王伟正
（天津阿尔法优联电气有限公司，天津，300392）
【摘 要】为了解决日益拥堵的交通问题，近年来，城市轨道交通迅速发展，很多城市正在建设或者计划建设城市轨道交通。城市轨道交通主要包括地铁和地面有轨电车。有轨电车由于处在地面以上，多穿梭与人口密集区，和其他地面交通路线形成交叉并行，路面状况复杂。因此出现意外情况需要紧急刹车的概率非常大。为了提高有轨电车的刹车可靠性，在现有刹车系统的前提下，特增加了磁轨制动器刹车装置。
【关键字】城市轨道交通；磁轨制动器；刹车
一、磁轨制动器的结构与原理
1．磁轨制动器的结构
磁轨制动器由以下部件构成：
（1）带铁芯的线圈：线圈位于焊接钢外壳中，该焊接钢外壳用于防止线圈受到环境影响和机械损坏。线圈的绝缘方式满足绝缘等级F的要求（即最高长期工作温度到155℃）。线圈铁芯是线圈的中心，它用于放大线圈的磁场，是与磁轨制动单元法兰的机械和磁性接口。
（2）电缆连接：电缆连接是指线圈和车辆电源之间的电气连接。磁轨制动单元的连接位于连接室内，用于保护触点不受环境影响。
（3）法兰：法兰位于线圈外壳的侧面，他们将线圈铁芯的磁通量传递到摩擦块。导架用于将磁轨制动单元的减速力传递到车辆和磁轨制动单元的车辆上的悬挂点，它们安装在法兰上。
（4）带磨耗板的导架：导架安装在法兰上，它们用于将磁轨制动单元的减速力传递到车辆。请注意，安装到导架上的磨耗板必须由非磁性材料制成，以免导架和导架道钉之间产生磁性接触。这样便可防止启用后磁化的磁轨制动单元粘着。
（5）带隔磁板的摩擦块：轨道的磁性接触是通过摩擦块实现的。它们由可磁化钢组成，，通过螺丝安装在法兰上。因此，所有摩擦块的更换都很容易。隔磁板填充了摩擦块和磁轨制动单元之间的空间，它们没有磁性，以防止车轮和摩擦块等的金属磨损造成摩擦块之间的磁流短路，否则粘着力会变小。
（6）悬挂：磁轨制动单元通过弹簧垂直悬挂安装在转向架上，以避免震动。由于采用了悬挂，使摩擦块下端和轨道上端之间的距离适宜，以减小由于悬挂高度不合适造成的摩擦块和轨道之间的磨损。
图1 磁轨制动器的结构
2．磁轨制动器的工作原理
磁轨制动器是一种电磁体，它悬挂在列车转向架下，位于钢轨的正上方。
电磁线圈是轨道制动单元的基本组成部分。当线圈通电之后，会产生磁场。线圈铁芯、法兰和摩擦块通过此方式磁化，摩擦块是电磁系统的两极，摩擦块之间的气隙与磁路接近。
当轨道制动单元处于摩擦块下端和轨道上端之间的适当距离时，轨道制动单元会被其自身的磁力拉到轨道上（针对两个悬挂的低弹簧力）。因此，轨道也是一种电枢，取代了磁路的气隙并且使其短路。
当摩擦块和轨道之间的气隙足够小时，将会产生引力，通常称为粘着力。制动力通过摩擦块在轨道上的摩擦产生，粘着力表示制动力的大小。
轨道制动单元的制动力被传递到转向架，然后通过导架传递到车辆。
轨道制动单元以垂直弹簧安装的方式安装到转向架上。当轨道制动单元电之后，轨道制动单元在弹簧弹力的作用下从轨道上提起，使轨道制动单元回到其初始位置。
二、磁轨制动器电流-时间-电压关系曲线的解读说明
图2是通过试验得出的电流/时间/电压的关系曲线和等磁线。
图2 电流/时间/电压关系曲线
通过上图，我们可以得出以下结论：
1．我们先看磁轨与钢轨接触后的等磁线。可以看出，磁轨本身磁回路为U型。当与钢轨接触后，磁回路变为O型。
2．起初磁轨与钢轨没有接触，磁轨通电后，磁回路为：磁轨—空气间隙—钢轨—磁轨。此时回路中磁阻大，磁感应线稀疏，由于电磁线圈的感性特性，电流从0逐渐上升。
