李承覬，張德遠(yuǎn)

（1.中電科航空電子有限公司，成都 611731； 2.北京航空航天大學(xué) 機(jī)械工程及其自動(dòng)化學(xué)院，北京 100191）

彈射座椅為飛行員專用座椅，在飛機(jī)失控狀態(tài)下，為保護(hù)飛行員的生命安全，而將飛行員彈離飛行器，并使其安全著陸的航空救生設(shè)備[1]。飛機(jī)座椅彈射試驗(yàn)已成為飛機(jī)功能試驗(yàn)必不可少的部分，具體試驗(yàn)表現(xiàn)形式為水平姿態(tài)的火箭撬滑軌試驗(yàn)和不利姿態(tài)的垂直塔軌道滑車自由落體墜落試驗(yàn)[2]。傳統(tǒng)的垂直塔緩沖防墜系統(tǒng)采用的是固定在垂直塔上的摩擦片與滑車的車輪剛性摩擦減速[3]，抱死滑車后，再進(jìn)行滑車的吊裝拆卸。試驗(yàn)前后的準(zhǔn)備時(shí)間較長，效率低，影響了整體的進(jìn)度。

渦流制動(dòng)采用永磁渦流制動(dòng)或電磁渦流制動(dòng)[4]，高速制動(dòng)性能好。朱先福等人[5]進(jìn)行了渦流制動(dòng)的制動(dòng)力分析與計(jì)算。童昕宏等人[6]進(jìn)行了永磁渦流模擬仿真軟件設(shè)計(jì)。永磁渦流制動(dòng)由于具備高速制動(dòng)性能好、不引入外部能量、系統(tǒng)簡單等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)在永磁制動(dòng)新材料的研發(fā)上不斷有新的突破，吸引了國內(nèi)外學(xué)者廣泛的重視[7]。

目前，永磁渦流制動(dòng)系統(tǒng)一般應(yīng)用于游樂場(chǎng)升降娛樂設(shè)施或高速軌道車輛上，鮮有將其應(yīng)用于垂直塔座椅彈射試驗(yàn)的報(bào)道。文中提出將永磁渦流系統(tǒng)用于垂直塔座椅彈射試驗(yàn)中的制動(dòng)系統(tǒng)，由于不需要車輪鋼性摩擦和吊裝拆卸，可大大縮短試驗(yàn)周期，提高試驗(yàn)效率。

1 永磁渦流制動(dòng)器及其制動(dòng)原理

永磁制動(dòng)器結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括安裝在滑車上的動(dòng)子板，固定在塔體的靜子板，其中，滑車動(dòng)子板上布置了3個(gè)磁場(chǎng)，分別包括一塊相對(duì)設(shè)置的S極和N極板，安裝在塔體靜子板上的3個(gè)導(dǎo)體（如不銹鋼、銅鎳合金、7075鋁合金）分別插入動(dòng)子板上布置的3個(gè)磁場(chǎng)中。緩沖過程中，安裝在滑車上的動(dòng)子板（永磁體）與固定在塔體的靜子板（導(dǎo)體板）相對(duì)運(yùn)動(dòng)形成電磁拉力，對(duì)滑車的自由落體形成反向制動(dòng)，即該系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是一種能量轉(zhuǎn)換裝置。在試驗(yàn)過程中，滑車的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能，再通過永磁渦流制動(dòng)，將動(dòng)能轉(zhuǎn)換成磁能和熱能[8]，從而達(dá)到制動(dòng)的效果。由此產(chǎn)生的熱量，通過自然風(fēng)冷進(jìn)行熱交換。

圖1 永磁渦流制動(dòng)系統(tǒng)原理 Fig.1 Principle of permanent magnet eddy current braking system

2 滑車試驗(yàn)系統(tǒng)及試驗(yàn)制動(dòng)要求

滑車試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括垂直塔、滑車軌道、滑車、緩沖系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)?；囉?種類型，3、5 t各1臺(tái)，滑車軌道長度為120 m。試驗(yàn)要求為3 t滑車下滑時(shí)，以最大速度30 m/s實(shí)施制動(dòng)減速；5 t滑車下滑時(shí)，以最大速度60 m/s實(shí)施制動(dòng)減速，制動(dòng)過程中過載不大于6 G，制動(dòng)距離不大于40 m。

垂直塔塔體有凹槽，槽內(nèi)豎直方向鋪有4根軌道，滑車可沿軌道作自由落體運(yùn)動(dòng)。永磁渦流制動(dòng)系統(tǒng)包含動(dòng)子板和靜子板，動(dòng)子板安裝在滑車車座下，選用300 J/m3的釹鐵硼（N45或45M）[9]。靜子板固定在基座墩子，基座墩子與塔體凹槽內(nèi)的地腳螺栓固定在一起，作為固定靜子板的基礎(chǔ)。

