架悬式永磁直驱转向架的动力学性能研究.pdf

第 43 卷第 5 期2023 年 10 月铁 道 机 车 车 辆RAILWAY LOCOMOTIVE&CARVol.43 No.52023Oct.架悬式永磁直驱转向架的动力学性能研究马晓光，杨陈，肖遥，胡定祥（中车南京浦镇车辆有限公司，南京 2100031）摘 要 文中介绍了低轮轨动作用力的架悬式永磁转向架技术方案，结合架悬式永磁直驱转向架结构和B 型地铁线路特点，建立了非线性驱动装置系统和整车动力学计算模型，进行了电机吊挂参数对车辆动力学性能影响规律研究，优化了能满足速度 80 km/h B 型地铁运营要求的电机吊挂参数，对车辆动力学性能进行了各工况下的仿真校核分析，同时利用线路动力学试验，验证了架悬式永磁转向架的动力学性能符合标准要求。研究结果表明：装用架悬式永磁直驱转向架的速度 80 km/h B 型地铁宜采用较大刚度的电机吊挂参数，车辆具有较高的临界速度，平稳性、安全性和柔度系数均满足标准要求，车辆刚性自振频率无耦合，架悬式永磁直驱转向架动力学性能达到运营要求。关键词 小轴距；电机架悬式；永磁直驱；动力学性能中图分类号：U239.5 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1008-7842.2023.05.23随着中国城市化的发展逐渐由高速度向高质量转变，节能环保、安全高效已经成为轨道交通新的发展方向。永磁直驱列车具有能耗低、曲线通过能力强、运维成本低等优势1-3。张雄飞4介绍了国内外永磁电机直接驱动式转向架和直驱技术的发展情况，分析了转向架直驱技术的优缺点及其未来的发展趋势，为国内电机直驱转向架的发展提供参考。针对永磁同步直驱电机悬挂模式，罗湘萍等5建立了轨道交通车轮轨道耦合系统的冲击力学分析模型，就永磁同步电机架悬直驱和轴悬直驱 2 种技术模式进行了优劣性分析。原志强等6针对客运机车的大功率永磁直驱技术进行了研究，通过永磁直驱系统、适应永磁直驱技术的变流系统、应对反电势、应对电机失磁等关键技术的深入研究，完成了大功率永磁直驱客运机车的研制。现 有 永 磁 直 驱 地 铁 列 车 采 用 抱 轴 式 直 驱 结构，电机抱轴安装，车轴直接承载电机重量，簧下重量较大，轮轨冲击较大7。为减小簧下重量，实现低的轮轨磨耗及作用力，减小作用于电机的冲击，进一步优化轮轨关系8-9，研制全新的架悬式永磁直驱转向架。架悬式永磁直驱转向架采用小轴距、低转速大扭矩永磁直驱电机技术、“日”字箱型构架设计，挠性板式空心轴联轴节等关键技术。因此，需要开展动力学仿真分析，优化电机吊挂参数和转向架悬挂参数，研究电机架悬对曲线通过性能、运行平稳性、运行稳定性的影响规律，验证动力学性能是否达到标准和运营要求。1 基本参数 根据“轻量化、系列化、平台化、紧凑化”的总体设计要求，架悬永磁直驱转向架在 B 型地铁转向架 成 熟 的 研 发、制 造、试 验 验 证 标 准 体 系 的 基 础上，采用小轴距转向架布局，带端梁的 H 型箱型结构和外置式制动单元，关键受力位置采用铸、锻件结 构，以 便 同 时 满 足 接 口 及 强 度 要 求，如 图 1所示。电机悬挂方式为架悬式，由 3 个节点弹性吊挂于构架上，整体重量由簧下变为簧上。同时，采用空心轴弹性联轴节，用于适应转向架的一系位移。车辆的基本参数见表 1。文章编号：1008-7842（2023）05-0143-08引用格式：马晓光,杨 陈,肖 遥,等.架悬式永磁直驱转向架的动力学性能研究J.铁道机车车辆,2023,43(5):143-150.第一作者：马晓光（1986-）男，高级工程师（修回日期：2023-05-28）通信作者：杨 陈（1991-）男，工程师铁 道 机 车 车 辆第 43 卷 2 动力学模型建立 动力学分析采用 SIMPACK 软件，建立了架悬式永磁直驱转向架车辆横向运动和垂向运动耦合的多体动力学模型。针对架悬永磁转向架的结构和地铁线路特点，其中架悬电机和联轴节，详细搭建了动力学非线性模型，计算线路覆盖了 B 型地铁线路的最小曲线，轨道谱采用美国五级谱。