應(yīng)之丁，陳家敏

（同濟大學(xué)鐵道與城市軌道交通研究院，上海201804）

列車運行和制動過程中所需的牽引力和制動力產(chǎn)生于輪軌間的黏著力，輪軌接觸關(guān)系作為列車運行控制和安全保障的核心，需要進行深入研究。

國內(nèi)外專業(yè)機構(gòu)對輪軌黏著問題開展了多項技術(shù)研究，如在現(xiàn)有的輪軌黏著系數(shù)條件下，提出蠕滑率控制的思路和具體控制曲線和對策［1-5］；通過撒砂控制直接增加輪軌間粗糙度以改善輪軌黏著條件，相應(yīng)的研究方向偏向于砂粒選型和噴砂流速等，此技術(shù)因?qū)嗆壞p較大［6-7］及用沙量限制，大都用在緊急情況；此外通過采用踏面清掃閘瓦以保持踏面干凈，同時用閘瓦中的增黏成分提高輪軌黏著系數(shù)，但增黏效果有限［2］；一些文獻分析了在一定范圍內(nèi)軸重變化對黏著的影響等［8］。以上都是針對影響?zhàn)ぶ实能囕喖疤っ?、鋼軌表面、運行速度、軸重等開展的研究分析。

輪軌之間的黏著力等于軸重乘以黏著系數(shù)，所以本文基于電磁作用，通過增加輪軌之間垂向力，而不是增加實際軸重，來提高列車牽引和制動過程中的黏著力。本文研究圍繞高速旋轉(zhuǎn)車輪的電磁增黏裝置，設(shè)置電磁線圈，在車輪與鋼軌之間形成電磁場，將車輪作為磁化組件，通過線圈繞組產(chǎn)生的電磁吸力增加輪軌之間的垂向力，也稱之為電磁軸重，以提高輪軌黏著力。列車運行結(jié)束時，通過反向勵磁消磁。

此外，在列車過曲線時，主動控制施加在不同車輪附近的電磁增黏裝置勵磁電流大小，調(diào)節(jié)兩側(cè)車輪與軌道之間垂向力，改善列車在不同線路半徑、不同速度條件下的運行平穩(wěn)性。目前，國內(nèi)外在此研究方向上尚未見到文獻報道。

1 電磁增黏裝置基本結(jié)構(gòu)和電磁場

設(shè)計安裝在轉(zhuǎn)向架上的新型電磁增黏裝置，核心思想是利用電磁鐵對鋼軌產(chǎn)生的吸力，通過在車輪周圍布置電磁線圈，形成一個巨大的電磁鐵，對軌道施加電磁吸力，從而達到增加軸重控制的效果。圖1為電磁增黏裝置電磁線圈部分的基本結(jié)構(gòu)示意圖，此外，還包括勵磁電源、控制裝置、懸吊結(jié)構(gòu)等。

影響輪軌之間電磁吸力的因素主要包括：電磁線圈安匝數(shù)及在空間的布置，即電磁場設(shè)計；車輪與鋼軌之間的磁路，含車輪、線圈、鋼軌、磁軛（線圈殼體）；速度、尺寸、形狀、材料等技術(shù)參數(shù)對電磁場作用力的影響。因此，建立電磁增黏裝置電磁場仿真模型，進行電磁場及作用力計算分析。

圖1 電磁增黏裝置電磁線圈部分結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of electromagnetic adhesion device

因為空間磁場復(fù)雜多變且影響參數(shù)較多，計算不確定性大大提高，難以得出較好的結(jié)果?？紤]輪軌垂向作用和縱向影響因素是研究目標的焦點，分析電磁場基本形態(tài)集中在車輪圓周面和鋼軌縱向上，故將電磁場在軌道橫向截面方向視為理想穩(wěn)定勻稱的，采用軌道縱向截面方向的二維模型對電磁增黏裝置進行分析，如圖2所示。

圖2 電磁線圈部分二維模型Fig.2 Two-dimensional model

2 電磁增黏裝置電磁力變化規(guī)律

2.1 電磁吸力變化規(guī)律

將電磁增黏裝置電磁線圈模型視為一種特殊形狀的電磁鐵，考慮車輪作為形狀奇異的鐵芯，所圍繞的線圈分布復(fù)雜，線圈尺寸、形式多樣等因素，所以以單束線圈為基本單元，然后分段積分計算。忽略漏磁及各部件間的空氣間隙等因素，根據(jù)畢奧-薩伐爾定律［9］，計算出任意載流導(dǎo)線在空間任意點處的磁感應(yīng)強度為

式中：I為單匝電流；dl為導(dǎo)線長度元；r為導(dǎo)線與任意點之間的距離；μ0為真空磁導(dǎo)率。

根據(jù)能量法計算出電磁吸力為

式中：B為對B′積分后的磁感應(yīng)強度；ΔS為車輪離散模塊投射到軌道的面積。

以此評估不同線圈尺寸和位置及積聚和分散布置對電磁吸力影響，形成電磁增黏裝置基本結(jié)構(gòu)和技術(shù)參數(shù)，進一步進行電磁場有限元仿真分析。

