軌道交通領(lǐng)域軌道制動(dòng)技術(shù)專(zhuān)利分析

王成 汪煜婷 靳宇

摘要：本文主要介紹了軌道交通領(lǐng)域的軌道制動(dòng)技術(shù)，分析了軌道制動(dòng)各分支的專(zhuān)利申請(qǐng)分布情況，同時(shí)還重點(diǎn)闡述了磁軌制動(dòng)和渦流制動(dòng)需解決的 關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題和解決上述問(wèn)題的措施。

關(guān)鍵詞：軌道制動(dòng);專(zhuān)利申請(qǐng)分布;磁軌制動(dòng);渦流制動(dòng)

前言

軌道制動(dòng)是指制動(dòng)元件與軌道相互作用的制動(dòng)器，軌道制動(dòng)根據(jù)工作 原理可分為機(jī)械類(lèi)軌道制動(dòng)和電磁類(lèi)軌道制動(dòng)兩類(lèi)軌道制動(dòng)方式;其中，機(jī)械類(lèi)軌道制動(dòng)根據(jù)制動(dòng)元件的類(lèi)型又分為剎車(chē)墊制動(dòng)、止輪器制動(dòng)、夾 緊器制動(dòng);電磁類(lèi)軌道制動(dòng)又分為磁軌制動(dòng)、渦流制動(dòng)。

一、軌道制動(dòng)各技術(shù)分支分別在華和全球的專(zhuān)利申請(qǐng)情況

圖 1 示出了軌道制動(dòng)各技術(shù)分支分別在華和全球的專(zhuān)利申請(qǐng)情況。由 圖 1 可以得知在華專(zhuān)利申請(qǐng)和全球?qū)＠暾?qǐng)中，夾緊器制動(dòng)、磁軌制動(dòng)的 專(zhuān)利申請(qǐng)量均位居前二名，其次是止輪器制動(dòng)，剎車(chē)墊制動(dòng)和渦流制動(dòng)的 專(zhuān)利申請(qǐng)量較少，這與各種軌道制動(dòng)分支的結(jié)構(gòu)、性能和應(yīng)用特點(diǎn)相關(guān)。

二、機(jī)械類(lèi)軌道制動(dòng)

2.1 剎車(chē)墊制動(dòng)

剎車(chē)墊制動(dòng)是在列車(chē)需要制動(dòng)時(shí)利用剎車(chē)墊與軌道相互作用產(chǎn)生摩擦，從而幫助列車(chē)快速實(shí)現(xiàn)列車(chē)制動(dòng)，具有能夠有效避免車(chē)廂傾覆的情況發(fā)生，剎車(chē)墊能夠增大摩擦力，提高制動(dòng)效果，且易于更換，維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)。

2.2 止輪器制動(dòng)

止輪器制動(dòng)是在列車(chē)需要制動(dòng)時(shí)利用止輪器作用于軌道和車(chē)輪之間，從而幫助列車(chē)快速實(shí)現(xiàn)列車(chē)制動(dòng)，可以作為一種輔助的緊急剎車(chē)手段。

2.3 夾緊器制動(dòng)

夾緊器制動(dòng)是在列車(chē)需要制動(dòng)時(shí)利用制動(dòng)鉗抱緊軌道的腰部，從而幫 助列車(chē)快速實(shí)現(xiàn)列車(chē)制動(dòng)，不同于閘瓦、制動(dòng)盤(pán)、剎車(chē)墊等摩擦制動(dòng)，具 有不會(huì)對(duì)車(chē)輪和軌道帶來(lái)磨損、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于軌道式起 重機(jī)、繩索車(chē)、單軌車(chē)、礦井卡軌車(chē)等。

三、電磁類(lèi)軌道制動(dòng)

3.1 磁軌制動(dòng)

磁軌制動(dòng)是在制動(dòng)時(shí)通過(guò)把磁鐵吸附在鋼軌上，使磁鐵的極靴與鋼軌 相對(duì)滑動(dòng)來(lái)產(chǎn)生制動(dòng)力，圖 2 示出了磁軌制動(dòng)的結(jié)構(gòu)示意圖。根據(jù)制動(dòng)磁 鐵的種類(lèi)，磁軌制動(dòng)可以分為電磁式（EMB）和永磁式（PMB）兩種。磁 軌制動(dòng)的能量消耗低、制動(dòng)能力強(qiáng)，是目前最適合我國(guó)現(xiàn)有技術(shù)水平和要 求的非粘著制動(dòng)。

