采用永磁直驱技术的客运电力机车轮对设计分析

姚 银，李 前，张志和，马呈祥

（中车大同电力机车有限公司 研究院，山西大同 037038）

20世纪90年代开始，以德国西门子公司、法国阿尔斯通公司、捷克斯柯达公司和日本川崎重工公司为代表的研究机构，开展了永磁同步系统的理论研究，探索永磁同步牵引系统在轨道交通上应用的可能性及实现直驱的可行性，随后，陆续有试验产品出现并进行装车考核，主要应用在动车、地铁等领域。

目前随着高性能永磁材料技术的发展和产业的深入，永磁电机技术和产品从基础研究阶段正在向大功率、适用型、宽范围和多领域方向发展。近几年来，国内轨道交通行业在城市轨道交通领域已经研制出了采用小功率永磁驱动的整车样机，但目前大功率永磁直驱技术的机车还是空白[1]。

2017年中车大同电力机车有限公司开始研发轴重21 t、最高运营速度160 km/h、轴功率1 200 kW的永磁直驱客运电力机车，已完成了大功率永磁直驱技术的机车成功研发和试制，目前正处于试验阶段。该机车相比既有机车转向架的变化及创新点主要为轮对驱动系统采用永磁直驱技术，其结构无牵引齿轮、齿轮箱等传动部件，具有减重、降噪、提高效率、免维护、寿命长、无污染等优点。但因牵引电机体积和输出扭矩的大幅增大，对轮对部件的结构设计、选材及强度具有较大的难点和挑战[2]。

针对采用永磁直驱大功率客运电力机车技术的轮对部分车轮、车轴的结构设计、选材提出了设计理念和思路，重点对车轮、车轴强度校核分析和注意事项进行了阐述。

1 采用永磁直驱技术客运机车轮对的结构特点

轮对主要由车轮和车轴组成，而轮对的结构与采用的驱动系统息息相关。国内同等级的电力机车轮轴驱动系统与轮对之间采用空心轴六连杆传动机构及牵引齿轮传动，该传动机构技术成熟、可靠，但不足之处是结构复杂、质量较大。中车大同电力机车有限公司研发的采用永磁直驱技术客运电力机车驱动结构由牵引电机输出的转矩通过新型挠性板联轴器直接传递到车轮上，其结构如图1所示。

采用永磁直驱技术轮对的特点主要体现在：①牵引电机质量有所增加，但取消牵引齿轮、齿轮箱等部件后整体质量减少约3%；②提高了牵引系统的传动效率；

③降低噪声；④结构简化，减小维护工作量；⑤免装齿轮油，减少了环境污染。

图1 永磁直驱轮对结构简图

2 采用永磁直驱技术客运机车轮对结构设计及材料选择思考

2.1 结构设计思考

如图1所示，牵引电机采用架悬方式，轮对主要有车轮和车轴组成，车轮和车轴通过冷压或注油压装方式过盈装配在一起。在标准轨距情况下，车轮内侧距是固定值，轮对其他结构尺寸应充分考虑与联轴器、直驱电机、制动盘安装接口，相关部件运动状态下的空间尺寸及强度要求，车轮和车轴结构设计所考虑事项具体如下所述。

车轮的结构设计按照目前机车车辆发展趋势应采用整体辗钢车轮，其中车轮辐板结构型式一方面考虑采用基础制动方式的匹配性，另一方面应着重考虑强度。采用轮装盘制动方式时，车轮辐板只能做成直的；采用踏面制动时，车轮辐板可以根据空间及强度需要选择异型或直辐板。此外，为减小机车运行时轮轨间的动作用力，车轮辐板结构在保证强度的同时应具有一定的弹性。车轮轮毂结构设计主要考虑与车轴的连接接口及连接强度。车轮轮缘及踏面的选型直接影响机车动力学性能，其形状和尺寸应根据各国铁路轨道实际情况确定[3]。

车轴结构设计应按标准EN 13104。轮座直径及配合长度的选定在考虑车轮强度的同时，还应考虑传递负载所需的结合力是否满足；轴身尺寸的选定应考虑联轴器动态运动空间和车轴本身的受力变形空间，以及轴身强度。另外，应重点对轴颈、轮座以及卸荷槽部位进行强化设计；可对卸荷槽采取强化滚压措施，来改善表面光洁度、增加表面压应力，以提高车轴的疲劳强度。

