架悬式永磁直驱转向架的动力学性能研究

2023-11-10马晓光胡定祥

铁道机车车辆 2023年5期

马晓光，杨陈，肖遥，胡定祥

（中车南京浦镇车辆有限公司，南京 2100031）

随着中国城市化的发展逐渐由高速度向高质量转变，节能环保、安全高效已经成为轨道交通新的发展方向。永磁直驱列车具有能耗低、曲线通过能力强、运维成本低等优势［1-3］。张雄飞［4］介绍了国内外永磁电机直接驱动式转向架和直驱技术的发展情况，分析了转向架直驱技术的优缺点及其未来的发展趋势，为国内电机直驱转向架的发展提供参考。针对永磁同步直驱电机悬挂模式，罗湘萍等［5］建立了轨道交通车轮—轨道耦合系统的冲击力学分析模型，就永磁同步电机架悬直驱和轴悬直驱2 种技术模式进行了优劣性分析。原志强等［6］针对客运机车的大功率永磁直驱技术进行了研究，通过永磁直驱系统、适应永磁直驱技术的变流系统、应对反电势、应对电机失磁等关键技术的深入研究，完成了大功率永磁直驱客运机车的研制。

现有永磁直驱地铁列车采用抱轴式直驱结构，电机抱轴安装，车轴直接承载电机重量，簧下重量较大，轮轨冲击较大［7］。为减小簧下重量，实现低的轮轨磨耗及作用力，减小作用于电机的冲击，进一步优化轮轨关系［8-9］，研制全新的架悬式永磁直驱转向架。架悬式永磁直驱转向架采用小轴距、低转速大扭矩永磁直驱电机技术、“日”字箱型构架设计，挠性板式空心轴联轴节等关键技术。因此，需要开展动力学仿真分析，优化电机吊挂参数和转向架悬挂参数，研究电机架悬对曲线通过性能、运行平稳性、运行稳定性的影响规律，验证动力学性能是否达到标准和运营要求。

1 基本参数

根据“轻量化、系列化、平台化、紧凑化”的总体设计要求，架悬永磁直驱转向架在B 型地铁转向架成熟的研发、制造、试验验证标准体系的基础上，采用小轴距转向架布局，带端梁的H 型箱型结构和外置式制动单元，关键受力位置采用铸、锻件结构，以便同时满足接口及强度要求，如图1所示。

图1 车辆系统动力学模型

电机悬挂方式为架悬式，由3 个节点弹性吊挂于构架上，整体重量由簧下变为簧上。同时，采用空心轴弹性联轴节，用于适应转向架的一系位移。车辆的基本参数见表1。

表1 车辆基本参数

2 动力学模型建立

动力学分析采用SIMPACK 软件，建立了架悬式永磁直驱转向架车辆横向运动和垂向运动耦合的多体动力学模型。针对架悬永磁转向架的结构和地铁线路特点，其中架悬电机和联轴节，详细搭建了动力学非线性模型，计算线路覆盖了B 型地铁线路的最小曲线，轨道谱采用美国五级谱。同时，定义车辆的前进方向为x轴，y轴平行于轨道平面指向右方，z轴垂直轨道平面向下，车辆前进方向的第1 个轮对为一位轮对，如图2 所示。

图2 车辆系统动力学模型

架悬式永磁直驱车辆动力学模型由1 个车体、2 个构架、4 个轮对、8 个轴箱、4 个电机等刚体组成，车辆系统的的自由度数见表2，共计74 个自由度。

表2 车辆的自由度

3 电机吊挂参数优化

架悬型永磁牵引电机直驱转向架相比于传统异步电机驱动取消了齿轮箱，通过空心轴联轴节，将电机输出转矩直接传递到轮对，使得牵引传动系统结构更加紧凑的同时提高了传动效率。考虑到牵引电机采用三点吊挂架悬式方案，对电机横梁侧吊挂刚度和阻尼进行了交叉优化。

3.1 蛇行稳定性

运动稳定性如图3 所示，由图3 可知，新轮状态下（等效锥度0.1）电机吊挂横向刚度和电机减振器阻尼对蛇行失稳临界速度影响较小，磨耗轮状态下（等效锥度0.65），当电机吊挂横向刚度小于1 MN/m 时，随着电机吊挂横向刚度的增大，车辆的蛇行失稳临界速度先上升后下降；当电机吊挂横向刚度在0.4~0.5 MN/m 附近时，临界速度达到最高；随着电机减振器阻尼的增大，蛇行失稳临界速度逐渐提高；当电机吊挂横向刚度达到5 MN/m 以上时，电机吊挂横向刚度和阻尼对临界速度影响较小。

图3 运动稳定性

磨耗轮状态下，降低电机吊挂横向刚度、增大电机减振器阻尼有利于降低构架振动加速度；新轮状态下，增大电机减振器阻尼有利于降低电机振动加速度；磨耗轮状态下，随着电机吊挂横向刚度的增大，电机横向加速度和位移先增大后降低，电机振动处于峰值附近时，其对转向架蛇行运动的动力吸振效果更显著。

