采用永磁直驅(qū)技術(shù)的客運(yùn)電力機(jī)車輪對(duì)設(shè)計(jì)分析

姚 銀，李 前，張志和，馬呈祥

（中車大同電力機(jī)車有限公司 研究院，山西大同 037038）

20世紀(jì)90年代開始，以德國(guó)西門子公司、法國(guó)阿爾斯通公司、捷克斯柯達(dá)公司和日本川崎重工公司為代表的研究機(jī)構(gòu)，開展了永磁同步系統(tǒng)的理論研究，探索永磁同步牽引系統(tǒng)在軌道交通上應(yīng)用的可能性及實(shí)現(xiàn)直驅(qū)的可行性，隨后，陸續(xù)有試驗(yàn)產(chǎn)品出現(xiàn)并進(jìn)行裝車考核，主要應(yīng)用在動(dòng)車、地鐵等領(lǐng)域。

目前隨著高性能永磁材料技術(shù)的發(fā)展和產(chǎn)業(yè)的深入，永磁電機(jī)技術(shù)和產(chǎn)品從基礎(chǔ)研究階段正在向大功率、適用型、寬范圍和多領(lǐng)域方向發(fā)展。近幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)軌道交通行業(yè)在城市軌道交通領(lǐng)域已經(jīng)研制出了采用小功率永磁驅(qū)動(dòng)的整車樣機(jī)，但目前大功率永磁直驅(qū)技術(shù)的機(jī)車還是空白[1]。

2017年中車大同電力機(jī)車有限公司開始研發(fā)軸重21 t、最高運(yùn)營(yíng)速度160 km/h、軸功率1 200 kW的永磁直驅(qū)客運(yùn)電力機(jī)車，已完成了大功率永磁直驅(qū)技術(shù)的機(jī)車成功研發(fā)和試制，目前正處于試驗(yàn)階段。該機(jī)車相比既有機(jī)車轉(zhuǎn)向架的變化及創(chuàng)新點(diǎn)主要為輪對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用永磁直驅(qū)技術(shù)，其結(jié)構(gòu)無(wú)牽引齒輪、齒輪箱等傳動(dòng)部件，具有減重、降噪、提高效率、免維護(hù)、壽命長(zhǎng)、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)。但因牽引電機(jī)體積和輸出扭矩的大幅增大，對(duì)輪對(duì)部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、選材及強(qiáng)度具有較大的難點(diǎn)和挑戰(zhàn)[2]。

針對(duì)采用永磁直驅(qū)大功率客運(yùn)電力機(jī)車技術(shù)的輪對(duì)部分車輪、車軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、選材提出了設(shè)計(jì)理念和思路，重點(diǎn)對(duì)車輪、車軸強(qiáng)度校核分析和注意事項(xiàng)進(jìn)行了闡述。

1 采用永磁直驅(qū)技術(shù)客運(yùn)機(jī)車輪對(duì)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

輪對(duì)主要由車輪和車軸組成，而輪對(duì)的結(jié)構(gòu)與采用的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)息息相關(guān)。國(guó)內(nèi)同等級(jí)的電力機(jī)車輪軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與輪對(duì)之間采用空心軸六連桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及牽引齒輪傳動(dòng)，該傳動(dòng)機(jī)構(gòu)技術(shù)成熟、可靠，但不足之處是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、質(zhì)量較大。中車大同電力機(jī)車有限公司研發(fā)的采用永磁直驅(qū)技術(shù)客運(yùn)電力機(jī)車驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)由牽引電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩通過(guò)新型撓性板聯(lián)軸器直接傳遞到車輪上，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

采用永磁直驅(qū)技術(shù)輪對(duì)的特點(diǎn)主要體現(xiàn)在：①牽引電機(jī)質(zhì)量有所增加，但取消牽引齒輪、齒輪箱等部件后整體質(zhì)量減少約3%；②提高了牽引系統(tǒng)的傳動(dòng)效率；

③降低噪聲；④結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，減小維護(hù)工作量；⑤免裝齒輪油，減少了環(huán)境污染。

圖1 永磁直驅(qū)輪對(duì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2 采用永磁直驅(qū)技術(shù)客運(yùn)機(jī)車輪對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及材料選擇思考

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思考

如圖1所示，牽引電機(jī)采用架懸方式，輪對(duì)主要有車輪和車軸組成，車輪和車軸通過(guò)冷壓或注油壓裝方式過(guò)盈裝配在一起。在標(biāo)準(zhǔn)軌距情況下，車輪內(nèi)側(cè)距是固定值，輪對(duì)其他結(jié)構(gòu)尺寸應(yīng)充分考慮與聯(lián)軸器、直驅(qū)電機(jī)、制動(dòng)盤安裝接口，相關(guān)部件運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的空間尺寸及強(qiáng)度要求，車輪和車軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所考慮事項(xiàng)具體如下所述。

車輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)按照目前機(jī)車車輛發(fā)展趨勢(shì)應(yīng)采用整體輾鋼車輪，其中車輪輻板結(jié)構(gòu)型式一方面考慮采用基礎(chǔ)制動(dòng)方式的匹配性，另一方面應(yīng)著重考慮強(qiáng)度。采用輪裝盤制動(dòng)方式時(shí)，車輪輻板只能做成直的；采用踏面制動(dòng)時(shí)，車輪輻板可以根據(jù)空間及強(qiáng)度需要選擇異型或直輻板。此外，為減小機(jī)車運(yùn)行時(shí)輪軌間的動(dòng)作用力，車輪輻板結(jié)構(gòu)在保證強(qiáng)度的同時(shí)應(yīng)具有一定的彈性。車輪輪轂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要考慮與車軸的連接接口及連接強(qiáng)度。車輪輪緣及踏面的選型直接影響機(jī)車動(dòng)力學(xué)性能，其形狀和尺寸應(yīng)根據(jù)各國(guó)鐵路軌道實(shí)際情況確定[3]。

車軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)按標(biāo)準(zhǔn)EN 13104。輪座直徑及配合長(zhǎng)度的選定在考慮車輪強(qiáng)度的同時(shí)，還應(yīng)考慮傳遞負(fù)載所需的結(jié)合力是否滿足；軸身尺寸的選定應(yīng)考慮聯(lián)軸器動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)空間和車軸本身的受力變形空間，以及軸身強(qiáng)度。另外，應(yīng)重點(diǎn)對(duì)軸頸、輪座以及卸荷槽部位進(jìn)行強(qiáng)化設(shè)計(jì)；可對(duì)卸荷槽采取強(qiáng)化滾壓措施，來(lái)改善表面光潔度、增加表面壓應(yīng)力，以提高車軸的疲勞強(qiáng)度。

該機(jī)車輪對(duì)設(shè)計(jì)經(jīng)綜合考慮，因整車采用輪盤制動(dòng)方式，車輪采用直輻板結(jié)構(gòu)，并在輻板上設(shè)置制動(dòng)盤安裝位置，其中一側(cè)車輪需要與聯(lián)軸器連接以傳遞牽引電機(jī)輸出扭矩，故在輪轂側(cè)輻板上設(shè)計(jì)4個(gè)安裝孔。車軸采用實(shí)心結(jié)構(gòu)，主要有軸頸、輪座和軸身組成，各連接圓弧及尺寸符合標(biāo)準(zhǔn)EN 13104要求。輪對(duì)主要尺寸選用：輪徑1 250 mm；輪座直徑228 mm；輪轂寬200 mm；軸身直徑188 mm。

2.2 材料選擇思考

車輪的材料選擇，既要考慮材料強(qiáng)度和耐磨性，又要考慮材料韌性。合適的材料強(qiáng)度既要滿足動(dòng)、靜應(yīng)力條件下不發(fā)生破壞，又要滿足車輪耐磨性的需要，還要具備合適的韌性，降低裂紋敏感性。該機(jī)車車輪材料的選擇，根據(jù)現(xiàn)有和諧機(jī)車車輪應(yīng)用情況，綜合考慮選擇符合標(biāo)準(zhǔn)TJ/JW 038-2014《交流傳動(dòng)機(jī)車車輪暫行技術(shù)條件》規(guī)定的R8T或ER8材質(zhì)[4-5]。

車軸的材料選擇應(yīng)根據(jù)機(jī)車軸重、速度、運(yùn)營(yíng)條件、結(jié)構(gòu)需要、制造工藝和成本等綜合考慮進(jìn)行恰當(dāng)選材。通常選用經(jīng)過(guò)精煉和真空脫氣處理的中碳鋼作為車軸材料，比較經(jīng)濟(jì)適用。針對(duì)該客運(yùn)機(jī)車，考慮軸身與撓性板聯(lián)軸器運(yùn)動(dòng)空間的需要和保證客車優(yōu)良的動(dòng)力學(xué)性能，車軸質(zhì)量不宜過(guò)大等情況，再結(jié)合現(xiàn)有客運(yùn)機(jī)車車軸材料運(yùn)用情況，綜合考慮采用符合標(biāo)準(zhǔn)TJ/JW 037-2014《交流傳動(dòng)機(jī)車車軸暫行技術(shù)條件》材質(zhì)牌號(hào)為EA4T合金鋼車軸材料。

