參數化結構設計在地鐵牽引電機正向設計中的應用

張 婷 孫霖霖

（1.中車永濟電機公司國鐵事業部，陜西 西安 710078；2.長安大學道路施工技術與裝備教育部重點實驗室，陜西 西安 710064）

現代制造業的發展對列車的性能提出了更高要求。作為列車的關鍵零部件之一，牽引電機的結構設計對列車的整體性能具有重要意義[1-3]。以往的電機結構設計依賴專業人員的工程設計經驗、知識和創新思維，具有設計周期長、精確度低、建模效率低、設計迭代次數多及創新性不足等缺點。因此需要尋求一種可以改變現狀的設計方法。

正向設計是一種系統分解的過程[4]。在正向設計中，已知的是產品的功能和設計需求，設計者需要做的是按照設計需要分解功能、任務，進行從無到有的設計[5]。仿真分析是正向設計中至關重要的一個環節。目前，對多數企業而言，有限元分析是在產品詳細設計后進行的。對設計進行修改或變更時，有限元模型很難得到重復利用，需要再次進行有限元建模及工況求解等。在產品結構設計過程中，參數化的結構分析及正向設計對提高產品的環境適應性具有舉足輕重的作用，不僅有助于在產品研發階段尋求最優化的解決方案，還能明顯縮短產品研制周期、降低成本并確保產品質量[6-9]。

1 工程實例

作為牽引電機與轉向架的機械連接部位之一，吊掛在列車運行過程中具有支撐、固定牽引電機的作用，其強度與可靠性的優劣會影響列車的安全性與出勤率。該文以某型地鐵牽引電機吊掛為例，以改善吊掛應力分布、提高吊掛強度與可靠性并實現輕量化為目標，對吊掛結構進行優化設計。

1.1 牽引電機結構與吊掛的參數化模型

某型地鐵牽引電機示意圖如圖1所示。該電機為架懸式安裝。電機通過鳥頭吊掛凹槽搭扣在轉向架上，進而通過螺栓將上、下吊掛固定。

圖1 地鐵牽引電機與鳥頭吊掛

該文分析鳥頭吊掛幾何結構，將如圖2所示的7個關鍵尺寸作為變量，并基于Creo Parametric軟件建立電機吊掛結構的三維參數化模型。

圖2 上吊掛結構參數

1.2 牽引電機的有限元靜強度分析

作為軌道車輛的重要部件之一，牽引電機在車輛運行過程中會受外界的沖擊與振動，需要具有足夠的強度、剛度以及抗疲勞性能。該文基于ANSYS Workbench平臺對電機進行了有限元靜強度分析。

1.2.1 電機模型簡化

為縮小進行有限元分析時的計算規模，該文對電機模型進行如下簡化：1）去除兩端端蓋組件、兩端軸承單元、轉子、接線盒以及電纜等零部件，采用集中質量方式簡化等效。2）去除機座螺紋孔等細節特征。

1.2.2 材料定義

電機吊掛材料為ZG275-485H，材料的主要性能參數見表1。其中，根據經驗公式，疲勞強度σ-1根據抗拉強度σb的1/3進行計算。

表1 吊掛主要性能參數表

1.2.3 網格劃分

對規則實體進行映射劃分，不規則實體進行強制6面體劃分。為保證能成功劃分優化迭代過程中的吊掛網格，對上吊掛采用自由網格劃分，安裝接口部分網格進行細化處理。整體網格密度適中，模型單元數目為48844，節點數目為1056063，網格質量滿足計算要求。網格劃分結果如圖3所示。

圖3 網格劃分結果

1.2.4 約束與載荷

根據電機的安裝條件，在電機鳥頭吊掛與下吊掛安裝面上施加剛性約束。為驗證電機工作狀態下的結構靜強度，除質量、額定工作載荷外，根據《GB/T 21563—2018軌道交通機車車輛設備沖擊和振動試驗》標準，對分析模型施加模擬長壽命的隨機振動載荷，見表2。

