杜薇薇，崔世轩，黎 莎，王心哲，王延平

(大连工业大学 信息科学与工程学院,辽宁 大连 116034)

0 引 言

列车速度的不断提高，极大促进了社会发展与民生改善，同时对制动系统的性能也提出了较高的要求，比如高铁速度提升一倍，制动功率需要提升8倍[1]。目前高速列车的拖动技术完全可以实现时速700 km/h，但是由于制动技术的限制，超高速列车在现实生活中尚无法应用。在列车的运行起动、正常运行、制动阶段中，制动阶段的运行状况最为恶劣，特别是紧急刹车、紧急减速时，常常导致恶性事故的发生，而列车制动过程中压缩力和冲击力是造成恶性事故的根源。出现压缩力的主要原因是制动波的传播速度慢，后面车厢对前面车厢产生极大的挤压力；出现冲击力的原因是由于各车厢的质量不同，在制动过程中惯性的差异导致各车厢的单位制动力不等，从而在车钩之间产生巨大的冲击力。当压缩力与冲击力叠加，会对部分车厢产生几百甚至上千吨的总压缩力，破坏车厢从而导致恶性事故的发生。

本研究提出一种高速列车的同步制动法，并依此设计一种宽速度、大制动力、低能耗、同步性极佳的同步涡流制动机。

1 现有的制动技术和制动方式

目前高速列车的制动方式总体分为两类：接触制动和无接触制动。

1.1 接触制动

接触制动可分为空气制动和磁轨制动，空气制动又可分为闸瓦摩擦制动和盘型摩擦制动，制动力的传导都是通过空气压力来实现。

闸瓦摩擦制动采用瓦轮接触摩擦制动原理，因此存在可控精度差、同步性不高、响应速度慢等缺点，从而引发的制动事故相对较多。盘形摩擦制动通过推动制动夹钳使闸片夹紧装固在车轴或车轮辐板上的制动圆盘，使闸片与制动圆盘间产生摩擦，把动能转变为热能，达到制动的目的。优点是将轮对踏面与闸瓦间的摩擦转换为闸片与制动盘间的摩擦，适合于高速列车使用；缺点是制动介质传递速度慢，高速下存在安全隐患。目前，我国的高速动车组、日本的新干线系列、法国的TGV以及德国的ICE高速动车组基本都采用了这种制动方式作为其联合制动方式之一[2-3]。

磁轨制动通过安装在转向架下的电磁铁在通电励磁后产生磁力，在磁力作用下与钢轨产生摩擦制动力。优点是属于非黏着制动，制动力不受轮轨黏着系数的影响；缺点是对钢轨磨损较大，且制动力不易调节。

1.2 无接触制动

无接触制动包含再生制动与涡流制动，涡流制动又可分为旋转盘涡流制动和线型涡流制动。再生制动是将牵引电机变成发电机，把列车的动能转化为电能，通过接触网反馈回电网。起初的再生制动是用在长而陡的路况下(坡长10 km以上、坡度为2%～4%)，作为限速的手段来使用的。其适用条件是转速大于同步转速时才产生效用，如式(1)所示。

n=n1-Δn

(1)

式中：n1为同步转速，n为转速。

起初的再生制动动能回馈一般小于5%。当前，变频调速技术已经可以改变同步转速，从而使动能回馈效率接近60%，同步转速计算如式(2)所示。

(2)

式中：f为电流频率，p为磁极对数。

再生制动的优点是在实现列车制动的同时，还可以向电网回馈电能[4-5]；缺点是对变频器进行频率调节时的技术要求较高，费用较高。

线型涡流制动是将电流励磁S-N阵列安装在轮轴盘架上，与钢轨保持一定的气隙。线圈通电后，电磁铁与钢轨相对运动时在钢轨中产生涡流。涡流与线圈主磁场作用产生切向分力，从而实现制动[6]。优点是制动力为非黏附力，减小制动距离；缺点是耗电大，成本高。

