郑奎涛 刘军 王玮华 沈文波

摘 要：为解决座椅高下沉率弹射试验时滑车的安全制动问题，研制了一种基于永磁涡流的制动系统。本文首先全面分析了永磁涡流技术在垂直轨道滑车制动中的优势，结合滑车和弹射塔垂直轨道的结构特点，研制出了高下沉率滑车制动系统。然后对系统的制动性能进行了计算分析，最后对全系统进行了试验验证，并对计算结果和试验结果进行了对比分析。结果表明：永磁涡流制动系统制动性能指标满足要求，系统工作稳定、可靠，有效解决了高下沉率弹射试验时滑车的安全制动问题。

关键词：滑车；下沉率；永磁涡流；制动系统

中图分类号：TH139 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）15-0063-02

0 引言

根据某型弹射座椅总体的要求，座椅下沉率弹射速度需达到32m/s甚至更高。开展高下沉率弹射试验时，滑车总质量达到4吨以上，这就要求滑车制动系统必须提供足够大的制动力才能实现滑车的安全回收。

永磁涡流制动作为一项新型制动技术最早应用在铁路机车制动装置上。基于永磁涡流制动技术的独特特点，线性永磁涡流制动在“过山车”和“自由落体”等直线运动类设备的制动系统中有着很好的应用前景[1]。

永磁涡流制动作为一种非粘着性制动方式，具有许多传统制动方式无法比拟的优越性能：

（1）结构紧凑，能够大幅度降低对制动单元安装空间的要求[2]；节能、可靠，不存在断电时制动失效的危险。（2）是非接触制动，制动过程柔和、平稳。

由于弹射塔垂直轨道滑车对制动的要求是高可靠性、大制动力，同时不需要进行制动力的调节，永磁涡流制动较好的满足了该设备对于制动的要求。

1 工作原理

1.1 涡流效应

涡流即电磁感应作用在导体内部所产生的电流。当导体在磁场中运动，或者导体静止但存在于随时间变化的磁场，都可以造成磁力线与导体的相对切割。按照电磁感应定律，切割磁感线就能在导体中产生感应电动势，从而在导体内产生电流。这种引起的电流在导体中的分布随着导体的表面形状和磁通的分布有所不同，其路径往往有如水中的漩涡，因此称为涡流。

导体在非均匀磁场中移动或者处在随时间变化的磁场中时，因涡流而导致能量损耗称为涡流损耗[3]。涡流损耗的大小与磁场的变化方式、导体的运动、导体的几何形状、导体磁导率和电导率等因素有关。利用涡流损耗实现滑车的制动。

1.2 工作原理

动子永磁阵列固定在滑车车体底盘上，由钢板和永磁体组成，永磁体的N、S极交错排列，静子采用不导磁的导体板，固定在弹射塔垂直轨道制动段的塔体上。

当永磁体静止在制动段时，永磁体的气隙中的磁感线垂直于导体板，导体板中没有涡流。当滑车上的永磁体以一定速度通过制动段时，导体板切割磁感线，在导体板中感应出电动势和电涡流。根据楞次定律可知，感应出的电涡流产生的磁场与永磁体原有磁场相反，两种磁场相互作用，实现滑车的制动。

2 设计方案

2.1 总体设计要求

弹射塔垂直轨道总高度为120m，其中制动段高度设计为0～60m。开展下沉率试验时，涡流制动系统可将总质量≥4800kg、最大下沉速度≥32m/s滑车减速至1m/s以下。

2.2 设计方案

垂直轨道永磁涡流制动系统（见图1）主要由车载永磁体、塔体感应板、轨道末端缓冲台、控制系统等组成。

2.2.1 车载永磁体

永磁体组件安装在试验滑车上，随试验滑车一起沿竖直方向运动。永磁体组件模块左右两部分对称，滑车滑块磨损和轨道不平顺可能产生5mm以下的偏移，永磁体与感应板间隙设计为8mm。

永磁体是系统的核心组件之一，在满足制动性能的前提下，为了保证制动系统的可靠性，选用耐冲击性较好的N45M。单个永磁铁外形尺寸为：100X30X25mm。

永磁体模块采用直线型Halbach结构，它将不同磁化方向的永磁体按照一定的顺序排列，使工作区域的磁场强度大幅增强，非工作区域（侧面、背面等）的磁场被大幅减小，这种阵列不仅可以减少永磁体的用量，还可以减少永磁体对周围试验设备的影响。

2.2.2 感应板组件

感应板组件沿弹射塔凹槽竖直方向分段铺设安装。

滑车刚进入制动系统时速度最大，宜采用电阻率小、制动力大的感应板材料，当速度降低到一定数值之后，宜采用电阻率较大的感应板材料。

依据制动要求，感应板分高速、中低速二段设计，具体如下：

（1）高速制动段：高度50m至高度60m，采用厚度为8mm的铜镍合金板。（2）中低速制动段：高度0m至高度50m，采用厚度为8mm的铝合金板。

3 制动性能分析

永磁體组件安装与滑车底盘上，感应板组件安装于0～60m高度的塔体上，滑车总质量4800kg。利用有限元分析软件进行分析计算。

理想工况下，滑车无横向偏移。

滑车无横向偏移、以不同下沉速度进入制动段的制动数据见表1。

由于滑块间隙、滑块磨损量、感应板安装精度等因素，滑车滑行过程中存在横向偏移。存在横向偏移时，不同偏移量下制动力与速度的关系。

计算结果表明，横向偏移变大时，制动力变大。

滑车横向偏移5mm、以不同下沉速度进入制动段的制动数据见表2。

表1和表2数据说明，在60m处，正常情况下，滑车以不大于35m/s的下沉速度下落时，都能安全制动至末速度2m/s以内，制动距离不大于33m，安全距离不小于27m。

4 试验验证

为了验证垂直轨道永磁涡流制动系统性能稳定、工作可靠，各项指标均符合要求，进行了下沉率弹射试验，进入制动段的速度为31.46m/s和31.9m/s，并对各试验工况进行了制动性能复算。

（1）工况1：31.46m/s制动速度。计算结果与试验测试结果对比分析见图3和图4，滑车进入制动段的感应板后受到制动力，开始减速。在铜镍合金段，随着速度减小，制动力逐渐减小，进入铝合金段，制动力有所增大，并且随着速度减小先增大后减小，直到最后制动力与重力平衡，匀速下落。选取若干特征点，误差约为8.6%。

（2）工况2：31.9m/s制动速度。计算结果与试验测试结果对比分析，选取若干特征点，误差约为8.4%。

结果表明，试验数据与计算数据基本一致，制动系统性能良好，工作可靠，满足垂直轨道滑车安全制动的要求。

5 结语

垂直轨道永磁涡流制动系统性能稳定、工作可靠，各项指标均符合要求。垂直轨道永磁涡流制动系统的成功研制，彻底解决了弹射塔下沉率试验时滑车制动技术难题，为多个重点型号的新一代弹射座椅的研制提供了重要的试验技术保障。该系统的成功研制，是永磁涡流制动技术在大质量（4吨以上）、高下沉速度（30m/s以上）设备上的首次成功运用，展示了我国日益提高的科技水平。

参考文献

[1] 朱仙福.线性涡流制动电磁分析[J].上海铁道学院学报，1994，15（2）：55-63.

[2] 鞠成伟.永磁涡流制动技术在游乐设备中的应用[J].机电工程技术，2014，43（6）：186-190.

[3] 蒋冬清.旋转型永磁涡流制动装置的研究[D].中国优秀硕士学位论文全文数据库，2011（S1）：33-52.