现代有轨电车电磁轨道制动方式初探

现代有轨电车电磁轨道制动方式初探

裴玉春;吴兴东;王鹏;吴海岭

【摘要】对轨道交通车辆非黏着电磁制动方式进行了研究,对国内外电磁制动方式的工作原理及优劣点进行了调研.相较于线性涡流制动的电磁吸力影响构架强度且

低速时涡流制动力衰减,永磁轨道制动方式以其无电工作、制动力稳定等特点,适用

于现代有轨电车.

【期刊名称】《铁道机车车辆》

【年(卷),期】2015(035)004

【总页数】4页(P84-86,93)

【关键词】制动系统;永磁轨道制动装置;黏着;现代有轨电车

【作者】裴玉春;吴兴东;王鹏;吴海岭

【作者单位】同济大学,上海201804;上海庞丰交通设备科技有限公司,上海201802;上海庞丰交通设备科技有限公司,上海201802;上海庞丰交通设备科技有

限公司,上海201802;上海庞丰交通设备科技有限公司,上海201802

【正文语种】中文

【中图分类】U239.5

裴玉春1，2，吴兴东2，王鹏2，吴海岭2

（1 同济大学，上海201804；2 上海庞丰交通设备科技有限公司，上海201802）制动系统作为城轨车辆的重要系统，直接涉及到车辆的运行性能和安全，影响乘客的乘坐舒适度。传统的制动系统一般有3类制动装置，即机械摩擦制动、动力制

动（电制动）与非黏着工作方式的电磁轨道制动。

轨道交通运输系统的路权分为专用路权、隔离路权及共用路权等3种型式。有轨

电车部分地面路段采用隔离路权，以栅栏或高低差与其他车流隔离，具半独占性；有轨电车在平交道口采用共用路权，在街道上轨道与一般车流混合，为非独占性路权［1］。

在实际应用上，有轨电车系统大都根据当地环境现况，采用多种路权型式混合设计。由于有轨电车大多在街道上穿行，遇到意外情况需要以最快的速度停车，而露天的轨道会因天气潮湿、油污洒落、树叶覆盖等环境影响降低轨面黏着条件。因此，欧洲国家规定这种在街道上运行的车辆必须附加一套与轮轨黏着力无关的制动装置，以在紧急制动时提高减速度，确保安全，这种制动装置大多为电磁轨道制动器［2］。电磁轨道制动器主要有两种形式，涡流制动和磁轨制动。根据电磁制动的制动力施加型式分为旋转型和直线型，其中旋转型是通过车轮施加制动力，属于黏着制动；直线型是直接在轨道与转向架之间作用，属于非黏着制动。

由于涡流制动造价高、低速区段制动力下降等原因［3-4］，目前仅在个别高速列车上应用，而进行有轨电车的制动方式选择时，也不会考虑涡流制动，本文重点论述磁轨制动。

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、构造简单、维修量少和高可靠性而在不同的领域都获得应用［5］。磁轨制动装置如图1所示，主要由电磁本体、传力机构、升降风缸或弹簧等悬挂机构、极靴磨耗板等组成。磁轨制动是在转向架两个侧架下面同侧的两个车轮之间各安装一个电磁铁，利用升降气缸或弹簧进行悬挂安装，利用定位装置使得横向摇摆限于最小程度并传递制动力。制动时将它放下并利用电磁吸引力使其紧压在钢轨上，不但不会引起轴重转移，反而在制动时使轴重稍有增加，对黏着制动有利；同时制动时电磁铁对钢轨表面有机械清扫作用，特别是雪天或轨面被污染时可将轨面清理干净，改善了轮轨黏着，使

得车轮和轨道间的黏着力增加，减少了高速滑行的危险。磁轨制动的环境适应性也很好，在大雨和冰冻以及低温的恶劣天气条件下也能可靠地工作。通过磁铁上的磨耗板与钢轨之间的滑动摩擦产生制动力，把列车动能变成热能耗散在空气中，从而达到制动的效果。极靴做成特殊形状的前段部分，可以平稳地通过铁轨的道岔，部分设计中采用分离式极靴，增加对轨道表面的适应性。磁轨制动的制动力取决于磁铁长度、磁铁对钢轨的吸引力和轨道与极靴间的摩擦系数。根据磁场源的不同，分为励磁轨道制动和永磁轨道制动两种形式。

1.1 励磁轨道制动

励磁轨道制动首先用于城市有轨电车。在国外，城市轻型轨道列车上采用励磁轨道制动已经很多年。励磁轨道制动是利用电磁铁励磁后与钢轨吸合电磁铁的极靴压在钢轨上与钢轨产生摩擦的制动方式，这种制动方式最大的好处是不受黏着的限制，电磁铁通常安装在转向架的两个轮对之间，吊挂在转向架上，如图2所示。电磁

铁在有轨电车上可由接触网获得电能，也可由蓄电池供电，励磁线圈可以选择横向或纵向绕制。根据前苏联在PT200、ЭP200型高速列车及ПЭ3、ПЭ2M、ОПЭ2、СПЭ1А型动车组上应用的经验，磁轨制动装置与踏面或盘形制动装置配合使用时，可缩短制动距离40%。为了拆卸维护方便和提高极靴与轨道的接触面积，有些采

用多节结构极靴［6］，计算吸力在76.35～77.08 kN/m，质量在178～189

kg/m。根据knorr公司针对地铁、有轨电车、矿石列车、市郊列车及准轨列车等不同应用场合，有多种型号［7］，吸力在52～83.64 kN/ m，质量在127.5～207.5 kg/m。

1.2 永磁轨道制动

永磁轨道制动相对于励磁轨道制动的本质区别在于其动力源是永磁体固有的磁场而非励磁线圈产生的磁场，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，可提供安全制动功能。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，它可用作列车坡道防溜的停放制动，实现有轨电车要求在黏着条件很差的情况下能在80‰的坡道上可靠停车，并可取代列车上的弹簧蓄能式机械停放制动，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。由于结构简单，磁轨制动装置无需清洁作业，可大大减少维修费用，国外DD-IRM车使用的永磁体轨道制动器经验证明，其维修周期最低为5年，而且维修时只需更换制动靴［8］。

在结构上，与励磁轨道制动装置相比，取消供电线路，增设一个旋转机构，在不需工作时，如图3所示，将磁轴旋转90℃，在内部形成闭合磁力线回路，将对轨道的吸力降为0。根据文献［9］介绍永磁轨道制动装置工作状态能够产生约100 kN/m的吸力。

有轨电车对车辆制动系统有大减速度的要求，其在制动配置中必须选择非黏着制动方式，来保证达到规定的制动减速度。表1中介绍了几种非黏着电磁制动方式的工作特点。

在这里，从实际应用及制动系统配置角度，对几种制动方式进行分析及比较，选出适应于有轨电车运行工况的制动方式。

磁轨制动器近20多年以来在许多铁路上得到了应用。克诺尔公司近年在磁轨制动的设计及使用上进行了大量研究及改进，借助磁场计算改善制动器的几何形状，在保障黏着力与制动力稳定的前提下，减轻质量和缩小安装高度，同时研制新型极靴材料，在保障总制动里程的前提下，提高制动力。

在图4中显示了轨道涡流制动与磁轨制动的制动力特性曲线［10］。从曲线可以看出，涡流制动能力在低速区段基本无制动能力，随速度的升高，在50 km/h后逐渐稳定，达到理想制动状态；与此相反，磁轨制动能力在低速区段较高，随速度的提升逐渐衰减。