新型永磁直驱式柔性构架转向架研究①

2012-07-09孙继武伍智敏

佳木斯大学学报（自然科学版） 2012年1期

漆晖，孙继武，伍智敏

(同济大学铁道与城市轨道交通研究院，上海201804)

1 柔性构架转向架现状

构架作为转向架的关键部件，其性能直接影响到列车运行的安全稳定性．柔性构架转向架是近些年出现的一种新型结构的转向架，目前多用于城市轨道交通车辆的直线电机转向架．直线电机通常悬挂于构架，为了保证电机与感应板之间的气隙，通常设置很大的一系垂向刚度，因此必须采用柔性构架来适应缓和曲线的扭曲．

北京机场线采用的直线电机转向架MKII是一种具有迫导向功能的柔性构架转向架，它主要由轮对内置式轴箱、车轭连接装置、柔性构架、迫导向机构装置、线性电机等组成[1]．MKII转向架的构架包括两个侧梁和一个横梁，侧梁与横梁刚性连结．由于没有一系垂向悬挂，构架必须具有一定扭转的柔性，以适应轨道在缓和曲线上超高的变化，因此MKII转向架的横梁并没有采用封闭的箱形断面，而是采用开口的工字形断面，使用高强度的钢板焊接而成．文献[2]设计的一种新型直线电机转向架中也使用了柔性构架．该转向架采用无摇枕结构，使用小直径车轮和内置式轴箱，电机构架悬挂．为了保证电机气隙，转向架设置很大的一系垂向刚度．构架由2个L型半构架通过铰接关节组成，构架的柔性通过合理地设置铰接关节的刚度来实现．Siemens的Syntegra永磁直驱转向架也采用了柔性构架[3]．其驱动电机采用抱轴式永磁同步电机，电机的转子与车轴固接在一起，直接驱动轮对．它的构架侧梁与横梁采用转动铰连接，侧梁相对横梁可以绕Y轴(动力学坐标系)自由地转动，同时设置一系垂向钢弹簧，因此能够很好地适应线路三角坑和顺坡．

2 抱轴式永磁直驱柔性构架转向架

这种新型转向架采用了永磁同步电机直接驱动的牵引系统，取消了传统的齿轮传动，使转向架的轴距减小至1．6m，大大地减小了通过小半径曲线的冲角和横向作用力，轮轨磨耗也相应减小，其设计方案见图1．

转向架采用构架外置结构，这样留出整个轮对内侧空间，便于永磁电机的设计和安装．构架外置的好处还在于可以利用现有的轮对和轴承结构，便于安装和维护．构架的侧梁为封闭的箱形结构，呈U型(见图2)．构架的柔性主要由工字形的横梁产生，横梁采用工字梁结构，并且在工字梁的中心位置开长孔，以减小扭转刚度．在侧梁和横梁之间设置箱形结构的辅助横梁和辅助纵向梁．一系悬挂采用平板式橡胶弹簧，提供轮对的纵向和横向定位刚度，并缓和垂向冲击力．二系悬挂采用空气弹簧，空气弹簧设置于构架侧梁的中心位置，以减轻垂向偏载产生的构架应力．垂向减振器设置在侧梁外侧，横向减振器和横向止档设置在辅助纵向梁上．抗侧滚扭杠采用倒装方式．紧凑型的基础制动装置安装在辅助横向梁的下方．永磁电机采用抱轴式设计，前、后轮对上的电机外壳通过上、下布置的纵向拉杆连接，内侧电机的外壳通过上、下布置的牵引拉杆与车体连接．

图1 抱轴式永磁同步电机柔性构架转向架设计方案

图2 柔性构架的设计方案

3 柔性转向架的动力学性能分析

3．1 动力学模型

采用Simpack软件分析上述抱轴式永磁直驱柔性构架转向架的动力学性能．在模型中，对柔性构架进行了简化处理．由于柔性构架的弹性主要由横梁提供，侧梁的刚度很大，因此将构架的侧梁作为刚体对待，左、右两个侧梁通过具有六个方向刚度的弹簧元件连接，以模拟构架横梁的柔性，其拓扑结构如图3所示．左、右侧梁连接弹簧的X，Y，Z三个方向的线刚度和角刚度与构架柔性的对应关系如表1所示，表1同时给出了根据设计方案的柔性构架的有限元模型，计算得到的柔性构架在各个方向的刚度．

