磁軌制動器主要部件參數(shù)的最優(yōu)仿真設(shè)計

王相波 王曉東

(中車青島四方機車車輛股份有限公司，266111，青島∥第一作者，工程師)

有軌電車低地板車輛和部分地鐵車輛的緊急制動減速度要求高于普通軌道交通車輛，其減速度可達2.8 m/s2[1]。為了實現(xiàn)該目標減速度，需采用非黏著制動方式。目前日本、德國及法國等國家研發(fā)并應用了空氣翼板制動、渦流軌道制動、磁軌制動及渦流盤式等非黏著制動方式[2]。作為非黏著制動方式的一種，磁軌制動不依賴輪軌黏著，制動效果顯著，可提高安全性；磁軌制動器質(zhì)量輕，對轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)和車輛走行影響小；其構(gòu)造簡單，工作可靠，少維修；制動時對軌面具有清掃作用，可改善輪軌黏著[3]。 目前，對于磁軌制動的研究集中于提高磁能利用率的新型合成材料的開發(fā)、磁軌制動器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、磁場分析、轉(zhuǎn)矩特性分析及制動過程的熱平衡分布情況研究等[4-5]。

本文主要研究磁軌制動器各子部件的結(jié)構(gòu)和安裝方式對其性能的影響，通過分析磁軌制動器的結(jié)構(gòu)組成，通過仿真計算找到鐵心和磁軛、磨耗板、減重倒角及線圈等子部件的參數(shù)最優(yōu)值，進而研發(fā)出一種完全滿足應用要求，且質(zhì)量較輕、結(jié)構(gòu)簡單、安全可靠的磁軌制動器。

1 磁軌制動器的結(jié)構(gòu)

磁軌制動器由磁體裝置、傳力裝置和懸掛裝置組成，如圖1 a)所示。 其中，磁體是核心部件，主要由線圈繞組、鐵心、滑靴、隔板、隔熱材料、密封鋼板和相關(guān)連接件等組成，如圖1 b)所示。

圖1 磁軌制動器結(jié)構(gòu)

2 磁軌制動器關(guān)鍵部件的最優(yōu)尺寸

本文忽略螺紋孔及螺栓等細節(jié)結(jié)構(gòu)和斷面效應，仿真分析滑靴長度為1 200 mm的電磁體與軌道間的吸力?；?、鐵心和磁軛均為DT4C電工純鐵。仿真時，磁體采用普通材料，隔板材料為鋁。磁軌制動器的設(shè)計吸力F應為75.6 kN。影響F的電磁體部件主要尺寸參數(shù)如圖2所示，初步設(shè)計尺寸及參數(shù)如表1所示。

圖2 影響吸力的電磁體主要部件

表1 電磁體初始設(shè)計參數(shù)

2.1 鐵芯與磁軛的最優(yōu)尺寸

在H1和L2給定的條件下(見圖2)，鐵心與磁軛的尺寸參數(shù)主要為磁軛寬度L1和鐵心厚度H2。按L1取值區(qū)間為30～50 mm，取值間隔為2 mm，對電磁體吸力F進行仿真計算，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知：H2越大，L1越大，F(xiàn)越大；當L1和H2取不同值時，F(xiàn)的最小值增至最大值僅相差3.757 kN；當L1≥28 mm時，F(xiàn)都能滿足設(shè)計要求。為減輕制動器的整體質(zhì)量，應使L1和H2盡可能小。經(jīng)綜合考慮，鐵心與磁軛的最優(yōu)尺寸為H2=36 mm、L1=28 mm。

圖3 L1和H2對F的影響曲線

2.2 磨耗板最優(yōu)尺寸

磨耗板尺寸參數(shù)包括間隙L4、總寬度L5、磨耗板高度H5和倒角C。仿真計算中，L4取值區(qū)間為3～13 mm、取值間隔為2 mm;L5取值區(qū)間為56～66 mm，取值間隔為2 mm。仿真計算結(jié)果如圖4所示。按H5取值區(qū)間為12～20 mm、取值間隔2 mm進行仿真計算，結(jié)果如表2所示。按C取值區(qū)間為3°～13°、取值間隔2°進行仿真計算，結(jié)果如表3所示。

表3 不同C對應的F仿真數(shù)據(jù)

