架懸式永磁直驅轉向架的動力學性能研究

馬曉光，楊 陳，肖 遙，胡定祥

（中車南京浦鎮車輛有限公司，南京 2100031）

隨著中國城市化的發展逐漸由高速度向高質量轉變，節能環保、安全高效已經成為軌道交通新的發展方向。永磁直驅列車具有能耗低、曲線通過能力強、運維成本低等優勢［1-3］。張雄飛［4］介紹了國內外永磁電機直接驅動式轉向架和直驅技術的發展情況，分析了轉向架直驅技術的優缺點及其未來的發展趨勢，為國內電機直驅轉向架的發展提供參考。針對永磁同步直驅電機懸掛模式，羅湘萍等［5］建立了軌道交通車輪—軌道耦合系統的沖擊力學分析模型，就永磁同步電機架懸直驅和軸懸直驅2 種技術模式進行了優劣性分析。原志強等［6］針對客運機車的大功率永磁直驅技術進行了研究，通過永磁直驅系統、適應永磁直驅技術的變流系統、應對反電勢、應對電機失磁等關鍵技術的深入研究，完成了大功率永磁直驅客運機車的研制。

現有永磁直驅地鐵列車采用抱軸式直驅結構，電機抱軸安裝，車軸直接承載電機重量，簧下重量較大，輪軌沖擊較大［7］。為減小簧下重量，實現低的輪軌磨耗及作用力，減小作用于電機的沖擊，進一步優化輪軌關系［8-9］，研制全新的架懸式永磁直驅轉向架。架懸式永磁直驅轉向架采用小軸距、低轉速大扭矩永磁直驅電機技術、“日”字箱型構架設計，撓性板式空心軸聯軸節等關鍵技術。因此，需要開展動力學仿真分析，優化電機吊掛參數和轉向架懸掛參數，研究電機架懸對曲線通過性能、運行平穩性、運行穩定性的影響規律，驗證動力學性能是否達到標準和運營要求。

1 基本參數

根據“輕量化、系列化、平臺化、緊湊化”的總體設計要求，架懸永磁直驅轉向架在B 型地鐵轉向架成熟的研發、制造、試驗驗證標準體系的基礎上，采用小軸距轉向架布局，帶端梁的H 型箱型結構和外置式制動單元，關鍵受力位置采用鑄、鍛件結構，以便同時滿足接口及強度要求，如圖1所示。

圖1 車輛系統動力學模型

電機懸掛方式為架懸式，由3 個節點彈性吊掛于構架上，整體重量由簧下變為簧上。同時，采用空心軸彈性聯軸節，用于適應轉向架的一系位移。車輛的基本參數見表1。

表1 車輛基本參數

2 動力學模型建立

動力學分析采用SIMPACK 軟件，建立了架懸式永磁直驅轉向架車輛橫向運動和垂向運動耦合的多體動力學模型。針對架懸永磁轉向架的結構和地鐵線路特點，其中架懸電機和聯軸節，詳細搭建了動力學非線性模型，計算線路覆蓋了B 型地鐵線路的最小曲線，軌道譜采用美國五級譜。同時，定義車輛的前進方向為x軸，y軸平行于軌道平面指向右方，z軸垂直軌道平面向下，車輛前進方向的第1 個輪對為一位輪對，如圖2 所示。

圖2 車輛系統動力學模型

架懸式永磁直驅車輛動力學模型由1 個車體、2 個 構 架、4 個 輪 對、8 個 軸 箱、4 個 電 機 等 剛 體 組成，車輛系統的的自由度數見表2，共計74 個自由度。

表2 車輛的自由度

3 電機吊掛參數優化

架懸型永磁牽引電機直驅轉向架相比于傳統異步電機驅動取消了齒輪箱，通過空心軸聯軸節，將電機輸出轉矩直接傳遞到輪對，使得牽引傳動系統結構更加緊湊的同時提高了傳動效率。考慮到牽引電機采用三點吊掛架懸式方案，對電機橫梁側吊掛剛度和阻尼進行了交叉優化。

3.1 蛇行穩定性

運動穩定性如圖3 所示，由圖3 可知，新輪狀態下（等效錐度0.1）電機吊掛橫向剛度和電機減振器阻尼對蛇行失穩臨界速度影響較小，磨耗輪狀態下（等效錐度0.65），當電機吊掛橫向剛度小于1 MN/m 時，隨著電機吊掛橫向剛度的增大，車輛的蛇行失穩臨界速度先上升后下降；當電機吊掛橫向剛度在0.4~0.5 MN/m 附近時，臨界速度達到最高；隨著電機減振器阻尼的增大，蛇行失穩臨界速度逐漸提高；當電機吊掛橫向剛度達到5 MN/m 以上時，電機吊掛橫向剛度和阻尼對臨界速度影響較小。

