（载运工具运用工程专业论文）采用独立车轮的直线电机轨道车辆动力学性能研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 城市轨道交通已成为缓解城市交通紧张和实现高效、便捷和绿色环保交通 体系的有效措施。自1 9 8 5 年第一列直线电机轨道交通系统诞生以来，直线电 机驱动的城市轨道交通车辆越来越在城市轨道交通车辆中占据重要的一部分， 其模式得到迅速发展，先后形成了日本制式和加拿大制式两种。它以车辆断面 小、维护方便、可通过大坡度及小半径曲线、选线自由、工程造价低、受天 气变化影响较小等优点受到人们的欢迎。直线电机驱动的轨道交通车辆与传统 电机驱动的车辆存在较大的区别，首先是驱动模式的改变。它不是由轮轨间的 粘着力驱动，而是由安装在轨道的反应板产生的电磁推力驱动的。为了充分利 用直线电机无粘着驱动的特点，本文建立了采用独立车轮的直线电机驱动车辆 动力学模型，分析并设计独立车轮直线电机车辆的一系和二系悬挂系统。通过 更改车轮踏面外形和降低轮轨摩擦系数的方法，增强独立车轮的自动对中能 力。在此基础上增加迫导向径向机构，使直线电机车辆在曲线通过时车轮尽量 处于径向位置。 论文首先从真线电机的特性分析开始，指出电机的效率依赖于电机定子与 转予间的气隙，气隙的变化影响直线电机的性能。因此电机悬挂是直线电机应 用的重要部分，文中详细说明国外直线电机的几种悬挂模式和所采用的转向架 特点。指出采用独立旋转车轮必须解决好车轮的复原和导向问题。其次详细论 述了本文所采用的直线电机驱动车辆的设计方案，利用多体动力学仿真软件 s i m p a c k 建立了相应的动力学模型。之后对模型进行动力学仿真计算，优选 满足动力学性能和电机气隙变动范围要求的电机和一系二系悬挂参数。最后在 优选参数的基础上增加迫导向径向机构，评价它的动力学性能。 分析和计算结果表明，采用独立车轮的直线电机转向架不仅解决了曲线通 过和直线运行稳定性之间的矛盾，而且能减小电机气隙，提高电机效率。通过 采用大接触角差的踏面，增大车辆的重力复原力：由于车辆采用直线电机非粘 着驱动的模式，因此可以通过降低轮轨摩擦系数来显著地降低横向蠕滑力，从 而增强车辆依靠重力复原的能力；增加迫导向径向机构能减少车轮曲线通过时 的冲角，从而降低横向蠕滑力，可以有效防止车轮轮缘贴靠钢轨，又由于采用 独立车轮，左右车轮可以以不同的速度旋转，因此轮轨蠕滑力极低，大大降低 了过曲线时的噪音和车轮磨耗。综合上述优点，该方案采用直线电机、独立车 轮和迫导向径向机构，理论上实现轨道车辆的性能最佳。 里堕塑查兰堡主竺窒圭兰堡笙窭 塑! ! 里 关键词：城市轨道；直线电机；独立车轮；迫导向径向机构；动力学仿真 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 | l 页 a b s t r a c t u r b a l lt r a n s i ti sap o w e r m lt o o lf o rs o l v i n gt r a 师cd i m c u l t y ，a n dn o w i th a s b e c o m ea 1 1e 艏c i e n t 、c o n v e n i e n ta 1 1 d 舻e e nt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m a sa i li m p o r t a n t p 础o fu r b a nr a i l 打a n s “s y s t e m ，v e h i c l e “v e nb yl i n e a ri n d u c t i o nm o t o r ( l i m v e h i c l e ) h a sb e e nd e v e l o p e ds i n c et h en r s tt r a i n s e tw a sb o mi n 1 9 8 5 i t s s u p e r i o r i t yw a sr e a l i z e da n dt h et r a n s i ts t y l ew a ss p r e a dr a p i d l y i tw a sp o p u l a rf o r i t s1 e s s 订a j l s v e r s es e c 廿o n 、c o n v e n i e n tm a j n t e n a n c e 、 s h a r pc u r v ep a s s i n 窖、s t e e 口 g r a d ep a s s i n g 、f r e or o u t ec h o s e n 、c h e a p e rc o s ta n dn o n ei n f l u e n c eb yw e a t h e lt 、o v e h i c l es l y l e sw a sf o m e d ：o n ei sj a p a ns t y l ea n dt l l eo t h e ri sc a l l a d as t y l e ，l i m v e h i c l ei sm u c hd i 丘色r e n tf r o mt r a d i t i o n a lv e h i c l ed f i v e nb v “) t a t 