该机车轮对设计经综合考虑，因整车采用轮盘制动方式，车轮采用直辐板结构，并在辐板上设置制动盘安装位置，其中一侧车轮需要与联轴器连接以传递牵引电机输出扭矩，故在轮毂侧辐板上设计4个安装孔。车轴采用实心结构，主要有轴颈、轮座和轴身组成，各连接圆弧及尺寸符合标准EN 13104要求。轮对主要尺寸选用：轮径1 250 mm；轮座直径228 mm；轮毂宽200 mm；轴身直径188 mm。

2.2 材料选择思考

车轮的材料选择，既要考虑材料强度和耐磨性，又要考虑材料韧性。合适的材料强度既要满足动、静应力条件下不发生破坏，又要满足车轮耐磨性的需要，还要具备合适的韧性，降低裂纹敏感性。该机车车轮材料的选择，根据现有和谐机车车轮应用情况，综合考虑选择符合标准TJ/JW 038-2014《交流传动机车车轮暂行技术条件》规定的R8T或ER8材质[4-5]。

车轴的材料选择应根据机车轴重、速度、运营条件、结构需要、制造工艺和成本等综合考虑进行恰当选材。通常选用经过精炼和真空脱气处理的中碳钢作为车轴材料，比较经济适用。针对该客运机车，考虑轴身与挠性板联轴器运动空间的需要和保证客车优良的动力学性能，车轴质量不宜过大等情况，再结合现有客运机车车轴材料运用情况，综合考虑采用符合标准TJ/JW 037-2014《交流传动机车车轴暂行技术条件》材质牌号为EA4T合金钢车轴材料。

3 采用永磁直驱技术客运机车车轮、车轴强度校核

车轮和车轴作为轮对乃至机车走行部的关键部件，其结构设计以及材料的选取尤为重要。车轮、车轴材质及结构确定后，应首先利用有限元对车轮进行强度校核和结构优化，以得到最优的设计结构。针对永磁直驱客运电力机车，车轮、车轴计算方法、计算参数及强度校核如下所述。

3.1 计算方法及计算参数

车轮强度校核是按照标准UIC 510-5所规定的计算载荷和工况，利用ANASYS Workbench校核车轮静强度和疲劳强度；车轴强度校核是按照标准EN 13104要求，利用Microsoft excel编制相关计算程序，选取具有代表性的截面以校核车轴疲劳强度能否满足要求[6]。车轮、车轴所需的计算参数如表1所示。

表1 永磁直驱客运机车车轮、车轴基本计算参数

3.2 车轮强度校核

永磁直驱车轮分析模型见图2所示，根据车轮结构特点，车轮加载截面如图3所示，车轮计算截面轮轨力作用位置如图4所示。

依据标准UIC 510-5所提供的方法，分别计算超常载荷工况和常规载荷工况。常规载荷工况又分为直线工况、曲线工况和道岔工况。各工况中均包含角速度以及轮轴压装过盈造成的影响[7]。

永磁直驱机车主动车轮在运行过程中，传动销承受总周向驱动力F1。FS为机车启动牵引力（每轴）、r为车轮半径、d为传动销孔到轮中心距离。车轮总周向驱动力：F1=(FS×r)/d=147.8 kN，4个传动销均分。

图2 永磁直驱车轮分析模型

图3 车轮加载截面

图4 车轮计算截面轮轨力作用位置

经计算，超常工况下截面2处施加载荷辐板的等效应力最大，其大小为184.93 MPa，截面3处施加载荷轮毂的等效应力最大，其大小为236.5 MPa。直线工况下截面8处施加载荷辐板的等效应力最大，其大小为158.93 MPa，截面3处施加载荷轮毂的等效应力最大，其大小为202.8 MPa。曲线工况下截面2处施加载荷辐板的等效应力最大，其大小为177.37 MPa，截面3处施加载荷轮毂的最大等效应力为228.06 MPa。道岔工况下截面8处施加载荷辐板的等效应力最大，大小为155.57 MPa，截面2处施加载荷轮毂的等效应力最大，大小为195.73 MPa。

