直线电机地铁车辆悬挂的振动研究

刘韦，马卫华，罗世辉，王晨，李晓龙

（西南交通大学牵引动力国家重点实验室，成都610031）

直线电机地铁车辆悬挂的振动研究

刘韦，马卫华，罗世辉，王晨，李晓龙

（西南交通大学牵引动力国家重点实验室，成都610031）

由于直线电机地铁车辆电机悬挂具有特殊的结构形式，因此其振动特性也具有不同于传统电机悬挂车辆的特点。为了研究直线电机地铁车辆的振动特性，从结构上分析直线电机的定位方式，并对其振动特性进行分析，然后分别研究在未计直线电机法向力的情况下直线电机悬挂结构对转向架振动特性、轮轨相互作用及轮轨激励传递特性的影响。研究结果表明：直线电机的垂向振动和横向振动存在一定程度的耦合，且直线电机定位结构对转向架的振动和轮轨关系都具有极大的影响。

振动与波；直线电机；轮轨垂向力；车轮横向力

直线电机被认为是最有前途的非粘着力直线驱动动力装置，并成功应用于磁悬浮和城市轨道交通中。直线电机地铁车辆因其具有非粘着驱动，爬坡能力强；可降低车辆高度，减小隧道断面高度；自动对中能力强，可实现小半径曲线通过要求等特点而越来越受到各国青睐，如温哥华、东京、大阪、多伦多和广州等城市就采用了此交通方式。由于直线电机的定位方式与传统车辆旋转电机的定位方式有很大不同，因此其振动特性及其对整车动力学的影响也有着与传统旋转电机不同的特点。本文建立了直线电机地铁车辆的多体动力学模型，研究了该地铁车辆直线电机悬挂结构的振动特点，并重点考察了该电机悬挂结构对转向架振动特性、轮轨相互作用和轮轨激励的传递特性的影响。

1 直线电机的定位方式

传统地铁车辆的电机是固定于构架的，三向定位均以构架为基础，齿轮箱的三向定位则以轮对为基础，因此在电机与齿轮箱之间采用联轴器来实现电机与齿轮箱之间的3向定位解耦来适应轮对与构架之间的相对运动。而本地铁车辆的驱动装置为直线电机，在车辆运行中应尽量保持直线电机相对于轨道反应板的垂向移动量较小，而从提高车辆舒适性的角度又要求转向架构架具有一定的沉浮量，为了解决这一矛盾，该车辆采用了如下解决方案，如图1所示。该方案同时以轮对和构架作为驱动电机的定位基础，在左右轴箱间设置均衡梁，均衡梁通过橡胶节点支承于轴箱上，该橡胶节点不是转向架一系定位橡胶节点，它具有较大的垂向刚度，并且可以根据车轮的磨耗情况调整其高度，使直线电机与轨道反应板保持额定的高度。直线电机本身则通过多根垂向吊杆吊挂在一个转向架的前后两根均衡梁上，同时为了限制直线电机的横向摆动，在电机与构架间又设置了两根横向支承杆，为传递牵引力在直线电机中轴线位置设置了一根具有一定长度的牵引拉杆，使得牵引力可以从电机直接传递到构架，换言之牵引力的传递与传统地铁不同，在传统地铁转向架中牵引力是通过轴箱一系定位传递到构架的，因此一系定位的纵向刚度应满足牵引的要求，但在本设计中一系定位不承担传递牵引力的功能，不过仍旧应承担传递制动力的功能。

图1 直线电机定位图

2 直线电机定位的振动特性分析

由于频响函数可以反映系统的输入与输出之间的关系，反映系统的固有特性，因此本文在求解电机悬挂系统横向及垂向共振频率时采用频响函数法，即分别在横向及垂向对系统输入单位激励频率，考察系统在这两个方向的响应，以此来确定直线电机悬挂系统的共振频率，如图2所示，图中表明电机横向振动共振频率约为12.5 Hz，垂向振动共振频率约为40 Hz，且二者的振动幅值相等。从图2中也可以看出电机悬挂结构的横向与垂向之间是存在耦合振动的，即垂向激励会引起电机的横向振动，反之横向激励也会引起电机的垂向振动。

图2 电机悬挂系统频响函数图

为了得到直线电机悬挂系统各部件的振动特性，将轮对与构架固定，单独计算直线电机悬挂系统各部件的振动频率，通过特征根分析得到结果图表1所示。

表1 直线电机特征振动表

3 电机悬挂结构对转向架振动的影响

由于直线电机悬挂的特殊悬挂结构形式，其结构的特殊性必将对转向架的振动带来一定的影响，为了更加精确的评估这种影响，本文将对比实际直线电机转向架与等效转向架（将直线电机的重量均匀分配到构架上，等效为传统转向架电机固结于构架上）的振动频率与幅值。通过对构架中心点的垂向与横向振动加速度进行计算，得到其加速度时间历程分别见图3(a)和图3(b)，可以看到不同速度下直线电机构架的振动水平显著高于等效转向架，这说明直线电机悬挂结构增加了转向架的振动水平。

