城際鐵路動車組牽引電機(jī)懸掛方式比較分析

尹振坤　呂常秀

（中車長春軌道客車股份有限公司轉(zhuǎn)向架研發(fā)部，130062，長春∥第一作者，高級工程師）

隨著以“四縱四橫”為主的中國高速鐵路網(wǎng)的建成，“十三五”期間國家將大力發(fā)展以京津冀、長三角、珠三角等城市群為核心的城際軌道交通網(wǎng)絡(luò)。國家鐵路局于2014年12月頒發(fā)了TB 10623—2014《城際鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》，其中規(guī)定了200 km/h、160 km/h、120 km/h 3個速度等級的城際鐵路設(shè)計(jì)要求。

城際鐵路車輛多采用動力分散式動車組，動車組轉(zhuǎn)向架分為動力轉(zhuǎn)向架和非動力轉(zhuǎn)向架。動力轉(zhuǎn)向架上安裝有齒輪驅(qū)動裝置，牽引電機(jī)的安裝位置和安裝方式直接關(guān)系到轉(zhuǎn)向架乃至整車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和空間布局，同時也對整車的動力學(xué)性能和振動傳遞產(chǎn)生較大的影響。羅湘萍等［1］針對更高速度等級動車組轉(zhuǎn)向架的簧間大質(zhì)量部件振動解耦技術(shù)進(jìn)行了專題研究，主要目的是提高轉(zhuǎn)向架的蛇行臨界速度，并提出了一種高速轉(zhuǎn)向架牽引電機(jī)橫向解耦機(jī)構(gòu)的技術(shù)方案。黃彩虹等［2］建立了轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)橫向動力學(xué)模型，結(jié)合模態(tài)分析確定了牽引電機(jī)懸掛參數(shù)和質(zhì)量參數(shù)對車輛穩(wěn)定性的影響，并優(yōu)化了電機(jī)懸掛最佳頻率，以得到較高的車輛運(yùn)行穩(wěn)定性。諶亮等［3］介紹了250 km/h動車組牽引電機(jī)的體懸結(jié)構(gòu)，分析了萬向軸傳動系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速以及動平衡指標(biāo)、潤滑狀態(tài)的影響。王立國等［4］分析了電力機(jī)車牽引電機(jī)懸掛方式的選擇。R.N.Lal等［5］分析了軸懸式牽引電機(jī)的運(yùn)用特點(diǎn)和主要問題。上述研究主要是針對300 km/h以上高速動車組牽引電機(jī)懸掛參數(shù)優(yōu)化和機(jī)車牽引電機(jī)的選型優(yōu)化，且牽引電機(jī)懸掛的結(jié)構(gòu)形式比較復(fù)雜。

相比高速動車組和機(jī)車，城際鐵路動車組有其自身的運(yùn)用特點(diǎn)，如：軸重大、空重車載重變化大；快起快停，起停頻繁；線路條件多樣，需兼顧既有干線鐵路、客運(yùn)專線及混跑跨線；運(yùn)行速度跨度大，需考慮在120～200 km/h范圍內(nèi)不同速度變化；等等。因此，城際鐵路動車組牽引電機(jī)懸掛方式的選型和優(yōu)化，需要結(jié)合其運(yùn)用特點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)分析。

1　牽引電機(jī)懸掛方式

牽引電機(jī)的懸掛方式從總體來說分為體懸式、架懸式和軸懸式。其中，軸懸式牽引電機(jī)的大部分質(zhì)量為簧下質(zhì)量，增加了車輛對軌道的動力破壞作用，又將輪軌間產(chǎn)生的沖擊與振動直接傳遞給牽引電機(jī)，加大了電機(jī)的振動載荷，所以該結(jié)構(gòu)一般使用在低速軌道車輛上。對于運(yùn)行速度大于120 km/h的城際鐵路動車組而言，牽引電機(jī)懸掛方式的選型設(shè)計(jì)至關(guān)重要。目前，國內(nèi)已運(yùn)行動車組，其牽引電機(jī)的懸掛方式主要為體懸和架懸兩大類別。

1.1　電機(jī)體懸

電機(jī)體懸是指牽引電機(jī)吊掛在車體底架上，采用傳動軸與轉(zhuǎn)向架上的齒輪箱連接，從而傳遞扭矩（見圖1）。其典型產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)形式是：動力轉(zhuǎn)向架齒輪箱采用抱軸式傘齒輪結(jié)構(gòu)；在牽引電機(jī)和齒輪箱之間安裝雙十字萬向傳動軸及其保護(hù)支架；萬向軸可以伸縮變位，以滿足車體與輪對之間的相對位移。由于電機(jī)吊掛車體，大大降低了轉(zhuǎn)向架的簧間質(zhì)量，可有效地改善轉(zhuǎn)向架的高速直線運(yùn)行性能，同時也便于對牽引電機(jī)的檢查與維護(hù)。

