直線牽引電機(jī)結(jié)構(gòu)部件動(dòng)態(tài)剛度優(yōu)化

李汛保，何云風(fēng)，李科成，劉雄建

（中車株洲電機(jī)有限公司，湖南 株洲 412000）

直線牽引電機(jī)主要裝備在城軌、磁懸浮等軌道交通車輛，為車輛提供牽引動(dòng)力，屬于車輛核心部件。與傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)相比，直線電機(jī)的低噪聲、輕量化、維護(hù)成本低等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，使得直線電機(jī)成為電機(jī)研究的熱點(diǎn)。

由于技術(shù)的前沿性，直線型牽引電機(jī)研制經(jīng)驗(yàn)不足，動(dòng)態(tài)線路工況未能完全掌握，部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不一定是最優(yōu)方案。因此線路調(diào)試過(guò)程中，累計(jì)經(jīng)驗(yàn)，在全面了解電機(jī)動(dòng)態(tài)線路工況后，對(duì)電機(jī)繼續(xù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化是很有必要的。

以直線牽引電機(jī)結(jié)構(gòu)部件支線架為例，在線路調(diào)試過(guò)程中，由列車故障引起的振動(dòng)會(huì)造成支線架與端部繞組（繞組懸空部分）磕碰，多次磕碰后，端部繞組磕碰點(diǎn)處絕緣易被擊穿，造成電機(jī)絕緣可靠性降低，情況嚴(yán)重的會(huì)造成電機(jī)報(bào)廢。因此，文章對(duì)電機(jī)結(jié)構(gòu)部件支線架動(dòng)態(tài)剛度進(jìn)行優(yōu)化，提高電機(jī)整體可靠性。

1 直線牽引電機(jī)總體結(jié)構(gòu)

直線牽引電機(jī)外形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)受限于車體轉(zhuǎn)向架提供的安裝空間，同時(shí)保證電機(jī)輕量化設(shè)計(jì)，其外形和結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示，主要包括鐵心、繞組、懸掛、支線架、引出電纜等部件。

直線牽引電機(jī)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：鐵心和繞組采用復(fù)合材料刷涂方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)電機(jī)外機(jī)殼保護(hù)；繞組和引出電纜轉(zhuǎn)接空間采用裸露支線架替代傳統(tǒng)電機(jī)接線盒。該電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案符合電機(jī)輕量化設(shè)計(jì)方向。

圖1 直線牽引電機(jī)（裝車）

從結(jié)構(gòu)上可以看到，支線架替代了傳統(tǒng)電機(jī)的接線盒功能，為繞組和引出電纜提供一個(gè)轉(zhuǎn)接空間。

圖2 剖視圖

2 動(dòng)態(tài)剛度理論計(jì)算

機(jī)械結(jié)構(gòu)部件可以看作有限個(gè)小單元組成，其動(dòng)力學(xué)方程可以用式（1）表示：

式中：M為質(zhì)量矩陣；C為阻尼矩陣；K為剛度矩陣；x為位移向量；Q為系統(tǒng)合力。

結(jié)構(gòu)部件無(wú)阻尼、無(wú)外激勵(lì)載荷的自由振動(dòng)時(shí)，連續(xù)彈性體動(dòng)力學(xué)方程式（1）即可化簡(jiǎn)為：

對(duì)簡(jiǎn)諧振動(dòng)，有

其中u為與時(shí)間無(wú)關(guān)的振幅向量；?為初相位；p為圓頻率；t是時(shí)間。

根據(jù)式（2）和式（3），可得特征方程：

求解方程得到的p就是結(jié)構(gòu)部件的固有頻率，u就是相應(yīng)的振型。

3 有限元仿真計(jì)算和結(jié)果分析

3.1 模型建立及材料參數(shù)

電機(jī)在線路運(yùn)行過(guò)程中遇到瞬時(shí)大沖擊工況時(shí)，會(huì)引起支線架和端部繞組同時(shí)振動(dòng)，如圖3故障原理，當(dāng)支線架和端部繞組振動(dòng)相位差180°，并且頻率接近時(shí)，支線架遠(yuǎn)端極易與端部繞組遠(yuǎn)端發(fā)生磕碰。

圖 3 故障原理

根據(jù)支線架和端部繞組振動(dòng)情況，對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化。支線架如圖 4所示，端部繞組（單個(gè)）如圖5所示。

圖4 支線架

圖5 端部繞組（單個(gè)）

支線架和端部繞組材料參數(shù)如表1所示。

表1 材料屬性

3.2 邊界條件

支線架螺栓固定處的通孔進(jìn)行全約束，端部繞組在鐵心端面處的截面進(jìn)行全約束。

電機(jī)的三相引出電纜通過(guò)支線架的轉(zhuǎn)接與外接電源相連，故三相引出電纜重量主要由支線架承受。同時(shí)根據(jù)車輛調(diào)試測(cè)量的沖擊加速度量級(jí)，等效施加在支線架上。端部繞組并頭重量也集中在線圈遠(yuǎn)端，以質(zhì)量點(diǎn)施加。

3.3 靜強(qiáng)度分析

對(duì)支線架靜強(qiáng)度進(jìn)行有限元分析，計(jì)算結(jié)果如表 2。支線架的安全系數(shù)S=3.4，端部繞組的安全系數(shù)S=3.7，設(shè)計(jì)安全余量較大。靜強(qiáng)度校核符合設(shè)計(jì)要求。

