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    科學技術論文

    100%低地板有軌電車磁軌制動裝置

    時間:2020年11月04日 所屬分類:科學技術論文 點擊次數:

    摘要:本文介紹了100%低地板有軌電車磁軌制動裝置的制動原理、基本結構和性能參數。在磁軌制動時的極端載荷工況下,利用有限元方法計算了磁軌座和懸掛連接桿的強度,結果顯示二者的應力低、變形小,可有效保障磁軌制動裝置的可靠性。此外,樣機的吸力和響應

      摘要:本文介紹了100%低地板有軌電車磁軌制動裝置的制動原理、基本結構和性能參數。在磁軌制動時的極端載荷工況下,利用有限元方法計算了磁軌座和懸掛連接桿的強度,結果顯示二者的應力低、變形小,可有效保障磁軌制動裝置的可靠性。此外,樣機的吸力和響應時間測試結果也滿足設計使用要求。

      關鍵詞:磁軌制動;100%低地板有軌電車;懸掛裝置;性能試驗

    鐵道車輛

      有軌電車緊急制動時,會使用磁軌制動裝置以提供較高的制動減速度。磁軌制動裝置可采用分節式或整體式結構,磁場源可由永磁體或電磁鐵勵磁產生,懸掛方式分為高懸掛和低懸掛。高速列車上通常采用升降氣缸的高懸掛結構,而低地板有軌電車適合使用彈簧懸掛的低懸掛結構[1]。本文針對國內某型100%低地板有軌電車,設計了采用低懸掛、整體電磁鐵勵磁式的磁軌制動裝置,并對樣機進行相關的性能試驗。

      1磁軌制動工作原理

      磁軌制動裝置的核心部件是電磁鐵,其結構主要包括鐵芯、電磁線圈、極靴和隔磁板,其中鐵芯和極靴使用導磁性較好的電磁純鐵DT4C,隔磁板使用鋁制材料可以阻隔磁路,線圈繞組外部包裹絕緣材料。整個電磁鐵設計為全密封結構,外殼使用薄鋼板焊接在鐵芯上,滿足防護等級IP67級。

      緩解狀態下,懸掛裝置使電磁鐵與軌頂保持一定氣隙。線圈通電產生電磁場,由于隔磁板的阻隔,磁路通過鐵芯、極靴和鋼軌構成閉合磁路。制動時電磁吸力使極靴緊壓在軌頂,并在鋼軌表面滑動摩擦產生制動力,通過導向裝置傳遞給轉向架,使車輛減速。制動力的大小取決于電磁吸力和摩擦系數,電磁鐵吸力的設計過程在文獻[2]中已有詳細介紹。

      2磁軌制動裝置設計

      2.1結構特點及性能參數

      100%低地板有軌電車為了降低地板高度,采用小輪徑、低轉向架設計,留給磁軌制動裝置的安裝空間有限。將磁軌制動裝置設計成整體框架式結構,包含2根磁軌本體(即電磁鐵)、4個磁軌座、2根懸掛連接桿和4個懸掛裝置。磁軌制動裝置通過懸掛裝置安裝在轉向架中部,避開了轉向架側架的狹小空間。4個磁軌座上的導向板構成一個矩形的滑槽,與轉向架上承受制動力的結構組成導向裝置。國內某型100%低地板有軌電車編組為動車-拖車-動車,車輪半徑為656mm,最大磨耗后為610mm,地板距軌面高度為350mm,根據該車運行特點。

      2.2懸掛裝置

      緩解狀態下,懸掛裝置中的彈簧產生的彈力抵消磁軌制動裝置的自重,使磁軌本體的極靴距軌頂有一定的高度。制動狀態下,懸掛裝置中的彈簧被進一步壓縮,壓縮量為磁軌制動裝置下降的高度。車輛運用時,車輪磨耗和極靴磨耗會使極靴距軌頂的高度發生變化,可通過調整懸掛裝置將高度恢復到正常值,具體做法是:先將鎖緊螺母松開使碟型墊圈恢復,然后旋轉拉桿,拉桿與上彈簧座通過螺紋配合將極靴調整到合適高度,最后旋轉鎖緊螺母使蝶形墊圈被壓平,避免螺紋配合發生松脫。球面墊圈的設計,可以允許磁軌制動裝置相對構架存在有限的點頭和側滾運動[3],有效緩解了制動時對懸掛裝置的剛性沖擊。

