基于电磁作用增加轮轨黏着力的仿真研究

应之丁，陈家敏

（同济大学铁道与城市轨道交通研究院，上海201804）

列车运行和制动过程中所需的牵引力和制动力产生于轮轨间的黏着力，轮轨接触关系作为列车运行控制和安全保障的核心，需要进行深入研究。

国内外专业机构对轮轨黏着问题开展了多项技术研究，如在现有的轮轨黏着系数条件下，提出蠕滑率控制的思路和具体控制曲线和对策［1-5］；通过撒砂控制直接增加轮轨间粗糙度以改善轮轨黏着条件，相应的研究方向偏向于砂粒选型和喷砂流速等，此技术因对轮轨磨损较大［6-7］及用沙量限制，大都用在紧急情况；此外通过采用踏面清扫闸瓦以保持踏面干净，同时用闸瓦中的增黏成分提高轮轨黏着系数，但增黏效果有限［2］；一些文献分析了在一定范围内轴重变化对黏着的影响等［8］。以上都是针对影响黏着效率的车轮及踏面、钢轨表面、运行速度、轴重等开展的研究分析。

轮轨之间的黏着力等于轴重乘以黏着系数，所以本文基于电磁作用，通过增加轮轨之间垂向力，而不是增加实际轴重，来提高列车牵引和制动过程中的黏着力。本文研究围绕高速旋转车轮的电磁增黏装置，设置电磁线圈，在车轮与钢轨之间形成电磁场，将车轮作为磁化组件，通过线圈绕组产生的电磁吸力增加轮轨之间的垂向力，也称之为电磁轴重，以提高轮轨黏着力。列车运行结束时，通过反向励磁消磁。

此外，在列车过曲线时，主动控制施加在不同车轮附近的电磁增黏装置励磁电流大小，调节两侧车轮与轨道之间垂向力，改善列车在不同线路半径、不同速度条件下的运行平稳性。目前，国内外在此研究方向上尚未见到文献报道。

1 电磁增黏装置基本结构和电磁场

设计安装在转向架上的新型电磁增黏装置，核心思想是利用电磁铁对钢轨产生的吸力，通过在车轮周围布置电磁线圈，形成一个巨大的电磁铁，对轨道施加电磁吸力，从而达到增加轴重控制的效果。图1为电磁增黏装置电磁线圈部分的基本结构示意图，此外，还包括励磁电源、控制装置、悬吊结构等。

影响轮轨之间电磁吸力的因素主要包括：电磁线圈安匝数及在空间的布置，即电磁场设计；车轮与钢轨之间的磁路，含车轮、线圈、钢轨、磁轭（线圈壳体）；速度、尺寸、形状、材料等技术参数对电磁场作用力的影响。因此，建立电磁增黏装置电磁场仿真模型，进行电磁场及作用力计算分析。

图1 电磁增黏装置电磁线圈部分结构示意图Fig.1 Structure of electromagnetic adhesion device

因为空间磁场复杂多变且影响参数较多，计算不确定性大大提高，难以得出较好的结果。考虑轮轨垂向作用和纵向影响因素是研究目标的焦点，分析电磁场基本形态集中在车轮圆周面和钢轨纵向上，故将电磁场在轨道横向截面方向视为理想稳定匀称的，采用轨道纵向截面方向的二维模型对电磁增黏装置进行分析，如图2所示。

图2 电磁线圈部分二维模型Fig.2 Two-dimensional model

2 电磁增黏装置电磁力变化规律

2.1 电磁吸力变化规律

将电磁增黏装置电磁线圈模型视为一种特殊形状的电磁铁，考虑车轮作为形状奇异的铁芯，所围绕的线圈分布复杂，线圈尺寸、形式多样等因素，所以以单束线圈为基本单元，然后分段积分计算。忽略漏磁及各部件间的空气间隙等因素，根据毕奥-萨伐尔定律［9］，计算出任意载流导线在空间任意点处的磁感应强度为

式中：I为单匝电流；dl为导线长度元；r为导线与任意点之间的距离；μ0为真空磁导率。

根据能量法计算出电磁吸力为

式中：B为对B′积分后的磁感应强度；ΔS为车轮离散模块投射到轨道的面积。

以此评估不同线圈尺寸和位置及积聚和分散布置对电磁吸力影响，形成电磁增黏装置基本结构和技术参数，进一步进行电磁场有限元仿真分析。

电磁增黏装置的磁场分布如图3所示，电磁增黏装置产生的电磁场从车轮高处分散到轮轨接触处集聚，形成大致方向类似的吸力电磁铁磁场，可以产生轮轨之间的电磁吸力，但其磁路方向和有效作用面积随装置结构参数变化有较大的不同。

