楚永萍 胡定祥 周 亮

(1.中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司,210031,南京; 2.上海申通地鐵集團有限公司,201100,上?！蔚谝蛔髡?教授級高級工程師)

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研究報告

地鐵車輛新型永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架的設(shè)計和分析

楚永萍1胡定祥1周 亮2

(1.中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司,210031,南京; 2.上海申通地鐵集團有限公司,201100,上?！蔚谝蛔髡?教授級高級工程師)

介紹了一種結(jié)合新型驅(qū)動方式的永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架。該轉(zhuǎn)向架采用抱軸安裝式永磁直驅(qū)電機,具有高效、節(jié)能環(huán)保、噪聲低、節(jié)約空間等特點,實現(xiàn)了小軸距。構(gòu)架采用“交叉板式”柔性橫梁,能提供較低的扭轉(zhuǎn)剛度和合適的抗菱剛度,改變了傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架用一系、二系懸掛適應(yīng)軌道扭曲的特點。該柔性構(gòu)架的強度分析結(jié)果表明,柔性構(gòu)架完全滿足標準規(guī)定的要求。永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架的動力學(xué)性能對比分析表明,永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架的柔性構(gòu)架能有效降低輪重減載率,并能保證車輛的蛇行穩(wěn)定性,且其沖角、磨耗功指標要明顯優(yōu)于傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架,曲線半徑越小優(yōu)勢越突出。

地鐵;轉(zhuǎn)向架;永磁直驅(qū);柔性構(gòu)架

Author′s address CRRC Nanjing Puzhen Co.,Ltd.,210031,Nanjing,China

目前，我國地鐵車輛轉(zhuǎn)向架的驅(qū)動通常采用交流異步電機+齒輪裝置。根據(jù)齒輪傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),轉(zhuǎn)向架固定軸距一般設(shè)定為2.2～2.5 m,且車輛正線通過曲線半徑不得小于250 m。而城市地鐵建設(shè)均期望曲線半徑盡可能小，以提高規(guī)劃可行性并降低線路建設(shè)成本。

針對這一矛盾,借鑒國外先進技術(shù)理念,地鐵車輛新型永磁直驅(qū)系統(tǒng)轉(zhuǎn)向架(以下簡為“永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架”),取消傳統(tǒng)的齒輪傳動方式,采用永磁電機直驅(qū)方式,轉(zhuǎn)向架固定軸距可設(shè)置在1.6～1.9 m之間,車輛通過最小曲線半徑可達150 m;該轉(zhuǎn)向架不僅具備良好的小曲線半徑通過能力,而且具備節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢,或?qū)⒊蔀樾滦偷罔F車輛轉(zhuǎn)向架的發(fā)展方向。

1 永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架主要技術(shù)參數(shù)

依據(jù)我國地鐵需求,永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架的主要技術(shù)參數(shù)

2 永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)特點

柔性焊接構(gòu)架永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架的最大特點是采用了柔性焊接構(gòu)架和永磁直驅(qū)電機驅(qū)動。而其他結(jié)構(gòu)形式類同于傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架,采用一系錐形橡膠堆定位、輪對軸箱裝置,二系空氣彈簧承載、“Z”型雙拉桿牽引；且踏面制動、盤形制動裝置與目前通用的B型地鐵轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)形式基本相同[2-4]。具體結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 動車永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)

2.1 柔性構(gòu)架

與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架相比，柔性構(gòu)架最大的特點是采用了“交叉板式”柔性橫梁結(jié)構(gòu)(見圖2)。通過調(diào)節(jié)柔性橫梁的結(jié)構(gòu)參數(shù),構(gòu)架可獲得較低的抗扭轉(zhuǎn)剛度及較高的抗菱形剛度,從而提高轉(zhuǎn)向架運行中對線曲線軌道的適應(yīng)性。同時，由于取消了動車構(gòu)架的電機與齒輪箱座,故可在滿足最高運行速度前提下,實現(xiàn)較小的固定軸距。

