城际铁路动车组牵引电机悬挂方式比较分析

尹振坤　吕常秀

（中车长春轨道客车股份有限公司转向架研发部，130062，长春∥第一作者，高级工程师）

随着以“四纵四横”为主的中国高速铁路网的建成，“十三五”期间国家将大力发展以京津冀、长三角、珠三角等城市群为核心的城际轨道交通网络。国家铁路局于2014年12月颁发了TB 10623—2014《城际铁路设计规范》，其中规定了200 km/h、160 km/h、120 km/h 3个速度等级的城际铁路设计要求。

城际铁路车辆多采用动力分散式动车组，动车组转向架分为动力转向架和非动力转向架。动力转向架上安装有齿轮驱动装置，牵引电机的安装位置和安装方式直接关系到转向架乃至整车的结构设计和空间布局，同时也对整车的动力学性能和振动传递产生较大的影响。罗湘萍等［1］针对更高速度等级动车组转向架的簧间大质量部件振动解耦技术进行了专题研究，主要目的是提高转向架的蛇行临界速度，并提出了一种高速转向架牵引电机横向解耦机构的技术方案。黄彩虹等［2］建立了转向架系统横向动力学模型，结合模态分析确定了牵引电机悬挂参数和质量参数对车辆稳定性的影响，并优化了电机悬挂最佳频率，以得到较高的车辆运行稳定性。谌亮等［3］介绍了250 km/h动车组牵引电机的体悬结构，分析了万向轴传动系统的临界转速以及动平衡指标、润滑状态的影响。王立国等［4］分析了电力机车牵引电机悬挂方式的选择。R.N.Lal等［5］分析了轴悬式牵引电机的运用特点和主要问题。上述研究主要是针对300 km/h以上高速动车组牵引电机悬挂参数优化和机车牵引电机的选型优化，且牵引电机悬挂的结构形式比较复杂。

相比高速动车组和机车，城际铁路动车组有其自身的运用特点，如：轴重大、空重车载重变化大；快起快停，起停频繁；线路条件多样，需兼顾既有干线铁路、客运专线及混跑跨线；运行速度跨度大，需考虑在120～200 km/h范围内不同速度变化；等等。因此，城际铁路动车组牵引电机悬挂方式的选型和优化，需要结合其运用特点进行系统分析。

1　牵引电机悬挂方式

牵引电机的悬挂方式从总体来说分为体悬式、架悬式和轴悬式。其中，轴悬式牵引电机的大部分质量为簧下质量，增加了车辆对轨道的动力破坏作用，又将轮轨间产生的冲击与振动直接传递给牵引电机，加大了电机的振动载荷，所以该结构一般使用在低速轨道车辆上。对于运行速度大于120 km/h的城际铁路动车组而言，牵引电机悬挂方式的选型设计至关重要。目前，国内已运行动车组，其牵引电机的悬挂方式主要为体悬和架悬两大类别。

1.1　电机体悬

电机体悬是指牵引电机吊挂在车体底架上，采用传动轴与转向架上的齿轮箱连接，从而传递扭矩（见图1）。其典型产品的结构形式是：动力转向架齿轮箱采用抱轴式伞齿轮结构；在牵引电机和齿轮箱之间安装双十字万向传动轴及其保护支架；万向轴可以伸缩变位，以满足车体与轮对之间的相对位移。由于电机吊挂车体，大大降低了转向架的簧间质量，可有效地改善转向架的高速直线运行性能，同时也便于对牵引电机的检查与维护。

但电机体悬的缺点也很明显，主要表现在：①齿轮箱及传动系统的结构复杂，生产和维护成本高；②电机占用车下设备吊装空间，需要特殊的吊装结构避免电机振动对车体的影响；③传动轴的临界转速受结构、静动平衡、磨损等因数影响较大；④由于传动轴较长，其1阶垂向弯曲自振频率很难避开转向架与车体的共振区间。

因此，电机体悬更适合应用在受结构空间限制不能满足电机安装空间需求的特殊形式转向架，例如轴箱内置转向架、摆式列车转向架等，对于城际铁路动车组，不建议采用电机体悬的悬挂方式。

图1　电机体悬结构简图

1.2　电机架悬

电机架悬是指牵引电机吊挂在转向架构架上，常见的驱动布置方式是电机、联轴节、齿轮箱的三大件结构形式（见图2），其牵引电机完全为簧上质量。按照牵引电机与构架的连接状态，电机架悬还可以分为刚性架悬、柔性架悬和弹性架悬3种类型。