主o n a lm o t o li ti s d r i v e nn o tb yt h ea d h e s i o nf o r c e 疔o mt 1 1 ec o n t a c tb e 铆e e nw h e e la n dr a i l ，b u tb v t 1 1 ee l c c t r o m a g n e t i cf o r c ef b mr e a c t i o np l a t ew h i c hi sm o u n t e di nt r a c k l i m v e h i c l em o d e lu s i n gi n d e p e n d e n tw h e e l 、v a s p u tf o n hi n t h ep 印e ra l l dt h e s u s p e n s i o ns y s t e mo ft h ev e l l i c l ew a sd e s i g n e d 印p l i c a t i o no fi n d e p e n d e n tw h e e l w i l lb r i n gt w op r o b l e m s o n ei si ft h ev e l l i c l ec a nc e n t e ra u t o m a t i c a l j ya r e rw h e e j h a sal a t e r a ld i s p l a c e m e n t t h eo l e ri sb a dc u r 、，ep a s s i n gp e r f b 瑚1 a n c ef o rn o s t e e r i n gf o r c e c h a n g i n gt h ew h e e lp r o f i l ea 1 1 d1 0 w 行i c t i o nc o e m c i e n tb e t 、v e e n w h e e la n di a i l 缸ee f 艳c t i v em e t h o d st os o l v e 恤e6 r 吼p r o b l e m a d o p t i n gf o r c e s t e e r i n gm e c h a n i s mi sap o w e “h 1m e a n s t os o l v et h es e c o n dp r o b l e m t h ep 印e rb e g i n sw i mm ec h a r a c t e ro fl i n e a ri n d l i c t i o nm o t o ra n di n d i c a t e dt h a t m ee f ! e i c i e n c yo fl i mi sd e p e n d e do nt h er e d u c t i o no fa i rg 印o fm o t o tt h e f l u c t u a t i o no fa i rg a pc a ni n f l u e n c em ec h a r a c t e r so fl i m s ot h el i ms u s p e n s i o n s t y l ei st 1 1 ei m p o n a l l tp a r to fa p p l i c “o no fl i mv e h i c l e f i r s t l yp a p e r 西v e sm a l l y k i n d so fl i ms u s p e n s i o ns y s t e m su s e do v e r s e a sn o wa i l dt 1 1 e i rb o g i e ss u s p e n s i o n s y s t e m a f t e rt h a t t l l ed ”锄i cv e h i c l em o d e lw i mi n d 印e n d e n tw h e e lw a s e s t a b l i s h e du s i n gs i m p a c ks o 氐w a r ea i l dd e t a i l e do r i g l n a lp a r a m c t e r sw e r eg i v e n t h e nt 1 1 ed y n a m i cs i m u l a t i o nc a 王c u l “i o nw a sp e r f o r m e da 1 1 do p t i m i z e dp a r a r n e t e r s w e r ec h o s e n o nt h eb a s eo fo p t i m i z e dm o d e l ，f o r c es t c e r i i l gm e c h a n i s mw a sa d d e d a 1 1 dd y n a m i cc a l c u l a t i o nw a sp e r f o r m e da g a i n t h ec o n c l u s i o ns h o w st h en e wm o d e lc a j ls 0 1 v et h ep r o m e m s 血t h ea p