摘要：本文介紹了100%低地板有軌電車磁軌制動(dòng)裝置的制動(dòng)原理、基本結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)。在磁軌制動(dòng)時(shí)的極端載荷工況下，利用有限元方法計(jì)算了磁軌座和懸掛連接桿的強(qiáng)度，結(jié)果顯示二者的應(yīng)力低、變形小，可有效保障磁軌制動(dòng)裝置的可靠性。此外，樣機(jī)的吸力和響應(yīng)時(shí)間測試結(jié)果也滿足設(shè)計(jì)使用要求。

　　關(guān)鍵詞：磁軌制動(dòng);100%低地板有軌電車;懸掛裝置;性能試驗(yàn)

　　有軌電車緊急制動(dòng)時(shí)，會(huì)使用磁軌制動(dòng)裝置以提供較高的制動(dòng)減速度。磁軌制動(dòng)裝置可采用分節(jié)式或整體式結(jié)構(gòu)，磁場源可由永磁體或電磁鐵勵(lì)磁產(chǎn)生，懸掛方式分為高懸掛和低懸掛。高速列車上通常采用升降氣缸的高懸掛結(jié)構(gòu)，而低地板有軌電車適合使用彈簧懸掛的低懸掛結(jié)構(gòu)[1]。本文針對國內(nèi)某型100%低地板有軌電車，設(shè)計(jì)了采用低懸掛、整體電磁鐵勵(lì)磁式的磁軌制動(dòng)裝置，并對樣機(jī)進(jìn)行相關(guān)的性能試驗(yàn)。

　　1磁軌制動(dòng)工作原理

　　磁軌制動(dòng)裝置的核心部件是電磁鐵，其結(jié)構(gòu)主要包括鐵芯、電磁線圈、極靴和隔磁板，其中鐵芯和極靴使用導(dǎo)磁性較好的電磁純鐵DT4C，隔磁板使用鋁制材料可以阻隔磁路，線圈繞組外部包裹絕緣材料。整個(gè)電磁鐵設(shè)計(jì)為全密封結(jié)構(gòu)，外殼使用薄鋼板焊接在鐵芯上，滿足防護(hù)等級IP67級。

　　緩解狀態(tài)下，懸掛裝置使電磁鐵與軌頂保持一定氣隙。線圈通電產(chǎn)生電磁場，由于隔磁板的阻隔，磁路通過鐵芯、極靴和鋼軌構(gòu)成閉合磁路。制動(dòng)時(shí)電磁吸力使極靴緊壓在軌頂，并在鋼軌表面滑動(dòng)摩擦產(chǎn)生制動(dòng)力，通過導(dǎo)向裝置傳遞給轉(zhuǎn)向架，使車輛減速。制動(dòng)力的大小取決于電磁吸力和摩擦系數(shù)，電磁鐵吸力的設(shè)計(jì)過程在文獻(xiàn)[2]中已有詳細(xì)介紹。

　　2磁軌制動(dòng)裝置設(shè)計(jì)

　　2.1結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及性能參數(shù)

　　100%低地板有軌電車為了降低地板高度，采用小輪徑、低轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)，留給磁軌制動(dòng)裝置的安裝空間有限。將磁軌制動(dòng)裝置設(shè)計(jì)成整體框架式結(jié)構(gòu)，包含2根磁軌本體(即電磁鐵)、4個(gè)磁軌座、2根懸掛連接桿和4個(gè)懸掛裝置。磁軌制動(dòng)裝置通過懸掛裝置安裝在轉(zhuǎn)向架中部，避開了轉(zhuǎn)向架側(cè)架的狹小空間。4個(gè)磁軌座上的導(dǎo)向板構(gòu)成一個(gè)矩形的滑槽，與轉(zhuǎn)向架上承受制動(dòng)力的結(jié)構(gòu)組成導(dǎo)向裝置。國內(nèi)某型100%低地板有軌電車編組為動(dòng)車-拖車-動(dòng)車，車輪半徑為656mm，最大磨耗后為610mm，地板距軌面高度為350mm，根據(jù)該車運(yùn)行特點(diǎn)。

　　2.2懸掛裝置

　　緩解狀態(tài)下，懸掛裝置中的彈簧產(chǎn)生的彈力抵消磁軌制動(dòng)裝置的自重，使磁軌本體的極靴距軌頂有一定的高度。制動(dòng)狀態(tài)下，懸掛裝置中的彈簧被進(jìn)一步壓縮，壓縮量為磁軌制動(dòng)裝置下降的高度。車輛運(yùn)用時(shí)，車輪磨耗和極靴磨耗會(huì)使極靴距軌頂?shù)母叨劝l(fā)生變化，可通過調(diào)整懸掛裝置將高度恢復(fù)到正常值，具體做法是：先將鎖緊螺母松開使碟型墊圈恢復(fù)，然后旋轉(zhuǎn)拉桿，拉桿與上彈簧座通過螺紋配合將極靴調(diào)整到合適高度，最后旋轉(zhuǎn)鎖緊螺母使蝶形墊圈被壓平，避免螺紋配合發(fā)生松脫。球面墊圈的設(shè)計(jì)，可以允許磁軌制動(dòng)裝置相對構(gòu)架存在有限的點(diǎn)頭和側(cè)滾運(yùn)動(dòng)[3]，有效緩解了制動(dòng)時(shí)對懸掛裝置的剛性沖擊。