圖2 柔性構(gòu)架裝置

柔性構(gòu)架側(cè)梁采用箱形結(jié)構(gòu),橫梁采用“交叉板式”對接結(jié)構(gòu)?！敖徊姘迨健苯Y(jié)構(gòu)由四個變截面鋼板組成(見圖3),通過調(diào)整結(jié)構(gòu)的厚度Z、寬度L、距中心距離d、板長l和角度α來實現(xiàn)構(gòu)架整體的剛度需求。

在構(gòu)架設(shè)計中,交叉板采用變厚度、變寬度的設(shè)計,中部結(jié)構(gòu)參數(shù)為:L=115 mm、Z=24 mm、d=60 mm、α=66°、l=894 mm；經(jīng)有限元仿真計算得到構(gòu)架的扭轉(zhuǎn)剛度k2=0.42 MN·m/rad較傳統(tǒng)B型轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的扭轉(zhuǎn)剛度10.8 MN·m/rad大幅度減低,可使構(gòu)架在曲線線路上運行時產(chǎn)生較小的應(yīng)力;在保證最高運行速度條件下,構(gòu)架的菱形角剛度k1=27.0 MN·m/rad較傳統(tǒng)B型轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的k1=38.0 MN·m/rad有所降低,可完全滿足蛇行穩(wěn)定性要求。因此,柔性構(gòu)架具備了較低的扭轉(zhuǎn)剛度和合適的菱形剛度。

圖3 交叉板式結(jié)構(gòu)斷面

2.2 永磁直驅(qū)電機

與傳統(tǒng)異步電機驅(qū)動裝置不同,永磁直驅(qū)電機取消了齒輪傳動裝置,同時電機轉(zhuǎn)速較低時,具備較高的牽引力矩。永磁直驅(qū)電機也有轉(zhuǎn)子與定子。轉(zhuǎn)子由車軸、軸套、永磁體等組成,取消了線圈繞組，并由電機直接驅(qū)動輪對；定子由定子鐵芯和線圈繞組等組成,電機可通過調(diào)節(jié)定子的勵磁電流來調(diào)節(jié)磁場,從而實現(xiàn)對電機的調(diào)速。

永磁電機的定子與轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖4、圖5所示。電機軸套與車軸過盈配合,軸套直徑可按電機功率要求實現(xiàn)永磁體所需數(shù)量的安裝;電機定子由機殼、鐵芯、線圈繞組構(gòu)成,鐵芯采用冷軋硅鋼片疊壓而成,線圈采用扁銅線繞制,成型硬繞組嵌線后的定子進行整體真空壓力浸漆 ;定子的兩端通過軸承安裝在車軸上,軸承能承受70g(g為重力加速度)的振動沖擊,確保其應(yīng)用的可靠性。電機為全封閉螺旋式水冷結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)成熟可靠、冷卻效率較高。

圖4 永磁直驅(qū)電機定子剖面圖

2.3 其它結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)向架一系定位結(jié)構(gòu)采用錐形橡膠堆以提供垂向、橫向與縱向剛度,其結(jié)構(gòu)簡單、成熟可靠。由于采用了柔性構(gòu)架,轉(zhuǎn)向架一系的設(shè)計垂向剛度較大。

二系懸掛裝置采用空氣彈簧全承載結(jié)構(gòu),設(shè)置橫向和垂向減振器衰減振動,設(shè)置橫向止擋限制二系過大橫向位移。

圖5 永磁直驅(qū)電機轉(zhuǎn)子剖面圖

牽引方式為“Z”型雙牽引拉桿牽引,附加橫向和垂向剛度小,利于提高乘坐舒適性。踏面制動單元先安裝在過渡板上再通過3個穿過側(cè)梁的螺栓固定在側(cè)梁上(見圖6)。

