渦流制動技術的分析與研究

渦流制動技術的分析與研究

1855年，法國哲學家leonfoycapt發(fā)現(xiàn)了漩渦原理。1892年世界上第一個軌道車輛渦流制動專利在英國出現(xiàn)。1903年法國申報了世界上第一個汽車用渦流制動器專利。今天,渦流制動技術已在起重、汽車、軌道交通等行業(yè)得到了大量應用。就軌道車輛應用而言,渦流制動可使列車保持較高的減速度,縮短制動距離,減少磨損,提高運行經(jīng)濟性。法國、德國和日本等均進行了長時間的研究和開發(fā),在研發(fā)過程中解決了大量的技術和工程難題,例如制動特性及控制、工作氣隙、電磁鐵供電、軌道溫升、對軌道電路的影響、結(jié)構和安裝等,豐富了高速列車的制動方式,獲得了較好的運用效果,其經(jīng)驗值得我們借鑒。1流量中斷的原理、分類和特點1.1磁力線與導電之間的能量轉(zhuǎn)換渦流制動的基本原理如圖1所示,磁鐵按照N、S極交替布置,并與導體(感應體)保持一定的氣隙。當勵磁線圈通電,導體與電磁鐵無相對運動(v=0)時,主磁通恒定,磁場是對稱的,導體中不產(chǎn)生渦流,電磁鐵與導體之間只有吸力(F=FA)而沒有制動力。當磁鐵與導體相對運動(v>0)時,導體切割磁力線,根據(jù)電磁感應原理,導體內(nèi)將會產(chǎn)生閉合的漩渦狀感應電流,稱為電渦流,由電渦流產(chǎn)生的磁場使主磁場發(fā)生畸變,磁力線發(fā)生偏轉(zhuǎn),生成切向分力FB,即為制動力。從能量轉(zhuǎn)換的角度來說,列車的動能通過感應體的渦流損耗,使感應體溫度升高,從而將列車的動能轉(zhuǎn)換成熱能消散于大氣,達到制動的目的。渦流制動的突出優(yōu)點是無機械磨損、無氣味、無噪聲,在很大的速度范圍內(nèi)制動力具有平坦的特性,且制動力可控,即可用于緊急制動,又可用于常用制動,可部分替代摩擦制動,減少制動盤、閘片的磨損和更換,優(yōu)化運行質(zhì)量,改善乘車舒適度。1.2渦流制動應用根據(jù)磁鐵和感應體的結(jié)構型式,渦流制動可分為線性渦流制動和旋轉(zhuǎn)渦流制動。線性渦流制動又稱軌道渦流制動,是將鋼軌作為磁感應體,利用安裝在轉(zhuǎn)向架上的磁鐵與鋼軌產(chǎn)生相對運動,在鋼軌上感應出渦流并形成制動力。線性渦流制動的優(yōu)點:(1)屬于非黏著制動方式,不依賴于輪軌黏著系數(shù);(2)可產(chǎn)生強大的制動力,減小制動距離,提高行車安全性,特別適合高速應用;(3)不會對軌道產(chǎn)生沖擊。線性渦流制動存在的問題主要包括在同一線路區(qū)段頻繁制動,可能引起鋼軌發(fā)熱;低速時電磁吸力很大,因此不宜在低速下使用;電磁場對軌道電路的干擾作用,對于不同類型或制式的軌道道路,需要進行研究和試驗。旋轉(zhuǎn)渦流制動又稱為盤式渦流制動,是在車軸上設置金屬圓盤作為磁感應體,磁鐵可安裝在金屬盤的一側(cè)或兩側(cè),金屬感應盤在磁場中轉(zhuǎn)動時可感應出渦流,形成制動力矩,如圖2所示。旋轉(zhuǎn)渦流制動的優(yōu)點:(1)應用與線路無關,即不受軌道線路的限制;(2)渦流感應盤的材料可以選擇;(3)可在既有的機車車輛上補裝。旋轉(zhuǎn)渦流制動的缺點:屬于黏著制動,對減少磨耗和維修有利,但對高速條件下提高制動減速度作用不大。根據(jù)勵磁方式,渦流制動又可分為電磁渦流制動和永磁渦流制動。