体悬式牵引电机悬挂参数对高速列车的振动特性影响_杨建伟.pdf

文章编号：1673-0291（2023）03-0122-08DOI：10.11860/j.issn.1673-0291.20220090第 47 卷 第 3 期2023 年 6 月Vol.47 No.3Jun.2023北京交通大学学报JOURNAL OF BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY体悬式牵引电机悬挂参数对高速列车的振动特性影响杨建伟a，b，郭宇轩 a，王金海a，b（北京建筑大学 a.机电与车辆工程学院，b.城市轨道交通车辆服役性能保障北京市重点实验室，北京 100044）摘要：体悬式牵引电机通过弹性悬挂安装于车体底架，其悬挂参数会直接影响到车体和电机本身的振动特性.针对目前对于体悬式牵引电机振动特性及悬挂参数研究的不足，通过 Simpack软件建立国内某型高速列车动力学模型，研究包括不同车速下的体悬式牵引电机振动特性以及电机悬挂参数对电机和车体的影响，并提出优化建议.研究结果表明：体悬式牵引电机的主频率为自振频率，由悬挂刚度和自身质量决定；列车运行速度会对电机和车体悬挂点振动加速度的幅值和频率产生影响；电机悬挂参数的合理选择会在一定程度上改善列车的运行性能；建议单弹簧横向刚度的取值为 100300 kN/m，垂向刚度的取值为 200400 kN/m，弹簧横向跨距的取值为 1.51.8 m；添加适当的电机悬挂阻尼对电机的振动加速度和位移有明显的抑制作用，建议横向和垂向单个阻尼取值约在 10 kN s/m.关键词：高速列车；体悬；牵引电机；悬挂参数；振动特性中图分类号：U270.1 文献标志码：AInfluence of suspension parameters of body suspension traction motor on vibration characteristics of high-speed trainYANG Jianweia,b,GUO Yuxuana,WANG Jinhaia,b（a.School of Mechanical-Electronic and Vehicle Engineering,b.Beijing Key Laboratory of Performance Guarantee on Urban Rail Transit Vehicles,Beijing University of Civil Engineering and Architecture,Beijing 100044,China）Abstract:The body suspension traction motor is mounted on the underframe of the car body by elastic suspension,and its suspension parameters have a direct impact on the vibration characteristics of the car body and the motor itself.To address the lack of research on the vibration characteristics and suspension parameters of the body suspension traction motor,a dynamics model of a domestic high-speed train is established using Simpack software.The model is used to investigate the vibration characteristics of the body suspension traction motor at different speeds and the impact of motor suspension parameters on the motor and the car body,and to propose optimization suggestions.The study results in收稿日期：2022-07-07；修回日期：2023-02-17基金项目：国家自然科学基金（51975038，52272385）；北京市自然科学基金（3214042，L211008，KZ202010016025）；北京市博士后基金（2021-ZZ-114）；北京建筑大学双塔计划人才项目（JDYC20220827）Foundation items:National Natural Science Foundation of China（51975038，52272385）；Beijing Municipal Natural Science Foundation（3214042，L211008，KZ202010016025）；Postdoctoral Foundation of Beijing（2021-ZZ-114）；Twin Towers Project of Beijing University of Civil Engineering and Architecture（JDYC20220827）第一作者：杨建伟（1971），男，河南杞县人，教授，博士，博士生导师.