图3 Simpack中柔性构架转向架的拓扑结构图

表1 柔性构架的刚度

3．2 蛇行稳定性

在初始参数(空车)条件下，车辆蛇行运动的临界速度与踏面等效斜率的关系如图4．可见，随着踏面等效斜率的增加，临界速度在下降，当踏面等效斜率达到0．4时，临界速度只有86km/h，这对城市轨道交通车辆而言，有些偏低．

图4 临界速度与踏面等效斜率的关系曲线

进一步的仿真分析表明，柔性构架的刚度参数中，只有X向线刚度(抗菱刚度)对临界速度有影响．图5实线给出了踏面等效斜率为0．05时临界速度与抗菱刚度的关系，从图中看出，临界速度随着抗菱刚度的增加而增加，当抗菱刚度大于8MNm/rad时，曲线增长趋于平缓．图5虚线给出了踏面等效斜率达到0．4时临界速度与抗菱刚度的关系，从图中看出，临界速度随着抗菱刚度的增加而增加，当抗菱刚度达到9MNm/rad，临界速度为101km/h(高于100km/h)，这对城市轨道交通车辆而言，较为合适．

图5 临界速度与抗菱刚度的关系曲线

图6 EN14363试验所用的线路半径和超高设置

图7 脱轨系数与扭曲刚度

3．3 脱轨安全性

脱轨安全性按照EN14363规定的试验线路计算[4]．EN14363脱轨试验的曲线半径为150m，线路扭曲部分位于等半径曲线上，扭曲线路的变化梯度为3‰，线路扭曲通过改变外轨的高度来实现，试验车速不得超过10km/h．线路的半径和超高设置见图6．

图8 轮重减载率与扭曲刚度

图9 Sperling指标随速度的变化

图10 Sperling指标与抗菱刚度关系

在初始参数下车辆以9km/h的速度通过试验线路时的脱轨系数为0．78，导向轮的轮重减载率为0．19．根据欧洲标准EN14363规范:如果轮缘角等于70°，计算所得的脱轨系数在任何地方都不允许超过1．2，导向轮的轮重减载率要小于0．6．所以在初始参数下，车辆的安全性满足要求，不会发生脱轨．

进一步仿真分析得出，柔性构架参数中只有Y向角刚度(扭曲刚度)对脱轨系数和轮重减载率有影响，其中脱轨系数与扭曲刚度的关系如图7所示，轮重减载率与扭曲刚度的关系如图8所示．可见，脱轨系数、轮重减载率都随着扭曲刚度的增加而增加，当扭曲刚度为7MNm/rad时，轮重减载率达到0．6，当扭曲刚度为10MNm/rad时，脱轨系数达到1．2，车辆有可能发生脱轨．因此在结构设计中，应尽量减小柔性构架的扭曲刚度．

3．4 运行平稳性

平稳性计算选用美国五级轨道谱作为车辆系统的轨道激励输入．采用Sperling平稳性指标评估．

图9给出了初始参数下车辆的Sperling平稳性指标随速度的变化趋势，可见，在120km/h内，车辆的垂向Sperling平稳性指标都小于2．5，处于优级范围，横向平稳性指标在85km/h内处于优级范围，速度100km/h时超高了3．0，其横向平稳性需要进一步优化．

仿真分析表明，柔性构架的抗菱刚度对横向平稳性有显著影响．图10给出了速度80km/h时，抗菱刚度与车辆平稳性指标的关系．可见，横向平稳性指标随着抗菱刚度的增加而减小，当抗菱刚度大于3MNm/rad时，曲线变化较慢，当抗菱刚度大于7MNm/rad时，横向平稳性指标基本保持不变;而垂向平稳性指标基本不受抗菱刚度的影响．