地铁车辆新型永磁直驱转向架的设计和分析

楚永萍 胡定祥 周 亮

(1.中车南京浦镇车辆有限公司,210031,南京; 2.上海申通地铁集团有限公司,201100,上海∥第一作者,教授级高级工程师)



研究报告

地铁车辆新型永磁直驱转向架的设计和分析

楚永萍1胡定祥1周 亮2

(1.中车南京浦镇车辆有限公司,210031,南京; 2.上海申通地铁集团有限公司,201100,上海∥第一作者,教授级高级工程师)

介绍了一种结合新型驱动方式的永磁直驱转向架。该转向架采用抱轴安装式永磁直驱电机,具有高效、节能环保、噪声低、节约空间等特点,实现了小轴距。构架采用“交叉板式”柔性横梁,能提供较低的扭转刚度和合适的抗菱刚度,改变了传统转向架用一系、二系悬挂适应轨道扭曲的特点。该柔性构架的强度分析结果表明,柔性构架完全满足标准规定的要求。永磁直驱转向架与传统转向架的动力学性能对比分析表明,永磁直驱转向架的柔性构架能有效降低轮重减载率,并能保证车辆的蛇行稳定性,且其冲角、磨耗功指标要明显优于传统转向架,曲线半径越小优势越突出。

地铁;转向架;永磁直驱;柔性构架

Author′s address CRRC Nanjing Puzhen Co.,Ltd.,210031,Nanjing,China

目前，我国地铁车辆转向架的驱动通常采用交流异步电机+齿轮装置。根据齿轮传动系统的结构,转向架固定轴距一般设定为2.2～2.5 m,且车辆正线通过曲线半径不得小于250 m。而城市地铁建设均期望曲线半径尽可能小，以提高规划可行性并降低线路建设成本。

针对这一矛盾,借鉴国外先进技术理念,地铁车辆新型永磁直驱系统转向架(以下简为“永磁直驱转向架”),取消传统的齿轮传动方式,采用永磁电机直驱方式,转向架固定轴距可设置在1.6～1.9 m之间,车辆通过最小曲线半径可达150 m;该转向架不仅具备良好的小曲线半径通过能力,而且具备节能环保等优势,或将成为新型地铁车辆转向架的发展方向。

1 永磁直驱转向架主要技术参数

依据我国地铁需求,永磁直驱转向架的主要技术参数如表1所示。

表1 永磁直驱转向架的主要技术参数

2 永磁直驱转向架结构特点

柔性焊接构架永磁直驱转向架的最大特点是采用了柔性焊接构架和永磁直驱电机驱动。而其他结构形式类同于传统转向架,采用一系锥形橡胶堆定位、轮对轴箱装置,二系空气弹簧承载、“Z”型双拉杆牵引；且踏面制动、盘形制动装置与目前通用的B型地铁转向架结构形式基本相同[2-4]。具体结构见图1。

图1 动车永磁直驱转向架结构

2.1 柔性构架

与传统转向架相比，柔性构架最大的特点是采用了“交叉板式”柔性横梁结构(见图2)。通过调节柔性横梁的结构参数,构架可获得较低的抗扭转刚度及较高的抗菱形刚度,从而提高转向架运行中对线曲线轨道的适应性。同时，由于取消了动车构架的电机与齿轮箱座,故可在满足最高运行速度前提下,实现较小的固定轴距。

图2 柔性构架装置

柔性构架侧梁采用箱形结构,横梁采用“交叉板式”对接结构。“交叉板式”结构由四个变截面钢板组成(见图3),通过调整结构的厚度Z、宽度L、距中心距离d、板长l和角度α来实现构架整体的刚度需求。

在构架设计中,交叉板采用变厚度、变宽度的设计,中部结构参数为:L=115 mm、Z=24 mm、d=60 mm、α=66°、l=894 mm；经有限元仿真计算得到构架的扭转刚度k2=0.42 MN·m/rad较传统B型转向架构架的扭转刚度10.8 MN·m/rad大幅度减低,可使构架在曲线线路上运行时产生较小的应力;在保证最高运行速度条件下,构架的菱形角刚度k1=27.0 MN·m/rad较传统B型转向架构架的k1=38.0 MN·m/rad有所降低,可完全满足蛇行稳定性要求。因此,柔性构架具备了较低的扭转刚度和合适的菱形刚度。

