高速列車線性渦流制動特性的試驗研究

丁福焰，王 可，宋躍超，李 輝，王立超

(1.中國鐵道科學研究院集團有限公司 機車車輛研究所，北京 100081；2.北京縱橫機電科技有限公司 制動開發(fā)部，北京 100094)

我國高速動車組普遍采用盤形制動與再生制動復合制動方式，制動作用依賴于輪軌黏著狀態(tài)，在一般情況下可滿足350 km·h-1及以下制動需求。但是，隨著動車組向更高速度發(fā)展，盤形制動裝置的熱負荷進一步增大，摩擦副材料和結構面臨新的挑戰(zhàn)，且輪軌黏著系數(shù)隨速度的提高而進一步降低，導致高速區(qū)段制動力不足，制動距離加大，從而影響運行安全性和線路通過能力。為此，應研究非黏著制動技術，特別是線性渦流制動技術。

線性渦流制動不依賴于輪軌黏著狀態(tài)，與鋼軌無接觸、無磨損，制動力可控并在高速段具有平坦特性，制動過程無氣味、無噪聲，既可用于緊急制動，又可用于常用制動，可以部分替代摩擦制動，減少制動盤、閘片的磨損和更換，改善運行經(jīng)濟性，是一種適合高速列車應用的非黏著制動技術。

線性渦流制動的基本原理見文獻[1—3]，在此不再贅述。線性渦流制動的工程化研發(fā)始于20世紀60年代末，法國從早期的高速試驗列車Z7001到TGV和AGV，在幾代高速列車上對線性渦流制動進行了大量的試驗研究[4-5]。德國鐵路從20世紀80年代開始利用ICE-V試驗列車開展線性渦流制動試驗，經(jīng)過多年研究和持續(xù)改進，自1998年起在ICE3動車組上批量裝車，2002年開始正式上線運行，在世界上率先開啟了線性渦流制動技術的商業(yè)應用。截至2012年，線性渦流制動裝置的裝車數(shù)量已超過80列，運行在德國、荷蘭、比利時、瑞士、法國等歐洲多國線路上。線性渦流制動的應用，不僅縮短了制動距離，而且減少了盤形制動的磨耗，可滿足40‰坡道運行要求，取得了良好的技術經(jīng)濟效果[6-8]。韓國自20世紀90年代起也開展了線性渦流制動的研究，在2002年研制完成的HSR 350X高速動車組上安裝了線性渦流制動裝置[9]。近年來，日本鐵道綜合技術研究所采用直線感應電機原理進行了線性渦流制動的研究與開發(fā)[10-11]。

了解和掌握渦流制動力與控制參數(shù)及影響因素的關系，是線性渦流制動裝置研發(fā)的關鍵技術之一。文獻[12]總結了渦流制動性能的研究方法，主要有解析法、數(shù)值法和試驗法3種。文獻[13—14]采用解析法對渦流制動電磁場與制動力進行了理論分析；文獻[15—18]采用有限元方法進行了渦流電磁場和制動力仿真計算。

線性渦流制動的磁場是三維動態(tài)磁場，具有高度非線性特征，制動力與磁場之間缺乏確定的函數(shù)關系，并且受到速度、氣隙、溫度、集膚效應等多種因素的影響，理論推導或計算過程中所做的假設或模型簡化，往往導致計算結果偏差較大。因此，試驗仍然是目前渦流制動性能研究最有效的方法。

20世紀60—70年代，原西德分別利用1∶1試驗臺和縮比試驗臺開展試驗研究[1]。90年代，原上海鐵道大學等也研制了渦流制動縮比試驗臺并進行試驗[19]。由于渦流磁場的非線性，縮比試驗難以得到定量的結果，無法有效指導工程設計和產(chǎn)品研發(fā)。法、德等國利用線路運行試驗獲得了大量數(shù)據(jù)，但需要付出高昂的研發(fā)成本，且周期較長；日本利用帶軌道輪的制動試驗臺對直線電機原理的渦流制動技術進行研究，開展了1∶1制動性能試驗[20]。目前，國內外無論試驗室試驗還是線路運行試驗，渦流制動最高速度均不超過350 km·h-1。

