現(xiàn)代有軌電車電磁軌道制動方式初探*

現(xiàn)代有軌電車電磁軌道制動方式初探*

裴玉春1，2，吳興東2，王 鵬2，吳海嶺2

（1 同濟大學，上海201804；2 上海龐豐交通設備科技有限公司，上海201802）

對軌道交通車輛非黏著電磁制動方式進行了研究，對國內(nèi)外電磁制動方式的工作原理及優(yōu)劣點進行了調(diào)研。相較于線性渦流制動的電磁吸力影響構架強度且低速時渦流制動力衰減，永磁軌道制動方式以其無電工作、制動力穩(wěn)定等特點，適用于現(xiàn)代有軌電車。

制動系統(tǒng)；永磁軌道制動裝置；黏著；現(xiàn)代有軌電車

制動系統(tǒng)作為城軌車輛的重要系統(tǒng)，直接涉及到車輛的運行性能和安全，影響乘客的乘坐舒適度。傳統(tǒng)的制動系統(tǒng)一般有3類制動裝置，即機械摩擦制動、動力制動（電制動）與非黏著工作方式的電磁軌道制動。

軌道交通運輸系統(tǒng)的路權分為專用路權、隔離路權及共用路權等3種型式。有軌電車部分地面路段采用隔離路權，以柵欄或高低差與其他車流隔離，具半獨占性；有軌電車在平交道口采用共用路權，在街道上軌道與一般車流混合，為非獨占性路權［1］。

在實際應用上，有軌電車系統(tǒng)大都根據(jù)當?shù)丨h(huán)境現(xiàn)況，采用多種路權型式混合設計。由于有軌電車大多在街道上穿行，遇到意外情況需要以最快的速度停車，而露天的軌道會因天氣潮濕、油污灑落、樹葉覆蓋等環(huán)境影響降低軌面黏著條件。因此，歐洲國家規(guī)定這種在街道上運行的車輛必須附加一套與輪軌黏著力無關的制動裝置，以在緊急制動時提高減速度，確保安全，這種制動裝置大多為電磁軌道制動器［2］。電磁軌道制動器主要有兩種形式，渦流制動和磁軌制動。根據(jù)電磁制動的制動力施加型式分為旋轉型和直線型，其中旋轉型是通過車輪施加制動力，屬于黏著制動；直線型是直接在軌道與轉向架之間作用，屬于非黏著制動。

由于渦流制動造價高、低速區(qū)段制動力下降等原因［3-4］，目前僅在個別高速列車上應用，而進行有軌電車的制動方式選擇時，也不會考慮渦流制動，本文重點論述磁軌制動。

1　磁軌制動

圖1　磁軌裝置組成

磁軌制動技術是近幾十年發(fā)展起來的一種新型制動方式，因其原理簡單、構造簡單、維修量少和高可靠性而在不同的領域都獲得應用［5］。磁軌制動裝置如圖1所示，主要由電磁本體、傳力機構、升降風缸或彈簧等懸掛機構、極靴磨耗板等組成。磁軌制動是在轉向架兩個側架下面同側的兩個車輪之間各安裝一個電磁鐵，利用升降氣缸或彈簧進行懸掛安裝，利用定位裝置使得橫向搖擺限于最小程度并傳遞制動力。制動時將它放下并利用電磁吸引力使其緊壓在鋼軌上，不但不會引起軸重轉移，反而在制動時使軸重稍有增加，對黏著制動有利；同時制動時電磁鐵對鋼軌表面有機械清掃作用，特別是雪天或軌面被污染時可將軌面清理干凈，改善了輪軌黏著，使得車輪和軌道間的黏著力增加，減少了高速滑行的危險。磁軌制動的環(huán)境適應性也很好，在大雨和冰凍以及低溫的惡劣天氣條件下也能可靠地工作。通過磁鐵上的磨耗板與鋼軌之間的滑動摩擦產(chǎn)生制動力，把列車動能變成熱能耗散在空氣中，從而達到制動的效果。極靴做成特殊形狀的前段部分，可以平穩(wěn)地通過鐵軌的道岔，部分設計中采用分離式極靴，增加對軌道表面的適應性。磁軌制動的制動力取決于磁鐵長度、磁鐵對鋼軌的吸引力和軌道與極靴間的摩擦系數(shù)。根據(jù)磁場源的不同，分為勵磁軌道制動和永磁軌道制動兩種形式。

