應之丁，桂安登，陳家敏

基于電磁增粘裝置的列車曲線通過安全性研究

應之丁，桂安登，陳家敏

（同濟大學 鐵道與城市軌道交通研究院，上海 201804）

針對列車曲線通過安全性問題，設(shè)計了一種電磁增粘裝置，通過增大輪軌間的垂向電磁吸力來增加軸重，從而改善列車曲線運行過程中的輪軌粘著關(guān)系，保障列車安全運行。在SIMPACK中建立CRH2型車動力學模型進行仿真分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著勵磁電流的增加，列車曲線通過性明顯改善。勵磁電流的增大可以明顯降低四個車輪的脫軌系數(shù)與輪軌垂向力和橫向力，降低對鋼軌的沖擊力。在速度250～300km·h-1的高速運行工況情況下，裝有電磁增粘裝置的轉(zhuǎn)向架對脫軌系數(shù)的改善效果明顯，脫軌系數(shù)降低6%左右。

電磁增粘；高速列車；曲線通過安全性；動力學建模

我國鐵路進行六次大提速后，列車運行速度大幅提高，雖然給乘客的出行帶來了便捷，但也對列車運行安全提出了新的挑戰(zhàn)。列車在曲線軌道上因為各種原因影響，列車超速問題一直存在。2013年西班牙一輛列車過彎道時發(fā)生脫軌事故，造成77人死亡[1]。2018年臺灣地區(qū)也發(fā)生一起列車過彎道脫軌事故[2]。一些學者對于列車曲線脫軌問題進行了研究，但主要是針對橫風、地震引起的列車運行安全進行了探討[3-7]。曲天威等揭示了在33t軸重內(nèi)燃機車上采用徑向轉(zhuǎn)向架對改善列車過曲線彎道時粘著的優(yōu)勢[8]。一般情況下是通過改善輪軌接觸條件來增大輪軌粘著系數(shù)[9]。因此本文依托現(xiàn)有的輪軌粘著關(guān)系及電磁學原理，提出輪軌電磁增壓的構(gòu)想并搭建方案模型。通過電磁線圈來磁化車輪，令輪軌間產(chǎn)生較大的垂向電磁吸力來增加軸重，從而改善列車曲線運行過程中的輪軌粘著關(guān)系，保障列車曲線運行安全。

1 電磁增粘模型方案設(shè)計

1.1 電磁增粘模型的提出

在本文的電磁增粘方案中，線圈勵磁產(chǎn)生的磁感線回路如圖1所示。將車輪類比成一個鐵芯，在車輪外面布置線圈，從而對鋼軌產(chǎn)生吸力。通過直接磁化輪軌接觸位置處的車輪踏面同樣可以提高勵磁的有效利用率，減小電磁場回路中的磁阻。電磁增粘方案三維模型示意圖如圖2所示。

圖1 電磁作用原理圖

圖2 電磁增粘模型示意圖方案

1.2 電磁增粘模型電磁吸力影響因素分析

可以將電磁增粘裝置產(chǎn)生的電磁場視為擬合電磁鐵產(chǎn)生的。由于車輪和鋼軌存在接觸斑的接觸部分和空氣的非接觸部分，因此對兩部分分別進行研究，如圖3為輪軌接觸示意圖。

圖3 輪軌接觸示意圖

對于輪軌中的非接觸部分，在考慮磁漏的情況下，當磁感應強度均勻分布，通過能量法可以推出電磁增粘裝置輪軌非接觸部分的電磁吸力為

對于接觸部分的電磁吸力可作為起重電磁鐵進行計算，推導出電磁增粘裝置輪軌接觸部分電磁吸力為

因此，可得電磁增粘裝置的電磁吸力：

2 車輛系統(tǒng)動力學建模

根據(jù)上述對電磁模型的設(shè)計及電磁吸力影響因素的分析，本文對CRH2型車轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)與車體的連接關(guān)系進行動力學建模，該CRH2型單車系統(tǒng)共有17個體，50個自由度。為簡化計算，將系統(tǒng)的彈性體簡化為剛體系統(tǒng)。將單節(jié)車動力學模型在SIMPACK中簡化為多剛體動力學模型。如圖4所示為車輛動力學模型。