同时，定义车辆的前进方向为 x 轴，y 轴平行于轨道平面指向右方，z 轴垂直轨道平面向下，车辆前进方向的第 1 个轮对为一位轮对，如图 2 所示。架悬式永磁直驱车辆动力学模型由 1 个车体、2 个构架、4 个轮对、8 个轴箱、4 个电机等刚体组成，车 辆 系 统 的 的 自 由 度 数 见 表 2，共 计 74 个 自由度。3 电机吊挂参数优化 架悬型永磁牵引电机直驱转向架相比于传统异步电机驱动取消了齿轮箱，通过空心轴联轴节，将电机输出转矩直接传递到轮对，使得牵引传动系统结构更加紧凑的同时提高了传动效率。考虑到牵引电机采用三点吊挂架悬式方案，对电机横梁侧吊挂刚度和阻尼进行了交叉优化。3.1蛇行稳定性运动稳定性如图 3 所示，由图 3 可知，新轮状态下（等效锥度 0.1）电机吊挂横向刚度和电机减振器阻尼对蛇行失稳临界速度影响较小，磨耗轮状态下（等效锥度 0.65），当电机吊挂横向刚度小于 1 MN/m 时，随着电机吊挂横向刚度的增大，车辆的蛇行失稳临界速度先上升后下降；当电机吊挂横向刚度在 0.40.5 MN/m 附近时，临界速度达到最高；随着电机减振器阻尼的增大，蛇行失稳临界速度逐渐提高；当电机吊挂横向刚度达到 5 MN/m 以上时，电机吊挂横向刚度和阻尼对临界速度影图 2车辆系统动力学模型表 2车辆的自由度自由度车体（1）构架（2）轴箱（8）轮对（4）电机（4）伸缩横摆浮沉侧滚点头摇头图 1车辆系统动力学模型表 1车辆基本参数名称车辆定距/m转向架轴距/m最高运营速度/（kmh-1）车轮滚动圆直径/mm车轮踏面型状正线轨道类型/（kgm-1）轨距/mm数值12.61.680840/770LM601 435144第 5 期架悬式永磁直驱转向架的动力学性能研究响较小。磨耗轮状态下，降低电机吊挂横向刚度、增大电机减振器阻尼有利于降低构架振动加速度；新轮状态下，增大电机减振器阻尼有利于降低电机振动加速度；磨耗轮状态下，随着电机吊挂横向刚度的增大，电机横向加速度和位移先增大后降低，电机振动处于峰值附近时，其对转向架蛇行运动的动力吸振效果更显著。3.2运行平稳性新轮状态下横向平稳性、磨耗状态下横向平稳性、新轮状态下垂向平稳性、磨耗状态下垂向平稳性如图 4图 7 所示，由图 4 和图 6 可知，新轮状态下电机吊挂刚度和阻尼对车辆运行平稳性影响较小；磨耗轮状态下（图 5 和图 7）当电机吊挂横向刚度小于 1 MN/m 时，随着电机吊挂横向刚度的增大，车辆横向平稳性指标先增大后趋于平缓，且无电机横向减振器情况下，车辆横向平稳性指标显著恶化。但当电机吊挂横向刚度大于 5 MN/m 时，电机吊挂横向刚度和阻尼对车辆运行平稳性影响较小。3.3安全性安全性性能如图 8 所示，由图 8 可知，新轮状态下电机吊挂刚度对车辆运行安全性指标影响较小。磨 耗 轮 状 态 下，当 电 机 吊 挂 横 向 刚 度 小 于1 MN/m 时，随着电机吊挂横向刚度的增大，轮轴横向力、脱轨系数和轮重减载率先增大后趋于平图 4新轮状态下横向平稳性图 5磨耗轮状态下横向平稳性图 3运动稳定性145铁 道 机 车 车 辆第 43 卷 缓，且 无 电 机 横 向 减 振 器 情 况 下，车 辆 运 行 安 全性 指 标 显 著 恶 化。但 当 电 机 吊 挂 横 向 刚 度 大 于5 MN/m 时，电机吊挂横向刚度和阻尼对运行安全性指标影响较小。电机节点性能参数见表 3，考虑实际情况中橡胶节点制造及老化等因素，橡胶簧刚度在20%范围内均需要保证足够的动力学性能，同时为了保证 磨 耗 后 车 辆 的 蛇 行 失 稳 临 界 速 度 高 于 运 行 速度，采用表 3 所示的较大横向刚度的电机吊挂参数。较大的横向刚度，可以减少电机与构架之间的 横 向 位 移，降 低 对 弹 性 联 轴 节 的 适 应 变 位能力。4 车辆动力学性能分析 利用动力学模型对架悬式永磁直驱转向架进行动力学参数优化分析，得到了该型转向架的最优悬挂参数和电机吊挂参数，基于优化参数对该型转向架进行动力学性能预测分析，考核不同运行条件下车辆系统的运行稳定性、安全性和平稳性的影响规律。