圖4 L4及L5對F的影響曲線

由圖4可知：制動器與鋼軌吸合時，L5越大，F(xiàn)越大；當L4過大或過小時，F(xiàn)較?。划斨苿悠髋c鋼軌未吸合時，如L4過小，則會產(chǎn)生很大漏磁。因此，綜合考慮圖4、表 1及表 2的數(shù)據(jù)，在滿足磁軌制動器與鋼軌吸合時設(shè)計吸力的基礎(chǔ)上，C和L4應盡量取大，L5和H5應盡量取小。綜上所述，磨耗板最優(yōu)尺寸取L4=9 mm，L5=56 mm，H5=16 mm，C=14°。

表2 不同H5對應的F仿真數(shù)據(jù)

2.3 減重倒角的最優(yōu)尺寸

減重倒角參數(shù)為縱向尺寸H3和垂向尺寸L3。仿真計算中，H3取值區(qū)間為3～27 mm、取值間隔為3 mm,L3取值區(qū)間為3～27 mm，取值間隔為3 mm。仿真結(jié)果如表4所示。

根據(jù)表4可知：減重倒角越小，F(xiàn)越大；H3在取值范圍內(nèi)時的磁化飽和度非常低，故H3變化對F影響不大；當L3≥15 mm時，隨著L3的增加，F(xiàn)下降速度加快。為起到減重作用，在F滿足要求時應使H3與L3盡量大。綜上所述，減重倒角最優(yōu)尺寸取H3=27 mm，L3=15 mm。

表4 不同H3和L3對應的F仿真數(shù)據(jù)

2.4 制動器與軌面間隙不同時的F

根據(jù)上文，磁軌制動器關(guān)鍵部件的最優(yōu)尺寸為：L1=28 mm，L3=15 mm，L4=9 mm，L5=56 mm，H2=36 mm，H3=27 mm，H5=16 mm。經(jīng)仿真，在最優(yōu)尺寸下，F(xiàn)=75.71 kN，滿足70.0～75.6 kN的要求。此時，制動器與軌面間隙s不同時的F仿真結(jié)如表5及圖5所示。

表5 不同s對應的F仿真數(shù)據(jù)

圖5 磁通分布和磁通密度云圖

2.5 線圈參數(shù)最優(yōu)值

在完全理想的情況下，有[6]：

(1)

式中：

Φ——氣隙磁通；

S——氣隙面積；

B——氣隙磁感應強度；

μ0——空氣磁導率，μ0=4π×10-7Wb/(A·m)。

在實際運行環(huán)境中，由于磁路漏磁不可避免，故僅有部分線圈磁勢在工作氣隙中起作用，即

(2)

式中：

Kf——漏磁系數(shù)，由磁路組成確定；根據(jù)磁路設(shè)計的差異，Kf可取1.0～10.0，在電磁設(shè)計中通常按經(jīng)驗取1.2～5.0。

此外，由于

(3)

故

(4)

式中：

Rm——磁阻；

N——線圈匝數(shù)；

I——導線額定電流。

由式(4)可知，確定F的主要參數(shù)為N。根據(jù)設(shè)計目標，電流額定、線圈總截面按照表1所示參數(shù)，因此，需要確定N和每根導線的截面積A。在Ansoft電磁仿真軟件中通過直接加載電流密度J來調(diào)整F：當其它參數(shù)一定時，J越大，則F越大。假設(shè)：導線額定電流為I，每根導線截面積為A，電阻率為ρ，導線平均長度為L，每匝線圈電阻為R，總電阻為R總，則有：

(5)

進而可知，在最優(yōu)情況下，有：

(6)

其中，I、R總及ρ為確定值，每匝線圈平均長度L根據(jù)線圈總截面積確定。所以，只需先確定J的最優(yōu)值，然后根據(jù)式(6)得出R的最優(yōu)值，即可由式(5)確定N的最優(yōu)值。

3 結(jié)語

本文仿真分析了磁軌制動器的鐵心、磁軛、磨耗板、減重倒角及線圈等子部件的參數(shù)對磁軌制動器制動吸力影響規(guī)律，以減重和制動吸力為目標，通過計算分析，得到了磁軌制動器主要尺寸參數(shù)的最優(yōu)值。在此基礎(chǔ)上分析了S不同時的F值，進而得到了最優(yōu)尺寸磁軌制動器的S最優(yōu)值。