3 采用永磁直驅(qū)技術(shù)客運(yùn)機(jī)車車輪、車軸強(qiáng)度校核

車輪和車軸作為輪對(duì)乃至機(jī)車走行部的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及材料的選取尤為重要。車輪、車軸材質(zhì)及結(jié)構(gòu)確定后，應(yīng)首先利用有限元對(duì)車輪進(jìn)行強(qiáng)度校核和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以得到最優(yōu)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。針對(duì)永磁直驅(qū)客運(yùn)電力機(jī)車，車輪、車軸計(jì)算方法、計(jì)算參數(shù)及強(qiáng)度校核如下所述。

3.1 計(jì)算方法及計(jì)算參數(shù)

車輪強(qiáng)度校核是按照標(biāo)準(zhǔn)UIC 510-5所規(guī)定的計(jì)算載荷和工況，利用ANASYS Workbench校核車輪靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度；車軸強(qiáng)度校核是按照標(biāo)準(zhǔn)EN 13104要求，利用Microsoft excel編制相關(guān)計(jì)算程序，選取具有代表性的截面以校核車軸疲勞強(qiáng)度能否滿足要求[6]。車輪、車軸所需的計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1 永磁直驅(qū)客運(yùn)機(jī)車車輪、車軸基本計(jì)算參數(shù)

3.2 車輪強(qiáng)度校核

永磁直驅(qū)車輪分析模型見圖2所示，根據(jù)車輪結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，車輪加載截面如圖3所示，車輪計(jì)算截面輪軌力作用位置如圖4所示。

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)UIC 510-5所提供的方法，分別計(jì)算超常載荷工況和常規(guī)載荷工況。常規(guī)載荷工況又分為直線工況、曲線工況和道岔工況。各工況中均包含角速度以及輪軸壓裝過(guò)盈造成的影響[7]。

永磁直驅(qū)機(jī)車主動(dòng)車輪在運(yùn)行過(guò)程中，傳動(dòng)銷承受總周向驅(qū)動(dòng)力F1。FS為機(jī)車啟動(dòng)牽引力（每軸）、r為車輪半徑、d為傳動(dòng)銷孔到輪中心距離。車輪總周向驅(qū)動(dòng)力：F1=(FS×r)/d=147.8 kN，4個(gè)傳動(dòng)銷均分。

圖2 永磁直驅(qū)車輪分析模型

圖3 車輪加載截面

圖4 車輪計(jì)算截面輪軌力作用位置

經(jīng)計(jì)算，超常工況下截面2處施加載荷輻板的等效應(yīng)力最大，其大小為184.93 MPa，截面3處施加載荷輪轂的等效應(yīng)力最大，其大小為236.5 MPa。直線工況下截面8處施加載荷輻板的等效應(yīng)力最大，其大小為158.93 MPa，截面3處施加載荷輪轂的等效應(yīng)力最大，其大小為202.8 MPa。曲線工況下截面2處施加載荷輻板的等效應(yīng)力最大，其大小為177.37 MPa，截面3處施加載荷輪轂的最大等效應(yīng)力為228.06 MPa。道岔工況下截面8處施加載荷輻板的等效應(yīng)力最大，大小為155.57 MPa，截面2處施加載荷輪轂的等效應(yīng)力最大，大小為195.73 MPa。

表2 各計(jì)算工況載荷情況

綜合上述工況，輻板的最大等效應(yīng)力為184.93 MPa，最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在銷孔處，這是因?yàn)閭鲃?dòng)銷與車輪之間是過(guò)盈裝配，傳動(dòng)銷與車輪銷孔接觸產(chǎn)生邊緣效應(yīng)，會(huì)有一定的應(yīng)力集中。輪轂的最大等效應(yīng)力為236.5 MPa，最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在輪轂內(nèi)側(cè)，因?yàn)檐囕S與車輪之間是過(guò)盈裝配，車軸與車輪輪轂接觸產(chǎn)生邊緣效應(yīng)，也會(huì)有一定的應(yīng)力集中。

永磁直驅(qū)車輪材料為R8T，屈服極限為350 MPa，輻板的最大等效應(yīng)力為184.93 MPa，輻板安全系數(shù)為1.89，輪轂的最大等效應(yīng)力為236.5 MPa，輻板安全系數(shù)為1.48。

UIC 510-5標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，車輪輻板各點(diǎn)的動(dòng)應(yīng)力范圍不大于360 MPa。經(jīng)計(jì)算，永磁直驅(qū)車輪輻板動(dòng)應(yīng)力范圍最大為246.78 MPa，疲勞安全系數(shù)1.46，車輪輪轂動(dòng)應(yīng)力范圍最大為161.56 MPa，疲勞安全系數(shù)2.23。