图 6新轮状态下垂向平稳性图 7磨耗轮状态下垂向平稳性表 3电机节点性能参数产品名称节点（横梁）节点（端梁）每轴数量12径向刚度/（MNm-1）70（115%）35（115%）轴向刚度/（MNm-1）16（120%）8（120%）图 8安全性性能146第 5 期架悬式永磁直驱转向架的动力学性能研究4.1运行平稳性依据标准 GB/T 5599-201910，利用美国五级谱作为外部激励，对车辆在直线上的动力学性能进行计算。不同运行速度对平稳性的影响如图 9所示，图 9 表明，分别采用新轮和磨耗轮的车辆在各载重工况下横向和垂向平稳性指标均小于 2.5，达到 GB/T 5599-2019 规定的优级要求。悬挂故障下速度对横向平稳性的影响，悬挂故障下速度对垂向平稳性的影响，如图 10、图 11 所示，图 10、图 11 中通过将悬挂正常与故障对比发现，运行速度增大时，二系的垂向和横向减振器故障时，分别对垂向和横向平稳性的影响比较明显，而其余故障工况的平稳性指标值则缓慢增大。4.2安全性运行速度对脱轨系数的影响，运行速度对安全性指标的影响，如图 12、图 13 所示。由图 12、图 13可知，列车的脱轨系数在各工况下均小于 0.8，轮重减载率和轮轴横向力均在标准要求范围内。悬挂故障对轮轴横向力的影响，悬挂故障对脱轨系数 的 影 响，悬 挂 故 障 对 轮 重 减 载 率 的 影 响，如 图14图 16 所示，故障工况时，二系横向减振器相对其他故障工况对安全性指标的影响较大，结合安全性指标，需要降速至 60 km/h 运行。4.3蛇行稳定性计算车辆在各载荷工况下的临界速度，如图图 9不同运行速度对平稳性的影响图 10悬挂故障下速度对横向平稳性的影响图 11悬挂故障下速度对垂向平稳性的影响图 12运行速度对脱轨系数的影响图 13运行速度对安全性指标的影响147铁 道 机 车 车 辆第 43 卷 17 所示，可知在轮轨等效锥度达到 0.65 时，临界速度仍达到 90 km/h，满足车辆运营速度 80 km/h 的运用要求。运行速度对构架端部横向加速度峰值的影响、运行速度对构架端部横向加速度均方根的影响如图 18、图 19 所示。由图 18、图 19 可知，随着运行速度增长，构架端部横向加速度峰值和均方根值均缓慢增长，但最大值分别小于 8 m/s2和5.5 m/s2，满足标准要求。悬挂故障对蛇行失稳临界速度的影响如图 20 所示，由图 20 可知不同悬挂故 障 工 况 下 的 实 际 临 界 速 度 均 超 过 80 km/h（按1 mm 极 限 环 幅 判 断），能 够 满 足 80 km/h 的 运 营要求。图 17不同载荷和车轮踏面情况下的临界速度图 18运行速度对构架端部横向加速度峰值的影响图 19运行速度对构架端部横向加速度均方根的影响图 14悬挂故障对轮轴横向力的影响图 15悬挂故障对脱轨系数的影响图 16悬挂故障对轮重减载率的影响148第 5 期架悬式永磁直驱转向架的动力学性能研究4.4柔度系数根据标准 UIC 505-511对柔性系数 S 的定义，当车辆静止在超高为 D（文中最大 120 mm）的轨道上时，轨道走行面与水平面之间产生夹角，车体中心线与轨道中心线之间由于悬挂的作用产生夹角，2 个角度的比值/为车辆柔性系数，用 S 来表示。车辆柔度系数见表 4，根据标准对不同载荷下的柔度系数进行计算，柔度系数符合标准限值0.4，且安全裕量较大。4.5谐振分析车辆系统的刚体固有振动频率是指车辆系统的悬挂自振频率，是由车辆系统的质量特性、悬挂参数等决定的。车辆系统的刚体固有振动频率见表 5。从表 5 可以看出，车体、转向架和电机之间的悬挂频率没有耦合，避免了共振现象。5 动力学试验验证 列车动力学试验为车辆系列型式试验中的重要项点，是验证列车走行部性能的重要环节。动力学试验的主要目的是验证车辆运行平稳性（旅客乘坐的舒适性）和稳定性（安全性）。