旋盘涡流制动是将制动盘安装在车轴上，将励磁盘安装在转向架下，涡流盘和励磁盘间有气隙(一般为10 mm左右)。当加载励磁电流、制动盘随轴转动切割励磁磁场时在盘内产生涡流，涡流与励磁主磁场相排斥，从而形成制动力，涡流转化为热量。日本新干线和德国ICE3均采用了此项技术。优点是在很大的速度范围内制动力具有平坦的特性。但由于气隙较大，且轮盘尺寸有限，要想获得足够的制动力，所消耗的电流过大[7-10]。

我国高速列车采用再生制动为主、盘形摩擦制动为补充的联合制动系统。一般再生制动在列车运行50 km/h以上使用，50 km/h以下采用盘形摩擦制动[11-12]。由于盘形摩擦制动是通过闸片与制动盘间的摩擦实现制动，我国一列动车组一年需更换刹车片3～4次，而国外对刹车片技术一直严格封锁，中国50%的摩擦片被德国的克诺尔公司垄断，在使用中磨耗大、费用高[13]。

通过比较各种制动技术和目前高速列车的制动系统，均无法实现同步制动。综合几十年列车速度不断提高的应用经验，车速越高列控自走(由于惯性、风力等原因列车在制动过程中的滑行状态)的制动模式优势越明显，已经形成行业的常识性共识，即制动分散到每节车厢同步控制。在此共识下，来分析讨论最佳制动模式，研制最适合的制动技术装备，才能在技术应用上承上启下。

2 双环外桶复式同步涡流制动机的设计

2.1 同步制动系统提案

由于空气的传递速度慢，机械制动中存在着充气、放气等因素，导致各车厢之间的制动机不同步，在高速下易失控。传统涡流制动机不论是内桶涡流制动机还是盘形涡流制动机，存在散热性能差和励磁消耗功率大的缺陷。目前运行的高速动车组采用再生制动与盘形摩擦制动(接触制动)的混合制动方式。列车运行过程中电机既要完成列车牵引又要进行高速制动，电机长期处于运转状态，并且制动过程是电机运行的最恶劣状态，严重影响电机的使用寿命，也是高铁成本居高不下的原因之一。此外，另一主要缺陷是中速以下无法实现同步制动，即动车带动拖车进行制动，且在电、机制动转换时存在失控区。

基于制动系统对高速列车安全性能的影响，为实现高速下同步制动、提高高速列车的运能的目的，提出一种同步制动的提案。该提案将桶形涡流制动与盘形摩擦制动合二为一，设计研制了同步涡流制动机。外桶形涡流制动用于高速下快速制动，并将速度降至约5 km/h及更低速度后采用盘形摩擦制动(目前高铁一般降至50 km/h就开始采用盘形摩擦制动)，实现低速下目的停车。该提案集合了涡流制动和盘形摩擦制动的优点，可用于限速、紧急制动、正常制动等多种制动状态，可提高制动的安全性、降低高速列车制动的运营成本，如图1所示。

图1 同步制动系统提案Fig.1 A system proposal of synchronous braking

2.2 结构与原理

为满足高速列车最佳制动功能需求，研制了一种双环外桶复式同步涡流制动机，简称SWFTWZ(S—三层双环，W—外桶，F—双环复式，T—同步，W—涡流，Z—制动机)，如图2所示。

1.制动盘;2.外涡流圆桶;3.励磁线圈;4.磁极铁芯;5.绝缘垫圈;6.定子磁轭;7.空心轴;8.轮轴;9.键;10.旋转端盖;11.外轴承;12.内轴承;13.内环止口图2 SWFTWZ结构图及A-A向剖视图Fig.2 The structure diagram of SWFTWZ and section view of A-A