进一步比较二者的振动加速度幅频响应，将图3进行傅里叶变换得到的结果如图4(a)和图4(b)，从图中可以看到在涉及直线电机悬挂振动的频率点，直线电机转向架比等效电机转向架的振动幅值大很多。并且直线电机悬挂对转向架30 Hz以下的振动影响不太大，对30～50 Hz频率范围的振动有较大的影响。从图4中也可以清楚的看到直线电机的垂向振动对转向架的垂向及横向振动影响都很大，再次证明了图2中直线电机横向和垂向振动存在一定的耦合作用。由于前边在分析直线电机的特征振动时是将构架视为一个固定的基础，因此计算得到的频率与此处频率有些差别。本文在计算转向架振动时是在车辆惰行工况下考虑的，没有考虑直线电机法向力引起的振动，可以预计在实际运用中，直线电机的垂向振动会更加显著，其对转向架的垂向及横向振动也会相对传统转向架有较大幅度的增加。

图3 (a)构架垂向振动加速度时间历程

图3 (b)构架横向振动加速度时间历程

图4 (a)构架垂向振动加速度频谱图

图4 (b)构架横向振动加速度频谱图

4 电机悬挂对轮轨相互作用的影响

同样由于直线电机特殊的悬挂结构也必将对轮轨相互作用带来一定的影响。本节也采用与上一节类似的方法对比直线电机转向架与等效电机转向架对轮轨相互作用的影响，以此来初步揭示直线电机悬挂结构对轮轨相互作用的影响。在不计直线电机法向力时，直线电机转向架产生的垂向力略大于等效转向架，横向力则小于等效转向架，结果如图5(a)和图5(b)所示。

图5 (a)轮轨垂向力时间历程

图5 (b)轮轴横向力时间历程

进一步对比轮轨力频谱图图6(a)和图6(b)，可以看到直线电机转向架的轮轨垂向力在30～50 Hz区间要显著大于等效转向架，而轮轴横向力二者基本相同，说明直线电机悬挂系统的垂向振动对轮轨垂向力有较大影响。另外从以上图中也可以发现速度对轮轨垂向力有较大影响，而对轮轴横向力的影响不大，其低频部分较大的幅值主要是由于线路不平顺形成的车轴对中运行所引起的。

5 电机悬挂结构对轮轨激励传递影响

直线电机转向架特殊的悬挂结构可能也会对轮轨激励向构架和车体的传递造成一定影响。本节在轮轨接触点处施加激励，分别计算直线电机转向架和等效转向架垂向与横向的位移响应，如图7(a)、7 (b)所示。从图中可以看出直线电机转向架与等效转向架对构架和车体的垂向传递函数基本是重合的，说明直线电机悬挂系统对轮轨激励的传递基本没有影响；而直线电机转向架与等效转向架车体和构架对于轮轨激励的横向响应却出现了一定程度的差异，具体表现为在2～9Hz频率范围内直线电机转向架车体和构架的横向位移响应要大于等效转向架，9～50 Hz频率范围内直线电机转向架车体和构架的横向位移小于等效转向架，说明电机悬挂结构在2～50 Hz频率范围内对轮轨激励的传递有一定影响。

图6 (a)轮轨垂向力频谱图

图6 (b)轮轴横向力频谱图

6 结语

本文通过对直线电机地铁车辆电机悬挂系统振动特性及其对转向架振动轮轨相互作用力及轮轨激励的传递特性的研究得出如下结论：

（1）电机悬挂系统的横向与垂向之间存在一定程度的耦合振动，并且横向与垂向振动加速度幅值相等。

（2）直线电机构架的振动水平显著高于等效转向架，在涉及直线电机悬挂振动的频率点，直线电机转向架比等效电机转向架的振动幅值大很多，且直线电机悬挂对转向架30 Hz以下的振动影响不太大，对30～50 Hz频率范围的振动有较大的影响。

（3）电机悬挂对轮轨垂向力的影响较大，且其频率不随速度的变化而变化，而其对车轴横向力的影响较小。

图7 (a)垂向传递函数比较

图7 (b)横向传递函数比较

（4）电机悬挂结构对轮轨激励的垂向传递基本没有什么影响，但对轮轨激励的横向传递有一定影响。

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Analysis of Vibration Characteristics of Linear Motor Suspension of Metro Vehicles

LIU Wei,MA Wei-hua,LUO Shi-hui,WANG Chen,LI Xiao-long

(Traction Power State Key Laboratory,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China)

Since the suspension system of linear motors of Metro vehicles has a special structure form,its vibration characteristics are different from those of the traditional motor suspension structures.In this article,the method for linear motor’s positioning was introduced,and the vibration characteristics of the suspension system were analyzed.Then,the influence of the suspension structure on the bogie’s vibration characteristics and wheel-rail interaction was studied.The result showed that the vertical vibration and the lateral vibration of the linear motor are coupled mutually,and the positioning structure of the linear motors has a great impact on the bogie’s vibration and wheel-rail interaction.

vibration and wave;linear motor;wheel/rail vertical force;wheelset horizontal force

U260.331+.5

A

10.3969/j.issn.1006-1335.2014.01.029

1006-1355(2014)01-0128-04

2013-12-12

国家自然科学基金青年科学基金资助项目(51005190)；教育部新世纪优秀人才支持计划项目(NCET-11-0712)和西南交通大学2012年科技创新项目、牵引动力实验室开放课题（TPL1201）

刘韦(1984-)，男，山西阳泉人，在读博士研究生，从事机车车辆动力学研究。

罗世辉，男，教授、博士生导师。

E-mail:shluo@home.sw jtu.edu.cn