表 2 靜強(qiáng)度分析結(jié)果

3.4 動(dòng)態(tài)剛度分析

經(jīng)過(guò)有限元模態(tài)分析，得到支線架和端部繞組垂向振動(dòng)振型對(duì)應(yīng)的固有頻率，對(duì)應(yīng)表3所示。

表3 垂向振動(dòng)固有頻率

從表3結(jié)果可以看出支線架振型為垂向振動(dòng)對(duì)應(yīng)的固有頻率與端部繞組振型為垂向振動(dòng)對(duì)應(yīng)的固有頻率接近。

由于產(chǎn)品制造的差異性，支線架和端部繞組的附加質(zhì)量（附著浸漬漆、引出電纜長(zhǎng)度等因素）通常會(huì)變化，二者垂向方向振動(dòng)的固有頻率很有可能一致。當(dāng)受外界較大瞬時(shí)激勵(lì)時(shí)，且二者振動(dòng)相位差180°時(shí)，支線架和端部繞組極易發(fā)生磕碰，造成電機(jī)絕緣擊穿。

通過(guò)改變支線架和端部繞組結(jié)構(gòu)形態(tài)，錯(cuò)開(kāi)二者的垂向振動(dòng)對(duì)應(yīng)的固有頻率范圍，可以減小磕碰概率發(fā)生。

端部繞組結(jié)構(gòu)由線圈方案決定，其決定了電機(jī)的電磁方案、散熱效率等方面，在現(xiàn)有大批量生產(chǎn)的情況下，不宜改動(dòng)。因此可以通過(guò)改變支線架結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)錯(cuò)開(kāi)支線架和端部繞組垂向振動(dòng)固有頻率范圍的目的。

4 支線架動(dòng)態(tài)剛度優(yōu)化

（1）優(yōu)化方案。對(duì)支線架重新設(shè)計(jì)兩個(gè)方案。優(yōu)化方案1：將原方案支線架板加厚3mm。優(yōu)化方案2：支線架由鈑金成型改為焊接結(jié)構(gòu)，同時(shí)在下方增加兩個(gè)加強(qiáng)筋，如圖6所示。

圖6 支線架優(yōu)化方案2

（2）優(yōu)化方案靜強(qiáng)度分析。對(duì)優(yōu)化方案的強(qiáng)度進(jìn)行有限元分析，得到支線架優(yōu)化方案靜強(qiáng)度結(jié)果如表4所示。

表4 優(yōu)化方案靜強(qiáng)度分析結(jié)果

由表4結(jié)果知，優(yōu)化方案1應(yīng)力下降較大，靜強(qiáng)度安全余量提高，優(yōu)化方案2應(yīng)力水平與原始方案持平，同樣符合設(shè)計(jì)要求。

優(yōu)化方案對(duì)比原始方案靜態(tài)剛度：優(yōu)化方案1和優(yōu)化方案2靜剛度都強(qiáng)于原始方案。

（3）優(yōu)化方案動(dòng)態(tài)剛度分析。對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行動(dòng)態(tài)剛度分析，得到優(yōu)化方案支線架垂向振動(dòng)振型對(duì)應(yīng)的固有頻率，如表5所示。

表5 垂向振動(dòng)固有頻率

由表5結(jié)果知，優(yōu)化方案2的垂向振動(dòng)振型對(duì)應(yīng)的固有頻率遠(yuǎn)高于優(yōu)化方案1出垂向振動(dòng)振型對(duì)應(yīng)的固有頻率。

優(yōu)化方案2垂向振動(dòng)振型對(duì)應(yīng)的固有頻率同樣也遠(yuǎn)高于端部繞組垂向振動(dòng)對(duì)應(yīng)的固有頻率，理論上支線架和端部繞組磕碰概率減小許多。

故優(yōu)化方案2可作為支線架施工方案。

（4）裝車驗(yàn)證。優(yōu)化的產(chǎn)品如圖7所示，從生產(chǎn)實(shí)物測(cè)試得到，優(yōu)化方案靜態(tài)剛度和動(dòng)態(tài)剛度都有較大提升。

從裝車后的線路調(diào)試過(guò)程來(lái)看，直線牽引電機(jī)支線架和端部繞組未再發(fā)生磕碰現(xiàn)象。

圖7 優(yōu)化產(chǎn)品

5 結(jié)語(yǔ)

文章基于有限元和動(dòng)態(tài)剛度理論對(duì)電機(jī)支線架和端部繞組靜強(qiáng)度、動(dòng)態(tài)剛度進(jìn)行分析，優(yōu)化支線架動(dòng)態(tài)剛度，避免支線架固有頻率與電機(jī)端部繞組固有頻率接近，減小支線架與端部繞組在復(fù)雜線路振動(dòng)工況下發(fā)生磕碰的概率。

文章從工程應(yīng)用的角度，結(jié)合機(jī)械、振動(dòng)等專業(yè)理論知識(shí)，將復(fù)雜工程應(yīng)用問(wèn)題分解為簡(jiǎn)單仿真計(jì)算模型，從而解決實(shí)際工程問(wèn)題。為工程從業(yè)者提供一種工程應(yīng)用問(wèn)題解決思路，具有一定參考價(jià)值。

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