1.2.1刚性架悬

图2　典型电机架悬的布置方式

刚性架悬的典型结构形式是电机上部卡槽与构架电机吊座卡条刚性配合安装，通过螺栓分别将电机上部和下部与构架连接。其特点是电机和构架刚性连接为一体，不存在任何方向的相对位移（结构形式见图3）。刚性架悬多用于地铁转向架，其优点是结构简单、安装方便；缺点是刚性连接没有任何的减振隔振装置，导致电机振动直接传递到转向架构架。

图3　电机刚性架悬

1.2.2柔性架悬

柔性架悬是指电机与构架之间的横向刚度很小（小于1 kN/mm），电机相对于构架在横向方向上可以相对位移（最大横向位移可达12 mm）。其优点是实现电机和构架横向振动的解耦，能减小构架的横向质量和摇头惯量，从而改善平稳性，减小轮轨作用力，提高转向架蛇行临界速度。柔性架悬中，影响架悬式动力转向架蛇行运动稳定性的主要因素是电机横移模态，而电机摇头模态的影响相对很小。柔性架悬的典型结构有2种：一种是将电机及其安装吊架通过板弹簧吊装在转向架构架上（见图4）。由于板弹簧在板厚方向刚度较低，从而降低了电机的横向悬挂刚度。但该结构设计过于复杂，零部件较多，制造成本也较高。另外一种是电机通过大直径橡胶节点与构架连接（见图5）。橡胶节点采用多层橡胶与隔套分瓣硫化再压装结构，从而满足小轴向刚度并兼顾较大的径向刚度。与板弹簧结构相比，其结构相对简单，但橡胶节点的尺寸较大（直径130 mm），对橡胶节点的设计和制造要求较高，且橡胶节点的使用寿命短。

此外，电机柔性架悬都需要配置横向减振器以衰减电机横向振动，同时需设置横向止挡以限制电机横向的最大位移，保证行车安全。因此，该结构形式多用于运行速度较高的动车组车辆。

图4　电机柔性架悬（板弹簧）

图5　电机柔性架悬（多层橡胶节点）

1.2.3弹性架悬

弹性架悬是指电机和构架之间通过大刚度的橡胶节点实现连接，橡胶节点数量可以为3个或4个（见图6）。此吊装结构中，橡胶节点多为单层硫化橡胶，单个节点的刚度值较大（轴向刚度大于10 kN/mm，径向刚度大于30 kN/mm），所以橡胶节点的外形尺寸大大减小（直径小于90 mm），可节省空间便于安装且制造工艺简单、寿命长［6］。此结构多用在地铁车辆上。

图6　电机弹性架悬

2　电机悬挂优化分析

根据电机悬挂结构特点可知，城际铁路动车组牵引电机更适宜采用架悬形式，但具体采用哪种架悬结构，需要根据动车组的运用特点进行系统分析后确定。

2.1　基于运行速度的分析

采用SIMPACK软件，仿真分析电机刚性架悬和柔性架悬对动力学性能的影响。计算结果表明：

（1）电机柔性架悬转向架的临界速度大于600 km/h，电机刚性架悬转向架的临界速度大于409 km/h。即对于300 km/h以上动车组，电机柔性架悬能够在一定程度上起到提高车辆动力学性能的作用。

（2）运行速度在250 km/h以下时，电机悬挂方式对车辆动力学影响效果不太明显，刚性架悬的平稳性和脱轨系数还略优于柔性架悬（见图7）。由此可见，对于最高运行速度200 km/h的城际铁路动车组，不建议采用柔性架悬的牵引电机悬挂方式。

图7　电机刚性架悬和柔性架悬的动力学性能比较

2.2　基于电机振动传递的分析

牵引电机的振动主要分为电机自身的惯性质量振动和电机工作时电机转子的转频振动。后者是指牵引电机转子在电磁转矩的作用下产生轴向旋转，由于电机的输入电流具有谐波干扰，电机在控制过程中电磁转矩存在一定的波动，从而产生与电机转速相当的转频振动［7］。城际铁路动车组多采用50%的动拖比（如4动4拖）编组，由于运行速度较高、轴重较大（17 t）、起动加速度较大及频繁起停等特点，导致牵引电机质量和功率较大，运转时电机的转频振动明显。对于电机刚性架悬的悬挂方式，电机转频振动对构架振动的影响更为明显。

以采用电机刚性架悬的某动车组线路实测为例，在200 km/h和250 km/h速度下，构架的电机吊座存在明显的电机转频（70 Hz和88 Hz）及其倍频（140、210 Hz和 176、264 Hz）的振动能量集中（见图8），可见电机转频振动对构架电机吊座的疲劳强度会产生不良影响。