研究方向为车辆系统动力学及控制.email：.引用格式：杨建伟，郭宇轩，王金海.体悬式牵引电机悬挂参数对高速列车的振动特性影响 J.北京交通大学学报，2023，47（3）：122-129.YANG Jianwei，GUO Yuxuan，WANG Jinhai.Influence of suspension parameters of body suspension traction motor on vibration characteristics of high-speed train J.Journal of Beijing Jiaotong University，2023，47（3）：122-129.（in Chinese）杨建伟等：体悬式牵引电机悬挂参数对高速列车的振动特性影响第 3 期dicate that the main frequency of the body suspension traction motor is the natural frequency,which is determined by the suspension stiffness and its own mass.The speed of the train affects the amplitude and frequency of vibration acceleration of the motor and suspension points of the car body.Reasonable selection of motor suspension parameters can improve the train s performance to a certain extent.It is suggested that the value of lateral stiffness of a single spring should be between 100 and 300 kN/m,the value of vertical stiffness should be between 200 and 400 kN/m,and the value of lateral span of spring should be between 1.5 and 1.8 m.Adding appropriate motor suspension damping has a significant inhibitory effect on the vibration acceleration and displacement of the motor.It is recommended that the single lateral and vertical damping values be around 10 kN s/m.Keywords:high-speed train；body suspension；traction motor；suspension parameters；vibration characteristics轨道车辆牵引电机的悬挂类型大体上可分为轴悬式、架悬式和体悬式 3 类.其中，轴悬式的簧下质量最大，这会使轮轨间的冲击和振动直接传至电机，从而产生不利影响.因此，该种方式无法满足高速列车的动力学要求1.当前运营的高速列车通常使用架悬式与体悬式的牵引电机，前者被安装于动车转向架构架，后者被安装于动车车体的底架.虽然采用体悬式电机会明显降低簧下质量，释放转向架空间，改善牵引电机工作条件，提高车辆的动力学性能，但是其在高速列车上的应用规模仍比架悬式少.这是因为体悬式电机与齿轮箱之间的变位较大，需要通过一根可伸缩、变位的万向轴用于传递动力，使得驱动系统较为复杂，提高了维护成本2.关于轨道车辆的牵引电机悬挂以及动力学特性方面的研究，黄彩虹等3建立了采用架悬电机的车辆横向动力学模型，研究悬挂参数和质量参数对转向架稳定性的影响.朱胜明等4介绍了轴悬式牵引电机悬挂特点以及降低电机振动的研究，通过计算结果总结出电机吊挂刚度变化对车辆动力学性能的影响.冯相杰等5分别创建了采用刚性架悬、弹性架悬和半体悬高速列车动力学模型，对三者的横向稳定性进行了分析比较.王金海等6在城轨列车时变速载的工况下，对传动系统振动特性进行研究，并探讨了其对于列车运行的影响.Zhang等7基于高速列车机电耦合模型，对包含架悬电机在内的传动系统在变工况下的动态特性进行分析.Huang等8建立采用架悬电机的动车转向架动力学方程，研究了电机架悬参数对转向架线性临界速度的影响.潘嵩岩等9运用 Adams/Rail建立了高速列车的动车模型，在不同工况下研究高速列车架悬式驱动装置振动特性.Alfi等10通过线性和非线性计算方法研究了架悬连接对转向架构架的影响，得出电机连接的刚度和阻尼对车辆稳定性有较强的影响.