在列车时速300 km·h-1、线圈励磁电流10 A、线圈匝数1 000、线圈距轨面高度25 mm时，考察电磁场空间分布。图4所示为电磁吸力随时间变化曲线。

图3 磁场分布Fig.3 Distribution of magnetic field

图4 电磁吸力随时间变化曲线Fig.4 Electromagnetic suction versus time curve

列车过曲线时，内外轨高差使车辆轮重产生差异，引起振动。由文献［10］可知，增大轴重可提升平稳性。电磁增黏装置可在不提高实际轴重、不改变车辆重心下，通过调整内外轨上车轮位置的线圈励磁电流，调整轮轨之间垂向力，提高列车运行平稳性。

2.2 速度变化对电磁吸力的影响

考虑到列车运行中存在不同的工况，随着速度的提高，尤其在高速区间，电磁场将会发生剧烈变化，进而对电磁吸力产生影响，因此对时速300～350 km·h-1的列车进行研究，分析高速运行过程中10%（±25 km·h-1）的速度扰动是否会对在恒定直流电作用下的电磁增黏作用效果产生影响。电磁力随速度的变化规律如图5所示。

由于轮轨一直处于接触状态，所以轮轨接触附近空间的磁场稳定，列车速度变化对电磁吸力基本无影响，电磁增黏装置能在列车高速运行中保持稳定有效的工作。

2.3 励磁线圈距轨面高度对电磁吸力的影响

保持线圈与车轮踏面距离不变，改变线圈底距轨顶距离，列车运动状态下轮轨电磁吸力与线圈高度的关系如图6所示。线圈高度影响线圈-踏面及线圈-轨面之间的磁阻大小，随着线圈高度升高，总磁阻减小，电磁吸力增加。

图5 速度对电磁吸力的影响Fig.5 Effect of speed on electromagnetic attraction

图6 线圈高度对电磁吸力的影响Fig.6 Effect of coil height on electromagnetic attraction

2.4 电流变化对电磁吸力的影响

在列车运行过程中，根据运行过程中所处工况的不同，需要对轮轨间电磁吸力进行有效控制。在线圈匝数一定的情况下控制装置的电流大小可以有效改变电磁增压效果。改变励磁直流电流大小，得到电磁吸力随电流变化的曲线，如图7所示。

图7 电流对电磁吸力的影响Fig.7 Effect of current on electromagnetic attraction

轮轨垂向电磁吸力与其所对应的励磁电流呈现二次关系，即

根据励磁电流与电磁吸力之间的关系，主动调整励磁电流，从而获得足够的黏着力，调整两侧车轮压力，保持列车运行平稳性。

3 列车起动瞬间电磁力变化规律

电磁增黏装置也可以用于列车起动阶段。不同车辆起动加速度各不相同，假定起动加速度为0.1 m·s-2，得到列车起动瞬间电磁吸力变化曲线，如图8所示。

图8 电磁吸力变化曲线Fig.8 Electromagnetic suction

列车起动瞬间，轮轨之间发生相对运动时，电磁场不稳定，电磁吸力急剧下降，然后趋于稳定。

4 结语

提出一种安装在转向架上的新型电磁增黏装置。通过在高速旋转车轮周围设置电磁线圈，使车轮与钢轨之间形成电磁场，从而产生电磁吸力以增加轮轨之间垂向力，也称之为电磁轴重，以提高轮轨黏着力。建立电磁增黏装置基本结构模型，探讨这类异型电磁场计算方法，分析轮轨之间电磁作用力随列车速度变化规律，以及电磁吸力对轮轨黏着力的影响。进一步分析结构及技术参数对电磁场的影响，确定线圈安匝数及在空间的布置。

电磁增黏装置可以改善列车牵引或制动过程中由于轮轨之间黏着力不足而导致的牵引和制动力不足的问题，保障列车安全运行。在不同列车时速时电磁增黏装置可以维持相对恒定的轴重增量，通过调节两侧轮轨之间的作用力，改善列车运行平稳性。在列车起动瞬间电磁急剧下降，而后趋于稳定，保障列车具有足够的牵引力。电磁增黏装置对下一步列车提速的实现有一定的促进作用。