為進行高速列車線性渦流制動(以下簡稱渦流制動)的制動力特性研究，研制了試驗用渦流制動電磁鐵，利用高速渦流及磁軌制動試驗臺首次在國內開展1∶1線性渦流制動性能試驗，試驗速度在國際上首次突破400 km·h-1，在更寬的速度范圍內驗證了渦流制動力的變化規(guī)律，可為我國下一代更高速度動車組的發(fā)展和渦流制動裝置的研發(fā)提供參考依據(jù)，本文概述試驗研究內容和結論。

1 試驗設計

1.1 試驗方法和原理

采用軌道輪模擬實際線路鋼軌，采用與軌道輪相匹配的弧形電磁鐵模擬直線型制動電磁鐵，以軌道輪的轉動代替列車相對鋼軌的直線運動，以轉動慣量模擬制動質量(軸重)，由可調速電機拖動主軸——軌道輪和慣性輪系統(tǒng)轉動，達到預定車速后，為電磁鐵通電實施制動，在軌道輪上感應出電渦流，完成制動能量的轉化過程，并采集制動性能相關數(shù)據(jù)。

試驗裝置的結構原理如圖1所示?；⌒坞姶盆F安裝在磁極座上，磁極座通過液壓缸吊掛在支架上，液壓缸與1個力傳感器及調節(jié)螺桿相連，可帶動磁極座沿導軌垂向運動，調節(jié)螺桿用于電磁鐵氣隙的調整，力傳感器可測量電磁吸力。制動電磁鐵通過磁極座和導軌將制動力傳遞到梯形支架上，支架可繞主軸擺動，在支架側下方安裝力傳感器，通過力傳感器和固定力臂測量制動扭矩并換算為制動力。

圖1 線性渦流制動試驗裝置示意圖

試驗臺的渦流制動電磁鐵勵磁控制原理如圖2所示，輸入電壓為三相AC600V，經(jīng)隔離變壓器降壓后進入整流器進行整流，IGBT斬波器根據(jù)計算機的設定值進行斬波控制，并經(jīng)電抗器平波后輸出試驗所需的直流電。勵磁控制電路帶有電流和電壓傳感器，用于勵磁控制和測試。

1.2 試驗設備

試驗設備為中國鐵道科學研究院集團有限公司機車車輛研究所2013年研制完成的高速渦流及磁軌制動試驗臺，如圖3所示。該試驗臺是1套多功能制動動力試驗設備，具有渦流制動、磁軌制動和盤形制動試驗功能，1∶1再現(xiàn)制動能量轉化過程。對于渦流制動，試驗臺可模擬的最大軸重為19 t，最高速度為500 km·h-1，是目前世界上速度最高的渦流制動試驗裝備。

試驗臺主機由底座、動力與慣量艙及2個試驗艙組成。動力與慣量艙包括驅動單元、緊急制動裝置和2個機械慣量單元，主電機功率為650 kW，由變頻控制裝置提供驅動控制，2個試驗艙內可分別安裝盤形制動和渦流/磁軌制動試件。

圖2 試驗臺電磁鐵勵磁控制原理

圖3 高速渦流及磁軌制動試驗臺

慣量系統(tǒng)包括機械慣量和電模擬慣量，其中機械慣量由2個慣量單元、多個慣性輪組合而成，通過慣性輪的組合及電慣量補償，可實現(xiàn)不同試驗軸重的匹配和精確模擬。

軌道輪設計為組合式結構，包括輪芯和2組圓盤軌道，軌道外圓輪廓按照標準60 kg·m-1鋼軌的軌頭形狀設計。

測控系統(tǒng)采用以太網(wǎng)架構，由主控計算機、PXI總線測控平臺、視頻計算機、以太網(wǎng)交換機、傳感器、視頻攝像機、繼電器、控制和執(zhí)行機構等組成。主控計算機通過網(wǎng)絡發(fā)送指令，接收測控平臺的數(shù)據(jù)并進行顯示、存儲和分析。PXI測控平臺執(zhí)行數(shù)據(jù)采集和控制任務，將數(shù)據(jù)上傳到主控計算機。視頻計算機按照主控計算機指令，控制視頻攝像機進行圖像的顯示和記錄。制動過程中，測控系統(tǒng)實時采集和計算速度、勵磁電流、勵磁電壓、制動力、減速度、制動功率、溫度等數(shù)據(jù)，以獲得制動性能曲線及相關統(tǒng)計參數(shù)。

