直線電機地鐵車輛懸掛的振動研究

劉韋，馬衛(wèi)華，羅世輝，王晨，李曉龍

（西南交通大學牽引動力國家重點實驗室，成都610031）

直線電機地鐵車輛懸掛的振動研究

劉韋，馬衛(wèi)華，羅世輝，王晨，李曉龍

（西南交通大學牽引動力國家重點實驗室，成都610031）

由于直線電機地鐵車輛電機懸掛具有特殊的結(jié)構(gòu)形式，因此其振動特性也具有不同于傳統(tǒng)電機懸掛車輛的特點。為了研究直線電機地鐵車輛的振動特性，從結(jié)構(gòu)上分析直線電機的定位方式，并對其振動特性進行分析，然后分別研究在未計直線電機法向力的情況下直線電機懸掛結(jié)構(gòu)對轉(zhuǎn)向架振動特性、輪軌相互作用及輪軌激勵傳遞特性的影響。研究結(jié)果表明：直線電機的垂向振動和橫向振動存在一定程度的耦合，且直線電機定位結(jié)構(gòu)對轉(zhuǎn)向架的振動和輪軌關(guān)系都具有極大的影響。

振動與波；直線電機；輪軌垂向力；車輪橫向力

直線電機被認為是最有前途的非粘著力直線驅(qū)動動力裝置，并成功應用于磁懸浮和城市軌道交通中。直線電機地鐵車輛因其具有非粘著驅(qū)動，爬坡能力強；可降低車輛高度，減小隧道斷面高度；自動對中能力強，可實現(xiàn)小半徑曲線通過要求等特點而越來越受到各國青睞，如溫哥華、東京、大阪、多倫多和廣州等城市就采用了此交通方式。由于直線電機的定位方式與傳統(tǒng)車輛旋轉(zhuǎn)電機的定位方式有很大不同，因此其振動特性及其對整車動力學的影響也有著與傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機不同的特點。本文建立了直線電機地鐵車輛的多體動力學模型，研究了該地鐵車輛直線電機懸掛結(jié)構(gòu)的振動特點，并重點考察了該電機懸掛結(jié)構(gòu)對轉(zhuǎn)向架振動特性、輪軌相互作用和輪軌激勵的傳遞特性的影響。

1 直線電機的定位方式

傳統(tǒng)地鐵車輛的電機是固定于構(gòu)架的，三向定位均以構(gòu)架為基礎(chǔ)，齒輪箱的三向定位則以輪對為基礎(chǔ)，因此在電機與齒輪箱之間采用聯(lián)軸器來實現(xiàn)電機與齒輪箱之間的3向定位解耦來適應輪對與構(gòu)架之間的相對運動。而本地鐵車輛的驅(qū)動裝置為直線電機，在車輛運行中應盡量保持直線電機相對于軌道反應板的垂向移動量較小，而從提高車輛舒適性的角度又要求轉(zhuǎn)向架構(gòu)架具有一定的沉浮量，為了解決這一矛盾，該車輛采用了如下解決方案，如圖1所示。該方案同時以輪對和構(gòu)架作為驅(qū)動電機的定位基礎(chǔ)，在左右軸箱間設(shè)置均衡梁，均衡梁通過橡膠節(jié)點支承于軸箱上，該橡膠節(jié)點不是轉(zhuǎn)向架一系定位橡膠節(jié)點，它具有較大的垂向剛度，并且可以根據(jù)車輪的磨耗情況調(diào)整其高度，使直線電機與軌道反應板保持額定的高度。直線電機本身則通過多根垂向吊桿吊掛在一個轉(zhuǎn)向架的前后兩根均衡梁上，同時為了限制直線電機的橫向擺動，在電機與構(gòu)架間又設(shè)置了兩根橫向支承桿，為傳遞牽引力在直線電機中軸線位置設(shè)置了一根具有一定長度的牽引拉桿，使得牽引力可以從電機直接傳遞到構(gòu)架，換言之牽引力的傳遞與傳統(tǒng)地鐵不同，在傳統(tǒng)地鐵轉(zhuǎn)向架中牽引力是通過軸箱一系定位傳遞到構(gòu)架的，因此一系定位的縱向剛度應滿足牽引的要求，但在本設(shè)計中一系定位不承擔傳遞牽引力的功能，不過仍舊應承擔傳遞制動力的功能。