为验证架悬式设计理念、吊挂方式及运用状态，开展架悬式永磁直驱转向架动力学试验验证工作。2022 年 7 月2022 年 8 月，架悬式永磁直驱转向架在某正线（已运营 3 年的线路）上按照 GB/T 5599-2019 标准要求开展各工况动力学测试，完成了线路动力学试验验证，各项指标满足标准要求，见表 6。6 结论 通过对架悬式永磁直驱转向架的电机吊挂参数优化组合，基于优化参数对该型转向架进行动力学性能预测分析，对其在不同运用工况下的运行平稳性、运行安全性及蛇行稳定性进行校核，计算了架悬式永磁转向架的柔度系数，开展了车辆谐振分析，最后通过动力学试验验证了车辆性能。结论如下：（1）建立了架悬式永磁直驱转向架车辆的非线性系统动力学模型，掌握了架悬式电机吊挂参图 20悬挂故障对蛇行失稳临界速度的影响表 4车辆柔度系数工况柔度系数安全系数AW00.2071.930AW30.3381.180表 5车辆悬挂自振频率分类车体悬挂构架悬挂电机悬挂模态下心滚摆摇头浮沉上心滚摆点头浮沉侧滚点头摇头横摆侧滚纵向同一转向架电机反相摇头同一转向架电机同相摇头同一转向架电机反相浮沉同一转向架电机同相浮沉同一转向架电机反相横移同一转向架电机同相横移频率/Hz0.541 20.915 91.409 21.315 31.537 46.247 419.456 321.559 223.754 725.053 010.520 353.051 665.833 968.122 874.093 281.007 780.144 086.124 7表 6车辆动力学试验结果评价指标脱轨系数轮重减载率构架横向加速度/（ms-2）横向平稳性垂向平稳性车体横向振动加速度/（ms-2）车体垂向振动加速度/（ms-2）试验结果0.5300.4200.7702.3702.4801.0271.443限值0.80.68.02.52.52.52.5149铁 道 机 车 车 辆第 43 卷 数（刚度和阻尼）对车辆系统的运动稳定性、运行安全性和运行平稳性的影响规律。（2）架悬式永磁直驱转向架选择较大刚度的电机吊挂参数，达到精确设计电机吊挂节点刚度，降低电机与构架之间的横向位移，降低对弹性联轴节的适应变位能力要求，实现新轮和磨耗轮下运营速度 80 km/h 良好的车辆稳定性的目的。（3）基于优于参数组合对车辆动力学性能进行 预 测，经 分 析，悬 挂 正 常 各 工 况 下 的 车 辆 安 全性、平稳性、蛇行稳定性均满足标准和设计要求，且还有较大的裕量；悬挂故障各工况下，为使得车辆安全性不受影响，需要限速运行。（4）车辆柔度系数，经计算指标小于 0.4，达到欧洲铁路联盟标准要求。（5）车辆自振频率，经谐振分析，没有耦合，满足设计要求。（6）车辆动力学试验测试结果，表明架悬式永磁转向架各项指标均满足标准限值要求。参考文献1 冯遵委，胡定祥，楚永萍.永磁同步电机直接驱动柔性转向架的动力学性能研究J.铁道机车车辆，2013，33（3）：73-76.2 楚永萍，胡定祥，周 亮.地铁车辆新型永磁直驱转向架的设计和分析J.城市轨道交通研究，2016，19（6）：17-21，27.3 胡定祥，金 鑫，马晓光，等.B 型地铁车辆永磁直驱转 向 架 的 研 制 及 性 能 分 析 J.城 市 轨 道 交 通 研 究，2022，25（7）：34-38.4 张雄飞.国内外永磁电机直接驱动式转向架的发展J.机车电传动，2020（3）：1-7.5 罗湘萍，张文超，吴凯桦.永磁同步直驱电机悬挂模式研究J.城市轨道交通研究，2018，21（4）：5-7，13.6 原志强，聂 敏.大功率永磁直驱客运机车的研制J.机车电传动，2019（1）：40-44，50.7 翟婉明.车辆轨道耦合动力学（第四版）上册M.北京：科学出版社，2015.8 罗 仁，石怀龙.高速列车系统动力学M.成都：西南交通大学出版社，2019.9 王福天.车辆系统动力学M.北京：中国铁道出版社，1994.10 国家市场监督管理总局.机车车辆动力学性能评定及试验鉴定规范：GB/T 55992019S.