基于环形电磁线圈的轮轨增压方案_应之丁.pdf

2023 年基于环形电磁线圈的轮轨增压方案应之丁李艺桂安登(同济大学铁道与城市轨道交通研究院，201804，上海第一作者，副教授)摘要针对列车制动时黏着力不足的问题，基于车轮结构和电磁学基本原理提出一种固定在转向架上的环形电磁线圈方案。该方案利用电磁线圈磁化车轮，使其对轨道产生垂向吸力以增加轴重。对所提方案设置内嵌环形线圈励磁模型和外置环形线圈励磁模型，并基于 Ansoft Maxwell 电磁场分析软件分析了两种模型的磁感应强度、垂向电磁吸力等参数。计算结果表明:在内嵌环形线圈励磁模型中，轮轨的增压效果不明显，其增加轴重的调节效果不显著;而在外置环形线圈模型中，轮轨接触位置产生了更稳定的励磁作用，轮轨处可获得较大的垂向电磁吸力，车轮增压效果明显。关键词轨道交通;轮轨增压;环形电磁线圈;轮轨关系中图分类号U2115DOI:1016037/j1007869x202301043Wheel-railPressurizationSchemeBasedonElectromagnetic ing CoilYING Zhiding，LI Yi，GUI AndengAbstractAiming at the problem of insufficient adhesionduring train braking，based on the wheel structure and the basicprinciple of electromagnetism，a scheme of electromagneticring coil fixed on bogie is proposed The scheme uses electro-magnetic coil to magnetize the wheel，generating vertical at-traction on the track to increase axle load Embedded ring coilexcitation model and external ring coil excitation model are setin the mentioned scheme，and parameters of the two modelssuchaselectromagneticfluxdensityandverticalelectromagnetic adhesion are analyzed using Ansoft Maxwell e-lectromagnetic field analysis software Calculation results showthat in the embedded ring coil excitation model，the pressuriza-tion effect on wheel-rail is not obvious，as well as the adjust-ment effect of axle load increase;while in the external ring coilmodel，more stable excitation has been produced on wheel-railcontact position，and the wheel-rail can obtain larger vertical e-lectromagnetic attraction，demonstrating evident pressurizationeffect on the wheelKey wordsrail transit;wheel-rail pressurization;electromag-netic ring coil;wheel-rail relationshipAuthor saddressInstituteofailTransit，TongjiUniversity，201804，Shanghai，China列车基础制动力由轮轨间的相互黏着关系产生，提高轮轨间的黏着作用可以有效提高列车设计时速标准。文献 1研究发现，通过改善轮轨表面清洁、增加轴重等方法可以增大轮轨黏着系数。文献 2 利用 MMS-2A 型微型计算机控制摩擦磨损试验机进行试验，认为轮轨接触面积和黏着力随着轴重的增加而增大。文献 3的研究表明，增加轴重负载会导致车轮黏着系数下降以及黏着力上升。本文根据现有轮轨黏着关系及电磁学原理，提出一种轮轨电磁增压方案。该方案通过电磁线圈磁化车轮，令轮轨间产生较大的垂向电磁吸力，从而达到增加轴重的目的。本文同时设置了内嵌环形线圈励磁模型和外置环形线圈励磁模型，基于Ansoft Maxwell 电磁场分析软件分析了两种模型的磁感应强度、垂向电磁吸力等参数。所提方案可以改善列车运行过程中由于轮轨之间黏着力不足而引发的制动力不足问题，为列车轮轨增加黏着力问题提供解决思路。图 1基于车轮结构的增压方案示意图Fig1Diagram of pressurization scheme based on wheel structure1增压方案中施加电磁力的相关因素分析基于车轮结构的增压方案示意图如图 1 所示。图 1 的基本原理为将环绕车轮布置的励磁线圈和车轮简化为一个巨大的电磁铁，励磁电流输入环形线圈产生磁场磁化车轮，同时对轨道产生电磁吸力，以实现增大轮轨间垂向作用力的目标，即通过电磁作用增加轴重来提高轮轨黏着力。但由于轮轨间012第 1 期应用技术的复杂接触关系、线圈尺寸及形式多样等因素的影响，需要通过建立轮轨间的电磁场模型来分析各因素对电磁场形态的影响。轮轨接触关系示意图如图 2 所示，可采用经验公式计算电磁吸力。由于轮轨接触面不固定，选取车轮踏面中段与上部轨面接触这一位置进行分析。车辆与轨道在列车运行过程中相互贴合，可忽略轮轨接触面上的空气间隙，分段计算电磁作用吸力。