涡流制动在驼峰场溜放作业中的研究

钟竟瑜

（兰州交通大学 博文学院电信工程系，甘肃 兰州 730101）

0 引言

我国货运编组站的主要任务是办理大量货运列车的解体和重新编组，以便按照货运计划和列车运营计划准点发车。为了满足以上要求，编组站设立了多个车场来完成不同的任务，其中调车场就是用来办理货运列车的解体和编组，调车场的主要设备为调车驼峰，这也是整个编组站的重要技术设备。

调车驼峰设备的其中一个重要组成部分为调速设备，用于控制溜放车组的溜放速度，目的是在保证驼峰作业人员的安全的前提下，提高解体和编组能力和效率、减轻劳动强度。

调速设备种类很多，用于减速的有车辆减速器、减速顶等。1929年，美国发明了钳夹式减速器，取代了原始的手闸和铁鞋，提高了工人的劳动安全条件。1959年，世界上第一个液压加减速顶在英国道蒂公司面世。20世纪中期，德国研制出第一台以电磁涡流为原理的减速器。

我国铁路装备技术正朝着高速、重载的方向发展，提高编组站驼峰的调节能力，是保证路网畅通、提高运输能力的重要途径之一，因此对驼峰自动化和减速设施的要求越来越高。我国对电磁涡流减速装置的研究始于上世纪90年代中期，随后的研究也仅限于理论于实验阶段。目前所使用的驼峰减速工具仍使用自动化钳夹式减速器和减速顶方式，设备庞大并且结构复杂，运行磨耗量大、噪声刺耳、维护成本高、安全性相对较差。因此急需新型减速装置（涡流制动装置）来替换。

1 涡流制动技术的分析

1.1 电涡流效应及涡流制动原理

涡流制动装置是基于涡流效应以及电磁感应定律、楞次定律等原理制成的能达到良好减速效果的一种装置，利用这种原理的技术称为涡流制动技术。

如图1所示，涡流制动装置由一对磁极（由铁芯和线圈组成）和车轮组成。在线圈上通直流电流I，则磁铁中产生恒定磁场Φ1，当旋转的车轮通过该恒定磁场时，由楞次定律和右手法则知该车轮表面会产生很多与线圈电流相反的小的电涡流i，从而产生与原磁场相反的磁力线Φ2，且车轮转速越高，反向的电涡流越大，再用左手法则判断发现由车轮切割磁场产生的磁力线进而产生的电磁力F，其方向与车轮的旋转角速度ωn方向相反，这些电磁力的合力组成了沿车轮圆周方向且与车轮旋转方向相反的力矩，阻碍了车轮的前进，同时车轮上的涡流还会因受力做功产生热能这样车轮的动能就被消耗殆尽。这就是涡流制动装置的原理[1-2]。

图1 涡流制动装置原理图

1.2 制动功率的分析

磁场穿过车轮，投影在车轮表面上为无限个小的圆形区域，都在以转速ω旋转而切割磁力线运动，这些圆形区域中的磁通量是不断变化的，由此产生感应电流i（涡流）。将这些圆形区域看成若干个小圆环，其中半径r，高度h（涡流贯穿深度）厚度为dr，磁场感应强度为B。则有：

磁通量为：

其瞬时感应电动势为：

有效电流为：

则总电流的有效电流I2为：

其瞬时功率为：

其总体的瞬时功率p为对dp在0到的积分：

则其P在一个周期的平均值即有效功率为：

1.3 涡流制动力矩的分析

电磁涡流减速装置的磁路由磁轭、车轮和气隙构成，其中磁轭和车轮都是很好的导磁材料，可忽略其磁阻，故磁路中只剩下两个气隙的磁阻Rm0，其中l为气隙的厚度，μ0为气隙的磁导率[3]。

则该磁路中的总磁阻为：

由楞次定律知感应磁场Φ1与原磁场Φ2方向相反，则新的磁场为：

其中N为线圈匝数，I1为线圈电流，K为折算系数2，I2为总涡流有效值。由电磁感应定律：

将公式（5）（9）（10）带入上式得：

将公式（8）带入得力矩F为：

由此可知涡流制动力矩F与磁场有效半径re，车轮角速度ωn，减速器材料导磁率μ0、电阻率ρ，线圈匝数N，以及磁极对数（以上假设一个车轮有一对磁极），气隙δ，涡流趋肤效应的深度h等有关[4-5]。

2 涡流制动装置在驼峰场流放作业的应用

在我国驼峰场溜放车组的过程中，对溜放速度的控制按功能分有两种：间隔调速和目的调速。按是否连续，分为点式（如减速器）、连续式（减速顶）和点连式调速。

在原始点式调速方案中，车组解体速度快，但对一些特殊车组制动力衰耗大，影响减速效果且需要人工防护措施保证作业安全。在原始的连续式调速方案中，车组溜放速度低，因此容易达到安全连挂，但解体和编组效率低。

若用涡流制动装置代替减速器和减速顶，则可形成新的调速方案，由于涡流制动装置制动能力与溜放速度与成正比，所以当车组溜放速度过高则制动力相应加大，弥补了点式调速方案的缺点，同时当车组溜放速度过小则制动力相应减小，弥补了连续式调速方案的缺点，故涡流制动装置可满足在驼峰场溜放作业中的需求，

3 结语

我国对涡流制动技术的研究落后于国外研究水平，因此对涡流制动技术的研究还有很大的提升空间，对其所能应用的领域也有待开发，尤其是作为调速设备用于驼峰场的溜放过程中，更能发挥其结构简单、造价低、可连续制动、噪声小、磨损少、无污染等优势，使得驼峰减速设备的安全性和可靠性提高，减少了人工维修工作量，营造了安全、绿色的工作环境，同时又可精准控制车组的溜放速度，提高了工作效率。随着今后电子技术、信息技术、材料技术等科技领域的发展，涡流制动技术的各方面性能必将进一步提高，也必将能广泛实际应用于驼峰场中。