p l i c a t i o n o fi n d e p e n d e n tw h e e l i tn o to n i yc a nl o w e r 也ea i r - g a po fl i m ，b u ta l s oc a ns o l v e t h ec o n n i c tb e t w e e ns t a b i i i t ya n dc u r v ep a s s i n gp e r f o m a n c ew h e nt h es t i f r n e s so f p r i m a r ys u s p e n s i o nw a sc h a n g e d b y 廿1 em e a n so fu s i n gn e wp r o f l l ew i mab i g d i s c r e p a n c vo fc o n t a c ta n 西ea n d1 0 wf n c t i o nc o e m c i e n to fw h e e l 一r a i lc o n t a c t ，t h e w e 垣h tr e c o v e rf o r c ec a nb em a d ef m l yu s eo f t oc e n t e rt 1 1 ev e h i c l ei nt h et r a c kt h e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1v 页 f o r c e s t e e r i n gm e c h a n i s mc a na v o i d t 1 1 a tw h e e ln a n g ec o n t a c t sw i t hr a i l b y d e c r e a s e 也ea t t a c ka 1 1 9 1 e a n d ，m e1 e f tw h e e la n dr i g h tw h e e lc a nr o t a t ew i t h d i 仃b r e n ts p e e d ，t 1 1 ew h o l ec r e e p i n gf o r c ec o m ed o w na n dt h ew e a r 、n o i s ei nc u r v e c a j lb er e d u c e d 伊e a t l y t os u mu p ，t h em o d e lw i t hl i m 、i n d e p e n d e n tw h e e la n d f o r c es t e e r i n gm e c h a n i s mh a sm u c hm o r es u p e r i 嘶t yt h a nt r a d i t i o n a lu r b a nt r a n s i t v 色h j c 】e k e yw o r d s ：u r b a i lt r a i l s i t ；l i n e a ri n d u c t i o nm o t o r ( l i m ) ； f o r c e s t e e r i n g m e c h a n i s m ；d y n a m i cs i m u l a t i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 第1 章绪论 1 1 论文选题背景 从1 9 8 5 年第一条直线电机轨道交通系统运营线在多伦多斯卡伯勒市开通 至今，不到二十年时间里已在世界上四个国家的九个地区建成运营线，总里程 已超过1 8 0 k m 。我国广州地铁四号线在2 0 0 5 年1 0 月开始正式使用直线电机驱 动的地铁车辆，并将在五号线和六号线上继续采用直线电机驱动轨道交通系 统，参见表1 1 。 表1 1 建成线路表 线路名称开通年份线路长度( k ) 多伦多s c a r b o r o u g h 线 1 9 8 56 4 温哥华s k y t r a i n 1 9 8 65 l 底特律d p m 系统 1 9 8 7 4 8 大阪市营地铁7 线 1 9 9 01 5 东京都营地铁1 2 号线 1 9 9 13 8 7 吉隆坡p u t r a 系统 1 9 9 82 9 4 横滨市营地铁4 号线 2 0 0 0首期1 3 ( 全线4 2 ) 神户市营地铁海岸线 2 0 0 27 9 纽约肯尼迪机场线 2 0 0 21 3 广州地铁4 号线 2 0 0 5首期3 2 ( 全线6 9 ) 直线电机可以视为一台旋转电枫沿半径方向切开而展平的感应电机， 见图1 1 。定子( 磁铁和线圈) 和转子( 感应板) 分别安装在车辆转向架上和轨 道中间的导轨上，见图l 一2 。常把转子称为感应轨或称反应板。它不需要 中间的机械传动装置，而是利用直线电机的车载定子与地面感应板转子的电 磁作用，产生牵引和制动力。它不需借助轮轨相互作用，因而可以在大坡度 线路上传递牵引力和制动力。定子一般由薄铁芯和三相六级绕组绕制而成， 沿电机方向布置了温度传感器和冷却风扇，见图l 一3 。 图1 1 直线电机原理示意图 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 图1 2 直线感应电机车辆示意图 图l 一3 直线电机定于内部结构 城市轨道交通系统采用直线电机传动的优越性已被越来越多的国家所认 识。