制动盘安装在轮轴上，其中制动盘两端为对称结构，位于制动盘两端的轮轴上的结构对称，从而消除两侧产生的剪切力。位于制动盘两端的轮轴上均套装有空心轴，轮轴与空心轴通过连接键连接。空心轴上套装有定子磁轭，定子磁轭两端均安装有内轴承，内轴承安装在定子磁轭与空心轴之间的轴承室内，通过内轴承使所述空心轴与定子磁轭之间留有间隙。定子磁轭上套装有外涡流圆桶，外涡流圆桶一端安装在制动盘的内环止口内，另一端与旋转端盖相连，通过内环止口保证制动盘两端的外涡流圆桶在制动盘上的精度、同心度以及牢固度。旋转端盖套装在定子磁轭上，定子磁轭与旋转端盖之间安装有外轴承。空心轴与定子磁轭之间设置有磁极铁芯，磁极铁芯安装在定子磁轭上，磁极铁芯与外涡流圆桶之间留有间隙。磁极铁芯上安装有励磁线圈，励磁线圈与定子磁轭之间安装绝缘垫圈。SWFTWZ原理验证样机及其尺寸如图3所示。

图3 SWFTWZ样机及尺寸Fig.3 The prototype and size diagram of SWFTWZ

综上所述，SWFTWZ样机采用机、电、磁一体化的设计方法，其结构为“外转子涡流圆桶—中定子—内转轴空心轴”运行的三层结构。在运行过程中，涡流圆桶与轮对同步旋转，切割主磁极产生的磁力线在圆桶内产生涡流。涡流与主磁通相互作用，产生与轮对旋转方向相反的力矩，完成制动的过程。

SWFTWZ设计具有如下特点：(1)SWFTWZ外圆桶进行散热，可实现对流、传导、辐射三者散热方法同步进行，散热性能更好。(2)由于制动力矩与主磁通有关，即与励磁电流有关，所以控制励磁电流即可控制力矩，实现单位制动力相等的目的，进而减小车厢间的冲击力。(3)由于可实现制动力的可变控制，SWFTWZ可将列车减速至更低速度后再采用盘形摩擦制动，大大降低摩擦损耗。(4)SWFTWZ的桶形结构同心度高，磁通路中的空气间隙小(可做到2 mm)，所以磁通路中的励磁损耗小，无须大功率输入励磁电流，减少耗能。(5)由于转向架下方到钢轨的空间有限，SWFTWZ的桶形设计减小了径向尺寸和整体的几何尺寸，满足了空间有限的要求。从而，SWFTWZ可同时固定在每节车厢的轮轴上，结合传感技术，可大大减小各车厢之间由于不同步制动和单位制动力不等而产生的巨大总压缩力和冲击力，消除了制动中的空走及隐患。(6)机、电、磁一体的复式结构设计省去了传动结构，使制动效率提高，并减少了整个制动机的质量。

2.3 系统力学参数及性能

以高速列车的制动过程为分析顺序，估算列车在运行中SWFTWZ的制动时间、制动距离、摩擦损耗，并与现行的高速列车制动要求进行对比。

2.3.1 制动时间与制动距离估算

由于车辆的重力作用，产生车辆轮轨之间的黏附力。黏附力是实现车辆制动的关键，除了与车辆质量有关，还与黏着系数有关。黏着系数公式是基于大量的实验结果总结而成，根据我国铁道部铁科院提出的黏着系数(ψ)计算公式对相关参数进行半算。

(3)

其中ψ是速度的函数，其取值采用交通部标准，如表1所示。

表1 黏着系数关于速度的函数取值Tab.1 ψ values of velocity function

路轨黏附力是制动的基础，且制动系统的制动力不得大于黏附力(Fa)，否则车轮进入抱死滑行状态。

Fa=mgψ

(4)

式中：Fa为黏附力，m为列车质量，g为重力系数，ψ为黏着系数。

一节列车的质量为60～70 t，以质量为65 t为例。黏着系数以CRH380AL动车组运行速度为250 km/h对应的数值为例，黏着系数取值为0.1[14]。由此计算出黏附力为

Fa=6.37×104N

(5)

列车制动过程中，黏附力转化为轴力，每节车厢4个轴，故每个轴的轴力为

Fr=1.592 5×104N

(6)

每个轴的制动力矩为

MZ=Frr

(7)

式中：MZ为每个轴的制动力矩，Fr为每个轴的轴力，r为车轮半径。

我国和谐号系列告诉动车组车轮直径一般为d=912 mm，则半径r=456 mm，可得每个轴的制动力矩

MZ=7 261.8 N·m

(8)

