直接驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向架一系懸掛設(shè)計(jì)研究

史玉杰

【摘 要】在本設(shè)計(jì)中利用了動(dòng)力學(xué)軟件Simpack，建立了一個(gè)永磁同步電機(jī)直接性驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向架車輛的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型。通過模式的建立，對(duì)直接驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向架的一系懸掛的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了定型和數(shù)據(jù)優(yōu)化。把一系懸掛的水平定位剛度和非線性臨界速度的關(guān)系進(jìn)行了簡(jiǎn)要的分析，得出橫縱定位剛度，分別是10MN/m和6MN/m。結(jié)合數(shù)據(jù)確立了一系懸掛采用了雙圈鋼彈簧和三角拉桿的結(jié)構(gòu)形式。結(jié)合一系懸掛橫向跨度小的特點(diǎn)，簡(jiǎn)要的分析車輛柔和系數(shù)，最后得出一系彈簧詳細(xì)的結(jié)構(gòu)系數(shù)。

【關(guān)鍵詞】直接驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向架 一系懸掛 模型 設(shè)計(jì)

在對(duì)軌道車輛的研究和開發(fā)中，提高永磁同步電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向架的性能是一個(gè)新課題，在本文的設(shè)計(jì)中是要取消普通轉(zhuǎn)向架的齒輪裝置，讓同步電動(dòng)機(jī)代替異步電動(dòng)機(jī)，并且把電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)子安裝到車軸表面，利用轉(zhuǎn)子和定子的作用，直接驅(qū)動(dòng)輪對(duì)。這樣設(shè)計(jì)不僅可以把轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，還可以減少磨損，使車輛使用周期的成本投入降低。構(gòu)架和輪對(duì)都是被一系懸掛連接著的，它具有導(dǎo)向、承載、傳力和緩和減少?zèng)_擊的作用，另外它也是車輛動(dòng)力學(xué)的關(guān)鍵因素。結(jié)合車輛的實(shí)際情況，選擇良好的一系懸掛裝置，不僅可以保證車輛的動(dòng)力學(xué)性能，還可以幫助轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)之間聯(lián)系更為緊密。

1 結(jié)構(gòu)選型分析和模型的建立

為了保證車輛有著良好的運(yùn)行性能和安全性，在車輛的軸箱和構(gòu)架之間設(shè)置了一系懸掛系統(tǒng)，在車輛主體和轉(zhuǎn)向架之間設(shè)計(jì)了二系懸掛系統(tǒng)。這兩個(gè)系統(tǒng)的設(shè)置可以減小懸掛系統(tǒng)的垂直合成剛度，讓車輛的總靜擾度增加，從而使車輛的平穩(wěn)性提升，減小車輛對(duì)線路的動(dòng)作力。

1.1 一系懸掛系統(tǒng)選型分析

在本設(shè)計(jì)中，選用了西門子Syntegra的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向架，這是一臺(tái)直接驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向架，它采用整體式的電機(jī)輪對(duì)，輪對(duì)的內(nèi)側(cè)進(jìn)行支撐，組合形成鉸接構(gòu)架等特殊結(jié)構(gòu)，沒有設(shè)置減震器和抗扭滾干，這中構(gòu)造十分簡(jiǎn)單、牢固。

因?yàn)檩唽?duì)對(duì)內(nèi)側(cè)的支撐作用，讓一系懸掛安裝在電機(jī)和車輪之間的橫向大小受到了限制。在軸重較大時(shí)，要把一系彈簧設(shè)計(jì)成為對(duì)稱樣式。對(duì)于雙組一系彈簧的選擇是要根據(jù)車輛實(shí)際情況和參數(shù)優(yōu)化來決定。

1.2 一系懸掛系統(tǒng)模型建立

利用Simpack軟件來建立轉(zhuǎn)向架車輛動(dòng)力學(xué)模型，模型建立可以直觀觀察到輪對(duì)內(nèi)側(cè)支撐、短軸距等轉(zhuǎn)向架特點(diǎn)。在本實(shí)驗(yàn)的模型建立中，使用主要參數(shù)是：定距12m，軸重14t，軌距1435m等，后期參數(shù)的優(yōu)化都是在此模型基礎(chǔ)上進(jìn)行的，模型的建立可以更直觀觀察一系懸掛系統(tǒng)所產(chǎn)生的問題，對(duì)數(shù)據(jù)處理也更為方便和科學(xué)。

