磁轨制动器励磁线圈耐热等级分析

2022-05-14李江波袁文琦王明星陈树亮

铁道机车车辆 2022年2期

关键词：制动器温升导体

李江波，袁文琦，王明星，李敬，陈树亮

（中车青岛四方车辆研究所有限公司，山东青岛 266031）

磁轨制动作为一种独立于轮轨摩擦的非黏着制动技术，已广泛应用于轨道交通车辆的紧急制动。目前世界上所有的有轨电车均安装了磁轨制动器，在欧洲速度超过140 km/h的轨道交通列车必须配备非黏着制动装置［1］，其主要形式为磁轨制动器。

磁轨制动器本质上为一个电磁铁，其核心的励磁线圈属于发热元件，必须综合励磁功率、制动时间等因素计算线圈温升，确定线圈绝缘材料的耐热等级。文中根据某磁轨制动器的实际运营工况，通过理论计算确定励磁线圈所需的耐热等级。

1 原理结构

磁轨制动器安装于转向架两侧前后轮之间，其悬挂装置在不使用磁轨制动时能保证磁轨装置平稳地悬挂在轨道上方，并有防止意外脱落的措施［2］。工作时直接与轨道进行摩擦，主要包括悬挂装置、侧板、电磁线圈等，如图1、图2所示。

图1 磁轨制动器

图2 电磁线圈

其作用原理［3-4］为：

（1）在日常运行过程中，磁轨制动器处于静止的未制动状态，如图3（a）所示。此时，线圈未励磁，磁轨制动器不工作。

（2）当系统接收到制动指令，列车对磁轨制动器供电，线圈励磁产生磁动势。由于侧板间存在不导磁的导轨，使之形成2个磁极。磁通经过导轨及轨面处的气隙，建立初始磁场并产生向轨道的吸力，如图3（b）所示。该吸力克服悬挂装置中复位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时，两者间的相互作用力达到最大，如图3（c）所示。

（3）当制动结束，系统断电，磁轨制动器磁场消退（忽略剩磁），复位弹簧克服制动器自身重力使之恢复到初始位置，如图3（a）所示。

图3 制动器的3种工况

2 计算分析理论

2.1 电阻计算

线圈电阻值R的计算公式为式（1）：

式中：R为线圈电阻，Ω；r为导体材料电阻率，Ω⋅mm2/m；L为导体的长度，m；S为导体的截面积，mm2。

励磁线圈一般为铜导体，其电阻率随温度的升高而增大，其变化规律为式（2）、式（3）：

式中：r0为初始电阻率，20℃时初始电阻率为1.75×10-8Ω⋅mm2/m［5］；β为电阻温度系数；β0为初始电阻温度系数，该值受铜导体加工工艺、尺寸等多因素影响，一般采用测试方法得到，文中取0.004 29/K［6］；C（ΔT）为电阻温度系数增量，是关于温升的函数，温升越高值越大。

由式（2）、（3）可知，铜导体电阻率（或电阻）随着温度的升高而增大，但增大速度变慢，即斜率逐渐趋近于0。由于C（ΔT）的测定复杂，且在所研究的温度范围内［7］β变化很小，文中为简化计算忽略C（ΔT），这将使计算结果偏大，即结果偏于保守。

2.2 温升计算

线圈直流供电产生焦耳热，焦耳定律指出载流导体中产生的热量Q与电流I的平方、导体的电阻R、通电时间t成正比，为式（4）：

根据传热学基本理论，焦耳热量Q的传递有3种基本方式：热传导、热对流与热辐射。文中只考虑热传导和热对流的影响，忽略影响因素较小的热辐射效应，该简化将使计算结果偏于保守。线圈在正常工况时的三维瞬态热量传递方程为式（5）［8-9］：

式中：T为线圈温度，℃；Kxx、Kyy、K zz为各介质x、y、z方向的导热系数，W/（mm⋅℃）；q*为热源密度，W/mm3；ρ为密度，kg/mm3；c为比热容，J/（kg⋅℃）；t为时间，s；K为S1和S2面法向热传导系数；S1为绝热边界面；S2为散热边界面；α为S2面的散热系数，W/（mm2⋅℃）；Te为S2周围介质的温度。

2.3 功率计算

线圈由蓄电池供电，蓄电池处于浮充电状态，可近似认为蓄电池输出电压恒定，即线圈为恒压控制，其励磁功率为式（6）：

式中：P为励磁功率，W；U为供电电压，V；R为线圈电阻，Ω。

由2.1节可知，随着线圈发热，R逐渐增大，即功率逐渐减小。

3 计算工况

3.1 关键参数

计算中所需关键参数见表1。计算过程中所需的其他参数，如散热面积等直接通过三维模型进行提取。

表1 关键参数

3.2 计算工况

磁轨制动器多用于列车的紧急制动，正常工况下的工作时间（即制动时间）仅有20多秒，线圈温升较小，故在进行计算时主要考虑极端故障工况。

（1）控制系统故障，磁轨制动无法缓解。

该工况下磁轨制动器将始终处于工作状态，线圈持续发热升温，直至达到热平衡。

（2）连续施加2次紧急制动，并考虑50%的制动力损失。

该工况考虑了连续2次紧急制动及50%制动力损失，单次紧急制动时间通过列车制动力、最高运行速度、列车空载质量计算得到；2次紧急制动的间隔时间为列车以最大加速度运行至最高速度所需时间。

4 结果分析

4.1 工况1结果分析

环境温度20℃时，磁轨制动器以额定工作电压48 V DC持续工作，约4 h后达到热平衡状态，此时线圈约170℃，功率由1 100 W降低至约720 W，电阻由2.1Ω升高至约3.35Ω，电流由23 A降低至约14.3 A，相关结果如图4、图5所示。

图4 线圈温度场云图

图5 线圈温度、功率、电阻、电流曲线

上述分析过程中，环境温度取20℃，而炎热夏季的环境温度有可能达到40℃，即理论计算结果可能会超过上述170℃。但考虑到在列车控制逻辑及故障保护的作用下，磁轨制动器连续工作4 h的工况不可能出现，同时磁轨制动器安装于车下，非阳光直射，且计算过程采用了恒定电阻温度系数，以及未考虑对流辐射散热等因素，计算结果明显偏于保守，即该结果可以代表最恶劣工况。

4.2 工况2结果分析

文中以某列车的实际运行参数作为设计输入，见表2。

表2 某列车运行参数

制动力损失50%时，列车由最高速度制停的制动时间约为48 s；假设列车制停后立即加速至110 km/h，则加速时间30.5 s。即单次制动时间48 s，2次制动时间间隔30.5 s。

基于上述条件，当环境温度20℃，线圈温度约27℃、功率由1 100 W降低至约1 070 W，电阻由2.1Ω升高至约2.2Ω，电流由23 A降低至约22 A，相关结果如图6、图7所示。进一步分析图7可知，在2次制动间隔时间内，线圈温度并未明显下降，这主要是温差较小（第1次制动末期线圈温度不足23℃，环境温度20℃），且散热时间较短所致。