但電機(jī)體懸的缺點(diǎn)也很明顯，主要表現(xiàn)在：①齒輪箱及傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，生產(chǎn)和維護(hù)成本高；②電機(jī)占用車下設(shè)備吊裝空間，需要特殊的吊裝結(jié)構(gòu)避免電機(jī)振動對車體的影響；③傳動軸的臨界轉(zhuǎn)速受結(jié)構(gòu)、靜動平衡、磨損等因數(shù)影響較大；④由于傳動軸較長，其1階垂向彎曲自振頻率很難避開轉(zhuǎn)向架與車體的共振區(qū)間。

因此，電機(jī)體懸更適合應(yīng)用在受結(jié)構(gòu)空間限制不能滿足電機(jī)安裝空間需求的特殊形式轉(zhuǎn)向架，例如軸箱內(nèi)置轉(zhuǎn)向架、擺式列車轉(zhuǎn)向架等，對于城際鐵路動車組，不建議采用電機(jī)體懸的懸掛方式。

圖1　電機(jī)體懸結(jié)構(gòu)簡圖

1.2　電機(jī)架懸

電機(jī)架懸是指牽引電機(jī)吊掛在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架上，常見的驅(qū)動布置方式是電機(jī)、聯(lián)軸節(jié)、齒輪箱的三大件結(jié)構(gòu)形式（見圖2），其牽引電機(jī)完全為簧上質(zhì)量。按照牽引電機(jī)與構(gòu)架的連接狀態(tài)，電機(jī)架懸還可以分為剛性架懸、柔性架懸和彈性架懸3種類型。

1.2.1剛性架懸

圖2　典型電機(jī)架懸的布置方式

剛性架懸的典型結(jié)構(gòu)形式是電機(jī)上部卡槽與構(gòu)架電機(jī)吊座卡條剛性配合安裝，通過螺栓分別將電機(jī)上部和下部與構(gòu)架連接。其特點(diǎn)是電機(jī)和構(gòu)架剛性連接為一體，不存在任何方向的相對位移（結(jié)構(gòu)形式見圖3）。剛性架懸多用于地鐵轉(zhuǎn)向架，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便；缺點(diǎn)是剛性連接沒有任何的減振隔振裝置，導(dǎo)致電機(jī)振動直接傳遞到轉(zhuǎn)向架構(gòu)架。

圖3　電機(jī)剛性架懸

1.2.2柔性架懸

柔性架懸是指電機(jī)與構(gòu)架之間的橫向剛度很小（小于1 kN/mm），電機(jī)相對于構(gòu)架在橫向方向上可以相對位移（最大橫向位移可達(dá)12 mm）。其優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)電機(jī)和構(gòu)架橫向振動的解耦，能減小構(gòu)架的橫向質(zhì)量和搖頭慣量，從而改善平穩(wěn)性，減小輪軌作用力，提高轉(zhuǎn)向架蛇行臨界速度。柔性架懸中，影響架懸式動力轉(zhuǎn)向架蛇行運(yùn)動穩(wěn)定性的主要因素是電機(jī)橫移模態(tài)，而電機(jī)搖頭模態(tài)的影響相對很小。柔性架懸的典型結(jié)構(gòu)有2種：一種是將電機(jī)及其安裝吊架通過板彈簧吊裝在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架上（見圖4）。由于板彈簧在板厚方向剛度較低，從而降低了電機(jī)的橫向懸掛剛度。但該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過于復(fù)雜，零部件較多，制造成本也較高。另外一種是電機(jī)通過大直徑橡膠節(jié)點(diǎn)與構(gòu)架連接（見圖5）。橡膠節(jié)點(diǎn)采用多層橡膠與隔套分瓣硫化再壓裝結(jié)構(gòu)，從而滿足小軸向剛度并兼顧較大的徑向剛度。與板彈簧結(jié)構(gòu)相比，其結(jié)構(gòu)相對簡單，但橡膠節(jié)點(diǎn)的尺寸較大（直徑130 mm），對橡膠節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)和制造要求較高，且橡膠節(jié)點(diǎn)的使用壽命短。

此外，電機(jī)柔性架懸都需要配置橫向減振器以衰減電機(jī)橫向振動，同時需設(shè)置橫向止擋以限制電機(jī)橫向的最大位移，保證行車安全。因此，該結(jié)構(gòu)形式多用于運(yùn)行速度較高的動車組車輛。

