新型永磁直驅(qū)式柔性構(gòu)架轉(zhuǎn)向架研究①

漆 暉， 孫繼武， 伍智敏

(同濟(jì)大學(xué)鐵道與城市軌道交通研究院，上海201804)

1 柔性構(gòu)架轉(zhuǎn)向架現(xiàn)狀

構(gòu)架作為轉(zhuǎn)向架的關(guān)鍵部件，其性能直接影響到列車運(yùn)行的安全穩(wěn)定性．柔性構(gòu)架轉(zhuǎn)向架是近些年出現(xiàn)的一種新型結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)向架，目前多用于城市軌道交通車輛的直線電機(jī)轉(zhuǎn)向架．直線電機(jī)通常懸掛于構(gòu)架，為了保證電機(jī)與感應(yīng)板之間的氣隙，通常設(shè)置很大的一系垂向剛度，因此必須采用柔性構(gòu)架來適應(yīng)緩和曲線的扭曲．

北京機(jī)場(chǎng)線采用的直線電機(jī)轉(zhuǎn)向架MKII是一種具有迫導(dǎo)向功能的柔性構(gòu)架轉(zhuǎn)向架，它主要由輪對(duì)內(nèi)置式軸箱、車軛連接裝置、柔性構(gòu)架、迫導(dǎo)向機(jī)構(gòu)裝置、線性電機(jī)等組成[1]．MKII轉(zhuǎn)向架的構(gòu)架包括兩個(gè)側(cè)梁和一個(gè)橫梁，側(cè)梁與橫梁剛性連結(jié)．由于沒有一系垂向懸掛，構(gòu)架必須具有一定扭轉(zhuǎn)的柔性，以適應(yīng)軌道在緩和曲線上超高的變化，因此MKII轉(zhuǎn)向架的橫梁并沒有采用封閉的箱形斷面，而是采用開口的工字形斷面，使用高強(qiáng)度的鋼板焊接而成．文獻(xiàn)[2]設(shè)計(jì)的一種新型直線電機(jī)轉(zhuǎn)向架中也使用了柔性構(gòu)架．該轉(zhuǎn)向架采用無搖枕結(jié)構(gòu)，使用小直徑車輪和內(nèi)置式軸箱，電機(jī)構(gòu)架懸掛．為了保證電機(jī)氣隙，轉(zhuǎn)向架設(shè)置很大的一系垂向剛度．構(gòu)架由2個(gè)L型半構(gòu)架通過鉸接關(guān)節(jié)組成，構(gòu)架的柔性通過合理地設(shè)置鉸接關(guān)節(jié)的剛度來實(shí)現(xiàn)．Siemens的Syntegra永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架也采用了柔性構(gòu)架[3]．其驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用抱軸式永磁同步電機(jī)，電機(jī)的轉(zhuǎn)子與車軸固接在一起，直接驅(qū)動(dòng)輪對(duì)．它的構(gòu)架側(cè)梁與橫梁采用轉(zhuǎn)動(dòng)鉸連接，側(cè)梁相對(duì)橫梁可以繞Y軸(動(dòng)力學(xué)坐標(biāo)系)自由地轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)設(shè)置一系垂向鋼彈簧，因此能夠很好地適應(yīng)線路三角坑和順坡．

2 抱軸式永磁直驅(qū)柔性構(gòu)架轉(zhuǎn)向架

這種新型轉(zhuǎn)向架采用了永磁同步電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的牽引系統(tǒng)，取消了傳統(tǒng)的齒輪傳動(dòng)，使轉(zhuǎn)向架的軸距減小至1．6m，大大地減小了通過小半徑曲線的沖角和橫向作用力，輪軌磨耗也相應(yīng)減小，其設(shè)計(jì)方案見圖1．