1.1勵磁軌道制動

勵磁軌道制動首先用于城市有軌電車。在國外，城市輕型軌道列車上采用勵磁軌道制動已經(jīng)很多年。勵磁軌道制動是利用電磁鐵勵磁后與鋼軌吸合電磁鐵的極靴壓在鋼軌上與鋼軌產(chǎn)生摩擦的制動方式，這種制動方式最大的好處是不受黏著的限制，電磁鐵通常安裝在轉向架的兩個輪對之間，吊掛在轉向架上，如圖2所示。電磁鐵在有軌電車上可由接觸網(wǎng)獲得電能，也可由蓄電池供電，勵磁線圈可以選擇橫向或縱向繞制。根據(jù)前蘇聯(lián)在PT200、ЭP200型高速列車及ПЭ3、ПЭ2M、ОПЭ2、СПЭ1А型動車組上應用的經(jīng)驗，磁軌制動裝置與踏面或盤形制動裝置配合使用時，可縮短制動距離40%。為了拆卸維護方便和提高極靴與軌道的接觸面積，有些采用多節(jié)結構極靴［6］，計算吸力在76.35～77.08 kN/m，質量在178～189 kg/m。根據(jù)knorr公司針對地鐵、有軌電車、礦石列車、市郊列車及準軌列車等不同應用場合，有多種型號［7］，吸力在52～83.64 kN/ m，質量在127.5～207.5 kg/m。

圖2　勵磁軌道制動裝置線圈布置圖

1.2永磁軌道制動

永磁軌道制動相對于勵磁軌道制動的本質區(qū)別在于其動力源是永磁體固有的磁場而非勵磁線圈產(chǎn)生的磁場，除了開始制動時需要提供驅動永磁軌道制動器的能源外，一旦制動，永磁軌道制動不再需要外部能源。因此，在緊急制動過程中，不需要蓄電池提供能量，可提供安全制動功能。當列車靜止時，制動仍將有效，而且在無外部能量供應的情況下可長期保持。因此，它可用作列車坡道防溜的停放制動，實現(xiàn)有軌電車要求在黏著條件很差的情況下能在80‰的坡道上可靠停車，并可取代列車上的彈簧蓄能式機械停放制動，從而可以簡化列車制動結構，減少所需部件的數(shù)量，并有助于實現(xiàn)列車的輕量化。由于結構簡單，磁軌制動裝置無需清潔作業(yè)，可大大減少維修費用，國外DD-IRM車使用的永磁體軌道制動器經(jīng)驗證明，其維修周期最低為5年，而且維修時只需更換制動靴［8］。

在結構上，與勵磁軌道制動裝置相比，取消供電線路，增設一個旋轉機構，在不需工作時，如圖3所示，將磁軸旋轉90℃，在內(nèi)部形成閉合磁力線回路，將對軌道的吸力降為0。根據(jù)文獻［9］介紹永磁軌道制動裝置工作狀態(tài)能夠產(chǎn)生約100 kN/m的吸力。

圖3　永磁軌道制動裝置橫斷面剖視

2　有軌電車非黏著制動方式選擇

有軌電車對車輛制動系統(tǒng)有大減速度的要求，其在制動配置中必須選擇非黏著制動方式，來保證達到規(guī)定的制動減速度。表1中介紹了幾種非黏著電磁制動方式的工作特點。

表1　電磁制動方式特點比較

在這里，從實際應用及制動系統(tǒng)配置角度，對幾種制動方式進行分析及比較，選出適應于有軌電車運行工況的制動方式。

磁軌制動器近20多年以來在許多鐵路上得到了應用。克諾爾公司近年在磁軌制動的設計及使用上進行了大量研究及改進，借助磁場計算改善制動器的幾何形狀，在保障黏著力與制動力穩(wěn)定的前提下，減輕質量和縮小安裝高度，同時研制新型極靴材料，在保障總制動里程的前提下，提高制動力。

在圖4中顯示了軌道渦流制動與磁軌制動的制動力特性曲線［10］。從曲線可以看出，渦流制動能力在低速區(qū)段基本無制動能力，隨速度的升高，在50 km/h后逐漸穩(wěn)定，達到理想制動狀態(tài)；與此相反，磁軌制動能力在低速區(qū)段較高，隨速度的提升逐漸衰減。

