采用永磁直驅技術的客運電力機車輪對設計分析

姚 銀，李 前，張志和，馬呈祥

（中車大同電力機車有限公司 研究院，山西大同 037038）

20世紀90年代開始，以德國西門子公司、法國阿爾斯通公司、捷克斯柯達公司和日本川崎重工公司為代表的研究機構，開展了永磁同步系統(tǒng)的理論研究，探索永磁同步牽引系統(tǒng)在軌道交通上應用的可能性及實現直驅的可行性，隨后，陸續(xù)有試驗產品出現并進行裝車考核，主要應用在動車、地鐵等領域。

目前隨著高性能永磁材料技術的發(fā)展和產業(yè)的深入，永磁電機技術和產品從基礎研究階段正在向大功率、適用型、寬范圍和多領域方向發(fā)展。近幾年來，國內軌道交通行業(yè)在城市軌道交通領域已經研制出了采用小功率永磁驅動的整車樣機，但目前大功率永磁直驅技術的機車還是空白[1]。

2017年中車大同電力機車有限公司開始研發(fā)軸重21 t、最高運營速度160 km/h、軸功率1 200 kW的永磁直驅客運電力機車，已完成了大功率永磁直驅技術的機車成功研發(fā)和試制，目前正處于試驗階段。該機車相比既有機車轉向架的變化及創(chuàng)新點主要為輪對驅動系統(tǒng)采用永磁直驅技術，其結構無牽引齒輪、齒輪箱等傳動部件，具有減重、降噪、提高效率、免維護、壽命長、無污染等優(yōu)點。但因牽引電機體積和輸出扭矩的大幅增大，對輪對部件的結構設計、選材及強度具有較大的難點和挑戰(zhàn)[2]。

針對采用永磁直驅大功率客運電力機車技術的輪對部分車輪、車軸的結構設計、選材提出了設計理念和思路，重點對車輪、車軸強度校核分析和注意事項進行了闡述。

1 采用永磁直驅技術客運機車輪對的結構特點

輪對主要由車輪和車軸組成，而輪對的結構與采用的驅動系統(tǒng)息息相關。國內同等級的電力機車輪軸驅動系統(tǒng)與輪對之間采用空心軸六連桿傳動機構及牽引齒輪傳動，該傳動機構技術成熟、可靠，但不足之處是結構復雜、質量較大。中車大同電力機車有限公司研發(fā)的采用永磁直驅技術客運電力機車驅動結構由牽引電機輸出的轉矩通過新型撓性板聯(lián)軸器直接傳遞到車輪上，其結構如圖1所示。

采用永磁直驅技術輪對的特點主要體現在：①牽引電機質量有所增加，但取消牽引齒輪、齒輪箱等部件后整體質量減少約3%；②提高了牽引系統(tǒng)的傳動效率；

③降低噪聲；④結構簡化，減小維護工作量；⑤免裝齒輪油，減少了環(huán)境污染。

圖1 永磁直驅輪對結構簡圖

2 采用永磁直驅技術客運機車輪對結構設計及材料選擇思考

2.1 結構設計思考

如圖1所示，牽引電機采用架懸方式，輪對主要有車輪和車軸組成，車輪和車軸通過冷壓或注油壓裝方式過盈裝配在一起。在標準軌距情況下，車輪內側距是固定值，輪對其他結構尺寸應充分考慮與聯(lián)軸器、直驅電機、制動盤安裝接口，相關部件運動狀態(tài)下的空間尺寸及強度要求，車輪和車軸結構設計所考慮事項具體如下所述。

車輪的結構設計按照目前機車車輛發(fā)展趨勢應采用整體輾鋼車輪，其中車輪輻板結構型式一方面考慮采用基礎制動方式的匹配性，另一方面應著重考慮強度。采用輪裝盤制動方式時，車輪輻板只能做成直的；采用踏面制動時，車輪輻板可以根據空間及強度需要選擇異型或直輻板。此外，為減小機車運行時輪軌間的動作用力，車輪輻板結構在保證強度的同時應具有一定的彈性。車輪輪轂結構設計主要考慮與車軸的連接接口及連接強度。車輪輪緣及踏面的選型直接影響機車動力學性能，其形狀和尺寸應根據各國鐵路軌道實際情況確定[3]。

