則可使多種制動(dòng)方式協(xié)同工作，發(fā)揮相互的互補(bǔ)作用，提高列車的制動(dòng)安全性和行駛可靠性。

[1] 何仁,牛潤新.永磁磁軌制動(dòng)技術(shù)在軌道交通中的應(yīng)用[J].中國安全科學(xué)學(xué)報(bào),2007,17 (1 ):167-171.

[2] 范燕.永磁軌道制動(dòng)[J].國外鐵道車輛,1997(5):34-37.

[3] 中華人民共和國鐵道部.列車牽引計(jì)算規(guī)程[M].北京:中國鐵道出版社,1999.

[4] 黃問盈,楊寧清,黃民.我國鐵道列車緊急制動(dòng)距離限值核定原則的探討[J].中國鐵道科學(xué),2003,24 (1):79-87.

[5] 陳士全,孫中央.列車制動(dòng)距離計(jì)算方法的簡化[J].鐵道機(jī)車車輛,2000(2):28-29.

[6] 孫中央.列車牽引計(jì)算規(guī)程實(shí)用教程[M].北京:中國鐵道出版社,1999.