轨道交通领域轨道制动技术专利分析

王成 汪煜婷 靳宇

摘要：本文主要介绍了轨道交通领域的轨道制动技术，分析了轨道制动各分支的专利申请分布情况，同时还重点阐述了磁轨制动和涡流制动需解决的 关键技术问题和解决上述问题的措施。

关键词：轨道制动;专利申请分布;磁轨制动;涡流制动

前言

轨道制动是指制动元件与轨道相互作用的制动器，轨道制动根据工作 原理可分为机械类轨道制动和电磁类轨道制动两类轨道制动方式;其中，机械类轨道制动根据制动元件的类型又分为刹车垫制动、止轮器制动、夹 紧器制动;电磁类轨道制动又分为磁轨制动、涡流制动。

一、轨道制动各技术分支分别在华和全球的专利申请情况

图 1 示出了轨道制动各技术分支分别在华和全球的专利申请情况。由 图 1 可以得知在华专利申请和全球专利申请中，夹紧器制动、磁轨制动的 专利申请量均位居前二名，其次是止轮器制动，刹车垫制动和涡流制动的 专利申请量较少，这与各种轨道制动分支的结构、性能和应用特点相关。

二、机械类轨道制动

2.1 刹车垫制动

刹车垫制动是在列车需要制动时利用刹车垫与轨道相互作用产生摩擦，从而帮助列车快速实现列车制动，具有能够有效避免车厢倾覆的情况发生，刹车垫能够增大摩擦力，提高制动效果，且易于更换，维护成本低等优点。

2.2 止轮器制动

止轮器制动是在列车需要制动时利用止轮器作用于轨道和车轮之间，从而帮助列车快速实现列车制动，可以作为一种辅助的紧急刹车手段。

2.3 夹紧器制动

夹紧器制动是在列车需要制动时利用制动钳抱紧轨道的腰部，从而帮 助列车快速实现列车制动，不同于闸瓦、制动盘、刹车垫等摩擦制动，具 有不会对车轮和轨道带来磨损、安全可靠等优点，被广泛应用于轨道式起 重机、绳索车、单轨车、矿井卡轨车等。

三、电磁类轨道制动

3.1 磁轨制动

磁轨制动是在制动时通过把磁铁吸附在钢轨上，使磁铁的极靴与钢轨 相对滑动来产生制动力，图 2 示出了磁轨制动的结构示意图。根据制动磁 铁的种类，磁轨制动可以分为电磁式（EMB）和永磁式（PMB）两种。磁 轨制动的能量消耗低、制动能力强，是目前最适合我国现有技术水平和要 求的非粘着制动。

磁轨制动方式需解决的关键技术问题有两个方面：一是如何精确控制 磁轨制动器的制动力，二是如何控制磁轨制动器极靴与钢轨的磨擦温度。

（1）如何精确控制磁轨制动器的制动力

目前，如何精确控制磁轨制动器的制動力主要采取以下措施：

1）控制磁轨制动器的输入电流，例如中车唐山机车车辆有限公司在授 权专利 CN110091889B 示出了一种磁轨制动控制系统、方法及磁悬浮列车，其通过控制磁轨制动器的输入电流，实现电磁吸力可调。可根据不同的制 动级位要求，输出设定的电流大小数值，施加精确可调的电磁吸力。

2）优化改比值系数“m”来改进磁轨制动器的制动性能，例如克诺尔 车辆设备（苏州）有限公司在公开专利 CN204978693U 示出了一种磁轨制 动器，其在设计过程中引入了系数“m”，通过优化改比值来改进磁轨制动 器的制动性能，保证的吸力大小，同时还能尽可能的减小尺寸空间的需求，系数“m”是指磁体内核的高度 k 和磁体支架高度 h 的比值。

3）控制永磁体轴旋转的角度，例如江苏大学在授权专利 CN102167056B 示出了一种直线型永磁轨道制动器，其上部是顶盖，中间部分的两侧是侧 板，两端是端盖，下部是与轨道接触的极靴，极靴的正中间固定连接底隔，两侧板的中间设有与极靴同向的永磁体轴，通过控制永磁体轴 13 的旋转角 度，可调节制动力的大小。