3 模擬分析

3.1 磁感強(qiáng)度計(jì)算

渦流產(chǎn)生的磁場(chǎng)屬于時(shí)變場(chǎng)，是隨時(shí)間變化而變化的[10]。根據(jù)麥克斯韋方程計(jì)算磁感應(yīng)強(qiáng)度B，見式（1）。

在固定磁體的磁軌和氣隙，矢量磁勢(shì)A分布見式（2）。

磁化強(qiáng)度為M，永磁體區(qū)域磁勢(shì)A分布見式（3），μ為永磁體磁導(dǎo)。

感應(yīng)板區(qū)域矢量磁勢(shì)A分布見式（4）。

用若干個(gè)面積為1平方厘米的小正方形擺拼不同的圖形，通過拼組圖形使學(xué)生體會(huì)：盡管所拼圖形的形狀各不相同，但圖形的面積均相等。學(xué)生在操作中感受面積守恒。

式中：μr為感應(yīng)板相對(duì)磁導(dǎo)率；μo為氣隙磁導(dǎo)；v為滑車速度；σ為電導(dǎo)率。

為了計(jì)算方便，將間斷的永磁體等效成連續(xù)的永磁體面，通過傅立葉變換得到等效后的磁化強(qiáng)度M，分別為n次傅里葉變換在水平和垂直方向的幅值[10]。

由式（1）—（5）得出感應(yīng)板中的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布，見式（6）。

式中：d為永磁體厚度；g為氣隙。

3.2 制動(dòng)力計(jì)算

由感應(yīng)板的磁感應(yīng)強(qiáng)度和麥克斯韋的應(yīng)力張量法[11]，得到總制動(dòng)力計(jì)算公式，見式（7）。

式中：r=1,3,5,…，取前五項(xiàng)，r=1,3,5,7,9；f為級(jí)距；p為極對(duì)數(shù)；lp為初級(jí)長度，lp=2pf；w為初級(jí)寬度；T為占空比，T=lm/f（lm為永磁體長度）；e為總氣隙；v為次級(jí)板（滑車）的速度。各參數(shù)的具體取值見表1。

表1 設(shè)計(jì)參數(shù) Tab.1 Design parameters

3.3 仿真計(jì)算

通過電磁場(chǎng)有限元仿真計(jì)算，針對(duì)3 t滑車下滑最大速度為30 m/s時(shí)實(shí)施制動(dòng)減速。模擬了制動(dòng)距離30 m、最高制動(dòng)速度30 m/s的關(guān)系曲線，如圖2所示。

圖2 30 m距離制動(dòng)力與速度的關(guān)系曲線 Fig.2 Relationship between braking force and speed at the braking distance of 30 m

在30 m，制動(dòng)速度為30 m/s的情況下，隨著滑車速度的持續(xù)減小，電磁制動(dòng)力先增加、后減小，在6 m/s時(shí)達(dá)到最大。這是由于滑車速度減小，氣隙中磁力線的傾斜度不斷增加，增大了制動(dòng)力；隨著滑車速度持續(xù)減小，制動(dòng)力增大到最大峰值后，同動(dòng)子板交接的磁力線密度增大過密，漏磁也不斷加大，此時(shí)制動(dòng)力開始減小[13]。最后電磁拉力在速度達(dá)到2 m/s時(shí)，不再減小，完成了制動(dòng)緩沖過程。由圖3和圖4得出，制動(dòng)速度、制動(dòng)距離與制動(dòng)時(shí)間參數(shù)的關(guān)系是制動(dòng)速度隨著制動(dòng)時(shí)間的增加而持續(xù)減小，最終勻速運(yùn)動(dòng)，制動(dòng)距離隨著制動(dòng)時(shí)間的增加而持續(xù)增加，最終停留在35 m處。能夠滿足試驗(yàn)總體制動(dòng)距離不超過40 m的要求。

圖3 30 m距離制動(dòng)速度與時(shí)間曲線 Fig.3 Relationship between braking speed and time at the braking distance of 30 m

圖4 30 m/s制動(dòng)速度下距離制動(dòng)距離與時(shí)間曲線 Fig.4 Relationship curve between braking distance and time at the braking speed of 30 m/s

4 系統(tǒng)優(yōu)化

為研究靜子板感應(yīng)材料對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)效果的影響，分別研究了不同材料作為靜子板感應(yīng)材料的情況下制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)效果。一般常用的導(dǎo)體是不銹鋼、銅鎳合金和7075鋁合金等，分別選取同樣高度的不銹鋼、銅鎳合金和7075鋁合金作為永磁渦流制動(dòng)靜子板的感應(yīng)板材料。針對(duì)5 t滑車下滑最大速度為60 m/s實(shí)施制動(dòng)減速的試驗(yàn)工況，通過仿真計(jì)算來模擬極限工況下的制動(dòng)力隨滑車運(yùn)動(dòng)速度變化的特征曲線，如圖5所示。

圖5 不同材料的制動(dòng)力與滑車速度關(guān)系曲線 Fig.5 Relationship between braking force and pulley speed of different materials