轉(zhuǎn)向架采用構(gòu)架外置結(jié)構(gòu)，這樣留出整個(gè)輪對(duì)內(nèi)側(cè)空間，便于永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)和安裝．構(gòu)架外置的好處還在于可以利用現(xiàn)有的輪對(duì)和軸承結(jié)構(gòu)，便于安裝和維護(hù)．構(gòu)架的側(cè)梁為封閉的箱形結(jié)構(gòu)，呈U型(見圖2)．構(gòu)架的柔性主要由工字形的橫梁產(chǎn)生，橫梁采用工字梁結(jié)構(gòu)，并且在工字梁的中心位置開長孔，以減小扭轉(zhuǎn)剛度．在側(cè)梁和橫梁之間設(shè)置箱形結(jié)構(gòu)的輔助橫梁和輔助縱向梁．一系懸掛采用平板式橡膠彈簧，提供輪對(duì)的縱向和橫向定位剛度，并緩和垂向沖擊力．二系懸掛采用空氣彈簧，空氣彈簧設(shè)置于構(gòu)架側(cè)梁的中心位置，以減輕垂向偏載產(chǎn)生的構(gòu)架應(yīng)力．垂向減振器設(shè)置在側(cè)梁外側(cè)，橫向減振器和橫向止檔設(shè)置在輔助縱向梁上．抗側(cè)滾扭杠采用倒裝方式．緊湊型的基礎(chǔ)制動(dòng)裝置安裝在輔助橫向梁的下方．永磁電機(jī)采用抱軸式設(shè)計(jì)，前、后輪對(duì)上的電機(jī)外殼通過上、下布置的縱向拉桿連接，內(nèi)側(cè)電機(jī)的外殼通過上、下布置的牽引拉桿與車體連接．

圖1 抱軸式永磁同步電機(jī)柔性構(gòu)架轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)方案

圖2 柔性構(gòu)架的設(shè)計(jì)方案

3 柔性轉(zhuǎn)向架的動(dòng)力學(xué)性能分析

3．1 動(dòng)力學(xué)模型

采用Simpack軟件分析上述抱軸式永磁直驅(qū)柔性構(gòu)架轉(zhuǎn)向架的動(dòng)力學(xué)性能．在模型中，對(duì)柔性構(gòu)架進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理．由于柔性構(gòu)架的彈性主要由橫梁提供，側(cè)梁的剛度很大，因此將構(gòu)架的側(cè)梁作為剛體對(duì)待，左、右兩個(gè)側(cè)梁通過具有六個(gè)方向剛度的彈簧元件連接，以模擬構(gòu)架橫梁的柔性，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示．左、右側(cè)梁連接彈簧的X，Y，Z三個(gè)方向的線剛度和角剛度與構(gòu)架柔性的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示，表1同時(shí)給出了根據(jù)設(shè)計(jì)方案的柔性構(gòu)架的有限元模型，計(jì)算得到的柔性構(gòu)架在各個(gè)方向的剛度．

圖3 Simpack中柔性構(gòu)架轉(zhuǎn)向架的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

表1 柔性構(gòu)架的剛度

3．2 蛇行穩(wěn)定性

在初始參數(shù)(空車)條件下，車輛蛇行運(yùn)動(dòng)的臨界速度與踏面等效斜率的關(guān)系如圖4．可見，隨著踏面等效斜率的增加，臨界速度在下降，當(dāng)踏面等效斜率達(dá)到0．4時(shí)，臨界速度只有86km/h，這對(duì)城市軌道交通車輛而言，有些偏低．

圖4 臨界速度與踏面等效斜率的關(guān)系曲線

進(jìn)一步的仿真分析表明，柔性構(gòu)架的剛度參數(shù)中，只有X向線剛度(抗菱剛度)對(duì)臨界速度有影響．圖5實(shí)線給出了踏面等效斜率為0．05時(shí)臨界速度與抗菱剛度的關(guān)系，從圖中看出，臨界速度隨著抗菱剛度的增加而增加，當(dāng)抗菱剛度大于8MNm/rad時(shí)，曲線增長趨于平緩．圖5虛線給出了踏面等效斜率達(dá)到0．4時(shí)臨界速度與抗菱剛度的關(guān)系，從圖中看出，臨界速度隨著抗菱剛度的增加而增加，當(dāng)抗菱剛度達(dá)到9MNm/rad，臨界速度為101km/h(高于100km/h)，這對(duì)城市軌道交通車輛而言，較為合適．

圖5 臨界速度與抗菱剛度的關(guān)系曲線

圖6 EN14363試驗(yàn)所用的線路半徑和超高設(shè)置

圖7 脫軌系數(shù)與扭曲剛度

3．3 脫軌安全性

脫軌安全性按照EN14363規(guī)定的試驗(yàn)線路計(jì)算[4]．EN14363脫軌試驗(yàn)的曲線半徑為150m，線路扭曲部分位于等半徑曲線上，扭曲線路的變化梯度為3‰，線路扭曲通過改變外軌的高度來實(shí)現(xiàn)，試驗(yàn)車速不得超過10km/h．線路的半徑和超高設(shè)置見圖6．