圖6 踏面制動單元安裝圖

3 永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架仿真分析

3.1 柔性構(gòu)架強度計算

永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架由兩根側(cè)梁和“交叉板式”橫梁結(jié)構(gòu)組成,與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架有著較大區(qū)別。在設(shè)計分析中,不僅要滿足UIC 615—4—1993《動力轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)強度試驗規(guī)程》及EN 13749—2005《鐵路應(yīng)用輪對和轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)要求的方法》規(guī)定的構(gòu)架靜強度和疲勞強度要求[7],還要重點對該新型柔性構(gòu)架在扭曲軌道上的應(yīng)力狀況進行分析驗證。

柔性構(gòu)架有限元分析時采用10節(jié)點體單元(SOLID92)進行離散,并采用約束方程建立電機質(zhì)心及其吊座安裝位置、制動缸質(zhì)心及其安裝位置等之間的聯(lián)接關(guān)系。整個構(gòu)架共離散為418 034個單元、506 116個節(jié)點,離散模型如圖7所示。

在超常垂向、橫向、縱向載荷與10‰扭曲軌道的最不利工況組合下,柔性構(gòu)架最大應(yīng)力發(fā)生在橫側(cè)梁連接部側(cè)梁上蓋板內(nèi)側(cè)圓弧彎角處,且應(yīng)力值為245.782 MPa；而同樣的載荷條件下,傳統(tǒng)構(gòu)架相應(yīng)位置的應(yīng)力為272.633 MPa。兩種構(gòu)架的應(yīng)力云圖如圖8所示?？哲嚸撥壒r下,柔性構(gòu)架橫側(cè)梁聯(lián)接部位的最大應(yīng)力為88 MPa,而傳統(tǒng)構(gòu)架相應(yīng)位置的應(yīng)力為124 MPa，兩種構(gòu)架的應(yīng)力云圖如圖9所示。這說明柔性構(gòu)架對扭曲軌道具有較好的適應(yīng)能力。

圖7 構(gòu)架有限元離散模型

圖8 超常工況構(gòu)架應(yīng)力仿真

圖9 空車脫軌工況下構(gòu)架應(yīng)力仿真云圖

3.2 動力學(xué)性能對比分析計算

永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架取消了傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架的齒輪箱結(jié)構(gòu),采用了柔性構(gòu)架,在電機與構(gòu)架間增加了力的傳遞,其動力學(xué)模型與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架有所不同。安裝永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架的計算模型自由度見表2,構(gòu)架考慮8個自由度,包括整個構(gòu)架橫向、垂向、側(cè)滾、左側(cè)梁點頭、右側(cè)梁點頭、左側(cè)梁搖頭、右側(cè)梁搖頭和兩側(cè)梁的菱形運動。與傳統(tǒng)構(gòu)架的自由度相比,永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架增加了左右側(cè)梁點頭、搖頭以及菱形的自由度。

表2 安裝永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架的B型地鐵車輛動力學(xué)模型自由度

動力學(xué)分析結(jié)果表明,柔性構(gòu)架為菱形時的剛度完全滿足蛇行穩(wěn)定性要求(見圖10),且永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架的各項動力學(xué)性能指標均符合GB 5599—1985《鐵道車輛動力學(xué)性能評定和試驗鑒定規(guī)范》要求,滿足80 km/h最大運營速度的運用要求[10]。

由于永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架具有較小的軸距,可有效減小曲線上的磨耗與輪軌作用力;柔性構(gòu)架除應(yīng)力分布更加合理外,還可實現(xiàn)較小的輪重減載率。因此,本文將永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架的曲線通過性能及對扭曲軌道適應(yīng)性與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架進行對比。

3.2.1 曲線通過性能

將永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架和傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架設(shè)定相同的一系定位剛度以仿真分析其曲線通過性能,得到不

圖10 臨界速度與菱形剛度關(guān)系

同曲線半徑下,裝用兩種轉(zhuǎn)向架車輛通過曲線時的沖角和磨耗功(如圖11、圖12所示)。

圖11 輪對沖角

從圖11可以看出，永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架的導(dǎo)向輪對沖角比傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架小,且曲線半徑越小越明顯；同一輛車中,永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架兩導(dǎo)向輪對沖角的絕對值非常接近,而且導(dǎo)向輪對與非導(dǎo)向輪對也非常接近。