3.2 运行平稳性

新轮状态下横向平稳性、磨耗状态下横向平稳性、新轮状态下垂向平稳性、磨耗状态下垂向平稳性如图4~图7 所示，由图4 和图6 可知，新轮状态下电机吊挂刚度和阻尼对车辆运行平稳性影响较小；磨耗轮状态下（图5 和图7）当电机吊挂横向刚度小于1 MN/m 时，随着电机吊挂横向刚度的增大，车辆横向平稳性指标先增大后趋于平缓，且无电机横向减振器情况下，车辆横向平稳性指标显著恶化。但当电机吊挂横向刚度大于5 MN/m 时，电机吊挂横向刚度和阻尼对车辆运行平稳性影响较小。

图4 新轮状态下横向平稳性

图5 磨耗轮状态下横向平稳性

图6 新轮状态下垂向平稳性

图7 磨耗轮状态下垂向平稳性

3.3 安全性

安全性性能如图8 所示，由图8 可知，新轮状态下电机吊挂刚度对车辆运行安全性指标影响较小。磨耗轮状态下，当电机吊挂横向刚度小于1 MN/m 时，随着电机吊挂横向刚度的增大，轮轴横向力、脱轨系数和轮重减载率先增大后趋于平缓，且无电机横向减振器情况下，车辆运行安全性指标显著恶化。但当电机吊挂横向刚度大于5 MN/m 时，电机吊挂横向刚度和阻尼对运行安全性指标影响较小。

图8 安全性性能

电机节点性能参数见表3，考虑实际情况中橡胶节点制造及老化等因素，橡胶簧刚度在±20%范围内均需要保证足够的动力学性能，同时为了保证磨耗后车辆的蛇行失稳临界速度高于运行速度，采用表3 所示的较大横向刚度的电机吊挂参数。较大的横向刚度，可以减少电机与构架之间的横向位移，降低对弹性联轴节的适应变位能力。

表3 电机节点性能参数

4 车辆动力学性能分析

利用动力学模型对架悬式永磁直驱转向架进行动力学参数优化分析，得到了该型转向架的最优悬挂参数和电机吊挂参数，基于优化参数对该型转向架进行动力学性能预测分析，考核不同运行条件下车辆系统的运行稳定性、安全性和平稳性的影响规律。

4.1 运行平稳性

依据标准GB/T 5599-2019［10］，利用美国五级谱作为外部激励，对车辆在直线上的动力学性能进行计算。不同运行速度对平稳性的影响如图9所示，图9 表明，分别采用新轮和磨耗轮的车辆在各载重工况下横向和垂向平稳性指标均小于2.5，达到GB/T 5599-2019 规定的优级要求。悬挂故障下速度对横向平稳性的影响，悬挂故障下速度对垂向平稳性的影响，如图10、图11 所示，图10、图11 中通过将悬挂正常与故障对比发现，运行速度增大时，二系的垂向和横向减振器故障时，分别对垂向和横向平稳性的影响比较明显，而其余故障工况的平稳性指标值则缓慢增大。

图9 不同运行速度对平稳性的影响

图10 悬挂故障下速度对横向平稳性的影响

图11 悬挂故障下速度对垂向平稳性的影响

4.2 安全性

运行速度对脱轨系数的影响，运行速度对安全性指标的影响，如图12、图13 所示。由图12、图13可知，列车的脱轨系数在各工况下均小于0.8，轮重减载率和轮轴横向力均在标准要求范围内。悬挂故障对轮轴横向力的影响，悬挂故障对脱轨系数的影响，悬挂故障对轮重减载率的影响，如图14~图16 所示，故障工况时，二系横向减振器相对其他故障工况对安全性指标的影响较大，结合安全性指标，需要降速至60 km/h 运行。

图12 运行速度对脱轨系数的影响

图13 运行速度对安全性指标的影响

图14 悬挂故障对轮轴横向力的影响

图15 悬挂故障对脱轨系数的影响

图16 悬挂故障对轮重减载率的影响

图17 不同载荷和车轮踏面情况下的临界速度

4.3 蛇行稳定性

计算车辆在各载荷工况下的临界速度，如图17 所示，可知在轮轨等效锥度达到0.65 时，临界速度仍达到90 km/h，满足车辆运营速度80 km/h 的运用要求。运行速度对构架端部横向加速度峰值的影响、运行速度对构架端部横向加速度均方根的影响如图18、图19 所示。由图18、图19 可知，随着运行速度增长，构架端部横向加速度峰值和均方根值均缓慢增长，但最大值分别小于8 m/s2和5.5 m/s2，满足标准要求。悬挂故障对蛇行失稳临界速度的影响如图20 所示，由图20 可知不同悬挂故障工况下的实际临界速度均超过80 km/h（按1 mm 极限环幅判断），能够满足80 km/h 的运营要求。

图18 运行速度对构架端部横向加速度峰值的影响

图19 运行速度对构架端部横向加速度均方根的影响

图20 悬挂故障对蛇行失稳临界速度的影响

4.4 柔度系数

根据标准UIC 505-5［11］对柔性系数S的定义，当车辆静止在超高为D（文中最大120 mm）的轨道上时，轨道走行面与水平面之间产生夹角δ，车体中心线与轨道中心线之间由于悬挂的作用产生夹角η，2 个角度的比值η/δ为车辆柔性系数，用S来表示。车辆柔度系数见表4，根据标准对不同载荷下的柔度系数进行计算，柔度系数符合标准限值0.4，且安全裕量较大。