城轨牵引电机弹性安装模态分析

崔斯柳

（中车株洲电机有限公司，湖南 株洲 412001）

城轨牵引电机弹性安装模态分析

崔斯柳

（中车株洲电机有限公司，湖南 株洲 412001）

城轨牵引电机与转向架安装形式一般分为刚性安装和弹性安装。刚性安装接口一般用于常规的A、B型车。伴随着城市轨道交通发展，特别是低地板车辆的出现，牵引电机弹性安装形式到了广泛应用。文章通过Ansys-Workbench软件对弹性安装形式的牵引电机进行模态计算，并对比电机在刚性安装及弹性安装下的差异。

牵引电机；模态分析；有限元；弹性安装；刚性安装

城轨牵引电机与转向架的安装一般分为弹性安装及刚性安装2种形式。刚性安装形式常见于最高运行速度为80～100km/h的A、B型车辆，较为普及。弹性安装形式常见于最高运行速度为100～120km/h的地铁车辆或低地板车辆上。相比刚性安装形式，牵引电机采用弹性安装可以降低车辆运行时线路带来的振动频率从而提高机械部件的使用寿命，但安装工艺相对复杂。由于安装刚度的降低增加了振动位移。

牵引电机模态计算，可以确认不同结构下的设计刚度，也可以得到该结构下的传递函数，用于后续牵引电机的随机振动、疲劳寿命及振动噪声、电磁噪声等一系列的分析。

1 牵引电机弹性安装形式

牵引电机弹性安装形式常见于2类：弹性球绞形式安装；弹性单元形式安装。

（1）弹性球绞安装。弹性球绞种类较多，但结构大体相同。一般由芯轴、外套和橡胶层组成，如图1所示。弹性球绞通过过盈配合的形式安装在牵引电机上，如图2所示。

图1 弹性球绞

图2 弹性球绞安装形式

（2）弹性单元安装。相比弹性球绞安装形式，弹性单元安装形式一般用于低地板电机上，采用4点悬挂。如图3、图4所示。

图3 弹性单元安装形式

2 牵引电机模态计算

文章采用Ansys-Workbench针对弹性单元形式的安装结构进行计算分析。

牵引电机三维模型如图5所示。

图5 牵引电机三维模型

2.1 分析过程及假设

（1）对于模态分析，振动频率ωi和模态φi是根据下列方程得到的：

并假设，刚度矩阵［K］和质量矩阵［M］不变；材料特性为线弹性的；利用最小位移理论，不包括非线性；不存在阻尼矩阵［C］；不存在外部激振力［F］。

此处模态{φi}是相对值，而非绝对值，也就是说计算得到的形变量形变趋势是可以参考的但位移值并非真实值。

（2）在Ansys软件中，模态分析不存在非线性接触，仅存在“Bonded”（绑定）、“No Separation”（不分离）和“Free”（自由）三类接触。

（3）材料属性中弹性模量、泊松比和密度是必要的。

（4）在模态计算中考虑重力影响，因此采用有预应力的模态分析。

2.2 模型的处理

在模型处理方面主要考虑模型简化、弹性单元的处理、接触以及材料的等效。

（1）弹性关节。在分析中，弹性关节将等效为弹簧单元。弹簧刚度通过橡胶单元试验获取。位移——负载试验数据如表1所示。

表1 弹性单元位移-负载曲线

（2）转子部分处理。转子部分相对端盖刚度较高，可以采用质量点代替，如图6所示。

图6 转子采用质量点代替

（3）定子冲片处理。电机定子冲片采用0.5mm硅钢片叠压而成，在计算中需要考虑从叠片结构带来的弹性模量变化，轴向方向与径向弹性模量不同。

（4）端盖部分。端盖部分需要考虑螺栓预紧带来的刚度变化，如图7所示。

图7 端盖螺栓预紧力

2.3 仿真计算结果

（1）弹性安装计算结果。具体如表2和图8、图9、图10所示。

表2 弹性安装计算频率

图8 1阶振型 径向变形（Z方向）

图9 2阶振型 轴向（X方向）

图10 3阶振型 径向（Y+Z仿真）

（2）刚性安装。具体如表3和图11、图12、图13所示。

表3 刚性安装计算频率

图11 1阶振型 径向变形（Z方向）

图12 2阶振型 轴向（X方向）

图13 3阶振型 径向（Y+Z仿真）

2.4 试验方案及对比

（1）试验原理及方法。试验采用力锤法。试验流程如图14所示，机座采用铸铁制成。在机座底端固定到支架上，支架保证足够的刚度。

图14 试验流程图

（2）试验结论。弹性安装工况如表4所示。

表4 弹性安仿真及试验对比

前3阶振型如图15所示。

图15 弹性安装前3阶试验振型

刚性安装工况如表5所示。

表5 刚性安仿真及试验对比

前3阶振型如图16所示。

图16 刚性安装前3阶试验振型

3 结论

较刚性安装形式，弹性安装整体刚度下降，前2阶频率降低较明显。每种工况2阶计算与试验值相比差异较大，主要原因为2阶为轴向振动，硅钢片轴向弹性模量取值与定子叠压力、叠压系数及焊接应力等因素有关，准确的数据需要一定的试验验证获得。

模态计算的准确性将影响后续计算（噪声、振动分析）结果。牵引电机模态计算准确与否与模型处理、材料属性（特别是硅钢片）及接触刚度关系较大。

［1］袁安富，陈俊.ANSYS在模态分析中的应用［J］.中国制造业信息化，2007，（11）.

［2］陈永校，诸自强，应善成.电机噪声的分析和控制［M］.杭州：浙江大学出版社，1987.

［3］陈世坤，电机设计［M］.北京：机械工程出版社，2000.

［4］Wang H.The Vibration Modes of Thick Cylinders and the Influence of Lamination［D］.PhD Thesis,University of Saskatchewan，Sasktoon，Canada，1995.

［5］刘国庆，杨庆东.Ansys工程应用教程［M］.北京：中国铁道出版社，2003.

［6］付增，张建，高军.SR电机的定子模态分析［J］.山东理工大学学报. 2008，22（2）.

［7］FU-Zeng，Zhang-Jian，Gao-Jun.Analysis of the statormode frequencies of the switched reluctancemotor［J］.Journal Of Shan Dong University Of Tchnology，2008，22（2）.

M odal Analysis of the Traction M otor in Flexible Installation

CUI Si-liu
（CRRC Zhuzhou Electric Co.，Ltd.，Zhuzhou，Hunan 412001，China）

The installation formsofcity rail tractionmotorsand bogiesare generally divided into rigid installation and flexible installation.Rigid installation isgenerally used in conventional A and B vehicles.With the developmentofurban rail transitespecially the emergence of low floor vehicles the flexible installation hasbeen widely used.The paper analyzes themodalofmotor by Ansys-Workbench and compares the differencebetween the twoworking conditions.

tractionmotor；modalanalysis；finite element；flexible installation；rigid installation

U264.1

A

2095-980X（2017）05-0056-03

2017-04-15

崔斯柳（1983-），男，硕士，主要研究方向：牵引电机设计。