北京地铁首都机场线地铁车辆国产化磁轨制动器的研制

牛玉国，刘小刚，夏志远，秦鼎原，欧阳省

(1. 中车青岛四方车辆研究所有限公司，山东 青岛266031；2. 北京京城地铁有限公司，北京 101300)

北京地铁首都机场线于2008年北京奥运会前开通运营[1]，至今地铁车辆已经进入200万km修程。由于原车采用庞巴迪公司的车辆，其关键及重要零部件均由国外进口，因此普遍存在售后服务滞后、价格昂贵、采购周期长等问题。针对这些问题，北京地铁运营有限公司开展了一系列设备、系统的国产化应用研究工作，包括直线电机、空气弹簧、液压制动夹钳、液压单元以及司机控制器的研制及应用[2-7]。作为制动系统关键部件之一的磁轨制动器也存在上述问题，为此，中车青岛四方车辆研究所有限公司对该车辆磁轨制动器进行了国产化改造工作，在原车的基础上进行了优化设计，研制能够满足北京地铁首都机场线使用的磁轨制动器，以实现国产化替代。

磁轨制动是一种非黏着制动，制动时磁轨制动器的极靴吸附在轨道上并进行滑动摩擦产生制动力，其制动力大小不受轮轨黏着系数的限制[8]。在工作原理上分为永磁式和电磁式[9]。由于永磁式磁轨制动器结构较电磁式磁轨制动器复杂，还需要额外驱动装置驱动永磁体的运动，因此目前多为电磁式磁轨制动器，北京地铁首都机场线即采用电磁式磁轨制动器。电磁式磁轨制动器在结构上可以分为刚性磁铁和铰接磁铁[10]，铰接磁铁各个侧板相互独立，可以适应更高的运行速度和更复杂的运行条件，北京地铁首都机场线列车为国内首次采用此类型电磁式磁轨制动器的列车。

1 磁轨制动器主要技术要求

1.1 车辆基本条件

(1) 海拔高度：不超过1 200 m；

(2) 环境温度：-25～45 ℃(年平均温度为11～12 ℃)；

(3) 相对湿度：最大相对湿度不超过90%，该月平均温度不大于25 ℃；

(4) 平均年降雨量：650～750 mm；

(5) 线路最大坡度：46‰；

(6) 磁轨制动器供电电压：DC 48 V。

1.2 磁轨制动器性能要求

(1) 额定电压：DC 48 V；

(2) 额定吸力：78(1±5%) kN；

(3) 防护等级：IP67。

2 国产化磁轨制动器技术方案

国产化磁轨制动器的机械与电气接口在设计原则上需要与原车保持一致。由于缺少原车进口产品的详细技术参数，因此机械接口是根据实际测量获得，磁路设计是根据仿真计算获得并通过试验来进行验证。

2.1 基本工作原理

磁轨制动器有制动和缓解2个工况，其工作过程如图1所示。

图1 磁轨制动器工作过程

在日常运行过程中，磁轨制动器处于静止的未制动状态，即图1(a)所示的“悬空”状态。此时，由于未对线圈通电(励磁)，故磁轨制动器不工作，即不产生向轨道的吸力，从而磁轨制动器会一直保持原始状态——缓解状态。

当磁轨制动器接收到制动指令时，蓄电池会对其供电，线圈导通。此时磁轨制动器建立初始磁场(图1(b))，使其产生向轨道的吸力(吸力与轨道和磁轨制动器间隙成负相关)，该吸力克服悬挂弹簧的拉力将磁轨制动器吸附到轨道上。当磁轨制动器与轨道完全吸合(图1(c))时，两者间的相互作用力达到最大，即制动状态。在制动状态时，磁轨制动器与轨道之间的摩擦力即为磁轨制动器的制动力。

当磁轨制动器接收到缓解指令断电时，磁场强度快速减弱，直到电磁吸力无法克服弹簧力时，磁轨制动器被抬起，重新保持图1(a)所示的未制动状态。

2.2 磁轨制动器主要结构

北京地铁首都机场线地铁车辆磁轨制动器为铰接式结构，即极靴为分体式，主要由励磁线圈、中部极靴、端部极靴、隔磁板、固定座、止挡和悬挂装置组成(图2)。

1.悬挂装置；2.止挡；3.励磁线圈；4.固定座；5.隔磁板；6.中部极靴；7.端部极靴。

(1) 励磁线圈：通电后产生磁场，同时传递中部极靴产生的制动力，励磁线圈是磁轨制动器的核心部件。

(2) 中部极靴：通电后被磁化产生电磁吸力，同时与轨道摩擦产生制动力并将其传递到励磁线圈。

(3) 端部极靴：通电后被磁化，并与轨道摩擦产生制动力，同时承受励磁线圈传递来的制动力，并将制动力传递给固定座。此外，端部极靴还有清理轨道障碍物的作用。

(4) 隔磁板：位于每对端部极靴和中部极靴中间。极靴在使用过程中的磨损物容易填充在2个极靴之间，造成磁短路，从而导致电磁吸力下降。隔磁板就是防止磨损物填充以及磁短路现象的发生。

