基于永磁励磁的高速列车涡流-磁轨复合制动机理研究

20240104

交通运输、仓储和邮政业

目前电涡流-磁轨复合制动器已完成机理、实验室仿真以及1:1工程样机验证，实验指标与预定指标相符。作为黏着制动的补充，该种非黏着制动方式及其制动原理在超高速列车以及磁悬浮列车中应用前景良好。

合作方具有铁路装备制造业背景或者有意深入合作挖掘该种制动器产品化和市场化途径。

可国（境）内外转让

成果转化产品服务于高速列车，有利于提高我国高速列车制动性能和安全性，进一步提升高铁这一国家名片。具有重大的经济和社会效益。

北京市自然科学基金面上项目

北京市科学技术委员会;中关村科技园区管理委员会

本科技成果来源于北京市自然科学基金面上项目。本项目创新性地提出一种应用于高速列车的电涡流-磁轨复合制动技术方案，解决既有制动系统受限于轮轨黏着特性、超高速下制动安全面临巨大挑战的问题。论文采用理论分析、有限元数值计算和试验验证相结合的研究方法，对复合制动器结构原理与制动机理、电磁场模型、多目标优化方法、制动动力学模型、温升及磨损等方面展开深入研究。在调研我国铁路车辆制动器尺寸限界标准和现有非黏着制动技术基础上进行了电涡流-磁轨复合制动器初步设计。分析、研究了电涡流制动模式和磁轨制动模式的实现方法和制动机理。对永磁体、磁路材料进行设计选型并确定了主要部件尺寸。利用有限元仿真方法对初始结构模型进行仿真验证。 为深入揭示复合制动器制动机理，对制动器的电磁特性进行了理论建模。将等效磁路法(MEC)应用到复合制动器静态磁场分析建模中，充分考虑了部件间漏磁及总体磁饱和效应影响。提出了一种简明的瞬态气隙磁场分布及制动力预测解析计算方法。基于安培环路定理推导定义了电涡流反应磁场强度分布函数，设计并编程了一种新型的双迭代算法，实现瞬态气隙磁密计算。利用有限元仿真验证了模型的有效性和可用性。 对复合制动器主要结构参数进行多目标优化。分别针对永磁制动节和电磁制动节建立了多目标优化模型，以磁吸力最大、永磁体消耗量最小、励磁功率最小为优化目标。训练得到两种制动节的克里金(Kriging)代理模型，利用改进的快速非支配排序遗传算法(NSGA-II)求解得到优化目标的Pareto最优前沿解集。优化后，制动器性能得到进一步提高。 对融合复合制动器的高速列车制动性能进行了研究，以CRH380B型高速列车为例建立了制动动力学模型。利用理论分析及Matlab/Simulink仿真工具研究了融合复合制动器后高速列车制动减速过程，对制动距离、制动减速度、制动速度等特性进行了仿真计算。 在传热学基本理论研究基础上建立了磨耗板温度场数值模型。研究了磨耗板时变等效热源模型和时变对流散热系数计算方法。利用Fluent有限元仿真软件对磁轨制动过程中磨耗板及制动节内部温度场分布进行数值仿真。根据Archard磨损理论建立磁轨制动模式下磨耗板磨损模型，对磁轨制动过程中磨耗板动态磨损过程进行了研究。 最后，以优化后的结构参数设计、制作了永磁制动节和电磁制动节样机。设计搭建了可同时实现磁吸力测量和电涡流制动力测量的测试台架。对静态下最大磁吸力以及动态下电涡流制动力进行了试验。试验结果表明，最大磁吸力与理论仿真计算误差为1.2%，在磁轨工作模式下可实现不小于0.3m/s2的制动减速度。电涡流制动模式下，制动力不小于1.2kN，与日本“新干线”旋转电涡流制动装置相比较具有一定优势。