城軌牽引電機彈性安裝模態分析

崔斯柳

（中車株洲電機有限公司，湖南 株洲 412001）

城軌牽引電機彈性安裝模態分析

崔斯柳

（中車株洲電機有限公司，湖南 株洲 412001）

城軌牽引電機與轉向架安裝形式一般分為剛性安裝和彈性安裝。剛性安裝接口一般用于常規的A、B型車。伴隨著城市軌道交通發展，特別是低地板車輛的出現，牽引電機彈性安裝形式到了廣泛應用。文章通過Ansys-Workbench軟件對彈性安裝形式的牽引電機進行模態計算，并對比電機在剛性安裝及彈性安裝下的差異。

牽引電機；模態分析；有限元；彈性安裝；剛性安裝

城軌牽引電機與轉向架的安裝一般分為彈性安裝及剛性安裝2種形式。剛性安裝形式常見于最高運行速度為80～100km/h的A、B型車輛，較為普及。彈性安裝形式常見于最高運行速度為100～120km/h的地鐵車輛或低地板車輛上。相比剛性安裝形式，牽引電機采用彈性安裝可以降低車輛運行時線路帶來的振動頻率從而提高機械部件的使用壽命，但安裝工藝相對復雜。由于安裝剛度的降低增加了振動位移。

牽引電機模態計算，可以確認不同結構下的設計剛度，也可以得到該結構下的傳遞函數，用于后續牽引電機的隨機振動、疲勞壽命及振動噪聲、電磁噪聲等一系列的分析。

1 牽引電機彈性安裝形式

牽引電機彈性安裝形式常見于2類：彈性球絞形式安裝；彈性單元形式安裝。

（1）彈性球絞安裝。彈性球絞種類較多，但結構大體相同。一般由芯軸、外套和橡膠層組成，如圖1所示。彈性球絞通過過盈配合的形式安裝在牽引電機上，如圖2所示。

圖1 彈性球絞

圖2 彈性球絞安裝形式

（2）彈性單元安裝。相比彈性球絞安裝形式，彈性單元安裝形式一般用于低地板電機上，采用4點懸掛。如圖3、圖4所示。

圖3 彈性單元安裝形式

2 牽引電機模態計算

文章采用Ansys-Workbench針對彈性單元形式的安裝結構進行計算分析。

牽引電機三維模型如圖5所示。

圖5 牽引電機三維模型

2.1 分析過程及假設

（1）對于模態分析，振動頻率ωi和模態φi是根據下列方程得到的：

并假設，剛度矩陣［K］和質量矩陣［M］不變；材料特性為線彈性的；利用最小位移理論，不包括非線性；不存在阻尼矩陣［C］；不存在外部激振力［F］。

此處模態{φi}是相對值，而非絕對值，也就是說計算得到的形變量形變趨勢是可以參考的但位移值并非真實值。

（2）在Ansys軟件中，模態分析不存在非線性接觸，僅存在“Bonded”（綁定）、“No Separation”（不分離）和“Free”（自由）三類接觸。

（3）材料屬性中彈性模量、泊松比和密度是必要的。

（4）在模態計算中考慮重力影響，因此采用有預應力的模態分析。

2.2 模型的處理

在模型處理方面主要考慮模型簡化、彈性單元的處理、接觸以及材料的等效。

（1）彈性關節。在分析中，彈性關節將等效為彈簧單元。彈簧剛度通過橡膠單元試驗獲取。位移——負載試驗數據如表1所示。

表1 彈性單元位移-負載曲線

（2）轉子部分處理。轉子部分相對端蓋剛度較高，可以采用質量點代替，如圖6所示。

圖6 轉子采用質量點代替

（3）定子沖片處理。電機定子沖片采用0.5mm硅鋼片疊壓而成，在計算中需要考慮從疊片結構帶來的彈性模量變化，軸向方向與徑向彈性模量不同。

（4）端蓋部分。端蓋部分需要考慮螺栓預緊帶來的剛度變化，如圖7所示。

圖7 端蓋螺栓預緊力

2.3 仿真計算結果

（1）彈性安裝計算結果。具體如表2和圖8、圖9、圖10所示。

表2 彈性安裝計算頻率

圖8 1階振型 徑向變形（Z方向）

圖9 2階振型 軸向（X方向）

圖10 3階振型 徑向（Y+Z仿真）

（2）剛性安裝。具體如表3和圖11、圖12、圖13所示。

表3 剛性安裝計算頻率

圖11 1階振型 徑向變形（Z方向）

圖12 2階振型 軸向（X方向）

圖13 3階振型 徑向（Y+Z仿真）

2.4 試驗方案及對比

（1）試驗原理及方法。試驗采用力錘法。試驗流程如圖14所示，機座采用鑄鐵制成。在機座底端固定到支架上，支架保證足夠的剛度。

圖14 試驗流程圖

（2）試驗結論。彈性安裝工況如表4所示。

表4 彈性安仿真及試驗對比

前3階振型如圖15所示。

圖15 彈性安裝前3階試驗振型

剛性安裝工況如表5所示。

表5 剛性安仿真及試驗對比

前3階振型如圖16所示。

圖16 剛性安裝前3階試驗振型

3 結論

較剛性安裝形式，彈性安裝整體剛度下降，前2階頻率降低較明顯。每種工況2階計算與試驗值相比差異較大，主要原因為2階為軸向振動，硅鋼片軸向彈性模量取值與定子疊壓力、疊壓系數及焊接應力等因素有關，準確的數據需要一定的試驗驗證獲得。

模態計算的準確性將影響后續計算（噪聲、振動分析）結果。牽引電機模態計算準確與否與模型處理、材料屬性（特別是硅鋼片）及接觸剛度關系較大。

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M odal Analysis of the Traction M otor in Flexible Installation

CUI Si-liu
（CRRC Zhuzhou Electric Co.，Ltd.，Zhuzhou，Hunan 412001，China）

The installation formsofcity rail tractionmotorsand bogiesare generally divided into rigid installation and flexible installation.Rigid installation isgenerally used in conventional A and B vehicles.With the developmentofurban rail transitespecially the emergence of low floor vehicles the flexible installation hasbeen widely used.The paper analyzes themodalofmotor by Ansys-Workbench and compares the differencebetween the twoworking conditions.

tractionmotor；modalanalysis；finite element；flexible installation；rigid installation

U264.1

A

2095-980X（2017）05-0056-03

2017-04-15

崔斯柳（1983-），男，碩士，主要研究方向：牽引電機設計。