車軸結構設計應按標準EN 13104。輪座直徑及配合長度的選定在考慮車輪強度的同時，還應考慮傳遞負載所需的結合力是否滿足；軸身尺寸的選定應考慮聯(lián)軸器動態(tài)運動空間和車軸本身的受力變形空間，以及軸身強度。另外，應重點對軸頸、輪座以及卸荷槽部位進行強化設計；可對卸荷槽采取強化滾壓措施，來改善表面光潔度、增加表面壓應力，以提高車軸的疲勞強度。

該機車輪對設計經綜合考慮，因整車采用輪盤制動方式，車輪采用直輻板結構，并在輻板上設置制動盤安裝位置，其中一側車輪需要與聯(lián)軸器連接以傳遞牽引電機輸出扭矩，故在輪轂側輻板上設計4個安裝孔。車軸采用實心結構，主要有軸頸、輪座和軸身組成，各連接圓弧及尺寸符合標準EN 13104要求。輪對主要尺寸選用：輪徑1 250 mm；輪座直徑228 mm；輪轂寬200 mm；軸身直徑188 mm。

2.2 材料選擇思考

車輪的材料選擇，既要考慮材料強度和耐磨性，又要考慮材料韌性。合適的材料強度既要滿足動、靜應力條件下不發(fā)生破壞，又要滿足車輪耐磨性的需要，還要具備合適的韌性，降低裂紋敏感性。該機車車輪材料的選擇，根據現有和諧機車車輪應用情況，綜合考慮選擇符合標準TJ/JW 038-2014《交流傳動機車車輪暫行技術條件》規(guī)定的R8T或ER8材質[4-5]。

車軸的材料選擇應根據機車軸重、速度、運營條件、結構需要、制造工藝和成本等綜合考慮進行恰當選材。通常選用經過精煉和真空脫氣處理的中碳鋼作為車軸材料，比較經濟適用。針對該客運機車，考慮軸身與撓性板聯(lián)軸器運動空間的需要和保證客車優(yōu)良的動力學性能，車軸質量不宜過大等情況，再結合現有客運機車車軸材料運用情況，綜合考慮采用符合標準TJ/JW 037-2014《交流傳動機車車軸暫行技術條件》材質牌號為EA4T合金鋼車軸材料。

3 采用永磁直驅技術客運機車車輪、車軸強度校核

車輪和車軸作為輪對乃至機車走行部的關鍵部件，其結構設計以及材料的選取尤為重要。車輪、車軸材質及結構確定后，應首先利用有限元對車輪進行強度校核和結構優(yōu)化，以得到最優(yōu)的設計結構。針對永磁直驅客運電力機車，車輪、車軸計算方法、計算參數及強度校核如下所述。

3.1 計算方法及計算參數

車輪強度校核是按照標準UIC 510-5所規(guī)定的計算載荷和工況，利用ANASYS Workbench校核車輪靜強度和疲勞強度；車軸強度校核是按照標準EN 13104要求，利用Microsoft excel編制相關計算程序，選取具有代表性的截面以校核車軸疲勞強度能否滿足要求[6]。車輪、車軸所需的計算參數如表1所示。

表1 永磁直驅客運機車車輪、車軸基本計算參數

3.2 車輪強度校核

永磁直驅車輪分析模型見圖2所示，根據車輪結構特點，車輪加載截面如圖3所示，車輪計算截面輪軌力作用位置如圖4所示。

依據標準UIC 510-5所提供的方法，分別計算超常載荷工況和常規(guī)載荷工況。常規(guī)載荷工況又分為直線工況、曲線工況和道岔工況。各工況中均包含角速度以及輪軸壓裝過盈造成的影響[7]。

永磁直驅機車主動車輪在運行過程中，傳動銷承受總周向驅動力F1。FS為機車啟動牽引力（每軸）、r為車輪半徑、d為傳動銷孔到輪中心距離。車輪總周向驅動力：F1=(FS×r)/d=147.8 kN，4個傳動銷均分。

圖2 永磁直驅車輪分析模型

圖3 車輪加載截面

圖4 車輪計算截面輪軌力作用位置

經計算，超常工況下截面2處施加載荷輻板的等效應力最大，其大小為184.93 MPa，截面3處施加載荷輪轂的等效應力最大，其大小為236.5 MPa。直線工況下截面8處施加載荷輻板的等效應力最大，其大小為158.93 MPa，截面3處施加載荷輪轂的等效應力最大，其大小為202.8 MPa。曲線工況下截面2處施加載荷輻板的等效應力最大，其大小為177.37 MPa，截面3處施加載荷輪轂的最大等效應力為228.06 MPa。道岔工況下截面8處施加載荷輻板的等效應力最大，大小為155.57 MPa，截面2處施加載荷輪轂的等效應力最大，大小為195.73 MPa。

