軌道交通領域軌道制動技術專利分析

王成 汪煜婷 靳宇

摘要：本文主要介紹了軌道交通領域的軌道制動技術，分析了軌道制動各分支的專利申請分布情況，同時還重點闡述了磁軌制動和渦流制動需解決的 關鍵技術問題和解決上述問題的措施。

關鍵詞：軌道制動;專利申請分布;磁軌制動;渦流制動

前言

軌道制動是指制動元件與軌道相互作用的制動器，軌道制動根據工作 原理可分為機械類軌道制動和電磁類軌道制動兩類軌道制動方式;其中，機械類軌道制動根據制動元件的類型又分為剎車墊制動、止輪器制動、夾 緊器制動;電磁類軌道制動又分為磁軌制動、渦流制動。

一、軌道制動各技術分支分別在華和全球的專利申請情況

圖 1 示出了軌道制動各技術分支分別在華和全球的專利申請情況。由 圖 1 可以得知在華專利申請和全球專利申請中，夾緊器制動、磁軌制動的 專利申請量均位居前二名，其次是止輪器制動，剎車墊制動和渦流制動的 專利申請量較少，這與各種軌道制動分支的結構、性能和應用特點相關。

二、機械類軌道制動

2.1 剎車墊制動

剎車墊制動是在列車需要制動時利用剎車墊與軌道相互作用產生摩擦，從而幫助列車快速實現列車制動，具有能夠有效避免車廂傾覆的情況發生，剎車墊能夠增大摩擦力，提高制動效果，且易于更換，維護成本低等優點。

2.2 止輪器制動

止輪器制動是在列車需要制動時利用止輪器作用于軌道和車輪之間，從而幫助列車快速實現列車制動，可以作為一種輔助的緊急剎車手段。

2.3 夾緊器制動

夾緊器制動是在列車需要制動時利用制動鉗抱緊軌道的腰部，從而幫 助列車快速實現列車制動，不同于閘瓦、制動盤、剎車墊等摩擦制動，具 有不會對車輪和軌道帶來磨損、安全可靠等優點，被廣泛應用于軌道式起 重機、繩索車、單軌車、礦井卡軌車等。

三、電磁類軌道制動

3.1 磁軌制動

磁軌制動是在制動時通過把磁鐵吸附在鋼軌上，使磁鐵的極靴與鋼軌 相對滑動來產生制動力，圖 2 示出了磁軌制動的結構示意圖。根據制動磁 鐵的種類，磁軌制動可以分為電磁式（EMB）和永磁式（PMB）兩種。磁 軌制動的能量消耗低、制動能力強，是目前最適合我國現有技術水平和要 求的非粘著制動。

磁軌制動方式需解決的關鍵技術問題有兩個方面：一是如何精確控制 磁軌制動器的制動力，二是如何控制磁軌制動器極靴與鋼軌的磨擦溫度。

（1）如何精確控制磁軌制動器的制動力

目前，如何精確控制磁軌制動器的制動力主要采取以下措施：

1）控制磁軌制動器的輸入電流，例如中車唐山機車車輛有限公司在授 權專利 CN110091889B 示出了一種磁軌制動控制系統、方法及磁懸浮列車，其通過控制磁軌制動器的輸入電流，實現電磁吸力可調。可根據不同的制?動級位要求，輸出設定的電流大小數值，施加精確可調的電磁吸力。

2）優化改比值系數“m”來改進磁軌制動器的制動性能，例如克諾爾 車輛設備（蘇州）有限公司在公開專利 CN204978693U 示出了一種磁軌制 動器，其在設計過程中引入了系數“m”，通過優化改比值來改進磁軌制動 器的制動性能，保證的吸力大小，同時還能盡可能的減小尺寸空間的需求，系數“m”是指磁體內核的高度 k 和磁體支架高度 h 的比值。

3）控制永磁體軸旋轉的角度，例如江蘇大學在授權專利 CN102167056B 示出了一種直線型永磁軌道制動器，其上部是頂蓋，中間部分的兩側是側 板，兩端是端蓋，下部是與軌道接觸的極靴，極靴的正中間固定連接底隔，兩側板的中間設有與極靴同向的永磁體軸，通過控制永磁體軸 13 的旋轉角 度，可調節制動力的大小。