　　2.3關(guān)鍵部件強(qiáng)度校核

　　緊急制動(dòng)過中，磁軌制動(dòng)裝置受到電磁吸力和摩擦制動(dòng)力的作用，其關(guān)鍵受力部件的強(qiáng)度應(yīng)能承受制動(dòng)時(shí)的極端載荷作用，因此需要對磁軌座和懸掛連接桿的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行分析。磁軌座傳遞摩擦制動(dòng)力，取極靴和磁軌的最大靜摩擦力為最大制動(dòng)力。

　　根據(jù)，靜摩擦系數(shù)μ取0.3，正壓力F1為電磁鐵的額定吸力66kN，單個(gè)磁軌座傳遞的制動(dòng)力f為19.8kN。磁軌座材料為42CrMo，屈服極限為930Mpa。有限元分析中，將磁軌座與懸掛連接桿、磁軌本體連接的部位添加固定約束，在傳遞制動(dòng)力的部位施加制動(dòng)載荷。有限元計(jì)算結(jié)果顯示，最大應(yīng)力為318.15Mpa，最大位移變形約為0.44mm。磁軌制動(dòng)時(shí)，磁軌本體壓在軌頂，懸掛連接桿受到懸掛裝置向上的拉力，大小等于彈簧彈力。

　　極端情況下，當(dāng)極靴磨耗量在一次緊急制動(dòng)中達(dá)到極限，此時(shí)彈簧壓縮量最大，包括緩解狀態(tài)下抵消磁軌制動(dòng)裝置自重的壓縮量、初始制動(dòng)時(shí)極靴下降的高度6mm和極靴的極限磨耗量8mm。制動(dòng)時(shí)，單個(gè)彈簧的最大彈力，剛度k為82.2N/mm，代入?yún)��?shù)可得F2為1678N。懸掛連接桿材料為Q345，屈服極限345Mpa。有限元分析中，將懸掛連接桿與磁軌座連接的部位添加固定約束，在每個(gè)安裝懸掛裝置的吊耳上施加垂直向上的載荷F2。有限元計(jì)算結(jié)果顯示，最大應(yīng)力為94.22Mpa，最大位移變形約為0.74mm。結(jié)果表明，極端載荷條件下，磁軌座和懸掛連接桿的應(yīng)力均小于材料屈服極限，位移變形小，可以滿足使用要求。

　　3樣機(jī)性能試驗(yàn)

　　吸力和響應(yīng)時(shí)間是磁軌制動(dòng)裝置的重要指標(biāo)，為了驗(yàn)證樣機(jī)的相關(guān)參數(shù)是否滿足設(shè)計(jì)要求，在試驗(yàn)臺(tái)上對樣機(jī)的吸力和響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行測試。單根磁軌本體吸力測試，線圈通電后，測力計(jì)拉動(dòng)浮動(dòng)鋼軌使其脫離極靴的最小拉力即磁軌吸力。測試過程中，在極靴中部900mm長度范圍內(nèi)，間隔50mm設(shè)置一個(gè)測點(diǎn)，共19個(gè)測點(diǎn)。吸力測試結(jié)果取所有測點(diǎn)吸力的平均值，結(jié)果為68.2kN，符合額定吸力的設(shè)計(jì)指標(biāo)。

　　測試前將兩側(cè)極靴距軌頂?shù)母叨染�調(diào)整為6mm。傳感器記錄兩側(cè)磁軌本體得電開始到與鋼軌吸和的時(shí)間。結(jié)果顯示，響應(yīng)時(shí)間分別為0.186s和0.194s，同步性較好，且均小于0.6s，滿足設(shè)計(jì)要求。

　　車輛工程論文投稿刊物：《國外鐵道車輛》本著“開發(fā)信息資源，服務(wù)四化建設(shè)”的精神和科學(xué)技術(shù)必須面向經(jīng)濟(jì)建設(shè)”的方針，根據(jù)我國的技術(shù)政策“重載、高速、安全、信息、軟科學(xué)”，積極報(bào)道適合我國國國情的國外鐵道車輛的先進(jìn)技術(shù)，為“科教興國”的發(fā)展戰(zhàn)略服務(wù)。

　　4總結(jié)

　　通過對100%低地板有軌電車的磁軌制動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)和性能試驗(yàn)進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論：

　　4.1采用整體框架式、低懸掛方式，結(jié)構(gòu)簡單可靠，降低了對轉(zhuǎn)向架安裝空間的要求，適合100%低地板有軌電車的運(yùn)用要求。

　　4.2極端載荷下，磁軌座和懸掛連接桿的應(yīng)力遠(yuǎn)低于材料屈服極限，位移變形小，可以有效保障磁軌制動(dòng)功能的安全可靠。

　　4.3吸力和響應(yīng)時(shí)間的測試結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1]王可,丁福焰,宋躍超,張思遠(yuǎn),李輝.低地板有軌電車磁軌制動(dòng)裝置的研究[J].鐵道機(jī)車車輛,2016,36(3):92-96.

　　[2]王立超,丁福焰,王可,王立寧.電磁式磁軌制動(dòng)器吸力的仿真分析與優(yōu)化[J].鐵道車輛,2017,55(12):21-25，56.

　　[3]任尊松.車輛動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)[M].北京:中國鐵道出版社,2009.

　　作者：劉瀟高鋒