地鐵車輛新型永磁直驅轉向架的設計和分析

楚永萍 胡定祥 周 亮

(1.中車南京浦鎮車輛有限公司,210031,南京; 2.上海申通地鐵集團有限公司,201100,上海∥第一作者,教授級高級工程師)

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研究報告

地鐵車輛新型永磁直驅轉向架的設計和分析

楚永萍1胡定祥1周 亮2

(1.中車南京浦鎮車輛有限公司,210031,南京; 2.上海申通地鐵集團有限公司,201100,上海∥第一作者,教授級高級工程師)

介紹了一種結合新型驅動方式的永磁直驅轉向架。該轉向架采用抱軸安裝式永磁直驅電機,具有高效、節能環保、噪聲低、節約空間等特點,實現了小軸距。構架采用“交叉板式”柔性橫梁,能提供較低的扭轉剛度和合適的抗菱剛度,改變了傳統轉向架用一系、二系懸掛適應軌道扭曲的特點。該柔性構架的強度分析結果表明,柔性構架完全滿足標準規定的要求。永磁直驅轉向架與傳統轉向架的動力學性能對比分析表明,永磁直驅轉向架的柔性構架能有效降低輪重減載率,并能保證車輛的蛇行穩定性,且其沖角、磨耗功指標要明顯優于傳統轉向架,曲線半徑越小優勢越突出。

地鐵;轉向架;永磁直驅;柔性構架

Author′s address CRRC Nanjing Puzhen Co.,Ltd.,210031,Nanjing,China

目前，我國地鐵車輛轉向架的驅動通常采用交流異步電機+齒輪裝置。根據齒輪傳動系統的結構,轉向架固定軸距一般設定為2.2～2.5 m,且車輛正線通過曲線半徑不得小于250 m。而城市地鐵建設均期望曲線半徑盡可能小，以提高規劃可行性并降低線路建設成本。

針對這一矛盾,借鑒國外先進技術理念,地鐵車輛新型永磁直驅系統轉向架(以下簡為“永磁直驅轉向架”),取消傳統的齒輪傳動方式,采用永磁電機直驅方式,轉向架固定軸距可設置在1.6～1.9 m之間,車輛通過最小曲線半徑可達150 m;該轉向架不僅具備良好的小曲線半徑通過能力,而且具備節能環保等優勢,或將成為新型地鐵車輛轉向架的發展方向。

1 永磁直驅轉向架主要技術參數

依據我國地鐵需求,永磁直驅轉向架的主要技術參數如表1所示。

表1 永磁直驅轉向架的主要技術參數

2 永磁直驅轉向架結構特點

柔性焊接構架永磁直驅轉向架的最大特點是采用了柔性焊接構架和永磁直驅電機驅動。而其他結構形式類同于傳統轉向架,采用一系錐形橡膠堆定位、輪對軸箱裝置,二系空氣彈簧承載、“Z”型雙拉桿牽引；且踏面制動、盤形制動裝置與目前通用的B型地鐵轉向架結構形式基本相同[2-4]。具體結構見圖1。

圖1 動車永磁直驅轉向架結構

2.1 柔性構架

與傳統轉向架相比，柔性構架最大的特點是采用了“交叉板式”柔性橫梁結構(見圖2)。通過調節柔性橫梁的結構參數,構架可獲得較低的抗扭轉剛度及較高的抗菱形剛度,從而提高轉向架運行中對線曲線軌道的適應性。同時，由于取消了動車構架的電機與齒輪箱座,故可在滿足最高運行速度前提下,實現較小的固定軸距。

圖2 柔性構架裝置

柔性構架側梁采用箱形結構,橫梁采用“交叉板式”對接結構。“交叉板式”結構由四個變截面鋼板組成(見圖3),通過調整結構的厚度Z、寬度L、距中心距離d、板長l和角度α來實現構架整體的剛度需求。

在構架設計中,交叉板采用變厚度、變寬度的設計,中部結構參數為:L=115 mm、Z=24 mm、d=60 mm、α=66°、l=894 mm；經有限元仿真計算得到構架的扭轉剛度k2=0.42 MN·m/rad較傳統B型轉向架構架的扭轉剛度10.8 MN·m/rad大幅度減低,可使構架在曲線線路上運行時產生較小的應力;在保證最高運行速度條件下,構架的菱形角剛度k1=27.0 MN·m/rad較傳統B型轉向架構架的k1=38.0 MN·m/rad有所降低,可完全滿足蛇行穩定性要求。因此,柔性構架具備了較低的扭轉剛度和合適的菱形剛度。