北京：中国标准出版社，2019.11 International Union of Railways.Railway Vehicle Construction Limits：UIC 505-5S.Paris：International Union of Railway，1977.Study on Dynamic Performance of Frame-mounted Permanent Magnet Direct-drive BogieMA Xiaoguang，YANG Chen，XIAO Yao，HU Dingxiang（CRRC Nanjing Puzhen Co.,Ltd.,Nanjing 210031 Jiangsu,China）Abstract：This paper introduces the technical scheme of suspended permanent magnet bogie with low wheel-rail action force.Based on the structure of a suspension type permanent magnet direct drive bogie and the characteristics of a B-type subway line,a nonlinear driving device system and a vehicle dynamics calculation model was established The influence of motor suspension parameters on vehicle dynamics performance is studied,and the motor suspension parameters that can meet the operation requirements of 80 km/h B-type subway are optimized.The simulation check analysis of vehicle dynamics under various working conditions is carried out.At the same time,the dynamic performance of the suspension type permanent magnet bogie was verified to meet the standard requirements through line dynamics tests.The research results indicate that:the B-type subway equipped with frame mounted permanent magnet direct drive bogies at a speed of 80 km/h should adopt motor suspension parameters with higher stiffness,the vehicle has a high critical speed,and its running behavior,safety,and flexibility coefficient all meet the standard requirements,the vehicles rigid natural frequency is uncoupled,and the dynamic performance of the frame mounted permanent magnet direct drive bogies meet the operational requirements.Key words：small wheelbase；motor frame suspension；permanent magnet direct；dynamic performance150