唐子謀

（中車株洲電機(jī)有限公司，湖南 株洲 412001）

100%低地板有軌電車屬于中運(yùn)量交通模式，填補(bǔ)了公共汽車與地鐵運(yùn)量間的空白。她具有外形美觀、乘坐舒適、環(huán)保節(jié)能、工程造價(jià)低等眾多優(yōu)點(diǎn)，是城市輕軌車輛目前發(fā)展的主要方向。

100%低地板車輛轉(zhuǎn)向架采用橫向或縱向耦合傳遞技術(shù)，牽引電機(jī)通常是布置在轉(zhuǎn)向架兩側(cè)，即平行于車體的縱向安裝方式，如圖1所示。

圖1 低地板牽引電機(jī)懸掛安裝示意圖

基于低地板縱向布置的結(jié)構(gòu)要求，牽引電機(jī)的懸掛安裝點(diǎn)設(shè)置在電機(jī)兩端的端蓋上，如圖2所示。

圖2 低地板牽引電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

其中，定子鐵芯（如圖3所示）是兩端的定子壓圈與若干塊拉板通過(guò)焊接連接將疊壓好的硅鋼片壓緊，并維持片間一定的壓力防止硅鋼片松動(dòng)散片。

圖3 定子鐵芯示意圖

由于電機(jī)的懸掛安裝不在定子壓圈上，使得其整體結(jié)構(gòu)和形狀相對(duì)簡(jiǎn)單和規(guī)則，其成型既可采用加工也可采用鑄造的方式。同時(shí)，為縮短供貨周期、節(jié)省鑄造模具成本，在工程上這種類型的定子壓圈推薦采用鋼板加工成型。

此時(shí)，定子壓圈軸向長(zhǎng)度的設(shè)計(jì)就需要考慮常用鋼板厚度的限制。一般選取軸向長(zhǎng)度小于50mm，習(xí)慣上稱這種尺寸的壓圈為短壓圈。下文將通過(guò)實(shí)例討論短定子壓圈的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)。

1 低地板牽引電機(jī)短定子壓圈結(jié)構(gòu)

1.1 短定子壓圈結(jié)構(gòu)

某采用短定子壓圈結(jié)構(gòu)的100%低地板牽引電機(jī)，在試制初期出現(xiàn)了壓圈與齒壓板之間局部存在縫隙、鐵芯齒張散片的問(wèn)題。

圖4 定子鐵芯齒張

經(jīng)分析，該問(wèn)題是由兩端定子壓圈與拉板焊接過(guò)程中，在硅鋼片疊壓力和焊接收縮力共同作用下，定子壓圈發(fā)生過(guò)大的翻轉(zhuǎn)導(dǎo)致。

圖5 定子壓圈受力翻轉(zhuǎn)示意圖

1.2 短定子壓圈翻轉(zhuǎn)剛度

根據(jù)上文分析，硅鋼片疊壓力和焊接收縮力共同形成轉(zhuǎn)矩作用在定子壓圈上，從力學(xué)原理上與圓環(huán)受周向均布轉(zhuǎn)動(dòng)力矩作用是一致的。

設(shè)圓環(huán)單位弧長(zhǎng)上所受外加分布轉(zhuǎn)動(dòng)力矩用m表示，圓環(huán)的等效半徑為Ro，圓環(huán)任意橫截面上均只有一個(gè)純彎的徑向力矩Mr=mR0。

圖6 圓環(huán)受周向均布力矩

在純彎力矩Mr作用下，圓環(huán)中性面偏轉(zhuǎn)角度θ有

其中，Ix為截面繞x軸的慣性矩，對(duì)矩形截面而言如圖7所示。

圖7 圓環(huán)變形示意圖

要提高壓圈翻轉(zhuǎn)剛度即減少偏轉(zhuǎn)角度θ，根據(jù)式（1）可知，在一定作用力下最有效的方法就是減少定子壓圈的等效半徑R0和增加定子壓圈的截面慣性矩Ix。

2 短定子壓圈結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 短定子壓圈的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

由理論分析可知，需要增加定子壓圈截面的慣性矩和減少等效回轉(zhuǎn)半徑。在定子壓圈整個(gè)軸向長(zhǎng)度變化不大的情況下，可采取以下措施：

（1）壓圈外部材料向中心移動(dòng)，增加有效寬度，從而提高截面慣性矩；

（2）將截面的形心向中心移動(dòng)，從而減少等效回轉(zhuǎn)半徑；

（3）適當(dāng)增加定子壓圈軸向長(zhǎng)度。

優(yōu)化前后定子壓圈截面形狀如圖8所示。

圖8 定子壓圈截面形狀優(yōu)化

對(duì)比優(yōu)化前后定子壓圈截面參數(shù)見(jiàn)所示，表明優(yōu)化后定子壓圈截面慣性矩有明顯改善，理論翻轉(zhuǎn)剛度提高約2.4倍以上。

表1 優(yōu)化前后定子截面參數(shù)對(duì)比表

2.2 短定子壓圈受力分析

通過(guò)有限元法對(duì)定子壓圈的受力變形進(jìn)行計(jì)算分析，確認(rèn)定子壓圈結(jié)構(gòu)優(yōu)化的是否達(dá)到了預(yù)期的效果。

對(duì)定子鐵芯進(jìn)行建模，并有以下假設(shè)：

（1）涉及有裝配接觸關(guān)系的部位，為考慮為摩擦接觸，摩擦系數(shù)為0.12；

（2）在筋板與壓圈接觸處加載焊接收縮力；

（3）將定子鐵芯底部進(jìn)行固定約束。

圖9 定子壓圈受力分析加載模型

定子壓圈的內(nèi)圈軸向變形結(jié)果見(jiàn)表2所示，變形云圖見(jiàn)圖10所示。

表2 定子壓圈內(nèi)圈變形統(tǒng)計(jì)

圖10 定子壓圈變形云圖

由仿真數(shù)據(jù)可知，優(yōu)化方案的最大變形下降56.3%，翻轉(zhuǎn)剛度是原方案的2.3倍。由于實(shí)際的定子壓圈結(jié)構(gòu)并非規(guī)則的圓環(huán)，因此，仿真結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果存在一定的差異，但總體趨勢(shì)是非常吻合的，優(yōu)化達(dá)到了預(yù)期的效果。

3 實(shí)物驗(yàn)證

根據(jù)上述的優(yōu)化方案制作一臺(tái)樣機(jī)，通過(guò)測(cè)量未發(fā)現(xiàn)齒張（見(jiàn)圖11所示），所有尺寸滿足設(shè)計(jì)要求。驗(yàn)證結(jié)果表明，改進(jìn)措施可行有效，目前已進(jìn)入小批量生產(chǎn)。

圖11 優(yōu)化后定子鐵芯未發(fā)生齒張

4 結(jié) 論

本文基于圓環(huán)受轉(zhuǎn)動(dòng)力矩下翻轉(zhuǎn)剛度理論，介紹一種牽引電機(jī)短定子壓圈結(jié)構(gòu)的優(yōu)化思路和措施，有效解決短壓圈結(jié)構(gòu)下定子鐵芯齒張的問(wèn)題。

通過(guò)樣機(jī)驗(yàn)證結(jié)果表明，本文運(yùn)用的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施切實(shí)可行，滿足工程化生產(chǎn)要求。同時(shí)，本文提出的優(yōu)化原理可以為短壓圈結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)技術(shù)提供支撐和參考。