地鐵車(chē)輛新型永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架的設(shè)計(jì)和分析

楚永萍 胡定祥 周 亮

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

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研究報(bào)告

地鐵車(chē)輛新型永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架的設(shè)計(jì)和分析

楚永萍1胡定祥1周 亮2

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

介紹了一種結(jié)合新型驅(qū)動(dòng)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(jī),具有高效、節(jié)能環(huán)保、噪聲低、節(jié)約空間等特點(diǎn),實(shí)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(diǎn)。該柔性構(gòu)架的強(qiáng)度分析結(jié)果表明,柔性構(gòu)架完全滿足標(biāo)準(zhǔn)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(dòng)力學(xué)性能對(duì)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(chē)輛的蛇行穩(wěn)定性,且其沖角、磨耗功指標(biāo)要明顯優(yōu)于傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架,曲線半徑越小優(yōu)勢(shì)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(guó)地鐵車(chē)輛轉(zhuǎn)向架的驅(qū)動(dòng)通常采用交流異步電機(jī)+齒輪裝置。根據(jù)齒輪傳動(dòng)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(chē)輛正線通過(guò)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(duì)這一矛盾,借鑒國(guó)外先進(jìn)技術(shù)理念,地鐵車(chē)輛新型永磁直驅(qū)系統(tǒng)轉(zhuǎn)向架(以下簡(jiǎn)為“永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架”),取消傳統(tǒng)的齒輪傳動(dòng)方式,采用永磁電機(jī)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(chē)輛通過(guò)最小曲線半徑可達(dá)150 m;該轉(zhuǎn)向架不僅具備良好的小曲線半徑通過(guò)能力,而且具備節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢(shì),或?qū)⒊蔀樾滦偷罔F車(chē)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(guó)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(diǎn)

柔性焊接構(gòu)架永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架的最大特點(diǎn)是采用了柔性焊接構(gòu)架和永磁直驅(qū)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。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(duì)軸箱裝置,二系空氣彈簧承載、“Z”型雙拉桿牽引；且踏面制動(dòng)、盤(pán)形制動(dòng)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(jiàn)圖1。

圖1 動(dòng)車(chē)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(diǎn)是采用了“交叉板式”柔性橫梁結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖2)。通過(guò)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(yùn)行中對(duì)線曲線軌道的適應(yīng)性。同時(shí)，由于取消了動(dòng)車(chē)構(gòu)架的電機(jī)與齒輪箱座,故可在滿足最高運(yùn)行速度前提下,實(shí)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(duì)接結(jié)構(gòu)。“交叉板式”結(jié)構(gòu)由四個(gè)變截面鋼板組成(見(jiàn)圖3),通過(guò)調(diào)整結(jié)構(gòu)的厚度Z、寬度L、距中心距離d、板長(zhǎng)l和角度α來(lái)實(shí)現(xiàn)構(gòu)架整體的剛度需求。

在構(gòu)架設(shè)計(jì)中,交叉板采用變厚度、變寬度的設(shè)計(jì),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(jì)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(yùn)行時(shí)產(chǎn)生較小的應(yīng)力;在保證最高運(yùn)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(jī)

與傳統(tǒng)異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置不同,永磁直驅(qū)電機(jī)取消了齒輪傳動(dòng)裝置,同時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí),具備較高的牽引力矩。永磁直驅(qū)電機(jī)也有轉(zhuǎn)子與定子。轉(zhuǎn)子由車(chē)軸、軸套、永磁體等組成,取消了線圈繞組，并由電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)輪對(duì)；定子由定子鐵芯和線圈繞組等組成,電機(jī)可通過(guò)調(diào)節(jié)定子的勵(lì)磁電流來(lái)調(diào)節(jié)磁場(chǎng),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的調(diào)速。

永磁電機(jī)的定子與轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖4、圖5所示。電機(jī)軸套與車(chē)軸過(guò)盈配合,軸套直徑可按電機(jī)功率要求實(shí)現(xiàn)永磁體所需數(shù)量的安裝;電機(jī)定子由機(jī)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(jìn)行整體真空壓力浸漆 ;定子的兩端通過(guò)軸承安裝在車(chē)軸上,軸承能承受70g(g為重力加速度)的振動(dòng)沖擊,確保其應(yīng)用的可靠性。電機(jī)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(jī)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(jiǎn)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(jì)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(dòng),設(shè)置橫向止擋限制二系過(guò)大橫向位移。