圖4 CRH2-300動力學模型

3 電磁增粘裝置對列車曲線通過性的影響

3.1 勵磁電流變化對列車曲線通過性的影響

改變電磁增粘裝置勵磁電流大小，對裝有電磁增粘裝置的列車進行曲線通過性工況仿真分析，得到圖5所示的前轉(zhuǎn)向架4個車輪的脫軌系數(shù)隨電流大小變化趨勢。

圖5中，F(xiàn)L為前輪對的左側(cè)車輪，F(xiàn)R為前輪對的右側(cè)車輪，RL為后輪對的左側(cè)車輪，RR為后輪對的右側(cè)車輪。

圖5 線圈電流大小對脫軌系數(shù)的影響

從圖5中可以看到，前輪對的左側(cè)車輪脫軌系數(shù)隨著電流的增加而降低，較勵磁電流為0A時脫軌系數(shù)明顯降低，且其它3個車輪脫軌系數(shù)也明顯降低。勵磁電流在10 A時達到最好效果，較無增粘裝置時脫軌系數(shù)降低了8%。上述結(jié)果表明，隨著勵磁電流的增加，4個車輪的脫軌系數(shù)明顯降低。

前轉(zhuǎn)向架的輪軌垂向力隨電流的變化趨勢如圖6所示。

圖6 線圈電流大小對輪軌垂向力的影響

隨著電流的增加，前輪對的左側(cè)車輪垂向力先降低值，然后升高，較未施加電流時垂向力明顯降低，在8A時效果最好，較無增粘裝置時降低了0.4%，前輪對的右側(cè)車輪增加緩慢，后輪對的車輪垂向力明顯增加。上述結(jié)果表明，隨著電流的增加，輪軌垂向力明顯降低，對鋼軌的沖擊力減小。

前轉(zhuǎn)向架車輪的橫向力隨電流的變化趨勢如圖7所示。

圖7 線圈電流大小對輪軌橫向力的影響

前輪對車輪起導向作用，車輪橫向力較大。隨著電流的增加，前輪對的左側(cè)車輪橫向力先降低，然后升高，較未施加電流時橫向力明顯降低，在6A時效果最好，較無增粘裝置時降低了9.1%，前輪對的右側(cè)車輪增加緩慢，后輪對的車輪橫向力明顯增加。上述結(jié)果表明，隨著電流的增加，橫向力明顯降低，對鋼軌的沖擊力減小。

上述結(jié)果表明，隨著電流的增加，列車曲線通過性明顯改善。

垂向加速度隨電流的變化趨勢如圖8所示，隨著電流的增加有減小的趨勢，在8A時較未安裝電磁增粘裝置的列車降低2%。

橫向加速度隨電流的變化趨勢如圖9所示，隨著電流的增加橫向加速度略有增加，幾乎保持不變。

圖8 線圈電流大小對垂向加速度的影響

圖9 線圈電流大小對輪軌橫向加速度的影響

磨耗指數(shù)隨電流的變化趨勢如圖10所示，磨耗稍微增加，在5A時磨耗指數(shù)較大，然后隨著電流增大而降低。

合理的調(diào)節(jié)電磁增粘裝置電流大小，可以使列車曲線行車安全得到保障，也能有效的減少鋼軌磨耗。

圖10 線圈電流大小對磨耗指數(shù)的影響

3.2 速度對列車曲線通過性的影響

改變列車行駛速度，對裝配有電磁增粘裝置的列車進行曲線通過性工況仿真分析，得到圖11所示的前轉(zhuǎn)向架4個車輪的脫軌系數(shù)隨速度的變化趨勢。

圖11 列車速度對脫軌系數(shù)的影響

圖11中，F(xiàn)L為前輪對的左側(cè)車輪；FR為前輪對的右側(cè)車輪；RL為后輪對的左側(cè)車輪；RR為后輪對的右側(cè)車輪。

從圖11中可以看到裝有電磁增粘裝置的列車轉(zhuǎn)向架在速度為250～300 km·h-1時，脫軌系數(shù)降低6%左右。因此電磁增粘裝置在列車高速運行時，對脫軌系數(shù)的改善效果比較明顯。