目前世界上已有多个城市相继建成了采用直线电机车辆的城市轨道交通系 统。直线电机车辆与普通旋转电机车辆的区别是，列车的牵引不再依靠轮轨的 粘着作用而是直接由转向架上的定子与线路上的转予的相互作用而产生，因此 可通过减少支撑轮半径从而减小地铁隧道的断面面积，从而降低地铁造价。 直线电机车辆具有其它车辆无可比拟的优良的综合性能价格比1 1 j 。轨道交 通工程造价主要包括土建工程造价( 约占5 0 5 5 ) 和技术设备购置、安 装费用造价( 约占4 5 5 0 ) 。地铁采用直线电机车辆，可使隧道掘削面积 降低4 7 ，土建工程造价降低5 0 左右( 隧道断面如图1 4 所示) 。而且，与 传统轻轨交通线相比，采用直线电机车辆选线自由度更大，高架结构更加轻巧 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 美观、旅工工程量及对城市景观、目照影响也大大降低。建设一条直线电机车 辆的轨道交通线，需要增设一条与线路等长的感应轨，感应轨的初估费每公里 约为2 0 0 万人民币。但综合比较，其资金投入与其它工程建设费用相比，数目 并不大( 高架结构比较如图l 一5 所示) 。 图1 5 赢线电机驱动车辆与普通轻轨车辆用高架轨道断面比较图 由于直线电机是非粘着的牵引方式，所以其性能在全天候条件下均能保 证，包括轨道上有水、润滑油或是雨、雪天气都对其运行不产生影响2 1 ， 如图1 6 所示。其安全性得到用户的一致好评。 图l 一6 雪天运行的直线电机车辆 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 综上所述，直线电机车辆具有以下特点：车辆断面小、维护方便、可通 过大坡度p 1 ( 最大坡度可达6 0 8 0 ) 及小半径曲线( 最小曲线半径可达3 5 m ) 、噪声小( 可降低1 0 d b 左右) 、选线自由、工程造价低、受天气变化影响较 小等，同时又利用轮轨结构导向支撑，省去了磁浮的一系列悬浮导向设施，更 为安全和便于控制，非常适合中等级运量( 小时单向客流量1 3 万人次) 的地 铁、高架轨道交通系统。 1 2 问题的提出和本论文的目的 直线电机给我们带来了诸多优点，然而，长期以来直线电机的效率都较旋 转电机差很多，主要是因为直线电机的气隙较旋转电机的气隙大的多的缘故。 尤其是轨道车辆上的直线电机气隙更大，般在1 2 m m 左右，而普通旋转电机 的气隙一般在0 2 5 o 8 m m 之间。逸主要是由于电机悬挂在车辆上，由于车载 定子与地面转子是处在一个相对直线运动的弹性( 轴箱垂向弹性定位以及道 床弹性) 系统问，不可避免地会造成相互间隙变化。由图l 一9 可知，直线感 应电机的效率和功率因数与气隙成反比 4 ，当电机气隙为1 2 m m 时，电机效率 下降到7 3 左右。因此，有必要减小轨道车辆用直线电机的气隙。但考虑到 施工精度和运行中的振动以及车轮的磨损，气隙不能太小，在不加主动控制的 情况下，气隙多设定在6 m m 以上。又由于轨道不平顺的存在，直线电机车辆 在运行时，电机两极之间的间隙也会不可避免地发生一定变化。必须使电机采 用尽可能小的气隙而又能控制电机气隙在极小的范围内变动。气隙主动控制和 电机悬挂模式是解决这个问题的主要措施。 图l 一9 直线电机法向力随气隙变化特性曲线 如果将电机悬挂在轴箱或者车轴上，可消除电机气隙受一系悬挂振动的影 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 响，从而大大降低电机气隙。为了探讨直线电机上采用独立车轮的应用前景， 本文将电机悬挂在独立车轮的车轴上，研究该模型的动力学性能。由于独立车 轮自身无导向力矩，结合直线电机驱动无传动装置易于安装径向机构的特点， 本文增加迫导向径向机构以改善独立车轮的曲线通过性能。 采用独立车轮作为直线电机车辆的走行装置，可以通过电机悬挂在车轴 上来保证电机6 m m 的气隙。由于独立车轮轮对的左右两轮的转速可以不同因 此在理论上不产生纵向蠕滑力，在直线上行驶不会发生蛇行运动。 传统轮对的转向架在直线上行驶时，当有横向位移时，纵向蠕滑产生的 摇头力矩使轮对有向轨道中央复位的功能。由此产生的蛇行运动，限制了车辆 临界速度。为克服剧烈蛇行运动的产生须采用锥度小的车轮踏面和大的轴距。 但这与曲线通过性能要求相矛盾。独立车轮转向架没有纵向蠕滑产生的偏转力 矩，不会有蛇行运动发生。 独立车轮的应用受车轮偏磨，自动对中性能差，过曲线无导向力的影响， 一直没有得到广泛的推广。但在直线电机驱动下却有明显的优势。本文就采用 传统车辆的形式结合独立车轮、直线电机驱动模式进行动力学模型计算，对采 用独立车轮的直线电机车辆性能进行研究。 1 3 直线电机车辆驱动原理和电机气隙 一般情况下，直线电机驱动轨道车辆的每个转向架下面有一个直线电机。 直线电机驱动不再利用轮轨之问的粘着，而是通过供给安装在车辆转向架上的 电机初级交流电，交流电产生的行波磁场使得安装在轨道上的反应板感应出电 流切割磁场产生纵向力，并反作用于电机初级，从而推动车辆前进。安装在轨 道上的次级给安装在转向架上的初级一个反作用推力。 