圖1 直線電機定位圖

2 直線電機定位的振動特性分析

由于頻響函數(shù)可以反映系統(tǒng)的輸入與輸出之間的關(guān)系，反映系統(tǒng)的固有特性，因此本文在求解電機懸掛系統(tǒng)橫向及垂向共振頻率時采用頻響函數(shù)法，即分別在橫向及垂向?qū)ο到y(tǒng)輸入單位激勵頻率，考察系統(tǒng)在這兩個方向的響應，以此來確定直線電機懸掛系統(tǒng)的共振頻率，如圖2所示，圖中表明電機橫向振動共振頻率約為12.5 Hz，垂向振動共振頻率約為40 Hz，且二者的振動幅值相等。從圖2中也可以看出電機懸掛結(jié)構(gòu)的橫向與垂向之間是存在耦合振動的，即垂向激勵會引起電機的橫向振動，反之橫向激勵也會引起電機的垂向振動。

圖2 電機懸掛系統(tǒng)頻響函數(shù)圖

為了得到直線電機懸掛系統(tǒng)各部件的振動特性，將輪對與構(gòu)架固定，單獨計算直線電機懸掛系統(tǒng)各部件的振動頻率，通過特征根分析得到結(jié)果圖表1所示。

表1 直線電機特征振動表

3 電機懸掛結(jié)構(gòu)對轉(zhuǎn)向架振動的影響

由于直線電機懸掛的特殊懸掛結(jié)構(gòu)形式，其結(jié)構(gòu)的特殊性必將對轉(zhuǎn)向架的振動帶來一定的影響，為了更加精確的評估這種影響，本文將對比實際直線電機轉(zhuǎn)向架與等效轉(zhuǎn)向架（將直線電機的重量均勻分配到構(gòu)架上，等效為傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架電機固結(jié)于構(gòu)架上）的振動頻率與幅值。通過對構(gòu)架中心點的垂向與橫向振動加速度進行計算，得到其加速度時間歷程分別見圖3(a)和圖3(b)，可以看到不同速度下直線電機構(gòu)架的振動水平顯著高于等效轉(zhuǎn)向架，這說明直線電機懸掛結(jié)構(gòu)增加了轉(zhuǎn)向架的振動水平。

進一步比較二者的振動加速度幅頻響應，將圖3進行傅里葉變換得到的結(jié)果如圖4(a)和圖4(b)，從圖中可以看到在涉及直線電機懸掛振動的頻率點，直線電機轉(zhuǎn)向架比等效電機轉(zhuǎn)向架的振動幅值大很多。并且直線電機懸掛對轉(zhuǎn)向架30 Hz以下的振動影響不太大，對30～50 Hz頻率范圍的振動有較大的影響。從圖4中也可以清楚的看到直線電機的垂向振動對轉(zhuǎn)向架的垂向及橫向振動影響都很大，再次證明了圖2中直線電機橫向和垂向振動存在一定的耦合作用。由于前邊在分析直線電機的特征振動時是將構(gòu)架視為一個固定的基礎(chǔ)，因此計算得到的頻率與此處頻率有些差別。本文在計算轉(zhuǎn)向架振動時是在車輛惰行工況下考慮的，沒有考慮直線電機法向力引起的振動，可以預計在實際運用中，直線電機的垂向振動會更加顯著，其對轉(zhuǎn)向架的垂向及橫向振動也會相對傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架有較大幅度的增加。

圖3 (a)構(gòu)架垂向振動加速度時間歷程

圖3 (b)構(gòu)架橫向振動加速度時間歷程

圖4 (a)構(gòu)架垂向振動加速度頻譜圖

圖4 (b)構(gòu)架橫向振動加速度頻譜圖

4 電機懸掛對輪軌相互作用的影響

同樣由于直線電機特殊的懸掛結(jié)構(gòu)也必將對輪軌相互作用帶來一定的影響。本節(jié)也采用與上一節(jié)類似的方法對比直線電機轉(zhuǎn)向架與等效電機轉(zhuǎn)向架對輪軌相互作用的影響，以此來初步揭示直線電機懸掛結(jié)構(gòu)對輪軌相互作用的影響。在不計直線電機法向力時，直線電機轉(zhuǎn)向架產(chǎn)生的垂向力略大于等效轉(zhuǎn)向架，橫向力則小于等效轉(zhuǎn)向架，結(jié)果如圖5(a)和圖5(b)所示。