電磁增黏裝置的磁場分布如圖3所示，電磁增黏裝置產(chǎn)生的電磁場從車輪高處分散到輪軌接觸處集聚，形成大致方向類似的吸力電磁鐵磁場，可以產(chǎn)生輪軌之間的電磁吸力，但其磁路方向和有效作用面積隨裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)變化有較大的不同。

在列車時速300 km·h-1、線圈勵磁電流10 A、線圈匝數(shù)1 000、線圈距軌面高度25 mm時，考察電磁場空間分布。圖4所示為電磁吸力隨時間變化曲線。

圖3 磁場分布Fig.3 Distribution of magnetic field

圖4 電磁吸力隨時間變化曲線Fig.4 Electromagnetic suction versus time curve

列車過曲線時，內(nèi)外軌高差使車輛輪重產(chǎn)生差異，引起振動。由文獻［10］可知，增大軸重可提升平穩(wěn)性。電磁增黏裝置可在不提高實際軸重、不改變車輛重心下，通過調(diào)整內(nèi)外軌上車輪位置的線圈勵磁電流，調(diào)整輪軌之間垂向力，提高列車運行平穩(wěn)性。

2.2 速度變化對電磁吸力的影響

考慮到列車運行中存在不同的工況，隨著速度的提高，尤其在高速區(qū)間，電磁場將會發(fā)生劇烈變化，進而對電磁吸力產(chǎn)生影響，因此對時速300～350 km·h-1的列車進行研究，分析高速運行過程中10%（±25 km·h-1）的速度擾動是否會對在恒定直流電作用下的電磁增黏作用效果產(chǎn)生影響。電磁力隨速度的變化規(guī)律如圖5所示。

由于輪軌一直處于接觸狀態(tài)，所以輪軌接觸附近空間的磁場穩(wěn)定，列車速度變化對電磁吸力基本無影響，電磁增黏裝置能在列車高速運行中保持穩(wěn)定有效的工作。

2.3 勵磁線圈距軌面高度對電磁吸力的影響

保持線圈與車輪踏面距離不變，改變線圈底距軌頂距離，列車運動狀態(tài)下輪軌電磁吸力與線圈高度的關(guān)系如圖6所示。線圈高度影響線圈-踏面及線圈-軌面之間的磁阻大小，隨著線圈高度升高，總磁阻減小，電磁吸力增加。

圖5 速度對電磁吸力的影響Fig.5 Effect of speed on electromagnetic attraction

圖6 線圈高度對電磁吸力的影響Fig.6 Effect of coil height on electromagnetic attraction

2.4 電流變化對電磁吸力的影響

在列車運行過程中，根據(jù)運行過程中所處工況的不同，需要對輪軌間電磁吸力進行有效控制。在線圈匝數(shù)一定的情況下控制裝置的電流大小可以有效改變電磁增壓效果。改變勵磁直流電流大小，得到電磁吸力隨電流變化的曲線，如圖7所示。

圖7 電流對電磁吸力的影響Fig.7 Effect of current on electromagnetic attraction

輪軌垂向電磁吸力與其所對應(yīng)的勵磁電流呈現(xiàn)二次關(guān)系，即

根據(jù)勵磁電流與電磁吸力之間的關(guān)系，主動調(diào)整勵磁電流，從而獲得足夠的黏著力，調(diào)整兩側(cè)車輪壓力，保持列車運行平穩(wěn)性。

3 列車起動瞬間電磁力變化規(guī)律

電磁增黏裝置也可以用于列車起動階段。不同車輛起動加速度各不相同，假定起動加速度為0.1 m·s-2，得到列車起動瞬間電磁吸力變化曲線，如圖8所示。

圖8 電磁吸力變化曲線Fig.8 Electromagnetic suction

列車起動瞬間，輪軌之間發(fā)生相對運動時，電磁場不穩(wěn)定，電磁吸力急劇下降，然后趨于穩(wěn)定。

4 結(jié)語

提出一種安裝在轉(zhuǎn)向架上的新型電磁增黏裝置。通過在高速旋轉(zhuǎn)車輪周圍設(shè)置電磁線圈，使車輪與鋼軌之間形成電磁場，從而產(chǎn)生電磁吸力以增加輪軌之間垂向力，也稱之為電磁軸重，以提高輪軌黏著力。建立電磁增黏裝置基本結(jié)構(gòu)模型，探討這類異型電磁場計算方法，分析輪軌之間電磁作用力隨列車速度變化規(guī)律，以及電磁吸力對輪軌黏著力的影響。進一步分析結(jié)構(gòu)及技術(shù)參數(shù)對電磁場的影響，確定線圈安匝數(shù)及在空間的布置。

電磁增黏裝置可以改善列車牽引或制動過程中由于輪軌之間黏著力不足而導(dǎo)致的牽引和制動力不足的問題，保障列車安全運行。在不同列車時速時電磁增黏裝置可以維持相對恒定的軸重增量，通過調(diào)節(jié)兩側(cè)輪軌之間的作用力，改善列車運行平穩(wěn)性。在列車起動瞬間電磁急劇下降，而后趨于穩(wěn)定，保障列車具有足夠的牽引力。電磁增黏裝置對下一步列車提速的實現(xiàn)有一定的促進作用。