電磁渦流制動采用導磁率較高的鐵芯(或其他材料)磁極,周圍纏繞線圈繞組,由外部的供電電源提供勵磁,從而產(chǎn)生磁場并形成渦流制動力,通過調(diào)節(jié)勵磁電流,實現(xiàn)制動力的控制。其特點是可產(chǎn)生較大的制動力,且易于控制,可調(diào)節(jié)性好,但要消耗較大的電功率,線圈溫度高,低速時可用性差。永磁渦流制動是用永磁材料制成的磁鐵取代電磁鐵,通過對永久磁鐵位置的調(diào)節(jié)實現(xiàn)渦流制動力的控制。其特點是無勵磁線圈,不需要外部供電裝置,質(zhì)量輕,熱負荷小,且可用作停車制動,可用性強,運用成本也較低,具有良好的發(fā)展前景。2振興裝置的結(jié)構和性能2.1軌道車輛旋轉(zhuǎn)渦流制動裝置安裝在一個轉(zhuǎn)向架上的線性渦流制動裝置主要包括電磁鐵、支承梁、傳力桿、支架、橫向拉桿、懸掛裝置等,圖3為德國ICE3動車組應用的渦流制動裝置。電磁鐵有兩組,分別布置在轉(zhuǎn)向架兩側(cè)、鋼軌中心線上方。支承梁用來固定電磁鐵,構成閉合磁路,同時承受制動力和吸引力。支架中含有球鉸,允許支承梁和電磁鐵沿垂向移動。傳力桿負責傳遞制動力,橫向拉桿用來保持兩組電磁鐵的距離并與支承梁構成整體框架,懸掛裝置用于支承梁和電磁鐵的升降。電磁鐵不工作時,通過懸掛裝置使其懸掛在轉(zhuǎn)向架上,此時制動裝置不會增加簧下質(zhì)量,對走行特性無影響。進行制動時,懸掛裝置可使電磁鐵下降到低位,此時制動裝置的質(zhì)量由輪對軸箱承受,變?yōu)榛上沦|(zhì)量,電磁鐵通電后在鋼軌中感應出渦流,達到制動目的。軌道車輛旋轉(zhuǎn)渦流制動裝置主要包括渦流制動盤或感應盤(轉(zhuǎn)子)和磁鐵(定子)兩部分,圖4為日本新干線動車組所用的旋轉(zhuǎn)渦流制動裝置。感應盤安裝在車軸上,并隨車軸一同轉(zhuǎn)動。為加強散熱,可在盤上設置散熱孔或采用其他散熱結(jié)構。電磁鐵布置在感應盤兩側(cè),安裝在轉(zhuǎn)向架上。2.2速度對2km/h左右制動力的影響圖5所示為德國ICE3動車組實測的制動力與速度關系曲線,由圖可見,低速時制動力隨速度的提高而快速增加,100km/h左右制動力達到最大,然后略有減小,但在很大的速度范圍甚至很高的速度下均可發(fā)揮近乎恒定的制動力。速度低于50km/h時,制動力快速衰減而垂向磁吸力不斷增大,實際使用時被關閉。3泥石流擠出關鍵渦流制動裝置的研發(fā),是對電磁、機械、熱力學、控制及電氣等多種學科進行集成。其中的關鍵技術主要包括以下幾個方面:3.1工程化渦流制動設計需要解決的問題為獲得理想的制動特性,且熱負荷和溫升滿足要求,應在電磁機理研究的基礎上,通過工程化的建模、解析和數(shù)值仿真,進行磁感應強度、線圈匝數(shù)、導線截面積、磁阻、極距、氣隙等參數(shù)和結(jié)構尺寸的選擇、設計與優(yōu)化,這是渦流制動需要解決的根本問題,也是工程化研究的難點所在。3.2制造工藝,提高礦壓力對于電磁渦流制動,需研究和選擇鐵芯及線圈材料,探索制造工藝,提高絕緣和耐熱性能,并具有一定的強度,發(fā)揮較大的制動力;對永磁渦流制動來說,應研究和選擇合適的永磁材料,在保證性能的同時,又具有良好的經(jīng)濟性。