圖5 永磁直驅(qū)電機(jī)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(dòng)單元先安裝在過(guò)渡板上再通過(guò)3個(gè)穿過(guò)側(cè)梁的螺栓固定在側(cè)梁上(見(jiàn)圖6)。

圖6 踏面制動(dòng)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(qiáng)度計(jì)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(jì)分析中,不僅要滿足UIC 615—4—1993《動(dòng)力轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)規(guī)程》及EN 13749—2005《鐵路應(yīng)用輪對(duì)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(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度要求[7],還要重點(diǎn)對(duì)該新型柔性構(gòu)架在扭曲軌道上的應(yīng)力狀況進(jìn)行分析驗(yàn)證。

柔性構(gòu)架有限元分析時(shí)采用10節(jié)點(diǎn)體單元(SOLID92)進(jìn)行離散,并采用約束方程建立電機(jī)質(zhì)心及其吊座安裝位置、制動(dòng)缸質(zhì)心及其安裝位置等之間的聯(lián)接關(guān)系。整個(gè)構(gòu)架共離散為418 034個(gè)單元、506 116個(gè)節(jié)點(diǎn),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?chē)脫軌工況下,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(shuō)明柔性構(gòu)架對(duì)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(chē)脫軌工況下構(gòu)架應(yīng)力仿真云圖

3.2 動(dòng)力學(xué)性能對(duì)比分析計(jì)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(jī)與構(gòu)架間增加了力的傳遞,其動(dòng)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(jì)算模型自由度見(jiàn)表2,構(gòu)架考慮8個(gè)自由度,包括整個(gè)構(gòu)架橫向、垂向、側(cè)滾、左側(cè)梁點(diǎn)頭、右側(cè)梁點(diǎn)頭、左側(cè)梁搖頭、右側(cè)梁搖頭和兩側(cè)梁的菱形運(yùn)動(dòng)。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(diǎn)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(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型自由度

動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果表明,柔性構(gòu)架為菱形時(shí)的剛度完全滿足蛇行穩(wěn)定性要求(見(jiàn)圖10),且永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架的各項(xiàng)動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)均符合GB 5599—1985《鐵道車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定和試驗(yàn)鑒定規(guī)范》要求,滿足80 km/h最大運(yùn)營(yíng)速度的運(yùn)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(shí)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(guò)性能及對(duì)扭曲軌道適應(yīng)性與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架進(jìn)行對(duì)比。

3.2.1 曲線通過(guò)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(guò)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(chē)輛通過(guò)曲線時(shí)的沖角和磨耗功(如圖11、圖12所示)。

圖11 輪對(duì)沖角

從圖11可以看出，永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架的導(dǎo)向輪對(duì)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(chē)中,永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架兩導(dǎo)向輪對(duì)沖角的絕對(duì)值非常接近,而且導(dǎo)向輪對(duì)與非導(dǎo)向輪對(duì)也非常接近。

圖12 車(chē)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(duì)的磨耗功基本一致,可實(shí)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)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(duì)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(duì)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(chē)輛各車(chē)輪的減載率如圖13、14所示。

圖14 一位左輪抬高63.5 mm時(shí)轉(zhuǎn)向架輪重減載率

通過(guò)對(duì)比分析可以看出,在AW0(車(chē)輛空載)條件下,一位左輪抬高50 mm時(shí),裝用永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架車(chē)輛車(chē)輪的最大減載率只有18.248 4%,而且同一輛車(chē)的其余車(chē)輪的承載較均衡；而裝用傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架車(chē)輛車(chē)輪的最大減載率達(dá)58.247 3%,其余車(chē)輪的承載差異較大。一位左輪抬高63.5 mm時(shí),裝用永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架車(chē)輛車(chē)輪的最大減載率只有23.176 6%；而裝用傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架車(chē)輛車(chē)輪的最大減載率達(dá)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(yùn)行能適宜地調(diào)整不同車(chē)輪的受力狀況,使同一輛車(chē)的車(chē)輪均衡承載,從而使同一輛車(chē)的車(chē)輪均勻磨耗,降低了維修成本,大大提高了車(chē)輛對(duì)異常線路的適應(yīng)能力。

4 結(jié)語(yǔ)

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

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

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

(3) 采用永磁電機(jī)抱軸安裝直驅(qū)結(jié)構(gòu),既提高了傳動(dòng)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(guò)性能及對(duì)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(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局,中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50157—2013.[S].北京:中國(guó)計(jì)劃出版社,2013.

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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)