对于电机弹性架悬的悬挂方式，由于电机和构架之间有弹性橡胶元件，电机的惯性质量振动也会显著降低。例如，在两个不同的地铁项目中（转向架主体结构完全相同，电机悬挂方式一个采用完全刚性架悬，另一个采用弹性架悬），分别实测两者的构架电机吊座和电机振动加速度。图9为在直线工况的不同运行速度下，两者的电机吊座和电机的垂向振动加速度平均值（由于最大值受影响因素较多，存在偶然性不具有代表性）测试数据。线路实测数据表明：在电机吊座垂向振动加速度平均值相当的情况下，电机垂向振动平均值有明显差异，刚性架悬电机振动加速度明显大于弹性架悬电机振动加速度。

图9　不同速度和电机悬挂的垂向振动

2.3　基于电机摇头频率的分析

通过以上分析可知，对于运营速度较高、电机功率较大的城际铁路动车组，其牵引电机适宜采用大刚度弹性架悬的悬挂方式，既能满足动力学性能要求，又能缓解电机振动对构架结构强度的影响。常用的电机弹性架悬根据橡胶节点数量的不同又分为3点和4点吊挂。橡胶节点数量、节点径向刚度和节点跨距的选取应该在校核电机摇头频率分析的基础上确定。

参照国际铁路联盟标准（UIC），转向架运行过程中，构架的横向加速度一般在0.8 g以下，频率通常在3～9 Hz范围内。由于电机质心点与电机吊挂点存在一定距离且电机质量较大，因此，对于弹性架悬结构需要将电机的摇头频率与转向架横向振动频率隔开，以避免共振。弹性架悬电机的摇头频率必须大于14 Hz。现以3点吊挂的电机弹性架悬为例，令：电机质量为m，电机吊挂橡胶节点的纵向刚度为k，橡胶节点跨距为2 d，电机质心距橡胶节点中心距离为r，则电机摇头振动的转动惯量为mr2；设定ω为电机摇头的角加速度，α为电机摇头的角度。具体图示见图 10［8-9］。

图10　电机摇头频率计算参数图示

利用动量矩定理可得下列方程：

即

由此可见，随着电机质量和电机尺寸的增大，节点的纵向刚度和节点跨距均需要增大，才能满足摇头频率大于14 Hz的要求。通常对于质量约600 kg牵引电机，橡胶节点跨距应大于300 mm，橡胶节点纵向刚度应大于30 kN/mm。

3　结语

通过对不同牵引电机悬挂方式的结构对比、动力学仿真计算、振动传递和振动耦合分析以及线路实测数据分析，得出如下结论：

（1）由于结构复杂、占用车下空间、传动轴可靠性等因素，城际铁路动车组的牵引电机不适宜采用体悬的悬挂方式。

（2）为满足动力学性能要求，减轻电机转频振动对构架强度影响以及减小电机惯性质量振动的角度分析，城际铁路动车组牵引电机推荐使用大刚度弹性架悬的悬挂方式。

（3）采用大刚度弹性架悬时，需要按照推荐公式计算电机的摇头频率，通过调整节点数量、节点纵向刚度、节点跨距来满足电机摇头频率大于14 Hz的要求。

本文论述的牵引电机悬挂方式选型原则和优化分析要点，可以满足城际铁路动车组的运用需求，并作为城际铁路动车组牵引电机悬挂方式的设计选型依据。

［1］罗湘萍，詹庆涛，吴凯桦.动车组转向架簧间大质量部件（牵引电机）振动解耦技术方案［J］.城市轨道交通研究，2016，19（3）：28.

［2］黄彩虹，梁树林，曾京，等.牵引电机架悬参数对动车转向架稳定性的影响［J］.铁道车辆，2014，52（11）：1.

［3］谌亮，陈伟婧，王靖.CRH5A型动车组传动系统万向轴及其润滑研究［J］.电力机车与城轨车辆，2014，37（3）：72.

［4］王立国，杨秀娟.电力机车转向架牵引电机悬挂方式选择研究［J］.轨道交通装备与技术，2015（4）：1.

［5］LAL R N，王立国.正确选择牵引电机的悬挂方式［J］.国外铁道车辆，2015，52（3）：24.

［6］刘建勋，卜继玲.轨道车辆转向架橡胶弹性元件应用技术［M］.北京：中国铁道出版社，2012.

［7］陈哲明，曾京.牵引电机转子振动对高速列车动力学性能的影响［J］.工程力学，2011，28（1）：238.

［8］王福天.车辆动力学［M］.北京：中国铁道出版社，1981.

［9］安琪，李芾，傅茂海.牵引电机振动对构架疲劳强度的影响［J］.西南交通大学学报，2010，45（2）：209.