1.3 試驗樣件

根據(jù)試驗臺的結構和安裝空間，研制了渦流制動電磁鐵試驗樣件，其結構如圖4所示。該樣件共含有6對磁極，分為2組布置，分別與2組圓盤軌道相對。每1組電磁鐵樣件包括1個弧形磁軛和3對磁極，N極和S極交替排列，2組電磁鐵之間采用電氣串聯(lián)方式連接。按照額定氣隙6 mm進行磁路計算，綜合考慮導磁性和力學性能要求，選擇15號鋼作為鐵芯和磁軛材料。電磁線圈參照旋轉電機相關標準，按S3,25%工作制設計，采用H級絕緣漆包銅線繞制。由于電磁鐵為弧形，上、下極距不相等，為使鋼軌表面處的極距與直線模型相近，同時又滿足匝數(shù)要求，因此將線圈繞制成塔形，底部弧長917 mm，通過連接板和螺栓將電磁鐵樣件固定在試驗臺的磁極座上，樣件在試驗臺上的安裝如圖5所示。該樣件的設計未考慮轉向架的軸距和安裝空間，工程研發(fā)時可根據(jù)動車組的實際要求適當縮減尺寸。

圖5 安裝在試驗臺上的渦流制動電磁鐵試驗樣件

1.4 試驗條件與試驗過程

基本試驗條件見表1。按照試驗所需軸重配置機械慣量，機械慣量不足部分由電模擬慣量補償。調整好氣隙，載入預先編寫的試驗程序并選擇起始節(jié)點后，試驗臺便可按程序自動控制試驗進程，順序執(zhí)行各制動循環(huán)。每一制動循環(huán)開始時，首先啟動主電機，拖動主軸運轉并實時控制轉速，當達到預定的制動速度且主控溫度在設定范圍內時，立即按照設定的勵磁實施制動，并同步采集各通道數(shù)據(jù)。當速度降至設定的緩解速度時，勵磁電源停止供電，1次制動完成；再次升速對樣件進行適當冷卻后，進入下一制動循環(huán)。試驗過程中可按設定的風速進行通風控制，模擬氣流環(huán)境對樣件進行冷卻，同時監(jiān)測軌道輪溫度，可自動進行強制冷卻，抑制軌道輪溫升。

表1 基本試驗條件

2 試驗結果及分析

部分試驗數(shù)據(jù)見表2。其中，平均制動力取從勵磁上升到設定值的90%開始至緩解的過程(即有效制動過程)中瞬時渦流制動力的平均值，勵磁上升時間一般按2 s控制；平均減速度取從發(fā)出制動指令開始(包含勵磁上升階段)至緩解全過程中瞬時減速度的平均值。由表2可知：當工作氣隙為6 mm時，不同制動初速度下，100%勵磁的平均制動力大于11 kN，平均減速度大于0.63 m·s-2，最大制動功率為1 177 kW；制動初速度為350 km·h-1，125%勵磁時，平均制動力為13.199 kN，平均減速度為0.756 m·s-2，最大制動功率為1 193 kW；氣隙變化時，對應的性能參數(shù)均相應變化。圖6為不同試驗條件下的平均制動力散點圖及擬合曲線。

不同氣隙、不同勵磁條件下制動力—速度特性曲線如圖7—圖9所示。氣隙為6 mm、制動初速度為350 km·h-1條件下不同勵磁時的制動力—速度特性曲線如圖8所示，勵磁100%、制動初速度為350 km·h-1條件下不同氣隙時的制動力—速度特性曲線如圖9所示。

表2 試驗統(tǒng)計數(shù)據(jù)

圖6 不同試驗條件下的平均制動力

由圖6和表2可知：在氣隙不變的條件下，平均制動力隨勵磁的增加而單調增加，如6 mm氣隙時，勵磁從50%增加到125%，平均制動力從約6.7 kN升至13 kN以上，并且在一定范圍內可按線性擬合，但平均制動力受制動初速度的影響較小。盡管根據(jù)理論推導，渦流制動力與勵磁電流之間并非簡單的線性關系，但在特定結構且氣隙不變的條件下，飽和磁路的磁阻變化很小，則磁感應強度在一定范圍內隨磁場強度的增加近似線性增長，但增長幅度微小，或可視為恒定，而磁場強度與勵磁電流成正比，因此在工程應用上，可將平均制動力與勵磁電流在一定范圍內近似視為線性關系。

