鐘竟瑜

（蘭州交通大學 博文學院電信工程系，甘肅 蘭州 730101）

0 引言

我國貨運編組站的主要任務是辦理大量貨運列車的解體和重新編組，以便按照貨運計劃和列車運營計劃準點發(fā)車。為了滿足以上要求，編組站設立了多個車場來完成不同的任務，其中調車場就是用來辦理貨運列車的解體和編組，調車場的主要設備為調車駝峰，這也是整個編組站的重要技術設備。

調車駝峰設備的其中一個重要組成部分為調速設備，用于控制溜放車組的溜放速度，目的是在保證駝峰作業(yè)人員的安全的前提下，提高解體和編組能力和效率、減輕勞動強度。

調速設備種類很多，用于減速的有車輛減速器、減速頂?shù)取?929年，美國發(fā)明了鉗夾式減速器，取代了原始的手閘和鐵鞋，提高了工人的勞動安全條件。1959年，世界上第一個液壓加減速頂在英國道蒂公司面世。20世紀中期，德國研制出第一臺以電磁渦流為原理的減速器。

我國鐵路裝備技術正朝著高速、重載的方向發(fā)展，提高編組站駝峰的調節(jié)能力，是保證路網暢通、提高運輸能力的重要途徑之一，因此對駝峰自動化和減速設施的要求越來越高。我國對電磁渦流減速裝置的研究始于上世紀90年代中期，隨后的研究也僅限于理論于實驗階段。目前所使用的駝峰減速工具仍使用自動化鉗夾式減速器和減速頂方式，設備龐大并且結構復雜，運行磨耗量大、噪聲刺耳、維護成本高、安全性相對較差。因此急需新型減速裝置（渦流制動裝置）來替換。

1 渦流制動技術的分析

1.1 電渦流效應及渦流制動原理

渦流制動裝置是基于渦流效應以及電磁感應定律、楞次定律等原理制成的能達到良好減速效果的一種裝置，利用這種原理的技術稱為渦流制動技術。

如圖1所示，渦流制動裝置由一對磁極（由鐵芯和線圈組成）和車輪組成。在線圈上通直流電流I，則磁鐵中產生恒定磁場Φ1，當旋轉的車輪通過該恒定磁場時，由楞次定律和右手法則知該車輪表面會產生很多與線圈電流相反的小的電渦流i，從而產生與原磁場相反的磁力線Φ2，且車輪轉速越高，反向的電渦流越大，再用左手法則判斷發(fā)現(xiàn)由車輪切割磁場產生的磁力線進而產生的電磁力F，其方向與車輪的旋轉角速度ωn方向相反，這些電磁力的合力組成了沿車輪圓周方向且與車輪旋轉方向相反的力矩，阻礙了車輪的前進，同時車輪上的渦流還會因受力做功產生熱能這樣車輪的動能就被消耗殆盡。這就是渦流制動裝置的原理[1-2]。

圖1 渦流制動裝置原理圖

1.2 制動功率的分析

磁場穿過車輪，投影在車輪表面上為無限個小的圓形區(qū)域，都在以轉速ω旋轉而切割磁力線運動，這些圓形區(qū)域中的磁通量是不斷變化的，由此產生感應電流i（渦流）。將這些圓形區(qū)域看成若干個小圓環(huán)，其中半徑r，高度h（渦流貫穿深度）厚度為dr，磁場感應強度為B。則有：

磁通量為：

其瞬時感應電動勢為：

有效電流為：

則總電流的有效電流I2為：

其瞬時功率為：

其總體的瞬時功率p為對dp在0到的積分：

則其P在一個周期的平均值即有效功率為：

1.3 渦流制動力矩的分析

電磁渦流減速裝置的磁路由磁軛、車輪和氣隙構成，其中磁軛和車輪都是很好的導磁材料，可忽略其磁阻，故磁路中只剩下兩個氣隙的磁阻Rm0，其中l(wèi)為氣隙的厚度，μ0為氣隙的磁導率[3]。

則該磁路中的總磁阻為：

由楞次定律知感應磁場Φ1與原磁場Φ2方向相反，則新的磁場為：

其中N為線圈匝數(shù)，I1為線圈電流，K為折算系數(shù)2，I2為總渦流有效值。由電磁感應定律：

將公式（5）（9）（10）帶入上式得：

將公式（8）帶入得力矩F為：

由此可知渦流制動力矩F與磁場有效半徑re，車輪角速度ωn，減速器材料導磁率μ0、電阻率ρ，線圈匝數(shù)N，以及磁極對數(shù)（以上假設一個車輪有一對磁極），氣隙δ，渦流趨膚效應的深度h等有關[4-5]。

2 渦流制動裝置在駝峰場流放作業(yè)的應用

在我國駝峰場溜放車組的過程中，對溜放速度的控制按功能分有兩種：間隔調速和目的調速。按是否連續(xù)，分為點式（如減速器）、連續(xù)式（減速頂）和點連式調速。

在原始點式調速方案中，車組解體速度快，但對一些特殊車組制動力衰耗大，影響減速效果且需要人工防護措施保證作業(yè)安全。在原始的連續(xù)式調速方案中，車組溜放速度低，因此容易達到安全連掛，但解體和編組效率低。

若用渦流制動裝置代替減速器和減速頂，則可形成新的調速方案，由于渦流制動裝置制動能力與溜放速度與成正比，所以當車組溜放速度過高則制動力相應加大，彌補了點式調速方案的缺點，同時當車組溜放速度過小則制動力相應減小，彌補了連續(xù)式調速方案的缺點，故渦流制動裝置可滿足在駝峰場溜放作業(yè)中的需求，

3 結語

我國對渦流制動技術的研究落后于國外研究水平，因此對渦流制動技術的研究還有很大的提升空間，對其所能應用的領域也有待開發(fā)，尤其是作為調速設備用于駝峰場的溜放過程中，更能發(fā)揮其結構簡單、造價低、可連續(xù)制動、噪聲小、磨損少、無污染等優(yōu)勢，使得駝峰減速設備的安全性和可靠性提高，減少了人工維修工作量，營造了安全、綠色的工作環(huán)境，同時又可精準控制車組的溜放速度，提高了工作效率。隨著今后電子技術、信息技術、材料技術等科技領域的發(fā)展，渦流制動技術的各方面性能必將進一步提高，也必將能廣泛實際應用于駝峰場中。