磁軌制動(dòng)方式需解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題有兩個(gè)方面：一是如何精確控制 磁軌制動(dòng)器的制動(dòng)力，二是如何控制磁軌制動(dòng)器極靴與鋼軌的磨擦溫度。

（1）如何精確控制磁軌制動(dòng)器的制動(dòng)力

目前，如何精確控制磁軌制動(dòng)器的制動(dòng)力主要采取以下措施：

1）控制磁軌制動(dòng)器的輸入電流，例如中車(chē)唐山機(jī)車(chē)車(chē)輛有限公司在授 權(quán)專(zhuān)利 CN110091889B 示出了一種磁軌制動(dòng)控制系統(tǒng)、方法及磁懸浮列車(chē)，其通過(guò)控制磁軌制動(dòng)器的輸入電流，實(shí)現(xiàn)電磁吸力可調(diào)?？筛鶕?jù)不同的制?動(dòng)級(jí)位要求，輸出設(shè)定的電流大小數(shù)值，施加精確可調(diào)的電磁吸力。

2）優(yōu)化改比值系數(shù)“m”來(lái)改進(jìn)磁軌制動(dòng)器的制動(dòng)性能，例如克諾爾 車(chē)輛設(shè)備（蘇州）有限公司在公開(kāi)專(zhuān)利 CN204978693U 示出了一種磁軌制 動(dòng)器，其在設(shè)計(jì)過(guò)程中引入了系數(shù)“m”，通過(guò)優(yōu)化改比值來(lái)改進(jìn)磁軌制動(dòng) 器的制動(dòng)性能，保證的吸力大小，同時(shí)還能盡可能的減小尺寸空間的需求，系數(shù)“m”是指磁體內(nèi)核的高度 k 和磁體支架高度 h 的比值。

3）控制永磁體軸旋轉(zhuǎn)的角度，例如江蘇大學(xué)在授權(quán)專(zhuān)利 CN102167056B 示出了一種直線(xiàn)型永磁軌道制動(dòng)器，其上部是頂蓋，中間部分的兩側(cè)是側(cè) 板，兩端是端蓋，下部是與軌道接觸的極靴，極靴的正中間固定連接底隔，兩側(cè)板的中間設(shè)有與極靴同向的永磁體軸，通過(guò)控制永磁體軸 13 的旋轉(zhuǎn)角 度，可調(diào)節(jié)制動(dòng)力的大小。

4） 增大極靴與鋼軌的接觸面積，有效增大制動(dòng)力，例如江蘇大學(xué)在授 權(quán)專(zhuān)利 CN102951172B 示出了一種側(cè)滑式磁軌制動(dòng)器增力裝置，其極靴底 部是橫向?qū)挾刃∮阡撥墮M向?qū)挾鹊耐古_(tái)結(jié)構(gòu)，在凸臺(tái)結(jié)構(gòu)的橫向兩側(cè)各設(shè) 置一個(gè)制動(dòng)滑塊，在制動(dòng)滑塊的底部設(shè)置一弧形導(dǎo)軌凹槽，該弧形導(dǎo)軌凹 槽與鋼軌頂面兩側(cè)的過(guò)渡曲面相配;當(dāng)凸臺(tái)結(jié)構(gòu)底面與鋼軌的頂面中間接 觸時(shí)，弧形導(dǎo)軌凹槽與鋼軌頂面兩側(cè)的過(guò)渡曲面緊密貼合，從而能增大極 靴與鋼軌的接觸面積，有效增大制動(dòng)力。

5） 增加磁路中的有效磁通密度，增大磁軌制動(dòng)器的吸力，例如青島四 方車(chē)輛研究所有限公司的公開(kāi)專(zhuān)利 CN104002832A 示出了磁軌制動(dòng)器用隔 板，其通過(guò)設(shè)置的永磁體，直接增加了磁路中的有效磁通密度，增大了磁 軌制動(dòng)器的吸力，在與軌面摩擦因數(shù)不變的情況下，實(shí)現(xiàn)了增大行車(chē)制動(dòng) 力的目的。

（2）如何控制磁軌制動(dòng)器極靴與鋼軌的磨擦溫度

磁軌制動(dòng)器的制動(dòng)過(guò)程是一個(gè)動(dòng)態(tài)的摩擦過(guò)程，它的摩擦制動(dòng)系統(tǒng)由 極靴、鋼軌面和界面膜組成，摩擦把列車(chē)的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，同時(shí)導(dǎo)致鋼 軌與極靴的溫度升高、磨損加劇，對(duì)極靴與鋼軌產(chǎn)生嚴(yán)重的損壞。