圖4　磁軌制動、渦流制動的制動力—速度曲線

根據(jù)有軌電車一般運行速度低于100 km/h的特點，在100 km/h速度點時，渦流制動力偏大，兩者制動力基本接近，而在中低速區(qū)段，特別是80 km/h以下時，磁軌制動力遠超渦流制動力。

完整的制動系統(tǒng)不僅要求具備使列車定點停車的常用制動功能，遇到緊急或意外情況需要最快安全停車的緊急制動功能，還要能夠保證實現(xiàn)列車的停放制動，避免列車在坡道停放時溜車。顯然，渦流制動方式不具備這個功能，在整個制動方式配置里面，就需要電液制動系統(tǒng)配備彈簧儲能式的液壓夾鉗，這種夾鉗相較主動式的液壓夾鉗來說，不僅體積大、結構復雜、質量重，而且因停放功能的施加次數(shù)少，而降低了其使用率，是設計上的一種浪費。因此，與渦流制動方式比較，磁軌制動憑借其能在制動過程的高速階段和低速階段均能正常發(fā)揮作用的速度適應性、制動系統(tǒng)控制簡單、可簡化制動系統(tǒng)配置等優(yōu)勢，更適應有軌電車對制動系統(tǒng)的技術要求。

電磁軌道制動裝置雖然勵磁功率較小，約1 kW，但要依賴于蓄電池供電，因此與永磁軌道制動器相比，可用性較低；另外，電磁線圈勵磁作用，長時間通電仍會導致溫度升高，性能不穩(wěn)定，因此一般用作緊急制動。此外，永久磁鐵的軌道制動作為停放制動，可以替代被動式的彈簧蓄能夾鉗的停放功能，簡化電液制動的基礎制動裝置，同時減輕了彈簧儲能制動夾鉗的質量，節(jié)省了安裝彈簧儲能制動夾鉗的安裝空間，也有利于有軌電車運營公司的維護保養(yǎng)，減少備品備件庫存，同時在新車配置時不需再增加費用，節(jié)約采購成本。

另外，制動系統(tǒng)的設計原則是故障導向安全，這也就是說：在發(fā)生最惡劣情況時，制動系統(tǒng)應處于制動狀態(tài)而不是制動失效。勵磁軌道制動裝置工作需要勵磁電源，雖然可以采用安裝大容量的電池作為后備電源，但當電路失效時由于失去勵磁將直接導致制動力喪失，且影響了列車的輕量化。對于有軌電車來說，當列車電源因線纜短路、車輛各編組脫開等意外情況發(fā)生時，不需要依賴于蓄電池供電的永磁軌道制動裝置才能實現(xiàn)制動，更可保證列車安全。

3　結 論

對于一般最大運行速度低于100 km/h而最大減速度不低于2.2 m/s2的有軌電車來說，在制動系統(tǒng)不同制動方式的配置當中，一定要有不依賴于黏著的制動方式，而永磁軌道制動裝置以其結構簡單、可靠性高、不依賴車輛電源的安全性、在制動時不需提供大量的電能的節(jié)能意義、制動能力的速度適應性、持續(xù)制動能力、簡化制動系統(tǒng)配置、節(jié)約LCC等特點，成為現(xiàn)代有軌電車的選擇方式。

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Research on Electromagnetic Track Brake of Modern Trams

PEI Yuchun1，2，WU Xingdong2，WANG Peng2，WU Hailing2
（1 Institute of Railway and Urban Mass Transit，Tongji University，Shanghai 201804，China；2 Shanghai Pangfeng Transportation Equipment Technology Co.，Ltd.，Shanghai 201802，China）

In this paper，the influence of nonadhesive electro magnetic brake is researched，and the virtues and defects of means about electro magnetic brake in China and Foreign Countries are discussed.The force of attraction and braking force on rail eddy current of track eddy current braking device is highly sensitive to the vehicle speed，and otherwise，once it shut off power，the permanent magnetic track brake device can remain working and remain static for the output，and it is suitable for modern trams.

brake system；permanent magnetic track brake device；adhesion；modern trams

運用與檢修

U239.5

A doi：10.3969/j.issn.1008-7842.2015.04.19

1008-7842（2015）04-0084-03

1—）男，工程師（

2015—02—27）

*常州市科技支撐計劃（工業(yè)）項目（C E20110086）