圖5 (a)輪軌垂向力時間歷程

圖5 (b)輪軸橫向力時間歷程

進一步對比輪軌力頻譜圖圖6(a)和圖6(b)，可以看到直線電機轉(zhuǎn)向架的輪軌垂向力在30～50 Hz區(qū)間要顯著大于等效轉(zhuǎn)向架，而輪軸橫向力二者基本相同，說明直線電機懸掛系統(tǒng)的垂向振動對輪軌垂向力有較大影響。另外從以上圖中也可以發(fā)現(xiàn)速度對輪軌垂向力有較大影響，而對輪軸橫向力的影響不大，其低頻部分較大的幅值主要是由于線路不平順形成的車軸對中運行所引起的。

5 電機懸掛結(jié)構(gòu)對輪軌激勵傳遞影響

直線電機轉(zhuǎn)向架特殊的懸掛結(jié)構(gòu)可能也會對輪軌激勵向構(gòu)架和車體的傳遞造成一定影響。本節(jié)在輪軌接觸點處施加激勵，分別計算直線電機轉(zhuǎn)向架和等效轉(zhuǎn)向架垂向與橫向的位移響應，如圖7(a)、7 (b)所示。從圖中可以看出直線電機轉(zhuǎn)向架與等效轉(zhuǎn)向架對構(gòu)架和車體的垂向傳遞函數(shù)基本是重合的，說明直線電機懸掛系統(tǒng)對輪軌激勵的傳遞基本沒有影響；而直線電機轉(zhuǎn)向架與等效轉(zhuǎn)向架車體和構(gòu)架對于輪軌激勵的橫向響應卻出現(xiàn)了一定程度的差異，具體表現(xiàn)為在2～9Hz頻率范圍內(nèi)直線電機轉(zhuǎn)向架車體和構(gòu)架的橫向位移響應要大于等效轉(zhuǎn)向架，9～50 Hz頻率范圍內(nèi)直線電機轉(zhuǎn)向架車體和構(gòu)架的橫向位移小于等效轉(zhuǎn)向架，說明電機懸掛結(jié)構(gòu)在2～50 Hz頻率范圍內(nèi)對輪軌激勵的傳遞有一定影響。

圖6 (a)輪軌垂向力頻譜圖

圖6 (b)輪軸橫向力頻譜圖

6 結(jié)語

本文通過對直線電機地鐵車輛電機懸掛系統(tǒng)振動特性及其對轉(zhuǎn)向架振動輪軌相互作用力及輪軌激勵的傳遞特性的研究得出如下結(jié)論：

（1）電機懸掛系統(tǒng)的橫向與垂向之間存在一定程度的耦合振動，并且橫向與垂向振動加速度幅值相等。

（2）直線電機構(gòu)架的振動水平顯著高于等效轉(zhuǎn)向架，在涉及直線電機懸掛振動的頻率點，直線電機轉(zhuǎn)向架比等效電機轉(zhuǎn)向架的振動幅值大很多，且直線電機懸掛對轉(zhuǎn)向架30 Hz以下的振動影響不太大，對30～50 Hz頻率范圍的振動有較大的影響。

（3）電機懸掛對輪軌垂向力的影響較大，且其頻率不隨速度的變化而變化，而其對車軸橫向力的影響較小。

圖7 (a)垂向傳遞函數(shù)比較

圖7 (b)橫向傳遞函數(shù)比較

（4）電機懸掛結(jié)構(gòu)對輪軌激勵的垂向傳遞基本沒有什么影響，但對輪軌激勵的橫向傳遞有一定影響。

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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

國家自然科學基金青年科學基金資助項目(51005190)；教育部新世紀優(yōu)秀人才支持計劃項目(NCET-11-0712)和西南交通大學2012年科技創(chuàng)新項目、牽引動力實驗室開放課題（TPL1201）

劉韋(1984-)，男，山西陽泉人，在讀博士研究生，從事機車車輛動力學研究。

羅世輝，男，教授、博士生導師。

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