(5) 固定座：位于磁轨制动器的两端，用来安装悬挂装置，并且将制动力传递给转向架。

(6) 止挡：与转向架配合对磁轨制动器起定位作用，同时将制动力通过固定座传递给转向架。由于在运行中会与转向架接口处产生一些冲击，因此采用硬度较低的不锈钢。

(7) 悬挂装置：对磁轨制动器的垂向进行定位，同时装有弹簧，在磁轨制动器断电后将其抬起。

3 国产化磁轨制动器优化设计

3.1 悬挂杆设计优化

原车磁轨制动器悬挂杆的杆身和下部是螺纹加焊接的连接方式，国产化悬挂杆采用整体加工方式，从而提高了悬挂杆的可靠性。国产化悬挂杆结构如图3所示。

图3 国产化磁轨制动器悬挂杆

3.2 端部极靴结构优化

原产品的端部侧板由于螺纹孔的布置而不可以左右两端相互替换，因此加工时需要4套模具加工端部极靴。国产化磁轨制动器对端部极靴结构进行了优化，用2套模具就可以完成端部极靴的铸造。组装时将一对端部极靴安装在磁轨制动器一端，将另一对旋转180°后即可安装在磁轨制动器另一端，如图4所示。这样既降低了磁轨制动器的生产成本，又提高了磁轨制动器零部件的可替换性。

图4 端部极靴安装在磁轨制动器两端

4 国产化磁轨制动器试验验证

4.1 地面型式试验验证

根据相关标准及首都机场线快轨车辆技术条件，制定了北京地铁首都机场线地铁车辆国产化磁轨制动器地面型式试验大纲，试验项点如表1所示，并于2020年6月完成了所有项点型式试验，试验均合格。

4.2 装车试验

2021年3月，利用北京地铁首都机场线104号车开展试验，通过激活列车紧急制动检验磁轨制动器性能。2次试验均在AW0工况下进行测试，为了避免试验过程中引起车轮擦伤，通过给电液控制模块安装背压阀来减少紧急制动时的液压制动力。在一致的客观环境条件下，通过对原车紧急制动性能和换装国产化磁轨制动器后的紧急制动性能进行测试，对比分析国产化磁轨制动器性能是否与国外进口产品相当，是否满足车辆技术要求。

表1 国产化磁轨制动器地面型式试验项点

对104号车2台电液控制模块分别安装背压阀后，对104号车原车进行1级紧急制动(电制动和磁轨制动)和2级紧急制动(液压制动和磁轨制动)的性能试验，得到原车的紧急制动性能参数。之后换装半列(4台)国产化磁轨制动器，换装完成后再次进行同样的1级紧急制动和2级紧急制动性能试验。对国产化磁轨制动器的紧急制动性能进行分析评估并与原车性能进行了比较，结果如表2所示。图5、图6分别为换装下来的原车磁轨制动器和换装上去的国产化磁轨制动器。

表2 国产化磁轨制动器装车试验结果 m/s2

图5 换装下来的原车磁轨制动器

图6 换装上去的国产化磁轨制动器

在同样工况下(等效为相同的制动初速度)，换装国产化磁轨制动器的列车紧急制动减速度(包括1级紧急制动和2级紧急制动)与原车性能基本一致，说明国产化磁轨制动器能够达到进口磁轨制动器的制动能力；同时，根据安装背压阀造成的2级紧急制动过程中的液压制动力损失值，经推算可以满足列车紧急制动的技术要求。

5 结论

国产化磁轨制动器与原产品保持了接口一致、功能一致和性能一致，并对原产品进行了优化设计，满足车辆技术要求。各项地面型式试验和装车试验结果表明，国产化磁轨制动器可实现对国外进口产品的完全替代。装车试验的4台磁轨制动器于2021年5月开始进行载客运营考核，截至2021年8月底完成载客运营考核，产品性能正常，未发现任何故障。