圖3 交叉板式結構斷面

2.2 永磁直驅電機

與傳統異步電機驅動裝置不同,永磁直驅電機取消了齒輪傳動裝置,同時電機轉速較低時,具備較高的牽引力矩。永磁直驅電機也有轉子與定子。轉子由車軸、軸套、永磁體等組成,取消了線圈繞組，并由電機直接驅動輪對；定子由定子鐵芯和線圈繞組等組成,電機可通過調節定子的勵磁電流來調節磁場,從而實現對電機的調速。

永磁電機的定子與轉子結構如圖4、圖5所示。電機軸套與車軸過盈配合,軸套直徑可按電機功率要求實現永磁體所需數量的安裝;電機定子由機殼、鐵芯、線圈繞組構成,鐵芯采用冷軋硅鋼片疊壓而成,線圈采用扁銅線繞制,成型硬繞組嵌線后的定子進行整體真空壓力浸漆 ;定子的兩端通過軸承安裝在車軸上,軸承能承受70g(g為重力加速度)的振動沖擊,確保其應用的可靠性。電機為全封閉螺旋式水冷結構,結構成熟可靠、冷卻效率較高。

圖4 永磁直驅電機定子剖面圖

2.3 其它結構

轉向架一系定位結構采用錐形橡膠堆以提供垂向、橫向與縱向剛度,其結構簡單、成熟可靠。由于采用了柔性構架,轉向架一系的設計垂向剛度較大。

二系懸掛裝置采用空氣彈簧全承載結構,設置橫向和垂向減振器衰減振動,設置橫向止擋限制二系過大橫向位移。

圖5 永磁直驅電機轉子剖面圖

牽引方式為“Z”型雙牽引拉桿牽引,附加橫向和垂向剛度小,利于提高乘坐舒適性。踏面制動單元先安裝在過渡板上再通過3個穿過側梁的螺栓固定在側梁上(見圖6)。

圖6 踏面制動單元安裝圖

3 永磁直驅轉向架仿真分析

3.1 柔性構架強度計算

永磁直驅轉向架構架由兩根側梁和“交叉板式”橫梁結構組成,與傳統轉向架有著較大區別。在設計分析中,不僅要滿足UIC 615—4—1993《動力轉向架構架結構強度試驗規程》及EN 13749—2005《鐵路應用輪對和轉向架構架結構要求的方法》規定的構架靜強度和疲勞強度要求[7],還要重點對該新型柔性構架在扭曲軌道上的應力狀況進行分析驗證。

柔性構架有限元分析時采用10節點體單元(SOLID92)進行離散,并采用約束方程建立電機質心及其吊座安裝位置、制動缸質心及其安裝位置等之間的聯接關系。整個構架共離散為418 034個單元、506 116個節點,離散模型如圖7所示。

在超常垂向、橫向、縱向載荷與10‰扭曲軌道的最不利工況組合下,柔性構架最大應力發生在橫側梁連接部側梁上蓋板內側圓弧彎角處,且應力值為245.782 MPa；而同樣的載荷條件下,傳統構架相應位置的應力為272.633 MPa。兩種構架的應力云圖如圖8所示。空車脫軌工況下,柔性構架橫側梁聯接部位的最大應力為88 MPa,而傳統構架相應位置的應力為124 MPa，兩種構架的應力云圖如圖9所示。這說明柔性構架對扭曲軌道具有較好的適應能力。

圖7 構架有限元離散模型

圖8 超常工況構架應力仿真

圖9 空車脫軌工況下構架應力仿真云圖

3.2 動力學性能對比分析計算

永磁直驅轉向架取消了傳統轉向架的齒輪箱結構,采用了柔性構架,在電機與構架間增加了力的傳遞,其動力學模型與傳統轉向架有所不同。安裝永磁直驅轉向架的計算模型自由度見表2,構架考慮8個自由度,包括整個構架橫向、垂向、側滾、左側梁點頭、右側梁點頭、左側梁搖頭、右側梁搖頭和兩側梁的菱形運動。與傳統構架的自由度相比,永磁直驅轉向架增加了左右側梁點頭、搖頭以及菱形的自由度。

表2 安裝永磁直驅轉向架的B型地鐵車輛動力學模型自由度

動力學分析結果表明,柔性構架為菱形時的剛度完全滿足蛇行穩定性要求(見圖10),且永磁直驅轉向架的各項動力學性能指標均符合GB 5599—1985《鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規范》要求,滿足80 km/h最大運營速度的運用要求[10]。

由于永磁直驅轉向架具有較小的軸距,可有效減小曲線上的磨耗與輪軌作用力;柔性構架除應力分布更加合理外,還可實現較小的輪重減載率。因此,本文將永磁直驅轉向架的曲線通過性能及對扭曲軌道適應性與傳統轉向架進行對比。

