基于电磁增粘装置的列车曲线通过安全性研究

应之丁，桂安登，陈家敏

基于电磁增粘装置的列车曲线通过安全性研究

应之丁，桂安登，陈家敏

（同济大学 铁道与城市轨道交通研究院，上海 201804）

针对列车曲线通过安全性问题，设计了一种电磁增粘装置，通过增大轮轨间的垂向电磁吸力来增加轴重，从而改善列车曲线运行过程中的轮轨粘着关系，保障列车安全运行。在SIMPACK中建立CRH2型车动力学模型进行仿真分析，结果发现随着励磁电流的增加，列车曲线通过性明显改善。励磁电流的增大可以明显降低四个车轮的脱轨系数与轮轨垂向力和横向力，降低对钢轨的冲击力。在速度250～300km·h-1的高速运行工况情况下，装有电磁增粘装置的转向架对脱轨系数的改善效果明显，脱轨系数降低6%左右。

电磁增粘；高速列车；曲线通过安全性；动力学建模

我国铁路进行六次大提速后，列车运行速度大幅提高，虽然给乘客的出行带来了便捷，但也对列车运行安全提出了新的挑战。列车在曲线轨道上因为各种原因影响，列车超速问题一直存在。2013年西班牙一辆列车过弯道时发生脱轨事故，造成77人死亡[1]。2018年台湾地区也发生一起列车过弯道脱轨事故[2]。一些学者对于列车曲线脱轨问题进行了研究，但主要是针对横风、地震引起的列车运行安全进行了探讨[3-7]。曲天威等揭示了在33t轴重内燃机车上采用径向转向架对改善列车过曲线弯道时粘着的优势[8]。一般情况下是通过改善轮轨接触条件来增大轮轨粘着系数[9]。因此本文依托现有的轮轨粘着关系及电磁学原理，提出轮轨电磁增压的构想并搭建方案模型。通过电磁线圈来磁化车轮，令轮轨间产生较大的垂向电磁吸力来增加轴重，从而改善列车曲线运行过程中的轮轨粘着关系，保障列车曲线运行安全。

1 电磁增粘模型方案设计

1.1 电磁增粘模型的提出

在本文的电磁增粘方案中，线圈励磁产生的磁感线回路如图1所示。将车轮类比成一个铁芯，在车轮外面布置线圈，从而对钢轨产生吸力。通过直接磁化轮轨接触位置处的车轮踏面同样可以提高励磁的有效利用率，减小电磁场回路中的磁阻。电磁增粘方案三维模型示意图如图2所示。

图1 电磁作用原理图

图2 电磁增粘模型示意图方案

1.2 电磁增粘模型电磁吸力影响因素分析

可以将电磁增粘装置产生的电磁场视为拟合电磁铁产生的。由于车轮和钢轨存在接触斑的接触部分和空气的非接触部分，因此对两部分分别进行研究，如图3为轮轨接触示意图。

图3 轮轨接触示意图

对于轮轨中的非接触部分，在考虑磁漏的情况下，当磁感应强度均匀分布，通过能量法可以推出电磁增粘装置轮轨非接触部分的电磁吸力为

对于接触部分的电磁吸力可作为起重电磁铁进行计算，推导出电磁增粘装置轮轨接触部分电磁吸力为

因此，可得电磁增粘装置的电磁吸力：

2 车辆系统动力学建模

根据上述对电磁模型的设计及电磁吸力影响因素的分析，本文对CRH2型车转向架结构与车体的连接关系进行动力学建模，该CRH2型单车系统共有17个体，50个自由度。为简化计算，将系统的弹性体简化为刚体系统。将单节车动力学模型在SIMPACK中简化为多刚体动力学模型。如图4所示为车辆动力学模型。

图4 CRH2-300动力学模型

3 电磁增粘装置对列车曲线通过性的影响

3.1 励磁电流变化对列车曲线通过性的影响

改变电磁增粘装置励磁电流大小，对装有电磁增粘装置的列车进行曲线通过性工况仿真分析，得到图5所示的前转向架4个车轮的脱轨系数随电流大小变化趋势。

图5中，FL为前轮对的左侧车轮，FR为前轮对的右侧车轮，RL为后轮对的左侧车轮，RR为后轮对的右侧车轮。

图5 线圈电流大小对脱轨系数的影响

从图5中可以看到，前轮对的左侧车轮脱轨系数随着电流的增加而降低，较励磁电流为0A时脱轨系数明显降低，且其它3个车轮脱轨系数也明显降低。励磁电流在10 A时达到最好效果，较无增粘装置时脱轨系数降低了8%。上述结果表明，随着励磁电流的增加，4个车轮的脱轨系数明显降低。

前转向架的轮轨垂向力随电流的变化趋势如图6所示。

图6 线圈电流大小对轮轨垂向力的影响

随着电流的增加，前轮对的左侧车轮垂向力先降低值，然后升高，较未施加电流时垂向力明显降低，在8A时效果最好，较无增粘装置时降低了0.4%，前轮对的右侧车轮增加缓慢，后轮对的车轮垂向力明显增加。上述结果表明，随着电流的增加，轮轨垂向力明显降低，对钢轨的冲击力减小。

