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1、第17卷第4期上海铁道大学学报(自然科学版)Vol.17,No.41996年12月JOURNALOFSHANGHAITIEDAOUNIVERSITY(NaturalScience)Dec.,1996高速列车轨道涡流制动的制动力分析与计算朱仙福张秀荣(上海铁道大学电气工程系)摘要:分析了涡流制动的原理,引入了“迎流的”(upwind)有限元法计算具有速度矢量项的有限元方程,根据电磁力的麦克斯韦定理计算了列车的制动力,结果表明:轨道涡流制动的制动力在列车低速区随列车速度的提高而增大,在列车高速区则随列车速度的提高而下降,在某一列车速度下,制动力达到最大。关
2、键词:高速列车,制动,涡流,有限元法分类号:U270.357***1引言列车高速化涉及列车的驱动和制动两个关键问题。其中高速列车的制动尤应给以足够的重视,高速列车制动的基本思路与目前常规速度下的列车制动一样,即消耗列车运动的动能,使列车减速或制停。由于高速列车的动能比普通列车大很多,而高速下轮轨间的粘着系数以及闸瓦与动轮之间的摩擦系数都大大降低,故高速列车必须采用新的制动体系。根据已有资料分析,高速列车的制动采用再生制动、涡流制动为主、摩擦制动为补充的联合制动系统,是一种经济效益和技术性能较好的制动系统。涡流制动有旋转涡流制动与轨道涡流制动两种形式。其
3、中轨道涡流制动属于非粘着制动,其优点是当列车速度在80～300km/h范围内,制动特性平坦,制动力大。上述两种涡流制动形式均有一组电磁铁和具有相对运动的电磁感应体,通过电磁感应,使列车的动能转化为电磁感应体中的涡流,并以热的形式向周围耗散掉,以此达到制动的目的。旋转涡流制动的电磁感应体是旋转的,它可以装在车轴上,或装在牵引电机的电枢轴头上,甚至可直接用列车的车轮作电磁感应体。一般电磁感应体的单侧或两侧沿圆周方向排列4～8个电磁铁。法国TGV—001高速燃气轮动车组的Y225型转向架上进行过旋转涡流制动装置的装车试验,但后来未推广应用。日本新干线时速达2
4、70km/h的100系列等高速动车组的非动力车的从轴上,也安装这种制动装置。轨道涡流制动装置,是在转向架两侧的车轮之间装设电磁铁,每组电磁铁长度约1200～2000mm;钢轨作电磁感应体,励磁电磁铁的N、S极沿钢轨的延伸方向作交替配置。电磁铁的磁极数一般在4～20范围内选择。励磁电磁铁的磁极极面与钢轨面的垂直距离不小于6mm。70年代初期,德国慕尼黑的克诺尔制动器公司首次研制成功了轨道涡流制动装置,并与法国国铁一起进行试验。试验结果表明:制动效果良好;但在高速情况下,因电磁铁的电磁本文于1996年4月18日收到,1996年8月30日修回。2上海铁道大学
5、学报(自然科学版)第17卷功率较大,电磁铁的温升较高,故未能推广使用。1985年德国铁路研究中心进行了轨道涡流制动装置的静止试验与区间运行试验。试验中对电磁铁系统加强了通风冷却,并减小了电磁铁励磁线圈的电阻值,使电磁铁的电磁功率与温升均有较大的下降。这一装置于1991年成功地应用在ICE高速列车上。日本国铁也对轨道涡流制动装置进行了深入研究,并进行了模拟试验。轨道涡流制动装置的研究在我国刚开始。我校根据铁道部下达的研究课题进行了研究分析,并研制轨道涡流制动的模拟试验台。2轨道涡流制动的机理轨道涡流制动的基本原理如图1所示。列车静止时,励磁电磁铁线圈通以
6、直流电后,电磁铁与钢轨之间的气隙中的磁场分布近似[1]如图2所示。由电磁场理论知,磁场对载流导体或铁磁体的作用力是通过媒质传递的,即在媒质中存在沿磁力线方向的纵张力和磁力线方向垂直的侧压力。纵张力使物体间距离缩短,侧压力趋向于把物体挤开,所以列车静止时,电磁铁与钢轨之间的磁场力垂直于轨面。列车运行时,电磁铁与钢轨之间有相对运动。为了分析方便,图1轨道涡流制动基本原理假设钢轨对电磁铁作相对运动。于是,钢轨在磁场中作切割运动,钢轨中产生动生电势。当励磁电流为非直流或列车作变速运动时,钢轨中还存在感生电势。这两种电势的存在,使钢轨中产生涡流。涡流的存在也使钢
7、轨内以及电磁铁与钢轨之间气隙中的磁场分布发生了变化,如图3所示。即在电磁铁运动方向(列车的运动方向)的前极端的气隙中磁场被削弱,在电磁铁的后极端的气隙中的磁场加强;气隙中的磁力线由列车静止时的垂直方向向水平方向倾斜。因此,电磁铁与钢轨之间的磁场力除了垂直分量外,还存在水平分量。这水平分力即为列车的制动力。图2列车静止时的磁场分布图3V=40km/h时的磁场分布从能量守恒的观点来看,钢轨中涡流引起的损耗是由列车的运动所引起的。列车运动时,其动能通第4期朱仙福张秀荣:高速列车轨道涡流制动的制动力分析与计算3过电磁作用不断地转化为钢轨中的涡流损耗,这也可用电
8、磁场中的坡印亭定理来说明。列车运动时钢轨面附近的气隙侧的磁场强度由水平分量与垂直分量组成,此处