图3 交叉板式结构断面

2.2 永磁直驱电机

与传统异步电机驱动装置不同,永磁直驱电机取消了齿轮传动装置,同时电机转速较低时,具备较高的牵引力矩。永磁直驱电机也有转子与定子。转子由车轴、轴套、永磁体等组成,取消了线圈绕组，并由电机直接驱动轮对；定子由定子铁芯和线圈绕组等组成,电机可通过调节定子的励磁电流来调节磁场,从而实现对电机的调速。

永磁电机的定子与转子结构如图4、图5所示。电机轴套与车轴过盈配合,轴套直径可按电机功率要求实现永磁体所需数量的安装;电机定子由机壳、铁芯、线圈绕组构成,铁芯采用冷轧硅钢片叠压而成,线圈采用扁铜线绕制,成型硬绕组嵌线后的定子进行整体真空压力浸漆 ;定子的两端通过轴承安装在车轴上,轴承能承受70g(g为重力加速度)的振动冲击,确保其应用的可靠性。电机为全封闭螺旋式水冷结构,结构成熟可靠、冷却效率较高。

图4 永磁直驱电机定子剖面图

2.3 其它结构

转向架一系定位结构采用锥形橡胶堆以提供垂向、横向与纵向刚度,其结构简单、成熟可靠。由于采用了柔性构架,转向架一系的设计垂向刚度较大。

二系悬挂装置采用空气弹簧全承载结构,设置横向和垂向减振器衰减振动,设置横向止挡限制二系过大横向位移。

图5 永磁直驱电机转子剖面图

牵引方式为“Z”型双牵引拉杆牵引,附加横向和垂向刚度小,利于提高乘坐舒适性。踏面制动单元先安装在过渡板上再通过3个穿过侧梁的螺栓固定在侧梁上(见图6)。

图6 踏面制动单元安装图

3 永磁直驱转向架仿真分析

3.1 柔性构架强度计算

永磁直驱转向架构架由两根侧梁和“交叉板式”横梁结构组成,与传统转向架有着较大区别。在设计分析中,不仅要满足UIC 615—4—1993《动力转向架构架结构强度试验规程》及EN 13749—2005《铁路应用轮对和转向架构架结构要求的方法》规定的构架静强度和疲劳强度要求[7],还要重点对该新型柔性构架在扭曲轨道上的应力状况进行分析验证。

柔性构架有限元分析时采用10节点体单元(SOLID92)进行离散,并采用约束方程建立电机质心及其吊座安装位置、制动缸质心及其安装位置等之间的联接关系。整个构架共离散为418 034个单元、506 116个节点,离散模型如图7所示。

在超常垂向、横向、纵向载荷与10‰扭曲轨道的最不利工况组合下,柔性构架最大应力发生在横侧梁连接部侧梁上盖板内侧圆弧弯角处,且应力值为245.782 MPa；而同样的载荷条件下,传统构架相应位置的应力为272.633 MPa。两种构架的应力云图如图8所示。空车脱轨工况下,柔性构架横侧梁联接部位的最大应力为88 MPa,而传统构架相应位置的应力为124 MPa，两种构架的应力云图如图9所示。这说明柔性构架对扭曲轨道具有较好的适应能力。

图7 构架有限元离散模型

图8 超常工况构架应力仿真

图9 空车脱轨工况下构架应力仿真云图

3.2 动力学性能对比分析计算

永磁直驱转向架取消了传统转向架的齿轮箱结构,采用了柔性构架,在电机与构架间增加了力的传递,其动力学模型与传统转向架有所不同。安装永磁直驱转向架的计算模型自由度见表2,构架考虑8个自由度,包括整个构架横向、垂向、侧滚、左侧梁点头、右侧梁点头、左侧梁摇头、右侧梁摇头和两侧梁的菱形运动。与传统构架的自由度相比,永磁直驱转向架增加了左右侧梁点头、摇头以及菱形的自由度。

表2 安装永磁直驱转向架的B型地铁车辆动力学模型自由度

动力学分析结果表明,柔性构架为菱形时的刚度完全满足蛇行稳定性要求(见图10),且永磁直驱转向架的各项动力学性能指标均符合GB 5599—1985《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》要求,满足80 km/h最大运营速度的运用要求[10]。

由于永磁直驱转向架具有较小的轴距,可有效减小曲线上的磨耗与轮轨作用力;柔性构架除应力分布更加合理外,还可实现较小的轮重减载率。因此,本文将永磁直驱转向架的曲线通过性能及对扭曲轨道适应性与传统转向架进行对比。