表2 各計算工況載荷情況

綜合上述工況，輻板的最大等效應力為184.93 MPa，最大等效應力出現在銷孔處，這是因為傳動銷與車輪之間是過盈裝配，傳動銷與車輪銷孔接觸產生邊緣效應，會有一定的應力集中。輪轂的最大等效應力為236.5 MPa，最大等效應力出現在輪轂內側，因為車軸與車輪之間是過盈裝配，車軸與車輪輪轂接觸產生邊緣效應，也會有一定的應力集中。

永磁直驅車輪材料為R8T，屈服極限為350 MPa，輻板的最大等效應力為184.93 MPa，輻板安全系數為1.89，輪轂的最大等效應力為236.5 MPa，輻板安全系數為1.48。

UIC 510-5標準規(guī)定，車輪輻板各點的動應力范圍不大于360 MPa。經計算，永磁直驅車輪輻板動應力范圍最大為246.78 MPa，疲勞安全系數1.46，車輪輪轂動應力范圍最大為161.56 MPa，疲勞安全系數2.23。

該車輪相比既有機車車輪強度校核，除了輻板和輪轂外，還重點關注了車輪輻板處傳動銷處應力情況，從計算結果看輻板處最大等效應力確實出現在銷孔處，故在車輪設計時應著重考慮傳動銷孔大小、位置的選取，所選位置應避開輻板應力相對集中區(qū)域，加工制造時傳動銷孔邊緣應倒圓鈍化處理。

3.3 車軸強度校核

機車在運行中車軸受力如圖5所示。P1表示作用于負載較大的軸頸的垂直力；P2表示作用于負載較小的軸頸的垂直力；Y1表示與負載較大的軸頸側軌道垂直的車輪/軌道水平力；Y2表示與負載較小的軸頸側軌道垂直的車輪/軌道水平力；H表示平衡力Y1和Y1的力；Q1表示負載較大的軸頸側車輪上的垂直反作用力；Q2表示負載較小的軸頸側車輪上的垂直反作用力[8]。

表3 各工況下車輪對應的最大等效應力 MPa

根據以往對車軸強度校核分析得知，車軸在制動工況較起動工況受力惡劣，所以僅計算制動工況狀態(tài)。制動工況下彈簧上質量產生的力，計算結果如表4所示。

圖5 車軸受力示意圖

表4 彈簧上質量產生的力 kN

永磁直驅機車采用雙側輪裝盤制動，通過合力矩MR計算車軸每個截面的應力，計算公式為：MR=，式中，MX、MY和MZ是由運行中車軸的承載和制動引起的各種力矩分量之和。永磁直驅機車車軸計算截面如圖6所示，表5中y為軸頸負載面到彎矩截面的距離。

直徑為d的任一車軸截面，應力其中k為疲勞應力集中系數。制動工況下車軸各截面計算結果如表5所示。

圖6 車軸計算截面

表5 制動工況下車軸各截面計算結果

標準規(guī)定安全裕量大于1即可，但需根據經驗確保各截面安全裕量留有一定余量。一般情況下截面3位置處安全裕量相對最小，也是車軸應力相對集中和易發(fā)生疲勞位置，根據經驗計算后安全裕量建議大于1.2。如表5所示，永磁直驅客運機車車軸截面3處安全裕量為處1.36，安全裕量足夠。因軸身直徑受到接口限制，截面5處（輪座附近）最大應力136.86 MPa，安全裕量為1.22，是該車軸安全裕量最低點，在車軸加工制造和試驗時需重點關注。

4 結束語

研究和搭建采用永磁直驅技術的客運機車技術平臺對于節(jié)能高效的鐵路技術領域意義重大，也對我國大功率永磁直驅驅動技術的發(fā)展具有重要引領意義，后續(xù)發(fā)展?jié)摿^大。文中對中車大同公司研發(fā)的永磁直驅客運電力機車輪對設計從結構特點、車輪車軸結構設計和材料選擇思考以及強度校核進行了分析。經計算分析，車輪、車軸強度滿足相關標準要求。該采用永磁直驅技術客運機車輪對的研制，可促進永磁技術向大功率、高轉速、大轉矩和智能化方向發(fā)展，對后續(xù)采用永磁直驅技術輪對設計和研究有一定的參考意義。