目前，控制磁軌制動(dòng)器極靴與鋼軌的摩擦溫度主要采取以下措施：

1 ）噴水冷卻制 動(dòng)器極靴及鋼 軌，例如 江蘇 大學(xué)在授權(quán)專(zhuān)利 CN105083029B 中示出了磁軌制動(dòng)器極靴與軌道溫度控制裝置及控制方法，其通過(guò)在制動(dòng)器極靴的側(cè)面開(kāi)有通水孔，制動(dòng)器極靴底部開(kāi)有噴水小孔，通過(guò)極靴底部噴水小孔可噴水冷卻制動(dòng)器極靴及鋼軌，從而降低了磁軌制 動(dòng)器極靴與鋼軌的摩擦溫度。

2）選擇合適的極靴及鋼軌材質(zhì)，使得極靴及鋼軌具有較好的耐高溫性 能，降低極靴與鋼軌之間的磨損，從而控制磁軌制動(dòng)器極靴與鋼軌的摩擦 溫度。

3.2 渦流制動(dòng)

渦流制動(dòng)是基于渦流效應(yīng)理論而提出的[1]，渦流制動(dòng)是通過(guò)電磁鐵的 磁場(chǎng)與鋼軌或旋轉(zhuǎn)導(dǎo)體的磁場(chǎng)相互作用來(lái)產(chǎn)生制動(dòng)力。目前只有德國(guó)的 ICE3 和法國(guó)的 AGV 采用了這種制動(dòng)方式[2]。一般而言，渦流制動(dòng)一般分 為軌道渦流制動(dòng)和旋轉(zhuǎn)渦流制動(dòng)。軌道渦流制動(dòng)的工作原理如圖 3 所示。

渦流制動(dòng)非常的高效、平穩(wěn)，而且不產(chǎn)生噪音。但是渦流制動(dòng)應(yīng)用于 軌道列車(chē)上時(shí)，渦流制動(dòng)的能耗較高，而且對(duì)軌道信號(hào)和制動(dòng)系統(tǒng)都會(huì)產(chǎn) 生干擾。目前，如何防止渦流制動(dòng)對(duì)軌道信號(hào)和制動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生干擾主要采 取以下措施：

1）設(shè)置擋板屏蔽渦流制動(dòng)磁體，例如 KNORR 的專(zhuān)利 EP0309651A2 示出了鐵道車(chē)輛渦流制動(dòng)裝置，其通過(guò)設(shè)置擋板屏蔽源自渦流制動(dòng)磁體或 源自信號(hào)裝置的傳輸線(xiàn)圈的場(chǎng)使得渦流制動(dòng)磁體在靜止位置或當(dāng)經(jīng)過(guò)信號(hào)裝置的傳感器時(shí)不會(huì)引起不正確的信號(hào)觸發(fā)。

2 ）選擇性 磁屏蔽被安裝到軌道制動(dòng)器 ，例如 KNORR 的專(zhuān)利 DE3842882A1 示出了用于抑制磁性軸計(jì)數(shù)器上的磁性制動(dòng)器的干擾的方法 和裝置，該方法用于在配備有軌道制動(dòng)器的車(chē)輛行駛經(jīng)過(guò)時(shí)避免輪軸計(jì)數(shù) 器上的干擾，軸計(jì)數(shù)器具有橫向布置在軌道的表面下方的磁傳感器，調(diào)諧 到傳感器使用的頻率選擇性磁屏蔽被安裝到軌道制動(dòng)器，磁屏蔽可以具有 至少一個(gè)線(xiàn)圈和作為電兩極元件的電容器或電容器和電感器的網(wǎng)絡(luò)。

結(jié)語(yǔ)

在軌道交通領(lǐng)域軌道制動(dòng)技術(shù)中，考慮到我國(guó)目前的線(xiàn)路狀況，如果 采用渦流制動(dòng)，那將要投入巨資對(duì)鐵路基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行改造，代價(jià)十分昂貴，而磁軌制動(dòng)的能量消耗低、制動(dòng)能力強(qiáng)，是目前最適合我國(guó)現(xiàn)有技術(shù)水平 和要求的非粘著制動(dòng)?？偠灾?，磁軌制動(dòng)能夠彌補(bǔ)粘著制動(dòng)的不足，因 此具有廣泛的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]許淑珍.從高速鐵路看中國(guó)鐵路的發(fā)展[J].內(nèi)江科技，2009，12：125～126.

[2]應(yīng)之丁.渦流制動(dòng)技術(shù)在高速列車(chē)上的應(yīng)用[J].電力機(jī)車(chē)與城軌車(chē) 輛，2004，27（5）：19.22.