基于電磁作用增加輪軌黏著力的仿真研究

應(yīng)之丁，陳家敏

（同濟(jì)大學(xué)鐵道與城市軌道交通研究院，上海201804）

列車運(yùn)行和制動(dòng)過程中所需的牽引力和制動(dòng)力產(chǎn)生于輪軌間的黏著力，輪軌接觸關(guān)系作為列車運(yùn)行控制和安全保障的核心，需要進(jìn)行深入研究。

國(guó)內(nèi)外專業(yè)機(jī)構(gòu)對(duì)輪軌黏著問題開展了多項(xiàng)技術(shù)研究，如在現(xiàn)有的輪軌黏著系數(shù)條件下，提出蠕滑率控制的思路和具體控制曲線和對(duì)策［1-5］；通過撒砂控制直接增加輪軌間粗糙度以改善輪軌黏著條件，相應(yīng)的研究方向偏向于砂粒選型和噴砂流速等，此技術(shù)因?qū)嗆壞p較大［6-7］及用沙量限制，大都用在緊急情況；此外通過采用踏面清掃閘瓦以保持踏面干凈，同時(shí)用閘瓦中的增黏成分提高輪軌黏著系數(shù)，但增黏效果有限［2］；一些文獻(xiàn)分析了在一定范圍內(nèi)軸重變化對(duì)黏著的影響等［8］。以上都是針對(duì)影響?zhàn)ぶ实能囕喖疤っ?、鋼軌表面、運(yùn)行速度、軸重等開展的研究分析。

輪軌之間的黏著力等于軸重乘以黏著系數(shù)，所以本文基于電磁作用，通過增加輪軌之間垂向力，而不是增加實(shí)際軸重，來(lái)提高列車牽引和制動(dòng)過程中的黏著力。本文研究圍繞高速旋轉(zhuǎn)車輪的電磁增黏裝置，設(shè)置電磁線圈，在車輪與鋼軌之間形成電磁場(chǎng)，將車輪作為磁化組件，通過線圈繞組產(chǎn)生的電磁吸力增加輪軌之間的垂向力，也稱之為電磁軸重，以提高輪軌黏著力。列車運(yùn)行結(jié)束時(shí)，通過反向勵(lì)磁消磁。

此外，在列車過曲線時(shí)，主動(dòng)控制施加在不同車輪附近的電磁增黏裝置勵(lì)磁電流大小，調(diào)節(jié)兩側(cè)車輪與軌道之間垂向力，改善列車在不同線路半徑、不同速度條件下的運(yùn)行平穩(wěn)性。目前，國(guó)內(nèi)外在此研究方向上尚未見到文獻(xiàn)報(bào)道。

1 電磁增黏裝置基本結(jié)構(gòu)和電磁場(chǎng)

設(shè)計(jì)安裝在轉(zhuǎn)向架上的新型電磁增黏裝置，核心思想是利用電磁鐵對(duì)鋼軌產(chǎn)生的吸力，通過在車輪周圍布置電磁線圈，形成一個(gè)巨大的電磁鐵，對(duì)軌道施加電磁吸力，從而達(dá)到增加軸重控制的效果。圖1為電磁增黏裝置電磁線圈部分的基本結(jié)構(gòu)示意圖，此外，還包括勵(lì)磁電源、控制裝置、懸吊結(jié)構(gòu)等。

影響輪軌之間電磁吸力的因素主要包括：電磁線圈安匝數(shù)及在空間的布置，即電磁場(chǎng)設(shè)計(jì)；車輪與鋼軌之間的磁路，含車輪、線圈、鋼軌、磁軛（線圈殼體）；速度、尺寸、形狀、材料等技術(shù)參數(shù)對(duì)電磁場(chǎng)作用力的影響。因此，建立電磁增黏裝置電磁場(chǎng)仿真模型，進(jìn)行電磁場(chǎng)及作用力計(jì)算分析。

圖1 電磁增黏裝置電磁線圈部分結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of electromagnetic adhesion device