在计算电磁场时，需要对给定区域中的微积分方程进行求解。由于轮轨模型几何结构的复杂性，通过数值计算方法离散求解区域4。图 2轮轨接触关系示意图Fig2Diagram of wheel-rail contact relationship由于只计算垂向电磁作用力，所以采用纵向离散轮轨模型。利用能量法进行推导，考虑到漏磁现象，对于离散模块任一子单元的电磁力 FS的计算公式为5:FS=BSKf()2S20(1)式中:BS 离散单元所处位置的磁感应强度，T;S 车轮离散模块投射到对应轨道表面的投影面积，m2;0 真空磁导率;Kf 漏磁系数。在计算过程中，可将轮轨贴合接触面位置部分视为特殊形式的起重电磁铁来计算6，轮轨接触斑励磁下对轨道的电磁吸引力 FP为:FP=B2SP20=NI0()2SP20=NI()222SP0(2)式中:SP 轮轨接触斑面积，mm2;I 励磁电流，A;N 线圈匝数，匝;B 磁感应强度，T;集肤深度，mm。根据经验，通常认为轮轨贴合处接触斑空气隙为 05 mm。综上所述，总的电磁吸力可以表示为:Ftotal=FP+FS=NI()222SP0+BSKf()2SdS20(3)2基于转向架车轮结构的增压模型根据上述环绕车轮布置线圈的电磁增压原理，选择车轮侧面布置线圈，设置内嵌环形线圈励磁模型和外置环形线圈励磁模型。内嵌环形线圈励磁模型如图 3 所示。由图 3 可知，线圈内嵌在车轮轮毂内侧且相对车轮保持固定，励磁线圈通电后可磁化车轮踏面，从而实现对轨道的吸附作用。该方案的优点为:利用车轮内部空间，不影响现有转向架结构;回路磁阻较小，在踏面处可获得一定的磁感应强度。图 3内嵌环形线圈励磁模型Fig3Embedded ring coil excitation model外置环形线圈励磁模型如图 4 所示。在空间电磁场中，考虑到磁感线回路被约束在强铁磁性材料边界内而不易穿过空气铁磁性材料交界面的情况，选择将线圈贴近轮轨接触面，在车轮外侧面外置励磁装置。环形线圈通电后构成的磁感线闭合回路 A 如图 4 b)所示。由于回路中磁阻较小，相同电流激励下所获得的磁感应强度更大。在轮轨接触面上，磁感线方向与其法线方向重合，轮轨间电磁吸力的垂向分力最大。图 4外置环形线圈励磁模型Fig4External ring coil excitation model1122023 年3电磁增压模型仿真基于 Ansoft Maxwell 电磁场分析软件，根据电磁场原理及实际线路情况向线圈输入恒定直流电激励产生恒稳磁场，计算电磁场在轮轨间隙位置处的电磁吸力。31内嵌环形线圈励磁模型静磁场中，对线圈施加 10 kAN(安匝数)的直流电激励，计算获得轨道所受垂向电磁吸力为 11487N。通过软件仿真获得的内嵌环形线圈励磁模型磁感应强度云图如图 5 所示，其中导磁外壳厚度为 20mm。由图 5 可知，磁感线主要通过导磁壳体导流构成回路，导磁壳体截面上的磁感应强度达到了120 T。由图 5 b)可知，该处电磁场畸变突出，磁感应强度最大值达到了 012 T。由于轮轨间不存在接触，轨面其他部分的磁感应强度只有 008 T 左右。图 5内嵌环形线圈励磁模型磁感应强度云图Fig5Electromagnetic flux intensity nephogram of embeddedring coil excitation model磁场主要集聚在轮毂内侧，由于车轮材料具有强铁磁性，磁感线不易穿透车轮抵达轨道轨面，轮轨间隙位置的磁感应强度较低。选择线圈励磁直流电区间 315 kAN，以 1 kAN 为步长，获得轮轨间垂向电磁吸力随着线圈励磁安匝数的变化如图 6 所示。由图 6 可知，在提供激励 15 kAN 的情况下，产生的电磁吸力仍不足 300 N。由此可知，内嵌环形线圈励磁模型对轮轨的增压效果不明显，其增加轴重的调节效果不显著。图 6内嵌环形线圈励磁模型中的垂向电磁吸力随线圈励磁安匝数的变化Fig6Diagram of vertical electromagnetic attraction changingwith ring coil excitation ampere-turns in the embeddedring coil excitation model32外置环形线圈励磁模型静磁场中，对线圈施加 10 kAN 的直流电激励，计算获得轨道所受垂向电磁吸力为 3 97980 N，其作用效果约是内嵌环形线圈励磁模型的 34 倍。通过软件仿真获得的外置环形线圈励磁模型磁感应强度云图如图 7 所示。磁场在轮轨接触面上的磁感应强度达到了 090 T，在轨面上的磁感应强度均匀分布且数值在 080 T 左右。相比于内嵌环形线圈励磁模型，外置环形线圈励磁模型可对轮轨接触位置产生更加稳定的励磁作用，轮轨接触面可获得较大的磁感应强度值，且其磁感线垂直于轮轨接触面，即该处可获得最大的垂向电磁吸力，对车轮增压效果明显。图 7外置环形线圈励磁模型磁感应强度分布Fig7Electromagnetic flux intensity distribution of externalring coil excitation model212第 1 期应用技术选择线圈励磁直流电区间 3 15 kAN，以 1kAN 为步长，获得轮轨间垂向电磁吸力随着线圈励磁安匝数的变化如图 8 所示。由图 8 可知，垂向电磁吸力与线圈励磁安匝数呈二次函数关系，符合电磁铁电磁吸力简化模型。对于轴重约为 2123 t 的车辆，在 10 kAN 的线圈直流电激励作用下，所提模型可以增加 35%左右的轴重，在 15 kAN 的线圈直流电激励作用下，所提模型可以获得 74%的补充轴重，初步满足轮轨增压需求。图 8外置环形线圈励磁模型垂向电磁吸力随线圈励磁安匝数的变化Fig8Diagram of vertical electromagnetic attraction changingwith ring coil excitation