3.3輕量化產(chǎn)生的作用制動裝置整體應具有足夠的強度和剛度,能夠傳遞制動力而不會產(chǎn)生塑性變形或斷裂,并保持磁鐵與感應體的恒定間隙和相對位置,能夠承受高速運行所帶來的振動和沖擊,還包括輕量化技術,特別是減輕簧下質(zhì)量。3.4系統(tǒng)的可靠性原則。據(jù)經(jīng)驗:“對電磁渦流制動而言,供電方案和勵磁電源設計也是很重要的,應具有較高的可靠性和可控性,提供合適的勵磁功率,以便獲得所需的制動力,并盡量減小質(zhì)量和體積。當渦流制動用作緊急制動時,要求在電網(wǎng)斷電的情況下也能發(fā)揮制動作用。3.5渦流制動仿真為充分發(fā)揮渦流制動裝置的作用,并與其他制動方式協(xié)調(diào)工作,產(chǎn)生均勻的減速度,同時盡量減小磨損,提高運行經(jīng)濟性,研究制動力和能量的分配與優(yōu)化,從而指導渦流制動的控制,則是應用中必不可少的工作內(nèi)容。4渦流制動在軌道車輛上的應用盡管第一個渦流制動專利是針對軌道車輛的,但渦流制動卻首先在汽車上得到了應用,1936年世界第一臺汽車渦流制動器在法國誕生。汽車渦流制動裝置采用旋轉(zhuǎn)渦流型式,作為一種輔助制動手段,可提高車輛運行的安全性,延長機械制動器壽命,并降低車輛維修和運營費用。目前,在國外已被大量用于大型客車、載重汽車和特種車輛。20世紀90年代渦流制動裝置進入我國汽車市場,被稱為電渦流緩速器(或緩行器)。1997年我國交通部頒布了JT/T325《營運客車類型劃分及等級評定》標準,首次提出大型高三級營運客車應設有緩行器的要求。2002年修訂時,將緩行器安裝范圍擴大為中型客車高二級、大型客車高二和高三級。此后又在2004、2006和2010年進行了多次修訂,客車等級進一步細化,在2010年版本中規(guī)定,中型客車高二級及所有大型和特大型客車均應安裝緩速器。這一標準對我國商用汽車緩速器的快速發(fā)展起到了積極的推動作用,掀起了汽車緩速器的研究、開發(fā)熱潮,一時出現(xiàn)了很多有關電渦流緩速器的論文和專利,生產(chǎn)和銷售渦流緩速器的企業(yè)發(fā)展到20多家。至2007年底,我國汽車緩速器產(chǎn)量達4.5萬臺,其中95%以上為電渦流緩速器。目前,電渦流緩速器已成為現(xiàn)代汽車制動系統(tǒng)的關鍵部件之一,各大客車制造廠、眾多公交和長途客運企業(yè)都已成為電渦流緩速器的客戶,部分重型貨車也開始裝用電渦流緩速器。營運客車和貨車安裝電渦流緩速器后,安全性和舒適度得到提高,并起到了節(jié)油效果(圖6)。自20世紀60年代起,德、法、日等國一直對渦流制動用于軌道車輛進行研發(fā)和試驗。法國曾在TGV-001燃氣輪高速動車組Y225型轉(zhuǎn)向架上進行過旋轉(zhuǎn)型渦流制動裝置試驗,1972～1973年法國國營鐵路公司(SNCF)對線性渦流制動進行了首次線路運行試驗,1974年和1975年在Z7001動車組上也進行了試驗。其后,在TGV的Y229型轉(zhuǎn)向架上也曾采用線性渦流制動裝置進行試驗。20世紀90年代SNCF又與GEC-Alsthom、Knorr等專業(yè)廠商合作,對采用不同制造技術研發(fā)的兩種線性渦流制動裝置在360km/h的高速列車TGV-NG上進行裝車試驗,最終在新一代高速列車AGV上安裝了2套線性渦流制動裝置。當行車速度在350～200km/h之間時,每臺轉(zhuǎn)向架的渦流制動裝置可產(chǎn)生20kN的緊急制動力。