圖4　電機(jī)柔性架懸（板彈簧）

圖5　電機(jī)柔性架懸（多層橡膠節(jié)點(diǎn)）

1.2.3彈性架懸

彈性架懸是指電機(jī)和構(gòu)架之間通過大剛度的橡膠節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)連接，橡膠節(jié)點(diǎn)數(shù)量可以為3個或4個（見圖6）。此吊裝結(jié)構(gòu)中，橡膠節(jié)點(diǎn)多為單層硫化橡膠，單個節(jié)點(diǎn)的剛度值較大（軸向剛度大于10 kN/mm，徑向剛度大于30 kN/mm），所以橡膠節(jié)點(diǎn)的外形尺寸大大減小（直徑小于90 mm），可節(jié)省空間便于安裝且制造工藝簡單、壽命長［6］。此結(jié)構(gòu)多用在地鐵車輛上。

圖6　電機(jī)彈性架懸

2　電機(jī)懸掛優(yōu)化分析

根據(jù)電機(jī)懸掛結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可知，城際鐵路動車組牽引電機(jī)更適宜采用架懸形式，但具體采用哪種架懸結(jié)構(gòu)，需要根據(jù)動車組的運(yùn)用特點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)分析后確定。

2.1　基于運(yùn)行速度的分析

采用SIMPACK軟件，仿真分析電機(jī)剛性架懸和柔性架懸對動力學(xué)性能的影響。計(jì)算結(jié)果表明：

（1）電機(jī)柔性架懸轉(zhuǎn)向架的臨界速度大于600 km/h，電機(jī)剛性架懸轉(zhuǎn)向架的臨界速度大于409 km/h。即對于300 km/h以上動車組，電機(jī)柔性架懸能夠在一定程度上起到提高車輛動力學(xué)性能的作用。

（2）運(yùn)行速度在250 km/h以下時，電機(jī)懸掛方式對車輛動力學(xué)影響效果不太明顯，剛性架懸的平穩(wěn)性和脫軌系數(shù)還略優(yōu)于柔性架懸（見圖7）。由此可見，對于最高運(yùn)行速度200 km/h的城際鐵路動車組，不建議采用柔性架懸的牽引電機(jī)懸掛方式。

圖7　電機(jī)剛性架懸和柔性架懸的動力學(xué)性能比較

2.2　基于電機(jī)振動傳遞的分析

牽引電機(jī)的振動主要分為電機(jī)自身的慣性質(zhì)量振動和電機(jī)工作時電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)頻振動。后者是指牽引電機(jī)轉(zhuǎn)子在電磁轉(zhuǎn)矩的作用下產(chǎn)生軸向旋轉(zhuǎn)，由于電機(jī)的輸入電流具有諧波干擾，電機(jī)在控制過程中電磁轉(zhuǎn)矩存在一定的波動，從而產(chǎn)生與電機(jī)轉(zhuǎn)速相當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)頻振動［7］。城際鐵路動車組多采用50%的動拖比（如4動4拖）編組，由于運(yùn)行速度較高、軸重較大（17 t）、起動加速度較大及頻繁起停等特點(diǎn)，導(dǎo)致牽引電機(jī)質(zhì)量和功率較大，運(yùn)轉(zhuǎn)時電機(jī)的轉(zhuǎn)頻振動明顯。對于電機(jī)剛性架懸的懸掛方式，電機(jī)轉(zhuǎn)頻振動對構(gòu)架振動的影響更為明顯。

以采用電機(jī)剛性架懸的某動車組線路實(shí)測為例，在200 km/h和250 km/h速度下，構(gòu)架的電機(jī)吊座存在明顯的電機(jī)轉(zhuǎn)頻（70 Hz和88 Hz）及其倍頻（140、210 Hz和 176、264 Hz）的振動能量集中（見圖8），可見電機(jī)轉(zhuǎn)頻振動對構(gòu)架電機(jī)吊座的疲勞強(qiáng)度會產(chǎn)生不良影響。

對于電機(jī)彈性架懸的懸掛方式，由于電機(jī)和構(gòu)架之間有彈性橡膠元件，電機(jī)的慣性質(zhì)量振動也會顯著降低。例如，在兩個不同的地鐵項(xiàng)目中（轉(zhuǎn)向架主體結(jié)構(gòu)完全相同，電機(jī)懸掛方式一個采用完全剛性架懸，另一個采用彈性架懸），分別實(shí)測兩者的構(gòu)架電機(jī)吊座和電機(jī)振動加速度。圖9為在直線工況的不同運(yùn)行速度下，兩者的電機(jī)吊座和電機(jī)的垂向振動加速度平均值（由于最大值受影響因素較多，存在偶然性不具有代表性）測試數(shù)據(jù)。線路實(shí)測數(shù)據(jù)表明：在電機(jī)吊座垂向振動加速度平均值相當(dāng)?shù)那闆r下，電機(jī)垂向振動平均值有明顯差異，剛性架懸電機(jī)振動加速度明顯大于彈性架懸電機(jī)振動加速度。