前轉(zhuǎn)向架的輪軌垂向力隨速度的變化趨勢如圖12所示，從圖中可以看出裝有電磁增粘裝置的列車轉(zhuǎn)向架，內(nèi)側(cè)車輪的垂向力增大比較明顯，外側(cè)垂向力幾乎保持不變，因此電磁增粘對輪軌垂向力的影響較小，且列車在295km·h-1時開始垂向力較未裝電磁增粘裝置有所減小。

圖12 列車速度對輪軌垂向力的影響

前轉(zhuǎn)向架車輪的橫向力隨速度的變化趨勢如圖13所示，從圖中可以看出裝有電磁增粘裝置的轉(zhuǎn)向架在低于250～300km·h-1的速度時橫向力降低7%左右。因此電磁增粘裝置在列車高速運行時，對輪軌橫向力的改善更明顯。

圖13 列車速度對輪軌橫向力的影響

前轉(zhuǎn)向架輪對的磨耗指數(shù)隨速度的變化趨勢如圖14所示，從圖中可以看出裝有電磁增粘裝置的轉(zhuǎn)向架在275～300km·h-1的速度時，列車磨耗指數(shù)明顯增加。電磁增粘裝置在超過275km·h-1對磨指系數(shù)的改善效果不太明顯。

圖14 列車速度對磨耗指數(shù)的影響

輪軌加速度隨速度的變化趨勢如圖15所示，從圖中可以看出裝有電磁增粘裝置的轉(zhuǎn)向架較未安裝的轉(zhuǎn)向架垂向加速度有所增加，橫向加速度略微增加，兩者總體上增加幅度不是特別明顯，因此可以認為，電磁增粘裝置對加速度影響較小。

圖15 列車速度對加速度的影響

4 結(jié)束語

針對列車曲線通過安全性問題，本文設(shè)計了一種電磁增粘裝置，增大輪軌間的垂向電磁吸力來增加軸重，從而改善列車曲線運行過程中的輪軌粘著關(guān)系，保障列車安全運行。

在SIMPACK中建立CRH2-300動力學模型進行仿真分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)勵磁電流的增大可以明顯降低四個車輪的脫軌系數(shù)與輪軌垂向力和輪軌橫向力，并且垂向加速度隨著電流的增加有減小的趨勢，但橫向加速度受勵磁電流變化影響不明顯。磨耗指數(shù)隨電流增大稍微增加，然后逐漸降低。

電磁增粘裝置在列車高速運行時，對脫軌系數(shù)的改善效果比較明顯。在速度250～300km·h-1的運行工況時，脫軌系數(shù)降低6%左右。同時也對對輪軌橫向力的改善效果比較明顯。但電磁增粘對輪軌垂向力和輪軌加速度的影響較小。對磨耗指數(shù)而言，電磁增粘裝置在275km·h-1的速度以下時顯著降低，在超過275km·h-1時改善效果不太明顯。

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致 謝

本論文受“十三五”國家重點研發(fā)計劃先進軌道交通重點專項“高速磁浮關(guān)鍵技術(shù)研究”（2016YFB1200602）支持。

Research on safety of train curve passing based on electromagnetic viscosity device

YING Zhi-ding，GUI An-deng，CHEN Jia-min

(Institute of Rail Transit, Tongji University, Shanghai 201804, China)

Aiming at the safety problem of train curve passing, this paper designs an electromagnetic viscosity increasing device to increase the axle load by increasing the vertical electromagnetic attraction between the wheel and rail, thereby improving the wheel-rail adhesion relationship during the train curve operation and ensuring the safety of the train run. The dynamic model of the CRH2 car was established in SIMPACK for simulation analysis, and the result found that with the increase of the excitation current, the train's curve passability improved significantly. The increase of the excitation current can significantly reduce the derailment coefficient of the four wheels and the wheel-rail vertical force and lateral force, and reduce the impact force on the rail. Under the high-speed operating conditions of 250～300km·h-1, the bogie equipped with electromagnetic viscosity increasing device has obvious improvement effect on the derailment coefficient, and the derailment coefficient is reduced by about 6%.

electromagnetic thickening；express train；curve passing safety；dynamic modeling

2020-11-05

國家重點研發(fā)計劃（2017YFB1201302-12B）；上海市自然科學基金（17ZR1432000）

應之?。?964-），男，副教授，博士，主要從事機車車輛制動研究，yingzhiding@#edu.cn。

U260.35

A

1007-984X(2021)05-0044-05