盤形渦流制動裝置制動特性分析

陳家敏,應 博

(1.上海機動車檢測認證技術研究中心有限公司,上海 201805;2.上海地鐵維護保障有限公司 車輛分公司,上海 200235)

隨著列車高速化,制動系統面臨著越來越嚴峻的挑戰。對于任何一種制動方式,其最終目的都是使車輛由高速減至低速或者停止,而制動效果則由制動力的大小所決定。對于渦流制動,其制動力是由電磁場引起的,因此對渦流電磁場的研究具有重要的意義。

文獻[1-2]通過經驗的算法來計算制動力,采用解析法求解電磁場,然后計算電磁力。文獻[3-4]提出了一些計算模型。文獻[5]則采用數值的方法來計算電磁場,利用有限元法得出電磁場的分布,再用積分的方法計算電磁力。文獻[6-7]用數值法計算了電磁場的相關研究。

本文介紹了電磁力的基本算法和各種制動力的解析法計算模型,并利用通用軟件計算了渦流制動力。然后,對影響渦流制動電磁場和制動力的參數進行了研究與優化,得到了合理的制動特性曲線,并與試驗曲線進行了比較,證明了其正確性。

1 盤形渦流制動裝置

利用勵磁電磁鐵與轉盤的相對運動,在轉盤中產生動生和感生電勢,進而產生渦流,將列車的動能變成轉盤中的熱能,并通過轉盤把熱量發散出去。盤形渦流制動裝置如圖1所示。

圖1 盤形渦流制動裝置

2 渦流制動動態變化規律

2.1 渦流制動裝置電磁場變化與結構關系

對于電磁場與制動力的計算,一般可分為基于解析法的經驗法和數值法2種算法。

通過解析法簡化磁場,磁場正弦分布,得到磁通密度[1-2],進而得到制動力的公式:

F=L?ΩB(x,y)J(x,y)dxdy

(1)

式中:L為長度,B(x,y)為磁通密度,J(x,y)為微元上面的電流密度分布。

利用數值法,通過麥克斯韋方程,經過推導,得到適用于計算機求解的有限元方程[6-7]:

(2)

2.2 不同計算方法對比

圖2表示轉盤中心處和距離轉盤表面1 mm處的磁通密度值在相同條件下,利用ANSYS和FEMLab分別計算得到的結果。

圖2 ANSYS和FEMLAB計算結果

2種軟件中磁通密度的變化趨勢是相同的,呈類似正弦函數的波浪型分布,數值誤差也較小。

圖3為相同條件下利用不同計算方法所得到的制動力與速度的關系以及不同速度下的磁雷諾系數曲線。在ANSYS中利用2種計算方法計算電磁力,FVW為虛位移法,FMX為麥克斯韋應力張量法。在FEMLab中利用區域積分功能進行電磁力計算。

圖3 不同計算方法的制動力

制動力隨速度的增加而增加,在達到最大值后,制動力隨速度增加而緩慢下降。制動力最大時的速度稱為臨界速度。3種方法所計算的制動特性曲線中,制動力隨速度的變化趨勢一致,數值的差別是由算法和網格劃分引起的。

隨著速度的增加,磁場的變形越來越嚴重。在速度v的作用下會出現最大制動力。

2.3 數值法和解析法對比

相同條件下,用數值法和解析法分別計算渦流的衰減情況,圖4為數值法計算的渦流密度分布情況,沿縱向從轉盤表面至中心提取渦流密度值,然后除以表面處的渦流密度值,即得出衰減的規律,與按解析法計算的標準指數衰減曲線比較,數值法解和解析法解是相符的。

圖4 數值法與解析法對比

3 渦流制動裝置結構參數對性能影響

3.1 氣隙大小對制動特性的影響

圖5為不同氣隙下磁通密度變化曲線,氣隙越大磁通密度越小,即氣隙越大,磁路中的總磁阻越大。因此,磁通密度就越小。

圖5 氣隙對磁場的影響

圖6為氣隙對制動力的影響,由圖6可知,氣隙越大,制動力越小,整個制動特性曲線的變化趨勢也更為平坦。氣隙增加時,磁阻也在增加,磁感應強度減小,制動力急劇減小。

圖6 氣隙對制動力的影響

3.2 轉盤厚度對制動特性的影響

轉盤厚度對磁場的影響如圖7所示,與氣隙大小類似,轉盤越厚,磁通密度越小,但轉盤的磁導率要比空氣大,磁阻比空氣小。因此,磁通密度的下降幅度較小。

圖7 轉盤厚度對磁場的影響

圖8為不同盤厚的制動特性曲線,隨著盤厚的增加,制動力的總體趨勢是變小的,但在低速時,轉盤厚的制動力反而大。低速時,磁通密度大小差別是很小的,因此決定制動力大小的因素是轉盤截面的面積大小,因此轉盤厚的制動力大;而在高速時,轉盤厚的磁力線不易穿透,因此制動力較小。

圖8 不同速度下盤厚對制動力的影響

3.3 磁導率和電導率對制動特性的影響

圖9為不同磁導率和電導率的制動特性曲線。磁導率和電導率對制動特性曲線的影響很大,磁導率越大,制動力越大。臨界速度變小是由于磁導率越大,磁場的變形越大;而電導率只影響臨界速度的大小,并不影響制動力的大小。

圖9 μ、σ對制動力的影響

3.4 電流大小對制動特性的影響

在匝數一定的情況下,導線中的電流越大,總電流也越大,磁動勢也越大,因此產生的磁通密度也越大。圖10為不同激勵電流時的磁通密度大小比較,所取磁通密度位于轉盤厚度的中線。在條件不變時,磁通密度隨激勵電流的增大而增大。此外,磁通密度的分布并不隨電流的變化而變化,反映在圖中就是不同電流下磁通密度變化遵循同樣的變化規律。

圖10 電流對磁場的影響

4 試驗驗證

渦流裝置試驗臺如圖11所示,主要由模擬制動能量子系統(包括軌道輪、慣性輪、主軸、軸承)、模擬電磁鐵與鋼軌之間作用子系統(包括電磁鐵和氣隙調整機構及扇形支架)和信息采集及控制子系統組成。試驗臺通過設定的磁極與軌道之間的間隙和勵磁電流,可測出電磁吸引力及制動力。

圖11 渦流制動裝置試驗臺

圖12為計算所得的制動特性曲線和國內外試驗數據的對比圖,由于試驗的條件各不相同,因此所得的制動力也大小不一,為使各試驗數據具有可比性,在制動特性曲線圖中縱坐標采用相對制動力F′,即縱坐標均除以臨界速度時的制動力。從圖中可以看出,計算的制動力曲線和試驗結果擬合度較高,算法正確。為實際設計和優化渦流制動裝置提供了可靠的模型和計算方法。

圖12 計算曲線和試驗曲線對比

5 結束語

利用解析法和數值法對渦流制動的電磁場進行了計算,對比分析了3種不同計算方法所得到的電磁力。對影響渦流制動電磁場和制動力的各種參數進行了研究和優化,通過調整氣隙、盤厚、磁導率、電導率和電流大小等參數優化了制動性能。對不同速度時的制動力進行試驗,與仿真結果、國外試驗曲線進行了對比,結果吻合。