圖9　不同速度和電機(jī)懸掛的垂向振動

2.3　基于電機(jī)搖頭頻率的分析

通過以上分析可知，對于運(yùn)營速度較高、電機(jī)功率較大的城際鐵路動車組，其牽引電機(jī)適宜采用大剛度彈性架懸的懸掛方式，既能滿足動力學(xué)性能要求，又能緩解電機(jī)振動對構(gòu)架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響。常用的電機(jī)彈性架懸根據(jù)橡膠節(jié)點(diǎn)數(shù)量的不同又分為3點(diǎn)和4點(diǎn)吊掛。橡膠節(jié)點(diǎn)數(shù)量、節(jié)點(diǎn)徑向剛度和節(jié)點(diǎn)跨距的選取應(yīng)該在校核電機(jī)搖頭頻率分析的基礎(chǔ)上確定。

參照國際鐵路聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)（UIC），轉(zhuǎn)向架運(yùn)行過程中，構(gòu)架的橫向加速度一般在0.8 g以下，頻率通常在3～9 Hz范圍內(nèi)。由于電機(jī)質(zhì)心點(diǎn)與電機(jī)吊掛點(diǎn)存在一定距離且電機(jī)質(zhì)量較大，因此，對于彈性架懸結(jié)構(gòu)需要將電機(jī)的搖頭頻率與轉(zhuǎn)向架橫向振動頻率隔開，以避免共振。彈性架懸電機(jī)的搖頭頻率必須大于14 Hz。現(xiàn)以3點(diǎn)吊掛的電機(jī)彈性架懸為例，令：電機(jī)質(zhì)量為m，電機(jī)吊掛橡膠節(jié)點(diǎn)的縱向剛度為k，橡膠節(jié)點(diǎn)跨距為2 d，電機(jī)質(zhì)心距橡膠節(jié)點(diǎn)中心距離為r，則電機(jī)搖頭振動的轉(zhuǎn)動慣量為mr2；設(shè)定ω為電機(jī)搖頭的角加速度，α為電機(jī)搖頭的角度。具體圖示見圖 10［8-9］。

圖10　電機(jī)搖頭頻率計(jì)算參數(shù)圖示

利用動量矩定理可得下列方程：

即

由此可見，隨著電機(jī)質(zhì)量和電機(jī)尺寸的增大，節(jié)點(diǎn)的縱向剛度和節(jié)點(diǎn)跨距均需要增大，才能滿足搖頭頻率大于14 Hz的要求。通常對于質(zhì)量約600 kg牽引電機(jī)，橡膠節(jié)點(diǎn)跨距應(yīng)大于300 mm，橡膠節(jié)點(diǎn)縱向剛度應(yīng)大于30 kN/mm。

3　結(jié)語

通過對不同牽引電機(jī)懸掛方式的結(jié)構(gòu)對比、動力學(xué)仿真計(jì)算、振動傳遞和振動耦合分析以及線路實(shí)測數(shù)據(jù)分析，得出如下結(jié)論：

（1）由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、占用車下空間、傳動軸可靠性等因素，城際鐵路動車組的牽引電機(jī)不適宜采用體懸的懸掛方式。

（2）為滿足動力學(xué)性能要求，減輕電機(jī)轉(zhuǎn)頻振動對構(gòu)架強(qiáng)度影響以及減小電機(jī)慣性質(zhì)量振動的角度分析，城際鐵路動車組牽引電機(jī)推薦使用大剛度彈性架懸的懸掛方式。

（3）采用大剛度彈性架懸時，需要按照推薦公式計(jì)算電機(jī)的搖頭頻率，通過調(diào)整節(jié)點(diǎn)數(shù)量、節(jié)點(diǎn)縱向剛度、節(jié)點(diǎn)跨距來滿足電機(jī)搖頭頻率大于14 Hz的要求。

本文論述的牽引電機(jī)懸掛方式選型原則和優(yōu)化分析要點(diǎn)，可以滿足城際鐵路動車組的運(yùn)用需求，并作為城際鐵路動車組牽引電機(jī)懸掛方式的設(shè)計(jì)選型依據(jù)。

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