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）

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。

制动系统；永磁轨道制动装置；黏着；现代有轨电车

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。

1　磁轨制动

图1　磁轨装置组成

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。

图2　励磁轨道制动装置线圈布置图

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。

图3　永磁轨道制动装置横断面剖视

2　有轨电车非黏着制动方式选择

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。

表1　电磁制动方式特点比较

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。

图4　磁轨制动、涡流制动的制动力—速度曲线

根据有轨电车一般运行速度低于100 km/h的特点，在100 km/h速度点时，涡流制动力偏大，两者制动力基本接近，而在中低速区段，特别是80 km/h以下时，磁轨制动力远超涡流制动力。

完整的制动系统不仅要求具备使列车定点停车的常用制动功能，遇到紧急或意外情况需要最快安全停车的紧急制动功能，还要能够保证实现列车的停放制动，避免列车在坡道停放时溜车。显然，涡流制动方式不具备这个功能，在整个制动方式配置里面，就需要电液制动系统配备弹簧储能式的液压夹钳，这种夹钳相较主动式的液压夹钳来说，不仅体积大、结构复杂、质量重，而且因停放功能的施加次数少，而降低了其使用率，是设计上的一种浪费。因此，与涡流制动方式比较，磁轨制动凭借其能在制动过程的高速阶段和低速阶段均能正常发挥作用的速度适应性、制动系统控制简单、可简化制动系统配置等优势，更适应有轨电车对制动系统的技术要求。

电磁轨道制动装置虽然励磁功率较小，约1 kW，但要依赖于蓄电池供电，因此与永磁轨道制动器相比，可用性较低；另外，电磁线圈励磁作用，长时间通电仍会导致温度升高，性能不稳定，因此一般用作紧急制动。此外，永久磁铁的轨道制动作为停放制动，可以替代被动式的弹簧蓄能夹钳的停放功能，简化电液制动的基础制动装置，同时减轻了弹簧储能制动夹钳的质量，节省了安装弹簧储能制动夹钳的安装空间，也有利于有轨电车运营公司的维护保养，减少备品备件库存，同时在新车配置时不需再增加费用，节约采购成本。

另外，制动系统的设计原则是故障导向安全，这也就是说：在发生最恶劣情况时，制动系统应处于制动状态而不是制动失效。励磁轨道制动装置工作需要励磁电源，虽然可以采用安装大容量的电池作为后备电源，但当电路失效时由于失去励磁将直接导致制动力丧失，且影响了列车的轻量化。对于有轨电车来说，当列车电源因线缆短路、车辆各编组脱开等意外情况发生时，不需要依赖于蓄电池供电的永磁轨道制动装置才能实现制动，更可保证列车安全。

3　结 论

对于一般最大运行速度低于100 km/h而最大减速度不低于2.2 m/s2的有轨电车来说，在制动系统不同制动方式的配置当中，一定要有不依赖于黏着的制动方式，而永磁轨道制动装置以其结构简单、可靠性高、不依赖车辆电源的安全性、在制动时不需提供大量的电能的节能意义、制动能力的速度适应性、持续制动能力、简化制动系统配置、节约LCC等特点，成为现代有轨电车的选择方式。

［1］ 李润林.轻轨车液压与磁轨制动系统［D］.北京交通大学，2007.

［2］ 池耀田.轻轨车辆的制动系统［J］.地铁与轻轨，2001，（4）：35-39.

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［6］ 吴礼本.高速列车制动机（七）［J］.铁道车辆，1992，（3）：40-44.

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［8］ 姚 明，何 仁.永磁磁轨制动应用及联合控制策略研究［J］.制造业自动化，2010，32（9）：57-60.

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Research on Electromagnetic Track Brake of Modern Trams

PEI Yuchun1，2，WU Xingdong2，WANG Peng2，WU Hailing2
（1 Institute of Railway and Urban Mass Transit，Tongji University，Shanghai 201804，China；2 Shanghai Pangfeng Transportation Equipment Technology Co.，Ltd.，Shanghai 201802，China）

In this paper，the influence of nonadhesive electro magnetic brake is researched，and the virtues and defects of means about electro magnetic brake in China and Foreign Countries are discussed.The force of attraction and braking force on rail eddy current of track eddy current braking device is highly sensitive to the vehicle speed，and otherwise，once it shut off power，the permanent magnetic track brake device can remain working and remain static for the output，and it is suitable for modern trams.

brake system；permanent magnetic track brake device；adhesion；modern trams

运用与检修

U239.5

A doi：10.3969/j.issn.1008-7842.2015.04.19

1008-7842（2015）04-0084-03

1—）男，工程师（

2015—02—27）

*常州市科技支撑计划（工业）项目（C E20110086）