图1 7 直线电机车辆驱动示意图 图1 8 直线电机感应板结构 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 直线电机驱动利用v v v f 变流器( 图1 7 ) 控制定子磁场的变化，以产生 相应的牵引力和制动力，达到驱动列车加速和减速的目的。为保证一定的牵引、 制动力，直线电机定予和转子间气隙必须要控制在一定的范围内。 电机初级除了受到次级的纵向推力之外，还受到次级给初级的法向吸引力 ”j 。电机垂向吸引力为反应板对电机的均布力。电机气隙的不同，电机的推力 和垂向吸弓f 力也不同。但由于采用电压补偿的方式，电机受气隙影响的推力波 动和垂向力波动大大降低。虽然垂向吸引力加大了轴重，但在车辆速度较高时 垂向吸引力却很小。由于地铁车辆高速区段运行时间短，列车的定子线圈始终 有很大的电流通过，因此该吸引力始终贯穿列车的整个运行过程【5 l ，表l 一2 给 出了加拿大直线电机车辆采用的直线电机各项性能指标， 表1 2m k i 、m f ( i i 直线电机主要性能指标 l 项目 电压持续电流最大电流最大牵引力撮大功率垂直力总重 ( v ) ( a ) ( a )( k n ) ( k w ) ( k n ) ( k g ) m k i i5 7 04 0 05 5 01 8 61 8 72 56 4 0 lm k i4 2 03 5 0 4 8 5 1 2 1 2 0 2 56 4 0 对于直线感应电机，初级与次级的气隙与励磁电流有密切关系，如在运行 中直线感应电机( 简称l i m ) 的气隙变大，则励磁电流就会增加，推力和输 出功率就会降低，如在运行中l i m 的气隙变小，则推力和输出功率便会增大。 为了消除车辆运行中由于各种情况引起的l i m 气隙变化而对推力和输出功率 造成的这种影响，在实际控制中，采用对相应的输出电压进行补偿控制的方式。 1 4 直线电机悬挂方式 1 4 1mk 系列转向架直线电机定子悬挂方式 加拿大b o m b a r d i e r 公司研制的直线电机转向架是在三大件转向架的基础 上改进的，并采用迫导向机构。具体结构型式为转向架前后轮对 l 项目电压持续电流 最大电流 最大牵引力 撮大功率垂直力总重 ( v )( a ) ( a )( k n )( k w )( k n )( k g ) 1m k i i5 7 04 0 05 5 01 8 61 8 72 56 4 0 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 圈1 1 0m k 的直线电机转向架 当车轮因磨损而镟轮时，通过在悬挂座处加调整垫的方式来调整电机的磁 极间隙。直线电机的这种悬挂方式包含车轮4 0m m 磨耗量的补偿装置，用 来调整其与反应板之间的间隙。调整方式为在支撑梁的底面和轴箱体的上表 面加调整垫，精确调整间隙由支撑梁上的微动机构来实现。 这种直线电机悬挂方式的特点是，直线电机的重量和垂向电磁力直接通过 轴箱和径向轴承由轮对承受，直线电机产生的纵向牵引力以及制动力则直接传 递给副构架，再由副构架传递给摇枕，摇枕通过两侧的牵引杆又直接传递给车 体，因此转向架构架既不承受产生于直线电机的垂向载荷，也不承受产生于直 线电机的纵向载荷，因此可大幅降低转向架自重。同时，一系悬挂装置不承受 额外的产生于电机的纵向载荷，可以尽量减小一系悬挂纵向刚度以改善稳定性 和曲线通过的性能。事实上，由于转向架构架与一系轴箱之间不再传递牵引力， m k i i 型转向架的两侧架( 构架) 通过橡胶弹性垫置于轴箱上，一侧铰接，另一 侧可以在橡胶弹性垫上沿轴箱滑动，构成理想的几乎不受任何约束的水平转动 机构，在通过曲线时，轮对可以沿径向自由移动，因此大大提高了曲线通过能 力。 1 4 2 日本直线电机转向架定子悬挂方式 日本于2 0 世纪9 0 年代引进了加拿大的直线电机轨道交通系统技术，但是并 没有完全照搬加拿大的模式，而是根据自身条件，开发了内置构架与外置构架 两种直线电机径向转向架，并进行了广泛的试验，先后试验和使用过5 种型式 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 的转向架，见表l 一3 。图l 一1 1 是日本早期研制的电机直接悬挂于轮对上的一 种转向架。在直线电机悬挂座中部安装有抱轴轴承，电机定子通过橡胶轴衬支 承在轴承上。从直线电机定子传来的垂向静态力和动态力直接通过轴箱轴承由 轮对承受：纵向牵引力的传递与旋转电机转向架类似，即牵引力先通过轮对 传递给轴箱，再由轴箱传递给构架。因此，这种直线电机转向架的技术风险仅 集中在电机悬挂和轮轴设计上，可以在传统转向架的基础上，经过对轮对的改 装设计并增加电机悬挂装置而实现。然而，试验结果表明，这种结构由于直线 电机完全属于簧下重量，轮轨动作用力较大，而且牵引力通过轴箱传递，对 曲线通过时的轮对径向摇头影响很大，因此日本后来放弃了这种结构。图1 一 1 2 是日本目前大量采用的直线电机直接悬挂于转向架构架之上的自导向转向 架的结构示意图，在h 型构架的横梁上安装了特制的杠杆机构，来微调电机的 气隙，见图1 1 3 。从电机传来的垂向静态力和动态力通过构架和一系悬挂装 置传递到轮对，因此改善了对轨道的动作用力。这种转向架的缺点是，转向架 构架承受了额外的由直线电机带来的垂向载荷，同时一系悬挂的垂向刚度必须 设计得很大，才能减缓因车内载荷的剧烈变化而引起的直线电机气隙的大幅改 变，因此影响了车辆乘座舒适度。