前转向架车轮的横向力随电流的变化趋势如图7所示。

图7 线圈电流大小对轮轨横向力的影响

前轮对车轮起导向作用，车轮横向力较大。随着电流的增加，前轮对的左侧车轮横向力先降低，然后升高，较未施加电流时横向力明显降低，在6A时效果最好，较无增粘装置时降低了9.1%，前轮对的右侧车轮增加缓慢，后轮对的车轮横向力明显增加。上述结果表明，随着电流的增加，横向力明显降低，对钢轨的冲击力减小。

上述结果表明，随着电流的增加，列车曲线通过性明显改善。

垂向加速度随电流的变化趋势如图8所示，随着电流的增加有减小的趋势，在8A时较未安装电磁增粘装置的列车降低2%。

横向加速度随电流的变化趋势如图9所示，随着电流的增加横向加速度略有增加，几乎保持不变。

图8 线圈电流大小对垂向加速度的影响

图9 线圈电流大小对轮轨横向加速度的影响

磨耗指数随电流的变化趋势如图10所示，磨耗稍微增加，在5A时磨耗指数较大，然后随着电流增大而降低。

合理的调节电磁增粘装置电流大小，可以使列车曲线行车安全得到保障，也能有效的减少钢轨磨耗。

图10 线圈电流大小对磨耗指数的影响

3.2 速度对列车曲线通过性的影响

改变列车行驶速度，对装配有电磁增粘装置的列车进行曲线通过性工况仿真分析，得到图11所示的前转向架4个车轮的脱轨系数随速度的变化趋势。

图11 列车速度对脱轨系数的影响

图11中，FL为前轮对的左侧车轮；FR为前轮对的右侧车轮；RL为后轮对的左侧车轮；RR为后轮对的右侧车轮。

从图11中可以看到装有电磁增粘装置的列车转向架在速度为250～300 km·h-1时，脱轨系数降低6%左右。因此电磁增粘装置在列车高速运行时，对脱轨系数的改善效果比较明显。

前转向架的轮轨垂向力随速度的变化趋势如图12所示，从图中可以看出装有电磁增粘装置的列车转向架，内侧车轮的垂向力增大比较明显，外侧垂向力几乎保持不变，因此电磁增粘对轮轨垂向力的影响较小，且列车在295km·h-1时开始垂向力较未装电磁增粘装置有所减小。

图12 列车速度对轮轨垂向力的影响

前转向架车轮的横向力随速度的变化趋势如图13所示，从图中可以看出装有电磁增粘装置的转向架在低于250～300km·h-1的速度时横向力降低7%左右。因此电磁增粘装置在列车高速运行时，对轮轨横向力的改善更明显。

图13 列车速度对轮轨横向力的影响

前转向架轮对的磨耗指数随速度的变化趋势如图14所示，从图中可以看出装有电磁增粘装置的转向架在275～300km·h-1的速度时，列车磨耗指数明显增加。电磁增粘装置在超过275km·h-1对磨指系数的改善效果不太明显。

图14 列车速度对磨耗指数的影响

轮轨加速度随速度的变化趋势如图15所示，从图中可以看出装有电磁增粘装置的转向架较未安装的转向架垂向加速度有所增加，横向加速度略微增加，两者总体上增加幅度不是特别明显，因此可以认为，电磁增粘装置对加速度影响较小。

图15 列车速度对加速度的影响

4 结束语

针对列车曲线通过安全性问题，本文设计了一种电磁增粘装置，增大轮轨间的垂向电磁吸力来增加轴重，从而改善列车曲线运行过程中的轮轨粘着关系，保障列车安全运行。

在SIMPACK中建立CRH2-300动力学模型进行仿真分析，结果发现励磁电流的增大可以明显降低四个车轮的脱轨系数与轮轨垂向力和轮轨横向力，并且垂向加速度随着电流的增加有减小的趋势，但横向加速度受励磁电流变化影响不明显。磨耗指数随电流增大稍微增加，然后逐渐降低。

电磁增粘装置在列车高速运行时，对脱轨系数的改善效果比较明显。在速度250～300km·h-1的运行工况时，脱轨系数降低6%左右。同时也对对轮轨横向力的改善效果比较明显。但电磁增粘对轮轨垂向力和轮轨加速度的影响较小。对磨耗指数而言，电磁增粘装置在275km·h-1的速度以下时显著降低，在超过275km·h-1时改善效果不太明显。

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[2] Xiao X. At least 18 dead, 164 injured in Taiwan train derailment[EB/OL]. [2018−10−22]. http://www. xinhua-net.com.

[3] Xia H, Han Y, Zhang N, et al. Dynamic analysis of train-bridge system subjected to non-uniform seismic excitations[J]. Earthquake Engineering & Structural Dynamics, 2006, 35(12): 1563-1579.

[4] 任尊松，徐宇工，王璐雷，等. 强侧风对高速列车运行安全性影响研究[J]. 铁道学报，2006, 28(6): 46−50.

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致 谢

本论文受“十三五”国家重点研发计划先进轨道交通重点专项“高速磁浮关键技术研究”（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

国家重点研发计划（2017YFB1201302-12B）；上海市自然科学基金（17ZR1432000）

应之丁（1964-），男，副教授，博士，主要从事机车车辆制动研究，yingzhiding@tongji.edu.cn。

U260.35

A

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