3.2.1 曲线通过性能

将永磁直驱转向架和传统转向架设定相同的一系定位刚度以仿真分析其曲线通过性能,得到不

图10 临界速度与菱形刚度关系

同曲线半径下,装用两种转向架车辆通过曲线时的冲角和磨耗功(如图11、图12所示)。

图11 轮对冲角

从图11可以看出，永磁直驱转向架的导向轮对冲角比传统转向架小,且曲线半径越小越明显；同一辆车中,永磁直驱转向架两导向轮对冲角的绝对值非常接近,而且导向轮对与非导向轮对也非常接近。

图12 车轮磨耗功

从图12可以看出,永磁直驱转向架导向轮磨耗功明显小于传统转向架,而且4条轮对的磨耗功基本一致,可实现运营中的等磨耗要求;永磁直驱转向架的导向轮磨耗功比传统转向架小,且曲线半径越小越明显;永磁直驱转向架非导向轮的磨耗功与导向轮对相差不大。

3.2.2 扭曲轨道适应性

将永磁直驱转向架和传统转向架设定相同的悬挂刚度，以仿真分析其对扭曲轨道的适应性。分析工况为AW0(空载)状态,分别抬高转向架一位左轮50.0 mm和63.5 mm,则装用两种转向架车辆各车轮的减载率如图13、14所示。

图14 一位左轮抬高63.5 mm时转向架轮重减载率

通过对比分析可以看出,在AW0(车辆空载)条件下,一位左轮抬高50 mm时,装用永磁直驱转向架车辆车轮的最大减载率只有18.248 4%,而且同一辆车的其余车轮的承载较均衡；而装用传统转向架车辆车轮的最大减载率达58.247 3%,其余车轮的承载差异较大。一位左轮抬高63.5 mm时,装用永磁直驱转向架车辆车轮的最大减载率只有23.176 6%；而装用传统转向架车辆车轮的最大减载率达73.976 1%。因此,永磁直驱转向架采用的柔性构架不仅能大幅降低轮重减载率,而且在线路条件较差的轨道上运行能适宜地调整不同车轮的受力状况,使同一辆车的车轮均衡承载,从而使同一辆车的车轮均匀磨耗,降低了维修成本,大大提高了车辆对异常线路的适应能力。

4 结语

永磁直驱转向架结合了具有节能环保特点的永磁电机技术,并在构架上采用“交叉板式”横梁实现了构架柔性,具有创新的设计理念。

(1) “交叉板式”横梁结构实现了构架的柔性,能有效地降低轮重减载率,提高对异常线路的适应能力。

(2) 采用永磁电机驱动,具有节能环保的优势。

(3) 采用永磁电机抱轴安装直驱结构,既提高了传动的效率,又省去齿轮箱,减小了转向架的轴距。

(4) 永磁直驱转向架的曲线通过性能及对扭曲轨道适应性较传统转向架更优。

[1] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,中华人民共和国住房和城乡建设部.地铁设计规范：GB 50157—2013.[S].北京:中国计划出版社,2013.

[2] 楚永萍,唐永明,冯遵委,等.柔性直驱式转向架:2012 10238324.X[P].2015-06-24.

[3] 楚永萍,唐永明,冯遵委,等.一种直驱式转向架结构:2012 10238323.5[P].2015-06-14.

[4] 楚永萍,唐永明,冯遵委,等.轨道车辆柔性转向架:2012 10237379.9[P].2015-11-18.

[5] International Union of Railways.Triebfahrzeuge-Drehgestelle und Laufwerke Festigkeitsprüfung an Struk-turen von Drehgestellrahmen:UIC 615-4-2003[S].Paris:International Union of Railways,2013.

[6] European Committee for Standardization.Railway applications Methods of specifying Structual requirement of bogie frames:EN 13749—2005[S].London:British Standards Institution.

[7] 王文静.B型地铁永磁直驱柔性构架静强度和疲劳强度分析报告[R].北京:北京交通大学,2014.

[8] 王文静.PW2300型转向架动车构架静强度和疲劳强度以及模态分析报告[R].北京:北京交通大学,2010.

[9] 国家标准局.铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范：GB 5599—1985[S].

[10] 沈钢.永磁直驱柔性转向架动力学性能计算[R].上海:同济大学,2014.

Design and Analysis of A New-type Metro Bogie with Permanent Magnet Driving Motors

CHU Yongping, HU Dingxiang, ZHOU Liang

metro; bogie; permanent magnet direct drive; flexible frame

U 270.331

10.16037/j.1007-869x.2016.06.004

2015-11-17)