永磁磁轨制动应用及联合控制策略研究

姚 明，何 仁

（江苏大学 汽车与交通工程学院， 镇江 212013）

0 引言

随着列车的不断提速，尤其是动车组在客运列车中的大规模应用，我国的铁路客运开始进入高速列车的时代。随之而来的就是对列车的安全性提出了更高的要求。目前, 铁道车辆的主要制动方式是粘着制动，一般配备有踏面或盘形摩擦制动；而在高速列车中，为了避免轮对踏面被擦伤，其基础制动形式普遍采用了盘形制动和电阻制动装置。但这些制动方式都属于粘着制动，制动力的大小受到粘着系数的限制；同时，粘着系数又随列车制动初速度的增加而下降（图 1），从而使得制动力也相应的随制动初速度的增加而减小。此外，高速列车制动时初速度高，具有很大的动能，在规定的制动距离内要转化并耗散这样大的能量，单靠传统的粘着制动方式也根本无法完成。这就使得高速列车必须改进原有的制动方式，采用新的制动体系。国外高速铁路采用直流电机或同步电机传动时，动车采用电阻制动和盘形制动，拖车采用永磁磁轨制动和盘形制动；采用交流异步电机传动时，动车采用再生制动和盘形制动，拖车采用永磁磁轨制动和盘形制动[1]。在国内，根据现有的技术条件, 高速列车的制动采用粘着制动为主、磁轨制动等非粘着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。

图1 列车行车速度与粘着系数的关系

磁轨制动技术是近几十年发展起来的一种新型制动方式，因其原理简单、无摩擦和高可靠性而在不同的领域都获得应用。它包括电磁轨道制动和永磁轨道制动两种形式，其中永磁轨轨制动以其不消耗能量、免维护、高速制动性能好等优点得到了广泛的重视。同时永磁磁轨制动装置应用于列车时不影响列车粘着，当列车运行在高速区间时制动特性平坦，制动力大，因而成为高速列车联合制动方式中的一种。

1 永磁磁轨制动器的优点及工作原理

1.1 优点

在国外，城市轻型轨道列车上采用电磁轨道制动已经很多年。其基本结构是在转向架上，同侧两轮之间正对钢轨上方悬挂一条形电磁铁。制动时电磁铁励磁，强大的吸力将电磁铁吸于钢轨表面，电磁铁极靴与钢轨表面滑动摩擦力即为制动力。永磁轨道制动相对于电磁轨道制动的本质区别在于，除了开始制动时需要提供驱动永磁轨道制动器的能源外，一旦制动, 永磁轨道制动不再需要外部能源。因此，在紧急制动过程中, 不需要蓄电池提供能量。当列车静止时，制动仍将有效，而且在无外部能量供应的情况下可长期保持；因此它可用于列车停车时的防溜制动, 并可取代列车上的手制动，从而可以简化列车制动结构，减少所需部件的数量，并有助于实现列车的轻量化。此外，由于磁轨制动属于非粘着制动，因此其产生的制动力不仅与粘着系数无关，而且由于永磁体和轨道之间的吸力，反而可以改进轮轨间的粘着状态，提高粘着系数，从而增强粘着制动力。

1.2 工作原理和结构

影响永磁磁轨制动器制动能力的因素主要包括永磁体所能产生的磁力大小、和轨道相接触的磨耗板所使用的材料以及制动器的整体结构设计。永磁体所选用的材料不同，其磁能积也就会有很大的差别；目前在永磁体中广泛采用的材料是以钕、铁和硼等元素组成的化合物[2]，相比以前采用的碳钢其磁能积提高了五十倍以上，这也使得制造由永久磁铁来获得制动力的新型磁轨制动器变得可行；此外，磁力线通路中的任何空气间隙都将降低有效磁力（图2），而永磁磁轨制动器最大的空气间隙出现在磨耗板和轨道之间，因此需要从制动器的整体结构上来保证该气隙最小。在此过程中，磨耗板与轨道摩擦产生的金属碎屑将会进一步增大气隙，因此需要在制造磨耗板的时候选择合适的材料和结构。同时，选择材料的差异将会影响到磨耗板与钢轨间的摩擦系数，从而直接影响制动器所能产生的制动力的大小。