3．当电流增大，磁力加强，使得磁轨向钢轨运动，两者间的空气间隙减小，回路磁阻减小，磁感应线有变密趋势，由电磁感应原理，在线圈中将产生反作用力，阻碍磁场变化，表现在电流上则是线圈电流变小。图形上则出现电流下降。
4．当磁轨与钢轨接触上，其磁回路磁阻不再变化，仅为线圈电感作用，又成逐渐上升曲线。
5．由于为直流供电，最终线圈回路电流取决与线圈电阻。成平行曲线，电流不再变化。
6．曲线中的黑点为接触钢轨的时间点，也正好验证了，接触钢轨后，间隙不再变化，第二次成上升的趋势。
7．图中有一条特殊的红色曲线，20mm，U= 70%，该曲线为一条持续上升的曲线，没有钢轨接触的时间点，即磁轨没有吸合，没有发生电流减小再增加的趋势。
8．从图中可以看出，相同电压，间隙 越远，吸合时间越长；相同间隙，电压越高，吸合时间约短。
三、磁轨制动器吸附力计算
根据《电磁铁设计手册》，电磁吸力的公式为：
其中: I：线圈电流，W: 线圈匝数，l: 磁路长度，u：导磁系数，s：磁路面积
每一种材料的导磁系数u是固定的，因此在一个设计好的电磁铁中，由于线圈电阻，额定电压，线圈匝数，磁路长度，磁路面积都是已知的，因此可以计算出电磁铁的吸力。
四、磁轨刹车吸附力验证
通过吸附力计算公式计算出的吸附力，可以通过试验来验证
所有磁轨刹车的吸附力遵循标准DIN 25108，A到E形，在S49钢轨上测试，根据标准DIN 5902，由St. 70 material制成。
测试轨道长度必须足弓支撑整个刹车靴。轨头表面应平整，宽63mm。表面粗糙度=1.6?m (见图3)。 刹车靴两极表面必须平整，粗糙度Ra = 1.6 ?m。
图3 抽拉钢轨法测试吸附力
符号定义：
FA:对测试钢轨的拉力，lA:被抽拉部件A的长度（大约40mm），FAm:同一个点三次测量拉力的平均值，FHm:磁铁或者其部件的平均吸附力，lM:磁铁长度，lE:尾段长度， lZ:中间段长度，nZ:中间段数量
拉力可以是机械，液压的，或者气动的。
吸附力的计算，只考虑真正的金属接触面lM, lE 和lZ 长度
和吸附力一样，必须指出试验中的磨损高度“h”（见图18和19）。
拉力必须与两极平面垂直。部件A一定不能倾斜。必须根据不同磁铁的设计特点在多个位置测量吸附力。 每个位置至少测量三次。每次测量后更换两极。平均值FAm应该是根据特定位置的测量值计算出来的。
1．实心磁铁的平均吸附力实验
对于实心磁铁来说，将测量钢轨拉下来的力FAm必须在至少在三个位置测量-刹车靴的中间和尾端，以及两个位置之间。
依据以下公式，磁轨刹车的吸附力FHm应该由三次测量值的平均值来计算。
磁轨刹车经过实验测试，FHm 不低于生产商保证的吸附力
参考文献：
[1]DIN 25108-1978 近郊有轨车辆,磁轨道闸的连接尺寸和安装尺寸
[2]倪光正. 电磁场数值计算.北京：高等教育出版社 1996
[3]马西奎. 电磁场理论及应用.西安交通大学出版社 2000
[4]顾宇峰. 电磁式磁轨制动器的设计及其实验研究 2013
[5]李泉凤. 电磁场数值计算与电磁铁设计 2002
论文作者:王伟正
论文发表刊物:《工程建设标准化》2016年3月总第208期
论文发表时间:2016/6/14
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