      2.3關鍵部件強度校核

      緊急制動過中,磁軌制動裝置受到電磁吸力和摩擦制動力的作用,其關鍵受力部件的強度應能承受制動時的極端載荷作用,因此需要對磁軌座和懸掛連接桿的結構強度進行分析。磁軌座傳遞摩擦制動力,取極靴和磁軌的最大靜摩擦力為最大制動力。

      根據,靜摩擦系數μ取0.3,正壓力F1為電磁鐵的額定吸力66kN,單個磁軌座傳遞的制動力f為19.8kN。磁軌座材料為42CrMo,屈服極限為930Mpa。有限元分析中,將磁軌座與懸掛連接桿、磁軌本體連接的部位添加固定約束,在傳遞制動力的部位施加制動載荷。有限元計算結果顯示,最大應力為318.15Mpa,最大位移變形約為0.44mm。磁軌制動時,磁軌本體壓在軌頂,懸掛連接桿受到懸掛裝置向上的拉力,大小等于彈簧彈力。

      極端情況下,當極靴磨耗量在一次緊急制動中達到極限,此時彈簧壓縮量最大,包括緩解狀態下抵消磁軌制動裝置自重的壓縮量、初始制動時極靴下降的高度6mm和極靴的極限磨耗量8mm。制動時,單個彈簧的最大彈力,剛度k為82.2N/mm,代入參數可得F2為1678N。懸掛連接桿材料為Q345,屈服極限345Mpa。有限元分析中,將懸掛連接桿與磁軌座連接的部位添加固定約束,在每個安裝懸掛裝置的吊耳上施加垂直向上的載荷F2。有限元計算結果顯示,最大應力為94.22Mpa,最大位移變形約為0.74mm。結果表明,極端載荷條件下,磁軌座和懸掛連接桿的應力均小于材料屈服極限,位移變形小,可以滿足使用要求。

      3樣機性能試驗

      吸力和響應時間是磁軌制動裝置的重要指標,為了驗證樣機的相關參數是否滿足設計要求,在試驗臺上對樣機的吸力和響應時間進行測試。單根磁軌本體吸力測試,線圈通電后,測力計拉動浮動鋼軌使其脫離極靴的最小拉力即磁軌吸力。測試過程中,在極靴中部900mm長度范圍內,間隔50mm設置一個測點,共19個測點。吸力測試結果取所有測點吸力的平均值,結果為68.2kN,符合額定吸力的設計指標。

      測試前將兩側極靴距軌頂的高度均調整為6mm。傳感器記錄兩側磁軌本體得電開始到與鋼軌吸和的時間。結果顯示,響應時間分別為0.186s和0.194s,同步性較好,且均小于0.6s,滿足設計要求。

      車輛工程論文投稿刊物:《國外鐵道車輛》本著“開發信息資源,服務四化建設”的精神和科學技術必須面向經濟建設”的方針,根據我國的技術政策“重載、高速、安全、信息、軟科學”,積極報道適合我國國國情的國外鐵道車輛的先進技術,為“科教興國”的發展戰略服務。

      4總結

      通過對100%低地板有軌電車的磁軌制動裝置的結構和性能試驗進行研究,得出以下結論:

      4.1采用整體框架式、低懸掛方式,結構簡單可靠,降低了對轉向架安裝空間的要求,適合100%低地板有軌電車的運用要求。

      4.2極端載荷下,磁軌座和懸掛連接桿的應力遠低于材料屈服極限,位移變形小,可以有效保障磁軌制動功能的安全可靠。

      4.3吸力和響應時間的測試結果滿足設計要求。

      參考文獻

      [1]王可,丁福焰,宋躍超,張思遠,李輝.低地板有軌電車磁軌制動裝置的研究[J].鐵道機車車輛,2016,36(3):92-96.

      [2]王立超,丁福焰,王可,王立寧.電磁式磁軌制動器吸力的仿真分析與優化[J].鐵道車輛,2017,55(12):21-25,56.

      [3]任尊松.車輛動力學基礎[M].北京:中國鐵道出版社,2009.

      作者:劉瀟高鋒

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