史玉杰

【摘 要】在本設計中利用了動力學軟件Simpack，建立了一個永磁同步電機直接性驅動轉向架車輛的系統(tǒng)動力學模型。通過模式的建立，對直接驅動轉向架的一系懸掛的結構進行了定型和數(shù)據(jù)優(yōu)化。把一系懸掛的水平定位剛度和非線性臨界速度的關系進行了簡要的分析，得出橫縱定位剛度，分別是10MN/m和6MN/m。結合數(shù)據(jù)確立了一系懸掛采用了雙圈鋼彈簧和三角拉桿的結構形式。結合一系懸掛橫向跨度小的特點，簡要的分析車輛柔和系數(shù)，最后得出一系彈簧詳細的結構系數(shù)。

【關鍵詞】直接驅動轉向架 一系懸掛 模型 設計

在對軌道車輛的研究和開發(fā)中，提高永磁同步電機直接驅動轉向架的性能是一個新課題，在本文的設計中是要取消普通轉向架的齒輪裝置，讓同步電動機代替異步電動機，并且把電機運行轉子安裝到車軸表面，利用轉子和定子的作用，直接驅動輪對。這樣設計不僅可以把轉向架的結構進行簡化，還可以減少磨損，使車輛使用周期的成本投入降低。構架和輪對都是被一系懸掛連接著的，它具有導向、承載、傳力和緩和減少沖擊的作用，另外它也是車輛動力學的關鍵因素。結合車輛的實際情況，選擇良好的一系懸掛裝置，不僅可以保證車輛的動力學性能，還可以幫助轉向架結構之間聯(lián)系更為緊密。

1 結構選型分析和模型的建立

為了保證車輛有著良好的運行性能和安全性，在車輛的軸箱和構架之間設置了一系懸掛系統(tǒng)，在車輛主體和轉向架之間設計了二系懸掛系統(tǒng)。這兩個系統(tǒng)的設置可以減小懸掛系統(tǒng)的垂直合成剛度，讓車輛的總靜擾度增加，從而使車輛的平穩(wěn)性提升，減小車輛對線路的動作力。

1.1 一系懸掛系統(tǒng)選型分析

在本設計中，選用了西門子Syntegra的驅動轉向架，這是一臺直接驅動轉向架，它采用整體式的電機輪對，輪對的內(nèi)側進行支撐，組合形成鉸接構架等特殊結構，沒有設置減震器和抗扭滾干，這中構造十分簡單、牢固。

因為輪對對內(nèi)側的支撐作用，讓一系懸掛安裝在電機和車輪之間的橫向大小受到了限制。在軸重較大時，要把一系彈簧設計成為對稱樣式。對于雙組一系彈簧的選擇是要根據(jù)車輛實際情況和參數(shù)優(yōu)化來決定。

1.2 一系懸掛系統(tǒng)模型建立

利用Simpack軟件來建立轉向架車輛動力學模型，模型建立可以直觀觀察到輪對內(nèi)側支撐、短軸距等轉向架特點。在本實驗的模型建立中，使用主要參數(shù)是：定距12m，軸重14t，軌距1435m等，后期參數(shù)的優(yōu)化都是在此模型基礎上進行的，模型的建立可以更直觀觀察一系懸掛系統(tǒng)所產(chǎn)生的問題，對數(shù)據(jù)處理也更為方便和科學。

2 參數(shù)優(yōu)化

2.1 確定一系水平定位剛度

車輛行駛的穩(wěn)定性和曲線通過性能都是由一系水平剛度決定的。通過對車輛非線性臨界速度的測量，來選擇一系縱、橫向定位剛度值，在保證車輛行駛穩(wěn)定情況下，要盡量選擇較小一系懸掛縱、橫向定位剛度值，保證轉向架曲線通過的性能。假設一系縱向定位剛度為2MN/m，一系橫向定位剛度由小變大時，隨著一系橫向定位剛度的增加，車輛的臨界速度增加的幅度越要越小，把動力車的牽引性能考慮進去，變化的趨勢也是一樣的。在本文中，由于橫向定位剛度的取值較大，所以軸箱拉桿不建議使用普通拉桿，要采用橫向定位剛度較大的三角結構拉桿。如果想要提高車輛的非線性臨界速度，可以在車輛上安裝減震器或使用LMa踏板。

2.2 一系彈簧參數(shù)的分析

在一系彈簧的設計中，直接驅動一系彈簧和普通驅動轉向架的一系彈簧相比，兩者之間還是有很大不同。比如彈簧安裝在電機和車輛車輪中間，它橫向直徑受到了很大限制，它也沒有安裝抗測扭滾裝置，并且它的橫向跨距也更小，以此軸向剛度一定要滿足一定要求。利用Matlab進行彈簧設計編寫，并且通過仿真模擬進行試驗，在對彈簧尺寸、彈簧指數(shù)和強度滿足的條件下，對雙圈彈簧進行設計。在我國鐵路交通中，車輛的抗測滾性能沒有完整的標準和制度，為了結合本文實際，方便Simpack系統(tǒng)的運用，車輛抗側滾性能則是采用了UIC505-5中規(guī)定柔度指標來評價。

3 評估車輛動力學性能

利用Simpack系統(tǒng)對上面進行優(yōu)化處理的數(shù)據(jù)和車輛動力學行分析，有了以下幾個方面的評估。

首先，在本文中通過仿真實驗，把車輛的非臨界速度提升為147km/h，臨界速度高于車輛的最高行駛速度100km/h，它計算出的安全系數(shù)是47%。在直線行駛情況下，在美國AAR標準5級軌道的基礎上，設置車輛的最高行駛速度為80km/h，在試驗中車輛前端平穩(wěn)指數(shù)橫向為2.34，垂向指數(shù)為2.52，車輛后端平穩(wěn)橫向指數(shù)為2.41，垂向指數(shù)為2.68，試驗中所有的數(shù)據(jù)都符合動力學性能測定標準。

其次，車輛在仿真模擬中，假設車輛以60km/h和100km/h的速度行駛，在R300和R800、超高120mm和100mm的線路上，車輛的安全指標均是符合鐵道動力學性能評估標準。篇幅限制，本文的圖表和數(shù)據(jù)計算就不一一展現(xiàn)了。

4 結語

綜上所述，一系懸掛系統(tǒng)的選用和單拉桿結合雙圈彈簧結構的設計，轉箱拉桿的重要保證是一系懸掛系統(tǒng)的縱向剛度，一系懸掛系統(tǒng)縱向剛度值較大，有利于車輛驅動系統(tǒng)穩(wěn)定性提升，加強黏著能力，并且保證了車輛的臨界速度?？v向和橫向剛度是根據(jù)彈簧決定，這兩個參數(shù)是互相關聯(lián)的，通過建立模型，進行仿真學合理分析優(yōu)化，讓車輛的縱橫向剛度和動力學性能都有一定保障。直接驅動轉向架一系懸掛運用雙側鋼彈簧和三角立桿的方式，不僅能讓轉向架結構更加緊湊，還可以滿足車輛臨界速度要求。在對車輛進行非線性臨界速度分析時，假設了縱橫向剛度值，所得到的垂直剛度都是滿足車輛對抗側滾性能的標準。

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