圖3 運動穩定性

磨耗輪狀態下，降低電機吊掛橫向剛度、增大電機減振器阻尼有利于降低構架振動加速度；新輪狀態下，增大電機減振器阻尼有利于降低電機振動加速度；磨耗輪狀態下，隨著電機吊掛橫向剛度的增大，電機橫向加速度和位移先增大后降低，電機振動處于峰值附近時，其對轉向架蛇行運動的動力吸振效果更顯著。

3.2 運行平穩性

新輪狀態下橫向平穩性、磨耗狀態下橫向平穩性、新輪狀態下垂向平穩性、磨耗狀態下垂向平穩性如圖4~圖7 所示，由圖4 和圖6 可知，新輪狀態下電機吊掛剛度和阻尼對車輛運行平穩性影響較小；磨耗輪狀態下（圖5 和圖7）當電機吊掛橫向剛度小于1 MN/m 時，隨著電機吊掛橫向剛度的增大，車輛橫向平穩性指標先增大后趨于平緩，且無電機橫向減振器情況下，車輛橫向平穩性指標顯著惡化。但當電機吊掛橫向剛度大于5 MN/m 時，電機吊掛橫向剛度和阻尼對車輛運行平穩性影響較小。

圖4 新輪狀態下橫向平穩性

圖5 磨耗輪狀態下橫向平穩性

圖6 新輪狀態下垂向平穩性

圖7 磨耗輪狀態下垂向平穩性

3.3 安全性

安全性性能如圖8 所示，由圖8 可知，新輪狀態下電機吊掛剛度對車輛運行安全性指標影響較小。磨耗輪狀態下，當電機吊掛橫向剛度小于1 MN/m 時，隨著電機吊掛橫向剛度的增大，輪軸橫向力、脫軌系數和輪重減載率先增大后趨于平緩，且無電機橫向減振器情況下，車輛運行安全性指標顯著惡化。但當電機吊掛橫向剛度大于5 MN/m 時，電機吊掛橫向剛度和阻尼對運行安全性指標影響較小。

圖8 安全性性能

電機節點性能參數見表3，考慮實際情況中橡膠節點制造及老化等因素，橡膠簧剛度在±20%范圍內均需要保證足夠的動力學性能，同時為了保證磨耗后車輛的蛇行失穩臨界速度高于運行速度，采用表3 所示的較大橫向剛度的電機吊掛參數。較大的橫向剛度，可以減少電機與構架之間的橫向位移，降低對彈性聯軸節的適應變位能力。

表3 電機節點性能參數

4 車輛動力學性能分析

利用動力學模型對架懸式永磁直驅轉向架進行動力學參數優化分析，得到了該型轉向架的最優懸掛參數和電機吊掛參數，基于優化參數對該型轉向架進行動力學性能預測分析，考核不同運行條件下車輛系統的運行穩定性、安全性和平穩性的影響規律。

4.1 運行平穩性

依據標準GB/T 5599-2019［10］，利用美國五級譜作為外部激勵，對車輛在直線上的動力學性能進行計算。不同運行速度對平穩性的影響如圖9所示，圖9 表明，分別采用新輪和磨耗輪的車輛在各載重工況下橫向和垂向平穩性指標均小于2.5，達到GB/T 5599-2019 規定的優級要求。懸掛故障下速度對橫向平穩性的影響，懸掛故障下速度對垂向平穩性的影響，如圖10、圖11 所示，圖10、圖11 中通過將懸掛正常與故障對比發現，運行速度增大時，二系的垂向和橫向減振器故障時，分別對垂向和橫向平穩性的影響比較明顯，而其余故障工況的平穩性指標值則緩慢增大。

圖9 不同運行速度對平穩性的影響

圖10 懸掛故障下速度對橫向平穩性的影響

圖11 懸掛故障下速度對垂向平穩性的影響

4.2 安全性

運行速度對脫軌系數的影響，運行速度對安全性指標的影響，如圖12、圖13 所示。由圖12、圖13可知，列車的脫軌系數在各工況下均小于0.8，輪重減載率和輪軸橫向力均在標準要求范圍內。懸掛故障對輪軸橫向力的影響，懸掛故障對脫軌系數的影響，懸掛故障對輪重減載率的影響，如圖14~圖16 所示，故障工況時，二系橫向減振器相對其他故障工況對安全性指標的影響較大，結合安全性指標，需要降速至60 km/h 運行。