該車輪相比既有機(jī)車車輪強(qiáng)度校核，除了輻板和輪轂外，還重點(diǎn)關(guān)注了車輪輻板處傳動(dòng)銷處應(yīng)力情況，從計(jì)算結(jié)果看輻板處最大等效應(yīng)力確實(shí)出現(xiàn)在銷孔處，故在車輪設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)著重考慮傳動(dòng)銷孔大小、位置的選取，所選位置應(yīng)避開輻板應(yīng)力相對(duì)集中區(qū)域，加工制造時(shí)傳動(dòng)銷孔邊緣應(yīng)倒圓鈍化處理。

3.3 車軸強(qiáng)度校核

機(jī)車在運(yùn)行中車軸受力如圖5所示。P1表示作用于負(fù)載較大的軸頸的垂直力；P2表示作用于負(fù)載較小的軸頸的垂直力；Y1表示與負(fù)載較大的軸頸側(cè)軌道垂直的車輪/軌道水平力；Y2表示與負(fù)載較小的軸頸側(cè)軌道垂直的車輪/軌道水平力；H表示平衡力Y1和Y1的力；Q1表示負(fù)載較大的軸頸側(cè)車輪上的垂直反作用力；Q2表示負(fù)載較小的軸頸側(cè)車輪上的垂直反作用力[8]。

表3 各工況下車輪對(duì)應(yīng)的最大等效應(yīng)力 MPa

根據(jù)以往對(duì)車軸強(qiáng)度校核分析得知，車軸在制動(dòng)工況較起動(dòng)工況受力惡劣，所以僅計(jì)算制動(dòng)工況狀態(tài)。制動(dòng)工況下彈簧上質(zhì)量產(chǎn)生的力，計(jì)算結(jié)果如表4所示。

圖5 車軸受力示意圖

表4 彈簧上質(zhì)量產(chǎn)生的力 kN

永磁直驅(qū)機(jī)車采用雙側(cè)輪裝盤制動(dòng)，通過(guò)合力矩MR計(jì)算車軸每個(gè)截面的應(yīng)力，計(jì)算公式為：MR=，式中，MX、MY和MZ是由運(yùn)行中車軸的承載和制動(dòng)引起的各種力矩分量之和。永磁直驅(qū)機(jī)車車軸計(jì)算截面如圖6所示，表5中y為軸頸負(fù)載面到彎矩截面的距離。

直徑為d的任一車軸截面，應(yīng)力其中k為疲勞應(yīng)力集中系數(shù)。制動(dòng)工況下車軸各截面計(jì)算結(jié)果如表5所示。

圖6 車軸計(jì)算截面

表5 制動(dòng)工況下車軸各截面計(jì)算結(jié)果

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定安全裕量大于1即可，但需根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確保各截面安全裕量留有一定余量。一般情況下截面3位置處安全裕量相對(duì)最小，也是車軸應(yīng)力相對(duì)集中和易發(fā)生疲勞位置，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算后安全裕量建議大于1.2。如表5所示，永磁直驅(qū)客運(yùn)機(jī)車車軸截面3處安全裕量為處1.36，安全裕量足夠。因軸身直徑受到接口限制，截面5處（輪座附近）最大應(yīng)力136.86 MPa，安全裕量為1.22，是該車軸安全裕量最低點(diǎn)，在車軸加工制造和試驗(yàn)時(shí)需重點(diǎn)關(guān)注。

4 結(jié)束語(yǔ)

研究和搭建采用永磁直驅(qū)技術(shù)的客運(yùn)機(jī)車技術(shù)平臺(tái)對(duì)于節(jié)能高效的鐵路技術(shù)領(lǐng)域意義重大，也對(duì)我國(guó)大功率永磁直驅(qū)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展具有重要引領(lǐng)意義，后續(xù)發(fā)展?jié)摿^大。文中對(duì)中車大同公司研發(fā)的永磁直驅(qū)客運(yùn)電力機(jī)車輪對(duì)設(shè)計(jì)從結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、車輪車軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選擇思考以及強(qiáng)度校核進(jìn)行了分析。經(jīng)計(jì)算分析，車輪、車軸強(qiáng)度滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。該采用永磁直驅(qū)技術(shù)客運(yùn)機(jī)車輪對(duì)的研制，可促進(jìn)永磁技術(shù)向大功率、高轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩和智能化方向發(fā)展，對(duì)后續(xù)采用永磁直驅(qū)技術(shù)輪對(duì)設(shè)計(jì)和研究有一定的參考意義。