另外，来自直线电机的振动无法与转向架和 车体隔离，对转向架主要部件和车体的结构强度有一定的影晌。日本直线电机 转向架磁极间隙的调整方式与mk 系列转向架类似，也是在悬挂座处加调搀 垫，并且通过横梁上的微动机构进行微调【6 】。 图1 1 1 日本早期的直线电机悬挂图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 加拿大开发的直线电机车辆m ki 和m k i i 均采用三大件转向架的结构 型式，阻适应顺坡的要求，并在此基础上采用迫导向机构。二者不同之处在于 m ki 转向架单侧设追导向机构，而m k l i 在转向架两侧都设置了迫导向机 构。具体结构型式为：转向架前后轮对通过两副构架连接起来，副构架呈v 字 形，一端与轮对固结，一端与另一副构架铰接，铰接点用垂向吊杆将两副构架 的一端悬挂于摇枕上，铰接点两侧通过水平拉杆将剐构架与摇枕相连，以传递 转向架与车体之间的纵向力。两侧架通过橡胶弹性垫置于轴箱上，一侧铰接， 另一侧可以在橡胶弹性垫上沿轴箱滑动，这样在通过曲线时，轮对可以向径向 自由移动，如图1 1 5 所示。 图1 1 5 加拿大宜线电机径向转向架示意图 日本直线电机车辆则以柔性定位转向架为主。转向架构架采用外框形式， 即使在竖曲线半径很小的变坡点，在侧梁连接处橡胶垫的压缩作用下，车轮与 钢轨也能很好接触，很少失去接触。见图1 1 6 。 图1 1 6 日本转向架弹性绞接外框构架 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 图2 1 直线电机轨道交通车辆转向架设计方案图 下文就具体关键部件进行说明。 2 1 1 直线电机悬挂方案分析与选择 至今为止，直线电机的电机悬挂分为3 种模式，一种是悬挂在构架上，该 模式要求电机通过3 根吊杆吊在构架的前横梁与后横梁上。第二种是悬挂在轴 箱上，利用轴箱之间的副构架作为电机悬挂的支撑梁。第三种是悬挂在车轴上， 利用独立车轮的车轴作为电机悬挂的支撑梁。三种模式各有优缺点，将分别进 行阐述： 一、构架悬挂式：由于直线电机悬挂在构架上，因此电机气隙受到一系悬 挂刚度的影响很大。为了保证电机效率，气隙要控制在1 2 咖左右就必须要有 足够大的一系垂向刚度。以2 倍的安全余量进行设计，控制在6 m 的气隙变 动需要至少较大的一系垂向刚度。图2 2 为本文建立电机吊挂构架上的一个 简化动力学模型图，一系垂向刚度取值为3 m n m 。图2 3 为该车辆在美国五 级轨道谱直线上运行的电机气隙变动量的计算结果，电机气隙变动量为 5 7 2 m m 。电机安全鼻设在旋转车轴之上。在满足气隙的前提下需要提高车辆 的舒适度，因此一系垂向刚度大，二系垂向刚度值小。由于可以使用外置构架， 二系悬挂的横向跨距大，可以不使用抗侧滚扭杆。但需要解决一系刚度大带来 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 图2 5 独立车轮轮对 一一7 图2 6c 豫踏面图 图2 7c m r 独立车轮轮轨关系图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 4 ，4 r 左、右接触点离开其平衡位置的横向位移； “，憎一左、右车轮滚动圆半径。 丸一轮对侧滚角 由图( 2 9 ) 所示的轮对重量、蠕滑力、正压力和悬挂力等组成在横 向的力分量平衡方程为： m j w = f 举r + f m 七f 砷+ f 睁一nl 5 i j + nr 6 a + w 。籼 t 2 2 ) 毋，f r y _ 一左、右接触点的蠕滑力的横向分力 b 正，昂“一轮对受一系悬挂的横向分力 函d 为欠超高角 降低轮轨摩擦系数，可以降低横向蠕滑力，由公式2 2 可知，重力复原 力的导向作用，减小轮轨横向力。 由于独立车轮无蛇行失稳现象，小半径曲线通过时噪音小，又可用于城轨 低地板车辆，有较广阔的应用前景。本文主要就直线电机驱动的独立车轮车辆 动力学性能进行研究，包括气隙变动范围及参数选取、车辆动力学性能与参数 优化、在新踏面和新摩擦系数下的自动对中能力，以及采用迫导向机构时曲线 通过性能的改善。 2 1 3 一系悬挂与二系悬挂方案 由于要求以速度4 0 k i i 汕，通过曲线半径为1 0 0 m 的小半径曲线，二系设有 摇枕机构，以防止二系弹簧产生过大的横向或纵向位移。为了曲线通过时摇头 角不至于太大，设置车辆定距1 1 m 和转向架轴距1 9 m 。 由于构架内置，构架上弹簧横向跨距为1 5 0 0 ，n m ，摇枕上弹簧的横向跨距 为1 6 8 0 m m 。为了增大侧滚的横向跨距，不宜将空气弹簧放置在构架上，因此 采用下摇枕的形式，即把空气弹簧至于摇枕上，摇枕与构架采用中心销连接， 见图2 1 0 。从而避免空气弹簧置于构架上而使跨距太小，增大车体倾覆系数。 摇枕两侧与车体间通过牵引拉杆传递纵向力。在车体和摇枕间还设有抗侧滚扭 杆装置和横向止档。摇枕与构架通过心盘传递横向力和纵向力，两侧设有常接 触式摩擦旁承，承担支撑和摇头摩擦力矩的作用。由于独立车轮消除了蛇行自 激振动，摩擦系数可以取较低值，取o 0 3 ，这样可以改善车辆的曲线通过性能。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 图2 - 1 0 二系悬挂装置方案设计图 独立车轮在低速时有高频摇头振动【1 “。