圖12 車輪磨耗功

從圖12可以看出,永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架導(dǎo)向輪磨耗功明顯小于傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架,而且4條輪對的磨耗功基本一致,可實現(xiàn)運營中的等磨耗要求;永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架的導(dǎo)向輪磨耗功比傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架小,且曲線半徑越小越明顯;永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架非導(dǎo)向輪的磨耗功與導(dǎo)向輪對相差不大。

3.2.2 扭曲軌道適應(yīng)性

將永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架和傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架設(shè)定相同的懸掛剛度，以仿真分析其對扭曲軌道的適應(yīng)性。分析工況為AW0(空載)狀態(tài),分別抬高轉(zhuǎn)向架一位左輪50.0 mm和63.5 mm,則裝用兩種轉(zhuǎn)向架車輛各車輪的減載率如圖13、14所示。

圖14 一位左輪抬高63.5 mm時轉(zhuǎn)向架輪重減載率

通過對比分析可以看出,在AW0(車輛空載)條件下,一位左輪抬高50 mm時,裝用永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架車輛車輪的最大減載率只有18.248 4%,而且同一輛車的其余車輪的承載較均衡；而裝用傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架車輛車輪的最大減載率達58.247 3%,其余車輪的承載差異較大。一位左輪抬高63.5 mm時,裝用永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架車輛車輪的最大減載率只有23.176 6%；而裝用傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架車輛車輪的最大減載率達73.976 1%。因此,永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架采用的柔性構(gòu)架不僅能大幅降低輪重減載率,而且在線路條件較差的軌道上運行能適宜地調(diào)整不同車輪的受力狀況,使同一輛車的車輪均衡承載,從而使同一輛車的車輪均勻磨耗,降低了維修成本,大大提高了車輛對異常線路的適應(yīng)能力。

4 結(jié)語

永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架結(jié)合了具有節(jié)能環(huán)保特點的永磁電機技術(shù),并在構(gòu)架上采用“交叉板式”橫梁實現(xiàn)了構(gòu)架柔性,具有創(chuàng)新的設(shè)計理念。

(1) “交叉板式”橫梁結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了構(gòu)架的柔性,能有效地降低輪重減載率,提高對異常線路的適應(yīng)能力。

(2) 采用永磁電機驅(qū)動,具有節(jié)能環(huán)保的優(yōu)勢。

(3) 采用永磁電機抱軸安裝直驅(qū)結(jié)構(gòu),既提高了傳動的效率,又省去齒輪箱,減小了轉(zhuǎn)向架的軸距。

(4) 永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架的曲線通過性能及對扭曲軌道適應(yīng)性較傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架更優(yōu)。

[1] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局,中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.地鐵設(shè)計規(guī)范：GB 50157—2013.[S].北京:中國計劃出版社,2013.

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[7] 王文靜.B型地鐵永磁直驅(qū)柔性構(gòu)架靜強度和疲勞強度分析報告[R].北京:北京交通大學(xué),2014.

[8] 王文靜.PW2300型轉(zhuǎn)向架動車構(gòu)架靜強度和疲勞強度以及模態(tài)分析報告[R].北京:北京交通大學(xué),2010.

[9] 國家標準局.鐵道車輛動力學(xué)性能評定和試驗鑒定規(guī)范：GB 5599—1985[S].

[10] 沈鋼.永磁直驅(qū)柔性轉(zhuǎn)向架動力學(xué)性能計算[R].上海:同濟大學(xué),2014.

Design and Analysis of A New-type Metro Bogie with Permanent Magnet Driving Motors

CHU Yongping, HU Dingxiang, ZHOU Liang

metro; bogie; permanent magnet direct drive; flexible frame

U 270.331

10.16037/j.1007-869x.2016.06.004

2015-11-17)