4） 增大極靴與鋼軌的接觸面積，有效增大制動力，例如江蘇大學在授 權專利 CN102951172B 示出了一種側滑式磁軌制動器增力裝置，其極靴底 部是橫向寬度小于鋼軌橫向寬度的凸臺結構，在凸臺結構的橫向兩側各設 置一個制動滑塊，在制動滑塊的底部設置一弧形導軌凹槽，該弧形導軌凹 槽與鋼軌頂面兩側的過渡曲面相配;當凸臺結構底面與鋼軌的頂面中間接 觸時，弧形導軌凹槽與鋼軌頂面兩側的過渡曲面緊密貼合，從而能增大極 靴與鋼軌的接觸面積，有效增大制動力。

5） 增加磁路中的有效磁通密度，增大磁軌制動器的吸力，例如青島四 方車輛研究所有限公司的公開專利 CN104002832A 示出了磁軌制動器用隔 板，其通過設置的永磁體，直接增加了磁路中的有效磁通密度，增大了磁 軌制動器的吸力，在與軌面摩擦因數不變的情況下，實現了增大行車制動 力的目的。

（2）如何控制磁軌制動器極靴與鋼軌的磨擦溫度

磁軌制動器的制動過程是一個動態的摩擦過程，它的摩擦制動系統由 極靴、鋼軌面和界面膜組成，摩擦把列車的動能轉變為熱能，同時導致鋼 軌與極靴的溫度升高、磨損加劇，對極靴與鋼軌產生嚴重的損壞。

目前，控制磁軌制動器極靴與鋼軌的摩擦溫度主要采取以下措施：

1 ）噴水冷卻制 動器極靴及鋼 軌，例如 江蘇 大學在授權專利 CN105083029B 中示出了磁軌制動器極靴與軌道溫度控制裝置及控制方法，其通過在制動器極靴的側面開有通水孔，制動器極靴底部開有噴水小孔，通過極靴底部噴水小孔可噴水冷卻制動器極靴及鋼軌，從而降低了磁軌制 動器極靴與鋼軌的摩擦溫度。

2）選擇合適的極靴及鋼軌材質，使得極靴及鋼軌具有較好的耐高溫性 能，降低極靴與鋼軌之間的磨損，從而控制磁軌制動器極靴與鋼軌的摩擦 溫度。

3.2 渦流制動

渦流制動是基于渦流效應理論而提出的[1]，渦流制動是通過電磁鐵的 磁場與鋼軌或旋轉導體的磁場相互作用來產生制動力。目前只有德國的 ICE3 和法國的 AGV 采用了這種制動方式[2]。一般而言，渦流制動一般分 為軌道渦流制動和旋轉渦流制動。軌道渦流制動的工作原理如圖 3 所示。

渦流制動非常的高效、平穩，而且不產生噪音。但是渦流制動應用于 軌道列車上時，渦流制動的能耗較高，而且對軌道信號和制動系統都會產 生干擾。目前，如何防止渦流制動對軌道信號和制動系統產生干擾主要采 取以下措施：

1）設置擋板屏蔽渦流制動磁體，例如 KNORR 的專利 EP0309651A2 示出了鐵道車輛渦流制動裝置，其通過設置擋板屏蔽源自渦流制動磁體或 源自信號裝置的傳輸線圈的場使得渦流制動磁體在靜止位置或當經過信號裝置的傳感器時不會引起不正確的信號觸發。

2 ）選擇性 磁屏蔽被安裝到軌道制動器 ，例如 KNORR 的專利 DE3842882A1 示出了用于抑制磁性軸計數器上的磁性制動器的干擾的方法 和裝置，該方法用于在配備有軌道制動器的車輛行駛經過時避免輪軸計數 器上的干擾，軸計數器具有橫向布置在軌道的表面下方的磁傳感器，調諧 到傳感器使用的頻率選擇性磁屏蔽被安裝到軌道制動器，磁屏蔽可以具有 至少一個線圈和作為電兩極元件的電容器或電容器和電感器的網絡。

結語

在軌道交通領域軌道制動技術中，考慮到我國目前的線路狀況，如果 采用渦流制動，那將要投入巨資對鐵路基礎設施進行改造，代價十分昂貴，而磁軌制動的能量消耗低、制動能力強，是目前最適合我國現有技術水平 和要求的非粘著制動。總而言之，磁軌制動能夠彌補粘著制動的不足，因 此具有廣泛的應用前景。

參考文獻：

[1]許淑珍.從高速鐵路看中國鐵路的發展[J].內江科技，2009，12：125～126.

[2]應之丁.渦流制動技術在高速列車上的應用[J].電力機車與城軌車 輛，2004，27（5）：19.22.