要保证非抱死状态下正常制动，则制动开始时制动力矩不能大于7 261.8 N·m。由于每个轴上有两个制动系统，每个制动系统的制动力矩M′Z要小于等于0.5MZ，取M′Z=3 630 N·m。每节车厢可以使用8个涡轮制动机，故总制动力为

(9)

减速度(a)与列车质量有关。

(10)

式中：a为列车减速度，Fb为总制动力，m为列车质量。

减速度约为1 m/s，国内现行动车组紧急制动中初速度为250 km/h的平均减速度为0.754 m/s[15]，符合标准。列车制动的初速度v0为250 km/h(约为70 m/s)为例，由减速度及初速度可求得制动时间约为

(11)

制动距离为

(12)

3 200 m为国内现行动车组紧急制动中初速度为250 km/h的制动距离限值[16]。由表1可知速度越小制动力矩越大，制动能力越强。式(12)的制动距离是在最高行驶速度的情况下计算得出，随着速度的降低制动能力也将增强，所以求得的S为最远制动距离。2 500 m为规定的最长制动距离，符合制动标准。由于SWFTWZ的励磁大小可通过输入电流控制，制动力大小精准可控。在实际制动过程中，可调节SWFTWZ的制动力随速度的降低而不断增大，进而制动距离将会更短。

2.3.2 摩擦损耗估算

摩擦耗损与开始采用摩擦制动时的速度有关，速度越高，摩擦损耗越大。损耗与速度关系如图4所示。

图4 摩擦损耗与速度关系图Fig.4 Diagram of friction loss and velocity

摩擦耗损与速度的关系是一个下凹曲线，如图4所示。目前的高铁运行速度为50 km/h左右时就开始采用摩擦制动，而使用SWFTWZ系统可将速度减至5 km/h。在实验过程中，励磁电流在列车速度降至5 km/h时为最佳经济点，所以在列车运行5 km/h后采用摩擦制动。各制动模式对比如图5所示。

图5 SWFTWZ与目前高铁制动模式Fig.5 Braking model of SWFTWZ and the current braking types

二者的耗损比为

(13)

式中：vn为目前高铁的摩擦速度，km/h；vs为SWFTWZ的摩擦速度，km/h。

取目前的高铁的摩擦速度50 km/h，SWFTWZ摩擦速度5 km/h，则由上式可以得出高铁的摩擦耗损是SWFTWZ的100倍。

3 性能比较

对目前3种传统制动方式和SWFTWZ各方面的性能进行比较，由表2比较结果可知，不论在可控性和安全性上，SWFTWZ都比其他制动方式更为优越。SWFTWZ采用机电磁一体化设计，SWFTWZ可控性、散热性、同步性、快速性极佳，可将列车减速至5 km/h后再进行摩擦制动，有效提升制动能力和安全性，极大降低摩擦制动产生的成本，进而实现扩大编组的目的。

表2 4种制动机性能比较Tab.2 Performances comparison of the four brake types

4 结 论

本研究所研制的三层结构的圆桶涡流制动机，在机械设计上，利用外圆桶做转子切割磁力线，解决了传统二层涡流圆桶的散热问题。在电磁应用上，可通过改变电流实现对制动力的可变控制，进而实现列车各车厢之间的同步制动和单位制动力相等的控制，减小甚至可以消除造成安全隐患的压缩力和冲击力，极大地提高了安全性能，进而提升列车的运能。桶形结构可减小空气间隙(小于2 mm)，励磁电流耗损小，可减小制动机的整体尺寸。该制动机可实现高速下同步制动、低速下目的停车的目的，是高速铁路制动技术的有效备选方案。

未来随着功率半导体技术的不断发展，金氧半场效晶体管(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor，MOSFET)、绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)等功率器件的工作频率及负载特性的不断提高，从而使励磁相应速度越来越快，励磁精度越来越高，涡流制动的优势进一步被体现出来，从而所设计的SWFTWZ不仅可用于高铁上，还可用于飞机着舰等大动能、大惯性、高精度的时变便民系统上。