當(dāng)靜子感應(yīng)板采用不銹鋼時(shí)，隨著速度變小，其制動(dòng)力平穩(wěn)變化。這是由于不銹鋼的電導(dǎo)率小，磁導(dǎo)率大，產(chǎn)生渦流以及制動(dòng)力較平穩(wěn)，同時(shí)不銹鋼電導(dǎo)率比其他材料小，所以峰值制動(dòng)力相對(duì)較小。在速度為55 m/s時(shí)，產(chǎn)生最大拉力?？傮w制動(dòng)速度變化過程相對(duì)平穩(wěn)。

當(dāng)靜子板感應(yīng)板采用銅鎳合金或鋁合金7075時(shí)，由于二者的電導(dǎo)率大，磁導(dǎo)率小，永磁體產(chǎn)生的絕大部分磁通會(huì)選擇相對(duì)磁阻較小的路徑，而不與靜子板的銅板或鋁合金板交鏈而形成漏磁[14]。在高速時(shí)，產(chǎn)生渦流的磁通較少，所以制動(dòng)力較小。隨著速度的持續(xù)減小，產(chǎn)生渦流的磁通較多，再加上銅鎳合金或鋁合金的電導(dǎo)率大，這樣產(chǎn)生的峰值制動(dòng)力較大。最終，采用銅鎳合金和鋁合金7075作為動(dòng)子感應(yīng)板時(shí)，分別在速度為25 m/s和12 m/s產(chǎn)生最大制動(dòng)力，之后制動(dòng)力平穩(wěn)減小。

動(dòng)子板隨滑車自由落體，經(jīng)過靜子板區(qū)域，因制動(dòng)過程產(chǎn)生渦流，在高電導(dǎo)率的感應(yīng)板中涌動(dòng)，而磁通通過高磁導(dǎo)率的感應(yīng)板形成閉合回路。對(duì)于不同材料的靜止板感應(yīng)材料，由于電阻率的差別（鋼的電阻率高于鋁，鋁高于銅），導(dǎo)致渦流制動(dòng)的力學(xué)性能不同[15]。從圖5可以看出，同一工況下能夠產(chǎn)生的峰值制動(dòng)力均在450 kN左右，但達(dá)到峰值的制動(dòng)速度不一樣（不銹鋼為65 m/s，銅鎳合金為25 m/s，鋁為12 m/s）。因此，對(duì)于速度區(qū)間較低的制動(dòng)，采用銅鎳合金或者鋁合金會(huì)比不銹鋼的制動(dòng)效果更好一些；而對(duì)于速度較高的制動(dòng)中，不銹鋼的制動(dòng)效果較好一些。

基于此，文中對(duì)永磁制動(dòng)系統(tǒng)的靜子板材料進(jìn)行優(yōu)化：高速制動(dòng)段采用不銹鋼，中速制動(dòng)段采用銅鎳合金，低速制動(dòng)段采用鋁合金。

5 結(jié)論

文中提出了采用永磁渦流制動(dòng)的方法來實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)滑車的制動(dòng)，通過對(duì)磁場(chǎng)的模擬，制動(dòng)力的計(jì)算，模擬分析了永磁渦流制動(dòng)過程，得出了30 m制動(dòng)距離下制動(dòng)力與速度、制動(dòng)距離與時(shí)間的關(guān)系，驗(yàn)證了永磁渦流制動(dòng)系統(tǒng)能夠滿足垂直塔座椅彈射試驗(yàn)對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)的要求（總體制動(dòng)距離不超過40 m）。同時(shí)，模擬分析了靜子感應(yīng)板不同材料對(duì)制動(dòng)效果的影響，并基于研究結(jié)果提出了對(duì)永磁制動(dòng)系統(tǒng)靜子板的材料進(jìn)行優(yōu)化的方案。

盡管永磁渦流系統(tǒng)能夠滿足制動(dòng)試驗(yàn)的要求，但目前永磁渦流制動(dòng)仍存在兩個(gè)弊端：軌道溫升問題和制動(dòng)特性不易調(diào)節(jié)。具體體現(xiàn)在，根據(jù)能量守恒定律，由渦流制動(dòng)產(chǎn)生的制動(dòng)力沿著豎直軌道所做的電磁拉力功與該段軌道勢(shì)能減少、動(dòng)能減小以及由制動(dòng)導(dǎo)致增加的熱能是恒定的，因此制動(dòng)段制動(dòng)系統(tǒng)的溫升是必然的[16]。同時(shí)，永磁渦流制動(dòng)系統(tǒng)的永磁材料與其他參數(shù)對(duì)于系統(tǒng)制動(dòng)具有唯一性，因此不能兼顧其他制動(dòng)要求[17]，永磁體渦流制動(dòng)最終不會(huì)將滑車停止。因此，需要外加輔助系統(tǒng)進(jìn)行停止制動(dòng)。因此，如何有效解決以上幾個(gè)問題將是今后該領(lǐng)域進(jìn)一步研究的方向。