德國對軌道車輛渦流制動技術的研究大體始于上世紀70年代初,克諾爾公司曾多次參與法國、德國鐵路的試驗研究。從1985年起,德國鐵路(DB)利用ICE/V高速試驗動車組進行了長期、大量的線性渦流制動試驗研究。隨著新材料的發(fā)展,1996年研制成功新的電磁線圈,解決了電磁鐵的輕量化及其與傳統(tǒng)軌道線路匹配等問題,1998～2000年在ICE-S上進行了全面的試驗和運用考核。2002-08正式投入商業(yè)運營的ICE3高速動車組批量裝用了線性渦流制動裝置,在最大常用制動和快速制動中,渦流制動裝置可分別提供145kN和170kN的制動力,特別是在230km/h以上速度范圍,渦流制動力遠大于電制動力,取得了良好的應用效果,其300km/h、330km/h初速度下的制動距離不大于3350m、4200m,平均減速度不小于1.04m/s、1.00m/s。至2009年底,至少已有67列ICE3動車組裝用了線性渦流制動裝置。同時,德國也在研究旋轉(zhuǎn)渦流制動技術在軌道車輛上的應用問題。日本新干線利用951型試驗電動車組曾對線性渦流制動裝置進行試驗,但當時考慮到軌道發(fā)熱等問題,新干線最終選擇了旋轉(zhuǎn)渦流制動裝置,100系、300系和700系動車組在拖車上均采用了旋轉(zhuǎn)渦流制動+空氣盤形制動的組合型式。其中,300系每軸2套,700系每軸1套(為減輕拖車軸重)。300系7級常用制動的能量分配為:再生制動占62%,渦流制動占35%,機械制動占3%。近年來,日本又重拾軌道渦流制動,但有所創(chuàng)新,他們正在研究一種交流勵磁的軌道渦流制動裝置,它是利用直線感應電機原理,進行渦流制動的同時,可利用逆變器將一部分能量反饋到電網(wǎng)(再生制動)或通過電阻耗散(電阻制動),從而減小鋼軌的溫升。我國鐵路的渦流制動研究起步較晚,20世紀90年代,同濟大學(包括原上海鐵道大學)對渦流制動的電磁機理、制動特性等進行了分析、研究,發(fā)表了多篇論文。他們還與株洲電力機車廠等單位合作,研制了小比例的線性渦流制動試驗臺,并利用試驗臺進行了試驗,當試驗速度分別為250,300,350km/h時,對應制動時間分別為9.86,12s和12.27s。西南交通大學等也于近期開展了永磁旋轉(zhuǎn)渦流制動的研究。我國軌道車輛的渦流制動技術,總體上還處于理論研究階段,工程化的試驗和研發(fā)工作尚未真正開展。近年來,中國高速鐵路發(fā)展迅速,目前運營的高速動車組在制動型式上,動車采用再生制動和盤形制動,拖車只采用盤形制動。300km/h以上等級列車的制動功率很大,制動盤將承受很高的熱負荷,其材料和結(jié)構設計受到很大的挑戰(zhàn),且閘片和制動盤磨耗加劇,運行成本加大。如果采用渦流制動,不僅可縮短緊急制動距離,提高列車安全性,而且可在常用制動中發(fā)揮作用,高速區(qū)段使用渦流制動和再生制動或電阻制動,低速區(qū)段使用空氣盤形制動補充,則可大大降低制動盤、閘片磨耗,節(jié)省運行成本,提高高速列車的運營效率。自2009年起,中國鐵道科學研究院機車車輛研究所研制高速渦流制動試驗臺,目前正在進行安裝和調(diào)試。該試驗臺可1?1地再現(xiàn)渦流制動的能量轉(zhuǎn)化過程,既可進行線性渦流制動試驗,又可進行旋轉(zhuǎn)渦流制動試驗。試驗臺建成后,將為我國高速列車