圖12 運行速度對脫軌系數的影響

圖13 運行速度對安全性指標的影響

圖14 懸掛故障對輪軸橫向力的影響

圖15 懸掛故障對脫軌系數的影響

圖16 懸掛故障對輪重減載率的影響

圖17 不同載荷和車輪踏面情況下的臨界速度

4.3 蛇行穩定性

計算車輛在各載荷工況下的臨界速度，如圖17 所示，可知在輪軌等效錐度達到0.65 時，臨界速度仍達到90 km/h，滿足車輛運營速度80 km/h 的運用要求。運行速度對構架端部橫向加速度峰值的影響、運行速度對構架端部橫向加速度均方根的影響如圖18、圖19 所示。由圖18、圖19 可知，隨著運行速度增長，構架端部橫向加速度峰值和均方根值均緩慢增長，但最大值分別小于8 m/s2和5.5 m/s2，滿足標準要求。懸掛故障對蛇行失穩臨界速度的影響如圖20 所示，由圖20 可知不同懸掛故障工況下的實際臨界速度均超過80 km/h（按1 mm 極限環幅判斷），能夠滿足80 km/h 的運營要求。

圖18 運行速度對構架端部橫向加速度峰值的影響

圖19 運行速度對構架端部橫向加速度均方根的影響

圖20 懸掛故障對蛇行失穩臨界速度的影響

4.4 柔度系數

根 據 標 準UIC 505-5［11］對 柔 性 系 數S的 定 義，當車輛靜止在超高為D（文中最大120 mm）的軌道上時，軌道走行面與水平面之間產生夾角δ，車體中心線與軌道中心線之間由于懸掛的作用產生夾角η，2 個角度的比值η/δ為車輛柔性系數，用S來表示。車輛柔度系數見表4，根據標準對不同載荷下的柔度系數進行計算，柔度系數符合標準限值0.4，且安全裕量較大。

表4 車輛柔度系數

4.5 諧振分析

車輛系統的剛體固有振動頻率是指車輛系統的懸掛自振頻率，是由車輛系統的質量特性、懸掛參數等決定的。車輛系統的剛體固有振動頻率見表5。從表5 可以看出，車體、轉向架和電機之間的懸掛頻率沒有耦合，避免了共振現象。

表5 車輛懸掛自振頻率

5 動力學試驗驗證

列車動力學試驗為車輛系列型式試驗中的重要項點，是驗證列車走行部性能的重要環節。動力學試驗的主要目的是驗證車輛運行平穩性（旅客乘坐的舒適性）和穩定性（安全性）。為驗證架懸式設計理念、吊掛方式及運用狀態，開展架懸式永磁直驅轉向架動力學試驗驗證工作。

2022 年7 月~2022 年8 月，架 懸 式 永 磁 直 驅 轉向架在某正線（已運營3 年的線路）上按照GB/T 5599-2019 標準要求開展各工況動力學測試，完成了線路動力學試驗驗證，各項指標滿足標準要求，見表6。

表6 車輛動力學試驗結果

6 結 論

通過對架懸式永磁直驅轉向架的電機吊掛參數優化組合，基于優化參數對該型轉向架進行動力學性能預測分析，對其在不同運用工況下的運行平穩性、運行安全性及蛇行穩定性進行校核，計算了架懸式永磁轉向架的柔度系數，開展了車輛諧振分析，最后通過動力學試驗驗證了車輛性能。結論如下：

（1）建立了架懸式永磁直驅轉向架車輛的非線性系統動力學模型，掌握了架懸式電機吊掛參數（剛度和阻尼）對車輛系統的運動穩定性、運行安全性和運行平穩性的影響規律。

（2）架懸式永磁直驅轉向架選擇較大剛度的電機吊掛參數，達到精確設計電機吊掛節點剛度，降低電機與構架之間的橫向位移，降低對彈性聯軸節的適應變位能力要求，實現新輪和磨耗輪下運營速度80 km/h 良好的車輛穩定性的目的。

（3）基于優于參數組合對車輛動力學性能進行預測，經分析，懸掛正常各工況下的車輛安全性、平穩性、蛇行穩定性均滿足標準和設計要求，且還有較大的裕量；懸掛故障各工況下，為使得車輛安全性不受影響，需要限速運行。

（4）車輛柔度系數，經計算指標小于0.4，達到歐洲鐵路聯盟標準要求。

（5）車輛自振頻率，經諧振分析，沒有耦合，滿足設計要求。

（6）車輛動力學試驗測試結果，表明架懸式永磁轉向架各項指標均滿足標準限值要求。