圖8 輪重減載率與扭曲剛度

圖9 Sperling指標(biāo)隨速度的變化

圖10 Sperling指標(biāo)與抗菱剛度關(guān)系

在初始參數(shù)下車輛以9km/h的速度通過試驗(yàn)線路時(shí)的脫軌系數(shù)為0．78，導(dǎo)向輪的輪重減載率為0．19．根據(jù)歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN14363規(guī)范:如果輪緣角等于70°，計(jì)算所得的脫軌系數(shù)在任何地方都不允許超過1．2，導(dǎo)向輪的輪重減載率要小于0．6．所以在初始參數(shù)下，車輛的安全性滿足要求，不會(huì)發(fā)生脫軌．

進(jìn)一步仿真分析得出，柔性構(gòu)架參數(shù)中只有Y向角剛度(扭曲剛度)對(duì)脫軌系數(shù)和輪重減載率有影響，其中脫軌系數(shù)與扭曲剛度的關(guān)系如圖7所示，輪重減載率與扭曲剛度的關(guān)系如圖8所示．可見，脫軌系數(shù)、輪重減載率都隨著扭曲剛度的增加而增加，當(dāng)扭曲剛度為7MNm/rad時(shí)，輪重減載率達(dá)到0．6，當(dāng)扭曲剛度為10MNm/rad時(shí)，脫軌系數(shù)達(dá)到1．2，車輛有可能發(fā)生脫軌．因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡量減小柔性構(gòu)架的扭曲剛度．

3．4 運(yùn)行平穩(wěn)性

平穩(wěn)性計(jì)算選用美國五級(jí)軌道譜作為車輛系統(tǒng)的軌道激勵(lì)輸入．采用Sperling平穩(wěn)性指標(biāo)評(píng)估．

圖9給出了初始參數(shù)下車輛的Sperling平穩(wěn)性指標(biāo)隨速度的變化趨勢(shì)，可見，在120km/h內(nèi)，車輛的垂向Sperling平穩(wěn)性指標(biāo)都小于2．5，處于優(yōu)級(jí)范圍，橫向平穩(wěn)性指標(biāo)在85km/h內(nèi)處于優(yōu)級(jí)范圍，速度100km/h時(shí)超高了3．0，其橫向平穩(wěn)性需要進(jìn)一步優(yōu)化．

仿真分析表明，柔性構(gòu)架的抗菱剛度對(duì)橫向平穩(wěn)性有顯著影響．圖10給出了速度80km/h時(shí)，抗菱剛度與車輛平穩(wěn)性指標(biāo)的關(guān)系．可見，橫向平穩(wěn)性指標(biāo)隨著抗菱剛度的增加而減小，當(dāng)抗菱剛度大于3MNm/rad時(shí)，曲線變化較慢，當(dāng)抗菱剛度大于7MNm/rad時(shí)，橫向平穩(wěn)性指標(biāo)基本保持不變;而垂向平穩(wěn)性指標(biāo)基本不受抗菱剛度的影響．

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種新型的永磁直驅(qū)柔性構(gòu)架轉(zhuǎn)向架，構(gòu)架的柔性主要由工字形的橫梁提供．使用Simpack軟件建立了柔性構(gòu)架轉(zhuǎn)向架的動(dòng)力學(xué)模型，模型中將柔性構(gòu)架處理為采用多向彈簧連接的兩個(gè)側(cè)梁剛體．

仿真分析表明:柔性構(gòu)架的抗菱剛度對(duì)車輛穩(wěn)定性有明顯影響，臨界速度隨著抗菱剛度的增加而增加;柔性構(gòu)架的扭曲剛度對(duì)脫軌安全性有明顯影響，脫軌系數(shù)隨著扭曲剛度的增大而增大;柔性構(gòu)架的抗菱剛度對(duì)車輛橫向平穩(wěn)性影響較大，對(duì)垂向平穩(wěn)性沒有影響．

因此，為了滿足車輛的動(dòng)力學(xué)性能，柔性構(gòu)架的抗菱剛度應(yīng)盡量高些，而扭曲剛度應(yīng)該盡量低些．

[1] 趙洪倫．軌道車輛結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)[M]．北京:中國鐵道出版社，2009:96－98．

[2] 李言義．國內(nèi)外直線電機(jī)轉(zhuǎn)向架[J]．國外鐵道車輛，2009，46(3):21－23．

[3] 王渤洪．創(chuàng)新的直接傳動(dòng)動(dòng)力轉(zhuǎn)向架Syntegra[J]．機(jī)車電傳動(dòng)，2007(2):44－51．

[4] 陸冠東，徐榮華．線路扭曲與脫軌安全性分析方法介紹[J]．鐵道車輛，2008，46(7):1－4．