图2 磨耗板与轨道间的空气间隙对磁力的影响

图3 直线型永磁制动器结构

永磁制动技术在轨道交通的应用主要包括旋转型永磁制动器和直线型永磁制动器两种形式。由于旋转型永磁制动器需要安装在车轴上来工作，而如今高速列车上粘着制动普遍采用安装在车轴上的盘形制动器来提供制动力，因此在布置位置上常常和盘形制动器相冲突，所以在高速列车上通常采用直线型永磁制动器。直线型永磁制动器的安装方式与电磁轨道制动器相类似,安装在转向架的车轴之间，因此可以通过增加永磁体的长度来增加制动力。直线型永磁制动器组成如图3所示,由制动箱体、磨耗板、传力导柱、旋转机构和悬挂装置等组成。工作状态时，升降气缸作用使永磁制动器靠近铁轨。在旋转机构作用下,永磁体在制动箱体中旋转，磁力线在永磁体和铁轨中形成闭合回路，磁铁的吸引力使得磨耗板和钢轨间产生压力，从而产生摩擦力, 由此提供所需的制动力。非工作状态时，升降气缸作用使永磁制动器远离铁轨。旋转机构作用下，永磁体在制动箱体中旋转，磁力线被屏蔽在箱体内，不通过铁轨，从而不产生制动力。

由于列车在运行过程中，有些情况下可能要求制动距离较短，此时就可利用磁轨制动参于常规制动或紧急制动。同时, 磁轨制动系统增加了车轮与轨道的压力从而也可以增强粘着制动的效果。因此，在加速制动或紧急制动过程中，就会出现磁轨制动与基础制动联合工作的情形，此时就必须对多种制动系统联合工作时的控制策略进行研究。

2 联合制动分析及控制目标的确定

由于高速列车制动初速度高，其动能是常速列车的几倍,采用单一的轮轨制动方式根本无法满足制动距离的要求，因此高速列车在制动过程中通常采用盘形制动、电阻制动、磁轨制动、涡流制动、再生制动等多种制动模式相结合的形式。由于各种制动方式均具有不同的特点，如电阻制动技术成熟；再生制动能回收大部分动能；磁轨制动磨耗大,适用于紧急制动；盘形制动是高速列车主要制动方式；涡流制动波动小，制动力矩较大。因此多种制动方式协同工作，可充分发挥各自的特点，提高列车高速时的制动能力。

列车高速制动时，轮对粘着系数下降，盘形制动又由于升温过快过高导致摩擦面间磨损加剧，摩擦系数不稳定，使制动效能降低。因此在列车高速紧急制动时，可以利用磁轨制动来增加制动效能，提高粘着系数，缩短制动距离；当列车常规制动时，则可辅以磁轨制动来改善主制动器的工作状况，减少摩擦面的磨损，提高使用寿命；当列车停车时,则可用磁轨制动来做为列车的驻车制动。由此可实现多种用途，起到简化制动系统结构，保护盘形制动器的目的。

根据文献[3]中的规定，运行速度160km/h以上至200km/h的旅客列车其紧急制动距离的限值为2000m，而速度大于200km/h的高速列车的制动距离现在还未明确限定。根据此项规定，可以确定速度为200km/h的高速列车紧急制动时的控制目标为：

3 联合制动策略的制定

根据以上分析，联合制动的控制策略可以分成以下三个部分：

1）第一部分（Ⅰ）：紧急制动过程

此阶段由于需要满足制动距离的强制要求，因此需要多种制动方式同时工作，并且达到最大的制动能力；此时磁轨制动也需要充分发挥其制动效能，从而起到提高粘着能力缩短制动距离，的作用。

2）第二部分（Ⅱ）：常用制动过程

此阶段没有强制限定制动距离，而且从列车的乘坐舒适性考虑，制动强度相对较低，因此通常盘形制动器就可以满足制动要求；此阶段磁轨制动器可发挥部分的制动能力，从而改善主制动器的工作状况，减少摩擦副的磨损，提高使用寿命。

