100%低地板有轨电车磁轨制动装置

　　摘要：本文介绍了100%低地板有轨电车磁轨制动装置的制动原理、基本结构和性能参数。在磁轨制动时的极端载荷工况下，利用有限元方法计算了磁轨座和悬挂连接杆的强度，结果显示二者的应力低、变形小，可有效保障磁轨制动装置的可靠性。此外，样机的吸力和响应时间测试结果也满足设计使用要求。

　　关键词：磁轨制动;100%低地板有轨电车;悬挂装置;性能试验

　　有轨电车紧急制动时，会使用磁轨制动装置以提供较高的制动减速度。磁轨制动装置可采用分节式或整体式结构，磁场源可由永磁体或电磁铁励磁产生，悬挂方式分为高悬挂和低悬挂。高速列车上通常采用升降气缸的高悬挂结构，而低地板有轨电车适合使用弹簧悬挂的低悬挂结构[1]。本文针对国内某型100%低地板有轨电车，设计了采用低悬挂、整体电磁铁励磁式的磁轨制动装置，并对样机进行相关的性能试验。

　　1磁轨制动工作原理

　　磁轨制动装置的核心部件是电磁铁，其结构主要包括铁芯、电磁线圈、极靴和隔磁板，其中铁芯和极靴使用导磁性较好的电磁纯铁DT4C，隔磁板使用铝制材料可以阻隔磁路，线圈绕组外部包裹绝缘材料。整个电磁铁设计为全密封结构，外壳使用薄钢板焊接在铁芯上，满足防护等级IP67级。

　　缓解状态下，悬挂装置使电磁铁与轨顶保持一定气隙。线圈通电产生电磁场，由于隔磁板的阻隔，磁路通过铁芯、极靴和钢轨构成闭合磁路。制动时电磁吸力使极靴紧压在轨顶，并在钢轨表面滑动摩擦产生制动力，通过导向装置传递给转向架，使车辆减速。制动力的大小取决于电磁吸力和摩擦系数，电磁铁吸力的设计过程在文献[2]中已有详细介绍。

　　2磁轨制动装置设计

　　2.1结构特点及性能参数

　　100%低地板有轨电车为了降低地板高度，采用小轮径、低转向架设计，留给磁轨制动装置的安装空间有限。将磁轨制动装置设计成整体框架式结构，包含2根磁轨本体(即电磁铁)、4个磁轨座、2根悬挂连接杆和4个悬挂装置。磁轨制动装置通过悬挂装置安装在转向架中部，避开了转向架侧架的狭小空间。4个磁轨座上的导向板构成一个矩形的滑槽，与转向架上承受制动力的结构组成导向装置。国内某型100%低地板有轨电车编组为动车-拖车-动车，车轮半径为656mm，最大磨耗后为610mm，地板距轨面高度为350mm，根据该车运行特点。

　　2.2悬挂装置

　　缓解状态下，悬挂装置中的弹簧产生的弹力抵消磁轨制动装置的自重，使磁轨本体的极靴距轨顶有一定的高度。制动状态下，悬挂装置中的弹簧被进一步压缩，压缩量为磁轨制动装置下降的高度。车辆运用时，车轮磨耗和极靴磨耗会使极靴距轨顶的高度发生变化，可通过调整悬挂装置将高度恢复到正常值，具体做法是：先将锁紧螺母松开使碟型垫圈恢复，然后旋转拉杆，拉杆与上弹簧座通过螺纹配合将极靴调整到合适高度，最后旋转锁紧螺母使蝶形垫圈被压平，避免螺纹配合发生松脱。球面垫圈的设计，可以允许磁轨制动装置相对构架存在有限的点头和侧滚运动[3]，有效缓解了制动时对悬挂装置的刚性冲击。

　　2.3关键部件强度校核

　　紧急制动过中，磁轨制动装置受到电磁吸力和摩擦制动力的作用，其关键受力部件的强度应能承受制动时的极端载荷作用，因此需要对磁轨座和悬挂连接杆的结构强度进行分析。磁轨座传递摩擦制动力，取极靴和磁轨的最大静摩擦力为最大制动力。

　　根据，静摩擦系数μ取0.3，正压力F1为电磁铁的额定吸力66kN，单个磁轨座传递的制动力f为19.8kN。磁轨座材料为42CrMo，屈服极限为930Mpa。有限元分析中，将磁轨座与悬挂连接杆、磁轨本体连接的部位添加固定约束，在传递制动力的部位施加制动载荷。有限元计算结果显示，最大应力为318.15Mpa，最大位移变形约为0.44mm。磁轨制动时，磁轨本体压在轨顶，悬挂连接杆受到悬挂装置向上的拉力，大小等于弹簧弹力。

　　极端情况下，当极靴磨耗量在一次紧急制动中达到极限，此时弹簧压缩量最大，包括缓解状态下抵消磁轨制动装置自重的压缩量、初始制动时极靴下降的高度6mm和极靴的极限磨耗量8mm。制动时，单个弹簧的最大弹力，刚度k为82.2N/mm，代入参数可得F2为1678N。悬挂连接杆材料为Q345，屈服极限345Mpa。有限元分析中，将悬挂连接杆与磁轨座连接的部位添加固定约束，在每个安装悬挂装置的吊耳上施加垂直向上的载荷F2。有限元计算结果显示，最大应力为94.22Mpa，最大位移变形约为0.74mm。结果表明，极端载荷条件下，磁轨座和悬挂连接杆的应力均小于材料屈服极限，位移变形小，可以满足使用要求。

　　3样机性能试验

　　吸力和响应时间是磁轨制动装置的重要指标，为了验证样机的相关参数是否满足设计要求，在试验台上对样机的吸力和响应时间进行测试。单根磁轨本体吸力测试，线圈通电后，测力计拉动浮动钢轨使其脱离极靴的最小拉力即磁轨吸力。测试过程中，在极靴中部900mm长度范围内，间隔50mm设置一个测点，共19个测点。吸力测试结果取所有测点吸力的平均值，结果为68.2kN，符合额定吸力的设计指标。

　　测试前将两侧极靴距轨顶的高度均调整为6mm。传感器记录两侧磁轨本体得电开始到与钢轨吸和的时间。结果显示，响应时间分别为0.186s和0.194s，同步性较好，且均小于0.6s，满足设计要求。

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　　4总结

　　通过对100%低地板有轨电车的磁轨制动装置的结构和性能试验进行研究，得出以下结论：

　　4.1采用整体框架式、低悬挂方式，结构简单可靠，降低了对转向架安装空间的要求，适合100%低地板有轨电车的运用要求。

　　4.2极端载荷下，磁轨座和悬挂连接杆的应力远低于材料屈服极限，位移变形小，可以有效保障磁轨制动功能的安全可靠。

　　4.3吸力和响应时间的测试结果满足设计要求。

　　参考文献

　　[1]王可,丁福焰,宋跃超,张思远,李辉.低地板有轨电车磁轨制动装置的研究[J].铁道机车车辆,2016,36(3):92-96.

　　[2]王立超,丁福焰,王可,王立宁.电磁式磁轨制动器吸力的仿真分析与优化[J].铁道车辆,2017,55(12):21-25，56.

　　[3]任尊松.车辆动力学基础[M].北京:中国铁道出版社,2009.

　　作者：刘潇高锋