因?yàn)榭臻g磁場(chǎng)復(fù)雜多變且影響參數(shù)較多，計(jì)算不確定性大大提高，難以得出較好的結(jié)果?？紤]輪軌垂向作用和縱向影響因素是研究目標(biāo)的焦點(diǎn)，分析電磁場(chǎng)基本形態(tài)集中在車輪圓周面和鋼軌縱向上，故將電磁場(chǎng)在軌道橫向截面方向視為理想穩(wěn)定勻稱的，采用軌道縱向截面方向的二維模型對(duì)電磁增黏裝置進(jìn)行分析，如圖2所示。

圖2 電磁線圈部分二維模型Fig.2 Two-dimensional model

2 電磁增黏裝置電磁力變化規(guī)律

2.1 電磁吸力變化規(guī)律

將電磁增黏裝置電磁線圈模型視為一種特殊形狀的電磁鐵，考慮車輪作為形狀奇異的鐵芯，所圍繞的線圈分布復(fù)雜，線圈尺寸、形式多樣等因素，所以以單束線圈為基本單元，然后分段積分計(jì)算。忽略漏磁及各部件間的空氣間隙等因素，根據(jù)畢奧-薩伐爾定律［9］，計(jì)算出任意載流導(dǎo)線在空間任意點(diǎn)處的磁感應(yīng)強(qiáng)度為

式中：I為單匝電流；dl為導(dǎo)線長(zhǎng)度元；r為導(dǎo)線與任意點(diǎn)之間的距離；μ0為真空磁導(dǎo)率。

根據(jù)能量法計(jì)算出電磁吸力為

式中：B為對(duì)B′積分后的磁感應(yīng)強(qiáng)度；ΔS為車輪離散模塊投射到軌道的面積。

以此評(píng)估不同線圈尺寸和位置及積聚和分散布置對(duì)電磁吸力影響，形成電磁增黏裝置基本結(jié)構(gòu)和技術(shù)參數(shù)，進(jìn)一步進(jìn)行電磁場(chǎng)有限元仿真分析。

電磁增黏裝置的磁場(chǎng)分布如圖3所示，電磁增黏裝置產(chǎn)生的電磁場(chǎng)從車輪高處分散到輪軌接觸處集聚，形成大致方向類似的吸力電磁鐵磁場(chǎng)，可以產(chǎn)生輪軌之間的電磁吸力，但其磁路方向和有效作用面積隨裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)變化有較大的不同。

在列車時(shí)速300 km·h-1、線圈勵(lì)磁電流10 A、線圈匝數(shù)1 000、線圈距軌面高度25 mm時(shí)，考察電磁場(chǎng)空間分布。圖4所示為電磁吸力隨時(shí)間變化曲線。

圖3 磁場(chǎng)分布Fig.3 Distribution of magnetic field

圖4 電磁吸力隨時(shí)間變化曲線Fig.4 Electromagnetic suction versus time curve

列車過曲線時(shí)，內(nèi)外軌高差使車輛輪重產(chǎn)生差異，引起振動(dòng)。由文獻(xiàn)［10］可知，增大軸重可提升平穩(wěn)性。電磁增黏裝置可在不提高實(shí)際軸重、不改變車輛重心下，通過調(diào)整內(nèi)外軌上車輪位置的線圈勵(lì)磁電流，調(diào)整輪軌之間垂向力，提高列車運(yùn)行平穩(wěn)性。

2.2 速度變化對(duì)電磁吸力的影響

考慮到列車運(yùn)行中存在不同的工況，隨著速度的提高，尤其在高速區(qū)間，電磁場(chǎng)將會(huì)發(fā)生劇烈變化，進(jìn)而對(duì)電磁吸力產(chǎn)生影響，因此對(duì)時(shí)速300～350 km·h-1的列車進(jìn)行研究，分析高速運(yùn)行過程中10%（±25 km·h-1）的速度擾動(dòng)是否會(huì)對(duì)在恒定直流電作用下的電磁增黏作用效果產(chǎn)生影響。電磁力隨速度的變化規(guī)律如圖5所示。