图4 联合制动控制过程示意图

图5 整个控制策略流程图

3）第三部分（Ⅲ）：驻车制动过程

此时列车处于静止状态，磁轨制动器代替传统的手制动实行防溜制动。为了保证列车驻车可靠，此时磁轨制动器应该发挥最大制动效能。由于此时磨耗板与钢轨间没有相对滑动，故驻车制动对磁轨制动器不产生磨损和热量。同时，制动施行后不需外部能量供应，因此可以长时间的可靠制动。

驻车制动时，只单独采用磁轨制动方式；其他情况下则采用多种制动方式的联合制动；紧急制动时，各种制动方式制动强度达到最大，常用制动时，则根据列车运行工况进行调整。

图4是联合制动控制过程示意图，图5是整个控制策略流程图。

4 采用联合控制后列车制动距离分析

采用上述控制策略后，可以通过计算紧急制动距离来对比采用磁轨制动器前后的制动距离的变化。根据文献[4]提出的列车紧急制动距离限值的核定原则及方法，轮轨式高速列车紧急制动距离的计算可以按式(2)进行。

式中，SX为紧急制动距离计算值（m）；Sk为紧急制动空走距离（m）；Se为紧急制动有效距离（m）； Δ为安全距离（m）；tk为紧急制动空走时间（s）；vmax为允许的最高运营速度（km/h）；v为列车实际运行速度（km/h），紧急制动时按照v=vmax/2进行简化处理[5]；γ为回转质量系数；µb为制动粘着系数；ω为列车单位基本阻力（N/kN）；α为非粘制动力与粘着制动力的比值，即非粘制动比例系数； x为粘着系数利用程度。

在式(2)中，通过系数α考虑了磁轨制动等非粘制动方式对制动距离的贡献，当只使用粘着制动时，取α=0，而当需要采用非粘制动方式时，α=0.1～0.2，最高可取到0.4。

以X2000摆式电动车组为例，根据该型列车的相关参数[6]，计算列车以最高运行时速200km/h进行紧急制动时的制动距离，表1为公式(2)～(4)中的各系数取值；表2为x及α分别取不同值时的紧急制动距离。

表1 紧急制动时各系数的取值

由表2数据可以看出，当高速列车仅采用粘着制动时，若粘着系数利用程度x=0.9，此时列车紧急制动距离刚好满足文献[3]中规定的要求(Sx=1966m)；一旦粘着制动系统不能可靠工作且磁轨制动系统不参与工作（x=0.8，α=0），由表2数据可得该工况下列车的制动距离Sx=2177m，将显著超过制动距离2000m的限定要求。若此时能引入磁轨制动（x=0.8，α=0.1），制动距离则能基本满足要求（Sx=2004m）。若进一步提高磁轨制动的比例系数（x=0.8，α=0.2），则制动距离可以进一步缩短（Sx=1860m），完全满足限定值要求。由此表明，相比单一粘着制动，采用联合制动后，列车的制动距离有显著缩小，说明磁轨制动作为辅助制动可有效的发挥作用。

表2 紧急制动距离计算值 单位：m

5 结论

高速列车的制动系统是一个多部件，多种制动方式相结合的系统，它的动态特性复杂，并且制动性能直接影响整车的性能和行驶的安全性。采用磁轨制动系统作为辅助制动方式，可以有效的缩短制动距离，缓解主制动方式的工作状况，提高制动系统使用寿命。多制动系统的联合控制，则可使多种制动方式协同工作，发挥相互的互补作用，提高列车的制动安全性和行驶可靠性。

[1] 何仁,牛润新.永磁磁轨制动技术在轨道交通中的应用[J].中国安全科学学报,2007,17 (1 ):167-171.

[2] 范燕.永磁轨道制动[J].国外铁道车辆,1997(5):34-37.

[3] 中华人民共和国铁道部.列车牵引计算规程[M].北京:中国铁道出版社,1999.

[4] 黄问盈,杨宁清,黄民.我国铁道列车紧急制动距离限值核定原则的探讨[J].中国铁道科学,2003,24 (1):79-87.

[5] 陈士全,孙中央.列车制动距离计算方法的简化[J].铁道机车车辆,2000(2):28-29.

[6] 孙中央.列车牵引计算规程实用教程[M].北京:中国铁道出版社,1999.