4） 增大极靴与钢轨的接触面积，有效增大制动力，例如江苏大学在授 权专利 CN102951172B 示出了一种侧滑式磁轨制动器增力装置，其极靴底 部是横向宽度小于钢轨横向宽度的凸台结构，在凸台结构的横向两侧各设 置一个制动滑块，在制动滑块的底部设置一弧形导轨凹槽，该弧形导轨凹 槽与钢轨顶面两侧的过渡曲面相配;当凸台结构底面与钢轨的顶面中间接 触时，弧形导轨凹槽与钢轨顶面两侧的过渡曲面紧密贴合，从而能增大极 靴与钢轨的接触面积，有效增大制动力。

5） 增加磁路中的有效磁通密度，增大磁轨制动器的吸力，例如青岛四 方车辆研究所有限公司的公开专利 CN104002832A 示出了磁轨制动器用隔 板，其通过设置的永磁体，直接增加了磁路中的有效磁通密度，增大了磁 轨制动器的吸力，在与轨面摩擦因数不变的情况下，实现了增大行车制动 力的目的。

（2）如何控制磁轨制动器极靴与钢轨的磨擦温度

磁轨制动器的制动过程是一个动态的摩擦过程，它的摩擦制动系统由 极靴、钢轨面和界面膜组成，摩擦把列车的动能转变为热能，同时导致钢 轨与极靴的温度升高、磨损加剧，对极靴与钢轨产生严重的损坏。

目前，控制磁轨制动器极靴与钢轨的摩擦温度主要采取以下措施：

1 ）喷水冷却制 动器极靴及钢 轨，例如 江苏 大学在授权专利 CN105083029B 中示出了磁轨制动器极靴与轨道温度控制装置及控制方法，其通过在制动器极靴的侧面开有通水孔，制动器极靴底部开有喷水小孔，通过极靴底部喷水小孔可喷水冷却制动器极靴及钢轨，从而降低了磁轨制 动器极靴与钢轨的摩擦温度。

2）选择合适的极靴及钢轨材质，使得极靴及钢轨具有较好的耐高温性 能，降低极靴与钢轨之间的磨损，从而控制磁轨制动器极靴与钢轨的摩擦 温度。

3.2 涡流制动

涡流制动是基于涡流效应理论而提出的[1]，涡流制动是通过电磁铁的 磁场与钢轨或旋转导体的磁场相互作用来产生制动力。目前只有德国的 ICE3 和法国的 AGV 采用了这种制动方式[2]。一般而言，涡流制动一般分 为轨道涡流制动和旋转涡流制动。轨道涡流制动的工作原理如图 3 所示。

涡流制动非常的高效、平稳，而且不产生噪音。但是涡流制动应用于 轨道列车上时，涡流制动的能耗较高，而且对轨道信号和制动系统都会产 生干扰。目前，如何防止涡流制动对轨道信号和制动系统产生干扰主要采 取以下措施：

1）设置挡板屏蔽涡流制动磁体，例如 KNORR 的专利 EP0309651A2 示出了铁道车辆涡流制动装置，其通过设置挡板屏蔽源自涡流制动磁体或 源自信号装置的传输线圈的场使得涡流制动磁体在静止位置或当经过信号装置的传感器时不会引起不正确的信号触发。

2 ）选择性 磁屏蔽被安装到轨道制动器 ，例如 KNORR 的专利 DE3842882A1 示出了用于抑制磁性轴计数器上的磁性制动器的干扰的方法 和装置，该方法用于在配备有轨道制动器的车辆行驶经过时避免轮轴计数 器上的干扰，轴计数器具有横向布置在轨道的表面下方的磁传感器，调谐 到传感器使用的频率选择性磁屏蔽被安装到轨道制动器，磁屏蔽可以具有 至少一个线圈和作为电两极元件的电容器或电容器和电感器的网络。

结语

在轨道交通领域轨道制动技术中，考虑到我国目前的线路状况，如果 采用涡流制动，那将要投入巨资对铁路基础设施进行改造，代价十分昂贵，而磁轨制动的能量消耗低、制动能力强，是目前最适合我国现有技术水平 和要求的非粘着制动。总而言之，磁轨制动能够弥补粘着制动的不足，因 此具有广泛的应用前景。

参考文献：

[1]许淑珍.从高速铁路看中国铁路的发展[J].内江科技，2009，12：125～126.

[2]应之丁.涡流制动技术在高速列车上的应用[J].电力机车与城轨车 辆，2004，27（5）：19.22.