表2 各计算工况载荷情况

综合上述工况，辐板的最大等效应力为184.93 MPa，最大等效应力出现在销孔处，这是因为传动销与车轮之间是过盈装配，传动销与车轮销孔接触产生边缘效应，会有一定的应力集中。轮毂的最大等效应力为236.5 MPa，最大等效应力出现在轮毂内侧，因为车轴与车轮之间是过盈装配，车轴与车轮轮毂接触产生边缘效应，也会有一定的应力集中。

永磁直驱车轮材料为R8T，屈服极限为350 MPa，辐板的最大等效应力为184.93 MPa，辐板安全系数为1.89，轮毂的最大等效应力为236.5 MPa，辐板安全系数为1.48。

UIC 510-5标准规定，车轮辐板各点的动应力范围不大于360 MPa。经计算，永磁直驱车轮辐板动应力范围最大为246.78 MPa，疲劳安全系数1.46，车轮轮毂动应力范围最大为161.56 MPa，疲劳安全系数2.23。

该车轮相比既有机车车轮强度校核，除了辐板和轮毂外，还重点关注了车轮辐板处传动销处应力情况，从计算结果看辐板处最大等效应力确实出现在销孔处，故在车轮设计时应着重考虑传动销孔大小、位置的选取，所选位置应避开辐板应力相对集中区域，加工制造时传动销孔边缘应倒圆钝化处理。

3.3 车轴强度校核

机车在运行中车轴受力如图5所示。P1表示作用于负载较大的轴颈的垂直力；P2表示作用于负载较小的轴颈的垂直力；Y1表示与负载较大的轴颈侧轨道垂直的车轮/轨道水平力；Y2表示与负载较小的轴颈侧轨道垂直的车轮/轨道水平力；H表示平衡力Y1和Y1的力；Q1表示负载较大的轴颈侧车轮上的垂直反作用力；Q2表示负载较小的轴颈侧车轮上的垂直反作用力[8]。

表3 各工况下车轮对应的最大等效应力 MPa

根据以往对车轴强度校核分析得知，车轴在制动工况较起动工况受力恶劣，所以仅计算制动工况状态。制动工况下弹簧上质量产生的力，计算结果如表4所示。

图5 车轴受力示意图

表4 弹簧上质量产生的力 kN

永磁直驱机车采用双侧轮装盘制动，通过合力矩MR计算车轴每个截面的应力，计算公式为：MR=，式中，MX、MY和MZ是由运行中车轴的承载和制动引起的各种力矩分量之和。永磁直驱机车车轴计算截面如图6所示，表5中y为轴颈负载面到弯矩截面的距离。

直径为d的任一车轴截面，应力其中k为疲劳应力集中系数。制动工况下车轴各截面计算结果如表5所示。

图6 车轴计算截面

表5 制动工况下车轴各截面计算结果

标准规定安全裕量大于1即可，但需根据经验确保各截面安全裕量留有一定余量。一般情况下截面3位置处安全裕量相对最小，也是车轴应力相对集中和易发生疲劳位置，根据经验计算后安全裕量建议大于1.2。如表5所示，永磁直驱客运机车车轴截面3处安全裕量为处1.36，安全裕量足够。因轴身直径受到接口限制，截面5处（轮座附近）最大应力136.86 MPa，安全裕量为1.22，是该车轴安全裕量最低点，在车轴加工制造和试验时需重点关注。

4 结束语

研究和搭建采用永磁直驱技术的客运机车技术平台对于节能高效的铁路技术领域意义重大，也对我国大功率永磁直驱驱动技术的发展具有重要引领意义，后续发展潜力较大。文中对中车大同公司研发的永磁直驱客运电力机车轮对设计从结构特点、车轮车轴结构设计和材料选择思考以及强度校核进行了分析。经计算分析，车轮、车轴强度满足相关标准要求。该采用永磁直驱技术客运机车轮对的研制，可促进永磁技术向大功率、高转速、大转矩和智能化方向发展，对后续采用永磁直驱技术轮对设计和研究有一定的参考意义。