表2 2類轉向架安裝的模擬長壽命的隨機振動載荷

1.2.5 計算結果

分析電機在重力、額定工作載荷、慣性振動載荷作用下的靜強度，計算結果如圖4、圖5所示。可以看出，最大等效應力位于上吊掛安裝接口邊緣圓角根部，數值為39.707MPa，該數值小于疲勞強度161.7MPa，因此可以認為該應力不會造成上吊掛疲勞失效。機座最大位移位于防脫落吊掛端部，數值為0.039455mm。定子鐵心最大徑向位移為0.012864mm，氣隙占比為0.7%，滿足小于5%的要求。在額定工況下，電機機座的強度與剛度滿足要求，為下一步優化鳥頭吊掛結構提供了可能。

圖4 額定工況下應力分布云圖

圖5 額定工況下位移分布云圖

1.3 吊掛的優化設計

1.3.1 優化目標

在保證強度與剛度的條件下，進行鳥頭吊掛的輕量化設計。其中，剛度要求為最大鐵心徑向變形δ≤5%×氣隙值；強度要求為最大應力σmax≤σ-1。

1.3.2 優化變量及變化范圍選取

如果將圖2所示的7個結構參數作為自變量，結構的質量、最大應力、最大鐵心徑向變形作為7個自變量的函數，則應力曲線的斜率k即表現了3個目標隨7個結構參數變化的敏感程度，即靈敏度。當k＞0時，目標隨結構參數的增大而增大；k＜0時，目標隨結構參數的增大而變小，且k的絕對值越大，變化程度越劇烈。

基于Design Exploration，對圖2所示的7個參數進行靈敏度分析，可以得到最大應力、吊掛質量及鐵心最大徑向變形對7個參數的敏感程度，如圖6所示。數值越大，表示該變量對目標的影響程度越大。數值為正，說明目標隨變量的增大而增大，反之則隨變量的增大而變小。

圖6 靈敏度分析

根據靈敏度分析過程中生成的80組算例可知，最大應力30MPa～40MPa，質量范圍為18kg～22kg，最大徑向變形基本保持在0.013左右，變化不大。因此，基于靈敏度分析結果，挑選對最大應力、質量影響較大的4個參數α1、δ1、δ3、L，將其作為優化設計變量。

為保證吊掛質量最輕，其余3個參數根據質量的靈敏度分析結果，選取相似產品取值。7個變量最終的取值范圍見表3。

表3 結構變量取值

1.3.3 優化設計結果

選擇多目標遺傳算法（MOGA），經過195組迭代運算后，優選出的優化結果見表4。在該組參數下，上吊掛滿足靜強度與變形要求，可以保證在靜強度與剛度變化不大的情況下質量減少5.84kg，減少量約占上吊掛總質量稍微23%，優化效果良好。

表4 優化前、后的數據對比

2 樣機試驗

該文采用優化后的吊掛方案完成樣機試制。根據電機的實際安裝情況，設計合理的沖擊振動試驗工裝，安裝后的電機及振動方向定義如圖7所示。在電機鳥頭吊掛布置應變片，可以得到電機吊掛在振動沖擊試驗中的最大應力。根據表2施加模擬振動載荷，電機上吊掛在模擬長壽命振動試驗中的最大應力情況見表5。

表5 模擬長壽命振動試驗最大應力值

圖7 電機安裝與方向定義

由電機的振動試驗可以看出，優化后電機的最大應力滿足電機強度要求。完整的沖擊振動試驗結束后，電機外觀無開裂、斷裂等異常，通電能夠正常運行，滿足電機技術要求。

3 結論

基于有限元分析軟件對電機鳥頭吊掛進行優化設計是機械設計與計算機仿真技術的有機結合，是地鐵電機結構正向設計的應用之一。該文通過建立電機上吊掛的參數化模型，結合結構參數的靈敏度分析，選取合適的優化設計變量。經過迭代運算得出鳥頭吊掛的最優設計方案，在機座強度、剛度與優化前水平相當的情況下，優化后的吊掛質量減少了23%。優化后的電機樣機順利通過了沖擊振動試驗，驗證了該文設計方法的可行性。該文針對電機吊掛結構的強度分析與優化設計可以為其他類似電機結構的正向設計提供參考，尤其對需要進行輕量化設計的結構與機械產品具有參考意義。