由圖6、圖9和表2可知：在勵磁不變的條件下，不同氣隙的制動力—速度曲線具有相似性，平均制動力隨氣隙的增加而單調減小，如氣隙從4 mm增加到8 mm，100%勵磁的平均制動力從12 kN以上減小到約9.4 kN，但未顯示出明確的線性關系。這是因為氣隙長度的增加會導致氣隙磁阻的增大和磁感應強度的減小，從而使鋼軌中的渦流和/或渦流密度減小，因此制動力隨之下降。在大氣隙條件下，靜態(tài)磁阻與氣隙近似呈線性關系，但動態(tài)氣隙磁阻及其對整個磁路磁阻的影響還有待進一步研究。本文僅在3個氣隙下進行了試驗，數(shù)據(jù)尚不充分。

(a)氣隙6 mm、勵磁100%

(b)氣隙8 mm、勵磁75%

(c)氣隙4 mm、勵磁50%

圖8 不同勵磁時的制動力—速度曲線

圖9 不同氣隙時的制動力—速度曲線

由圖7—圖9可知：制動力—速度曲線分為2個階段。低速階段，隨著速度的提高，制動力快速上升，直至臨界速度時達到最大值；大于臨界速度后，制動力隨速度的提高而略有下降，但總體變化不大，在大范圍內呈現(xiàn)平坦特性。與文獻[6—7]的ICE3整車運行試驗曲線對比，制動力隨速度的變化規(guī)律基本一致，但本文所獲得的制動力曲線更加平坦，可能的原因如下。

(1)受試驗臺軌道輪的直徑限制，模擬鋼軌的長度和熱容量遠小于實際線路上的鋼軌，而磁化頻率卻遠大于實際鋼軌，導致軌道輪的磁滯和溫升都比較大，電阻率也會隨之增大，從而對制動力特性產(chǎn)生一定的影響。

(2)由于電磁鐵試樣呈弧形，其彎曲剛度大于實際使用的直線型電磁鐵，與線路運行相比，試驗臺振動較小，且?guī)缀醪缓瑳_擊成分，因此在制動過程中磁軛變形微小，氣隙基本恒定。實際應用中，受電磁吸力和振動、沖擊等影響，承載梁(磁軛)存在較大的撓曲變形，工作氣隙不夠穩(wěn)定。

(3)在ICE3的實際應用中，當速度降至100 km·h-1以下時，勵磁會逐漸減小，以降低制動電磁鐵與鋼軌之間的吸力，從而造成100 km·h-1以下的制動力下降較快。

3 結 論

(1)線性渦流制動力在寬廣的速度范圍內具有平坦特性，不同試驗條件下，制動力變化規(guī)律基本一致，制動過程平穩(wěn)，適合高速列車應用。本文研制的試驗樣件在6 mm氣隙、100%勵磁條件下，從420 km·h-1制動至10 km·h-1時的平均制動力大于11 kN，17 t軸重制動質量的平均減速度約為0.64 m·s-2；如果根據(jù)德國ICE3動車組的應用經(jīng)驗，渦流制動在50 km·h-1時緩解，則平均制動力還會略有增加?？紤]實車轉向架的軸距、安裝空間及車輛限界要求，實際渦流制動裝置的電磁鐵尺寸可能需要適當縮減，制動力或許略有下降，但制動效果仍然顯著。

(2)在氣隙不變的條件下，平均制動力與勵磁電流在一定范圍內呈近似線性關系，但受制動初速度的影響較小，易于實現(xiàn)渦流制動力的控制，滿足不同級別的常用制動需求。

(3)在勵磁不變的條件下，隨著氣隙的增加，平均制動力單調減小。因此，在渦流制動裝置的研發(fā)和應用中，應注意盡量保持氣隙的一致性，以便發(fā)揮穩(wěn)定的制動性能。渦流制動力與氣隙之間的確切對應關系還有待深入研究，試驗中氣隙的調節(jié)方法也需要進一步改進。