传统轮对的蛇行振动频率与车速 成正比，而独立车轮的摇头振动频率与车速无关，其振动特性与常规轮对完全 不同，这是由独立车轮的横向蠕滑力( 无纵向蠕滑) 特性决定的。增大一系悬挂 的横向刚度及纵向刚度能抑制独立车轮的摇头振动。对独立车轮来说，由于理 论上不存在纵向蠕滑力，不存在蛇形运动对一系悬挂水平刚度取值的限制，为 了减小独立车轮可能出现的摇头振动，确保直线电机气隙大小，一系悬挂水平 刚度应取较大值。预选模型的一系纵向刚度为1 5 m n m ，横向刚度为5 m n m 。 一系垂向刚度须兼顾直线运行平稳性和曲线通过性能，保证曲线通过时轮 重减载率在允许范围内。一系垂向为橡胶圆柱弹簧，并设有限位器防止构架位 移过大。由于构架与直线电机间设有横向拉杆，一系的垂向刚度也不宜太软， 预选值为im n i n 。一系纵向采用转臂式橡胶节点无磨耗定位，纵向刚度较大， 预选值取1 5m n m 。 2 1 4 制动系统 直线电机车辆制动系统采用电力制动、空气制动和磁轨制动三种方式。电 力制动分为再生制动和电阻制动，是主要的制动方式。空气制动( 轮盘制动) 用于低速和驻车制动。由于采用独立车轮，制动盘固定安装在车轮的轮辐外侧。 每节车上装有4 个磁轨制动器，由低压辅助电源供电，电磁铁距轨道面6 8 m m ，通电后将产生巨大吸力与轨线吸附，一般为紧急情况下的制动。 2 1 5电机吊杆与电机法向力 直线电机垂向悬挂在独立车轮的车轴上，一三轴电机悬挂使用单吊杆形 式，吊杆悬挂在车轴中部。二四轴使用双吊杆的形式，吊杆悬挂在车轴两侧， 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 l 页 见图2 4 。吊杆横向问距为3 0 0 m m ，垂向刚度取1 5 h 删，m 。电机横向悬挂是通 过两根拉杆与构架上的电机横向拉杆座水平相连，为了保证构架的运动不与电 机运动干涉，横向吊杆长度以长为好，刚度值取小为好。但不可太小，防止电 机横向位移过大影响间隙，取5 m n m 。直线电机悬挂在车轴上应注意使前后 轮对的相对运动不干涉，因此吊杆两端均为橡胶球关节。橡胶有助于消除车轮 传到电机的高频振动。吊杆端部设有螺母螺杆式长度调节装置，用来调节车轮 磨损后的电机气隙。建模时一三轴位的电机与吊杆连接的一端设置为力单元形 式，见图2 一1 1 。 图2 一l l 直线电机垂向悬挂仿真模型图 由于轨道不平顺的存在，直线电机车辆在运行时，电机两极之间的间隙也 会不可避免地发生一定变化，而车载定子与地面转子之间同时存在着纵向的驱 动力( 制动力) 和垂向的电磁吸引力( 简称法向力) 【l ”。这两个力的大小同磁 极间隙( 电机气隙) 的大小变化密切相关，磁极间隙的改变会引起电磁力的变 化，电磁力的变化作用于车辆悬挂系统和电机悬挂系统，悬挂系统的响应反过 来又会影响磁极间隙，见图2 一1 2 。 图2 1 2 气隙与法向力的相互作用 直线电机的法向力，如图2 一1 3 所示， 图2 一1 3 电机法向力和横向力 图2 1 3 中还显示电机与反应板中心线有横移偏差时电机存在横向回复 力。这有助于车辆的自动回中，但该横向力较小，一般不超过1 k n 。因此，本 文忽略该横向力作用。 电机气隙取反应板边缘上方的直线电机对应点为测量点，取4 个采样点， 计算最小气隙值，见图2 一1 4 。将电机法向力的最大值，均布在这4 个点上。 由于采用v f 逆变器控制滑差频率，使电机在速度高的时候推力下降，因此电 机在速度较高时的垂向吸引力下降幅度较大，根据实际轨道车辆直线电机生产 厂家提供的电机法向力变化曲线图，当电机气隙6 m m 时，电机法向力随速度 变化曲线见图2 1 5 。本文设定直线运行最高速度l o o k n l 1 1 时的电机垂向吸引 力为5 i ( n ，曲线通过速度为4 0 l ( 玎儿时的垂向吸引力为4 2 k n 。由于 r 。= 4 2 k n ，因此每个采样点受到轨道1 0 5 k n 的垂向吸引力，平均到2 个 轮对上，每个轮对增加1 0 7 2 t 的轴重。计算可得最大轴重为1 2 4 t ，满足城市 轨道车辆最大轴重不超过13 t 的要求。 图2 1 4 电机尺寸及法向力作用点 图2 一1 5 电机法向力随速度变化曲线 气隙越小吸引力越大，气隙为6 m m 时最大垂向吸引力可达4 2 k n 。垂向吸 引力的增加一方面使得轴重增加，在过曲线时起到重新分配蠕滑力、降低轮轨 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 横向力，降低脱轨系数的作用”1 。 2 1 6 抗侧滚扭杆 由于构架内置的原因，摩擦旁承横向间距为1 5 0 0 m m ，空气弹簧横向间距 为1 6 8 0 m m ，车体侧滚角刚度存在较大的不足，因此增加抗 9 1 1 l 滚扭杆以增大侧 滚角刚度。由于摇枕上弹簧为空气弹簧，因此抗侧滚扭杆设置在车体和摇枕问。 2 2 车辆动力学建模 铁道车辆系统是一个复杂的多体系统，不但有各部件之间的相互作用力和 相对运动，而且还有轮轨之间的相互作用关系。因此，理论计算分析模型只能 根据研究的主要目的和要求，对一些次要因素进行相应的假定或简化，而在对 动力学性能影响较大的主要因素上尽可能做出符合实际情况的模拟。在建立车 辆系统数学模型时做出如下假定： ( 1 ) 轮对、构架和车体等部件的弹性比悬挂系统的弹性要小得多，均视 为刚体，即忽略各部件的弹性变形。 ( 2 ) 不考虑相邻车辆间的作用，即只考虑单节车模型。 为了精确地模拟车辆系统的运行性能，建模时考虑了将系统横向运动和垂 向运动耦合起来的数学模型。在本研究报告中定义车辆前进方向的第一个轮对 为一位轮对。坐标系的取法如下：车辆的前进方向为x 轴；y 轴平行于轨道平 面指向左方；z 轴垂直轨道平面向上。车辆系统数学模型俯视图如图2 1 6 所 示，数学模型正视图如图2 1 7 所示。整个系统的自由度如表2 1 所示。 s i m p a c k 多体动力学仿真模型如图2 一1 8 所示。动力学计算所需的有关参数见 附录1 。 堕亘銮堕查主塑圭竺窒皇堂堡垒壅塑! ! 蔓 图2 一1 6 直线电机车辆模型俯视图 图2 1 7 直线电机车辆模型正视图 ，l 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 5 页 构件 名称 左轮 右轮 车轴 构架 车体 摇枕 电机 图2 1 8 多体动力学模型 表2 一l 独立车轮车辆模型的自由度 运动类型 纵向横移 浮沉侧滚摇头点头 p ，。 p x w x t x c x z r z r z c 乙 乙 中 中， 中c v v 7 v o v 8 v m p ， p c 2 3s i m p a c k 动力学仿真 s i m p a c k 多体动力学仿真软件，它能够对多种类型的机械系统自动建立 运动方程，并通过不同类型的求解器用频域或时域的方法进行相关的分析计 算。 s i mp ：a c k 是在m e d y n a 程序的基础上于1 9 8 7 年开始开发的，1 9 9 3 年 与相关研究单位和制造企业合作开发铁路模块，已成为多体动力学仿真软件的 一 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 6 页 程环境，强大的接口模块使之能与著名的设计、控制和有限元软件结合形成处 理多种混合问题的工具。 建模时，不考虑钢轨弹性，采用独立车轮踏面和5 0 k g m 钢轨相匹配。在 模型建立之前需先将独立车轮踏面和5 0 k g m 钢轨轨头的数据按照s i m p a c k 的格式要求做成文件并通过s i m p a c k 的处理程序，生成轮轨接触关系，如图 2 1 8 所示。其理论基础为k a l k e r 滚动接触理论中的k a l k e r 简化理论1 2 1 。 图2 - 1 9 独立车轮踏面和5 0 k m 钢轨相匹配接触关系 车体、构架、车轴、车轮、直线电机定子、抗侧滚扭杆、电机吊杆等的质 量和转动惯量等属性通过b o d y 来定义，所有零部件之间的运动连接形式用铰 j o i n t 和约束c o n s t r a i n t 来定义，同时定义各个零部件的自由度。 转向架上的弹簧、减振器、横向止挡等以力元件f o r c e 的形式来定义，其 中横向止挡的非线性特性可以通过函数来定义。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 7 页 j o i n t 关系中定义轮轨关系，匹配左右侧车轮，使得轮轨接触关系生成在左右 侧车轮与轨道的接触点上。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第28垂囊球鬻醚凳艘鲢融髦城蚓 主。；蒸鐾需晕冶蓁缒 耋羹攀塞奏耋囊羹霉耐羔篓怕巍：鍪鍪葡晕瞽萌訾莉群娄臻袋霞筇蓥# 扎 誊m 鍪臻；剥刊孵茎羹陟瓣弧忻糖托哦靴毹；薛聪力飘d 薜瓣辑薤鞭鞋，蠢磊 潍筛耘纠习蠹新粒媚墓囊啮辑薷笨避哪l | 苴掣傅缨黔幔蛩甄骓球；蝥囊童馨暮 磊精搽镬饕；孽孽帮拳氍掣曹麴引弛；烈鲢将车体、构架和轮对有机地联系起来，起到了轮对的纵 向定位作用，可以提高客车的直线运行稳定性。因此，迫导向转向架能够很好地 解决曲线通过和直线运行稳定性之间的固有矛盾。 迫导向转向架的基本原理是：当车辆通过曲线时，迫导向机构利用车体 与转向架之间的相对摇头角位移，迫使轮对趋于径向位置，减小轮对冲角，从 而改善车辆的曲线通过性能。图4 一l 为车辆通过曲线时轮对处于径向位置的 示意图【1 3 1 。当车辆通过曲线时，车体与转向架中心线之间有一相对转角矿。， 如果连接车体、构架和轮对的导向机构能将转角虬。按一定的比例传递给轮 对，使之产生转角y 。，则就能迫使轮对处于曲线半径方向。 定义几何导向增益g o 为轮对转角。和车体相对转向架转角虬。之比值 即 go ：纽。坠；旦 妒c 0 l 瓜l 式中，b 转向架固定轴距之半 r曲线半径 l车辆定距之半 图4 1 转向架在曲线上的得向位置 由转向架在曲线上的得向位置由上式可知，导向增益go只与转向架固定轴距以及车辆定距有关，而与曲 x 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 9 页 f ：频率修正系数。 以上的平稳性指标只适用一种频率一个振幅的单一振动，但车辆在线路上 运行时的振动是随机的，因此在分析车辆平稳性指标时，要对实测的车辆振动 加速度记录进行频谱分析，求出每段频率范围内的振幅值，然后对每一频段计 算各自的平稳性指标盯，再求出全部频段总的平稳性指标。 “= ( 啊1 0 + 吲o + + 叫o ) 0 1 ( 3 2 ) 平稳性指标等级见表3 1 ： 表3 一i 平稳性指标等级表 平稳性等级 平稳性指标w评定 1 ( 2 5优 2 2 5 2 7 5 良好