3.2.1 曲線通過性能

將永磁直驅轉向架和傳統轉向架設定相同的一系定位剛度以仿真分析其曲線通過性能,得到不

圖10 臨界速度與菱形剛度關系

同曲線半徑下,裝用兩種轉向架車輛通過曲線時的沖角和磨耗功(如圖11、圖12所示)。

圖11 輪對沖角

從圖11可以看出，永磁直驅轉向架的導向輪對沖角比傳統轉向架小,且曲線半徑越小越明顯；同一輛車中,永磁直驅轉向架兩導向輪對沖角的絕對值非常接近,而且導向輪對與非導向輪對也非常接近。

圖12 車輪磨耗功

從圖12可以看出,永磁直驅轉向架導向輪磨耗功明顯小于傳統轉向架,而且4條輪對的磨耗功基本一致,可實現運營中的等磨耗要求;永磁直驅轉向架的導向輪磨耗功比傳統轉向架小,且曲線半徑越小越明顯;永磁直驅轉向架非導向輪的磨耗功與導向輪對相差不大。

3.2.2 扭曲軌道適應性

將永磁直驅轉向架和傳統轉向架設定相同的懸掛剛度，以仿真分析其對扭曲軌道的適應性。分析工況為AW0(空載)狀態,分別抬高轉向架一位左輪50.0 mm和63.5 mm,則裝用兩種轉向架車輛各車輪的減載率如圖13、14所示。

圖14 一位左輪抬高63.5 mm時轉向架輪重減載率

通過對比分析可以看出,在AW0(車輛空載)條件下,一位左輪抬高50 mm時,裝用永磁直驅轉向架車輛車輪的最大減載率只有18.248 4%,而且同一輛車的其余車輪的承載較均衡；而裝用傳統轉向架車輛車輪的最大減載率達58.247 3%,其余車輪的承載差異較大。一位左輪抬高63.5 mm時,裝用永磁直驅轉向架車輛車輪的最大減載率只有23.176 6%；而裝用傳統轉向架車輛車輪的最大減載率達73.976 1%。因此,永磁直驅轉向架采用的柔性構架不僅能大幅降低輪重減載率,而且在線路條件較差的軌道上運行能適宜地調整不同車輪的受力狀況,使同一輛車的車輪均衡承載,從而使同一輛車的車輪均勻磨耗,降低了維修成本,大大提高了車輛對異常線路的適應能力。

4 結語

永磁直驅轉向架結合了具有節能環保特點的永磁電機技術,并在構架上采用“交叉板式”橫梁實現了構架柔性,具有創新的設計理念。

(1) “交叉板式”橫梁結構實現了構架的柔性,能有效地降低輪重減載率,提高對異常線路的適應能力。

(2) 采用永磁電機驅動,具有節能環保的優勢。

(3) 采用永磁電機抱軸安裝直驅結構,既提高了傳動的效率,又省去齒輪箱,減小了轉向架的軸距。

(4) 永磁直驅轉向架的曲線通過性能及對扭曲軌道適應性較傳統轉向架更優。

[1] 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局,中華人民共和國住房和城鄉建設部.地鐵設計規范：GB 50157—2013.[S].北京:中國計劃出版社,2013.

[2] 楚永萍,唐永明,馮遵委,等.柔性直驅式轉向架:2012 10238324.X[P].2015-06-24.

[3] 楚永萍,唐永明,馮遵委,等.一種直驅式轉向架結構:2012 10238323.5[P].2015-06-14.

[4] 楚永萍,唐永明,馮遵委,等.軌道車輛柔性轉向架:2012 10237379.9[P].2015-11-18.

[5] International Union of Railways.Triebfahrzeuge-Drehgestelle und Laufwerke Festigkeitsprüfung an Struk-turen von Drehgestellrahmen:UIC 615-4-2003[S].Paris:International Union of Railways,2013.

[6] European Committee for Standardization.Railway applications Methods of specifying Structual requirement of bogie frames:EN 13749—2005[S].London:British Standards Institution.

[7] 王文靜.B型地鐵永磁直驅柔性構架靜強度和疲勞強度分析報告[R].北京:北京交通大學,2014.

[8] 王文靜.PW2300型轉向架動車構架靜強度和疲勞強度以及模態分析報告[R].北京:北京交通大學,2010.

[9] 國家標準局.鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規范：GB 5599—1985[S].

[10] 沈鋼.永磁直驅柔性轉向架動力學性能計算[R].上海:同濟大學,2014.

Design and Analysis of A New-type Metro Bogie with Permanent Magnet Driving Motors

CHU Yongping, HU Dingxiang, ZHOU Liang

metro; bogie; permanent magnet direct drive; flexible frame

U 270.331

10.16037/j.1007-869x.2016.06.004

2015-11-17)