2 參數(shù)優(yōu)化

2.1 確定一系水平定位剛度

車輛行駛的穩(wěn)定性和曲線通過性能都是由一系水平剛度決定的。通過對(duì)車輛非線性臨界速度的測(cè)量，來選擇一系縱、橫向定位剛度值，在保證車輛行駛穩(wěn)定情況下，要盡量選擇較小一系懸掛縱、橫向定位剛度值，保證轉(zhuǎn)向架曲線通過的性能。假設(shè)一系縱向定位剛度為2MN/m，一系橫向定位剛度由小變大時(shí)，隨著一系橫向定位剛度的增加，車輛的臨界速度增加的幅度越要越小，把動(dòng)力車的牽引性能考慮進(jìn)去，變化的趨勢(shì)也是一樣的。在本文中，由于橫向定位剛度的取值較大，所以軸箱拉桿不建議使用普通拉桿，要采用橫向定位剛度較大的三角結(jié)構(gòu)拉桿。如果想要提高車輛的非線性臨界速度，可以在車輛上安裝減震器或使用LMa踏板。

2.2 一系彈簧參數(shù)的分析

在一系彈簧的設(shè)計(jì)中，直接驅(qū)動(dòng)一系彈簧和普通驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向架的一系彈簧相比，兩者之間還是有很大不同。比如彈簧安裝在電機(jī)和車輛車輪中間，它橫向直徑受到了很大限制，它也沒有安裝抗測(cè)扭滾裝置，并且它的橫向跨距也更小，以此軸向剛度一定要滿足一定要求。利用Matlab進(jìn)行彈簧設(shè)計(jì)編寫，并且通過仿真模擬進(jìn)行試驗(yàn)，在對(duì)彈簧尺寸、彈簧指數(shù)和強(qiáng)度滿足的條件下，對(duì)雙圈彈簧進(jìn)行設(shè)計(jì)。在我國(guó)鐵路交通中，車輛的抗測(cè)滾性能沒有完整的標(biāo)準(zhǔn)和制度，為了結(jié)合本文實(shí)際，方便Simpack系統(tǒng)的運(yùn)用，車輛抗側(cè)滾性能則是采用了UIC505-5中規(guī)定柔度指標(biāo)來評(píng)價(jià)。

3 評(píng)估車輛動(dòng)力學(xué)性能

利用Simpack系統(tǒng)對(duì)上面進(jìn)行優(yōu)化處理的數(shù)據(jù)和車輛動(dòng)力學(xué)行分析，有了以下幾個(gè)方面的評(píng)估。

首先，在本文中通過仿真實(shí)驗(yàn)，把車輛的非臨界速度提升為147km/h，臨界速度高于車輛的最高行駛速度100km/h，它計(jì)算出的安全系數(shù)是47%。在直線行駛情況下，在美國(guó)AAR標(biāo)準(zhǔn)5級(jí)軌道的基礎(chǔ)上，設(shè)置車輛的最高行駛速度為80km/h，在試驗(yàn)中車輛前端平穩(wěn)指數(shù)橫向?yàn)?.34，垂向指數(shù)為2.52，車輛后端平穩(wěn)橫向指數(shù)為2.41，垂向指數(shù)為2.68，試驗(yàn)中所有的數(shù)據(jù)都符合動(dòng)力學(xué)性能測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)。

其次，車輛在仿真模擬中，假設(shè)車輛以60km/h和100km/h的速度行駛，在R300和R800、超高120mm和100mm的線路上，車輛的安全指標(biāo)均是符合鐵道動(dòng)力學(xué)性能評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。篇幅限制，本文的圖表和數(shù)據(jù)計(jì)算就不一一展現(xiàn)了。

4 結(jié)語

綜上所述，一系懸掛系統(tǒng)的選用和單拉桿結(jié)合雙圈彈簧結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)箱拉桿的重要保證是一系懸掛系統(tǒng)的縱向剛度，一系懸掛系統(tǒng)縱向剛度值較大，有利于車輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定性提升，加強(qiáng)黏著能力，并且保證了車輛的臨界速度。縱向和橫向剛度是根據(jù)彈簧決定，這兩個(gè)參數(shù)是互相關(guān)聯(lián)的，通過建立模型，進(jìn)行仿真學(xué)合理分析優(yōu)化，讓車輛的縱橫向剛度和動(dòng)力學(xué)性能都有一定保障。直接驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向架一系懸掛運(yùn)用雙側(cè)鋼彈簧和三角立桿的方式，不僅能讓轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)更加緊湊，還可以滿足車輛臨界速度要求。在對(duì)車輛進(jìn)行非線性臨界速度分析時(shí)，假設(shè)了縱橫向剛度值，所得到的垂直剛度都是滿足車輛對(duì)抗側(cè)滾性能的標(biāo)準(zhǔn)。

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