由于輪軌一直處于接觸狀態(tài)，所以輪軌接觸附近空間的磁場(chǎng)穩(wěn)定，列車速度變化對(duì)電磁吸力基本無(wú)影響，電磁增黏裝置能在列車高速運(yùn)行中保持穩(wěn)定有效的工作。

2.3 勵(lì)磁線圈距軌面高度對(duì)電磁吸力的影響

保持線圈與車輪踏面距離不變，改變線圈底距軌頂距離，列車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下輪軌電磁吸力與線圈高度的關(guān)系如圖6所示。線圈高度影響線圈-踏面及線圈-軌面之間的磁阻大小，隨著線圈高度升高，總磁阻減小，電磁吸力增加。

圖5 速度對(duì)電磁吸力的影響Fig.5 Effect of speed on electromagnetic attraction

圖6 線圈高度對(duì)電磁吸力的影響Fig.6 Effect of coil height on electromagnetic attraction

2.4 電流變化對(duì)電磁吸力的影響

在列車運(yùn)行過程中，根據(jù)運(yùn)行過程中所處工況的不同，需要對(duì)輪軌間電磁吸力進(jìn)行有效控制。在線圈匝數(shù)一定的情況下控制裝置的電流大小可以有效改變電磁增壓效果。改變勵(lì)磁直流電流大小，得到電磁吸力隨電流變化的曲線，如圖7所示。

圖7 電流對(duì)電磁吸力的影響Fig.7 Effect of current on electromagnetic attraction

輪軌垂向電磁吸力與其所對(duì)應(yīng)的勵(lì)磁電流呈現(xiàn)二次關(guān)系，即

根據(jù)勵(lì)磁電流與電磁吸力之間的關(guān)系，主動(dòng)調(diào)整勵(lì)磁電流，從而獲得足夠的黏著力，調(diào)整兩側(cè)車輪壓力，保持列車運(yùn)行平穩(wěn)性。

3 列車起動(dòng)瞬間電磁力變化規(guī)律

電磁增黏裝置也可以用于列車起動(dòng)階段。不同車輛起動(dòng)加速度各不相同，假定起動(dòng)加速度為0.1 m·s-2，得到列車起動(dòng)瞬間電磁吸力變化曲線，如圖8所示。

圖8 電磁吸力變化曲線Fig.8 Electromagnetic suction

列車起動(dòng)瞬間，輪軌之間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，電磁場(chǎng)不穩(wěn)定，電磁吸力急劇下降，然后趨于穩(wěn)定。

4 結(jié)語(yǔ)

提出一種安裝在轉(zhuǎn)向架上的新型電磁增黏裝置。通過在高速旋轉(zhuǎn)車輪周圍設(shè)置電磁線圈，使車輪與鋼軌之間形成電磁場(chǎng)，從而產(chǎn)生電磁吸力以增加輪軌之間垂向力，也稱之為電磁軸重，以提高輪軌黏著力。建立電磁增黏裝置基本結(jié)構(gòu)模型，探討這類異型電磁場(chǎng)計(jì)算方法，分析輪軌之間電磁作用力隨列車速度變化規(guī)律，以及電磁吸力對(duì)輪軌黏著力的影響。進(jìn)一步分析結(jié)構(gòu)及技術(shù)參數(shù)對(duì)電磁場(chǎng)的影響，確定線圈安匝數(shù)及在空間的布置。

電磁增黏裝置可以改善列車牽引或制動(dòng)過程中由于輪軌之間黏著力不足而導(dǎo)致的牽引和制動(dòng)力不足的問題，保障列車安全運(yùn)行。在不同列車時(shí)速時(shí)電磁增黏裝置可以維持相對(duì)恒定的軸重增量，通過調(diào)節(jié)兩側(cè)輪軌之間的作用力，改善列車運(yùn)行平穩(wěn)性。在列車起動(dòng)瞬間電磁急劇下降，而后趨于穩(wěn)定，保障列車具有足夠的牽引力。電磁增黏裝置對(duì)下一步列車提速的實(shí)現(xiàn)有一定的促進(jìn)作用。