上述研究对牵引电机，传动系统以及列车动力学性能的相关内容进行了深入研究，但主要的研究对象为轴悬式和架悬式的列车.体悬式高速列车在动力学性能方面具有较好优势，在国内外具有相当数量的列车在投入使用.目前对高速列车架悬式驱动系统悬挂参数的研究已取得了一定成果11-12，但缺乏针对体悬式的研究，并且研究的悬挂参数较为单一.本文将国内某型采用体悬式电机的高速列车作为研究对象，探究体悬式电机振动特性以及悬挂装置的刚度、位置和阻尼对车辆系统振动特性的影响，并对电机悬挂参数的取值提出建议，为后续针对体悬式电机悬挂参数开展深入的优化研究提供参考.1 体悬式牵引电机高速列车建模根据车辆系统动力学理论，采用 Simpack 软件建立了国内某型体悬式高速列车单节动力学模型，如图 1 所示.车辆动力学模型选用的轮轨匹配为XP55 型踏面车轮与 CHN60 型钢轨，滚动圆横向跨距为 1 493 mm，轨底坡 1/40，选用秦沈线路实测轨道谱作为轨道激励模拟列车实际运行情况.所建立的车辆动力学模型细化了机械驱动系统，主要由4 个轮对、8 个轴箱、2 个弧形齿锥形齿轮箱、2 个可伸缩万向轴、2 台牵引电机、2 个构架以及 1 个车体等 25 个刚体组成，共 80 个自由度.另外，每个转向架上只有 1 个驱动轮对，为每节动车的 2、3 位轮对.车辆动力学模型的部分技术参数如表 1所示13-14.图 1车辆动力学模型Fig.1Vehicle dynamics model123北京交通大学学报第 47 卷该车的体悬式牵引电机为一种三相交流异步鼠笼式电动机.每节动车配备两台牵引电机，通过 4组弹簧悬挂装置纵向安装在车体下方，采用 5号力元模拟悬挂弹簧.牵引电机与齿轮箱之间通过万向轴传递动力，万向轴具有绕X轴旋转的自由度并且其两端的十字铰与连接处均具有点头和摇头 2个自由度，采用13号铰接.万向轴的轴身与电枢和小齿轮轴之间有4的折角，轴身由可沿轴向平移的两部分组成，从而达到伸缩的效果.电机的部分参数如表2所示15-16.齿轮箱的箱体采用 2 号铰铰接于动轴上，具有点头自由度，通过安装在齿轮箱下方的反作用杆抑制齿轮箱的回转运动.齿轮传动系统采用传动齿轮类型为弧齿锥齿轮，大齿轮为从动齿轮，小齿轮为主动齿轮，大小齿轮呈 90夹角，大小齿轮的几何参数如表 3所示.2 牵引电机振动特性2.1 电机振动频域特性体悬式牵引电机采用 4组弹簧悬挂装置吊装在车体下方，弹簧刚度和电机质量决定了电机的自振频率.其中，单弹簧悬挂装置的横向和垂向刚度分别为 195 kN/m 和 262 kN/m，牵引电机的质量为1 613 kg17.牵引电机自振频率的计算采用f=12km（1）式中：k 为弹簧刚度，N/m；m 为电机质量，kg.由式（1）可计算出牵引电机横向和垂向的自振频率分别为 3.5 Hz和 4.1 Hz.为了研究不同车速下的牵引电机振动加速度频域特性，150 km/h、200 km/h、250 km/h 共 3 个速度等级下，牵引电机的横向和垂向的加速度频域如图 2 所示.由图 2 可知，随着车辆运行速度的提高，电机横向和垂向振动加速度的幅值会随之增大，而电机的振动频率没有发生变化.牵引电机的主要频率为自振频率，这是由于体悬式牵引电机与车体相连接，经过一系和二系悬挂的减振作用后，车体受到图 2电机加速度频谱图Fig.2Acceleration spectrum of motor表 1车辆技术参数Tab.1 Vehicle technical parameters模型参数车体长度/m车体宽度/m车体高度/m车辆定距/m地板面距轨面高度/m数值253.23.73191.27模型参数轴距/mm车轮尺寸/mm最大轴重/t最高运行速度/(km h-1)数值2 70089017250表 2牵引电机参数Tab.2 Traction motor parameters模型参数总质量/kg转子质量/kg持续额定功率/kW额定频率/Hz数值1 61348056859.8模型参数极对数转速范围/(r min-1)线电压/V电流/A数值303 6382 089.3211.22表 3弧齿锥齿轮参数Tab.3 Parameters of bevel gear with arc tooth模型参数齿数传动比模数/m压力角/()中心螺旋角/()轴交角/()齿宽/mm切向变位系数高变位系数节圆直径/mm齿顶圆直径/mm旋向主动齿轮222.59.2203090820.110.327 6202.4221左从动齿轮552.59.220309082-0.11-0.327 6506509.3右124杨建伟等：体悬式牵引电机悬挂参数对高速列车的振动特性影响第 3 期的轨道激扰大幅减小，致使传递给牵引电机的振动也随之变小，因此自振频率最为明显.2.2 车体电机悬挂点振动频域特性由于体悬式牵引电机悬挂于车体下方，二者振动会产生相互影响.为了防止发生共振，电机振动频率应该避开车体电机悬挂点的振动频率.与图 2相同工况下的车体电机悬挂点的横向和垂向加速度频域见图 3.由图 3 可知，随着车辆运行速度的提高，悬挂点的加速度幅值和频率都会增大，这是由于车体会受到来自轨道激扰的影响，振动频率与车速成正比，速度越高，振动频率越高，并且垂向加速度的变化要比横向更显著.通过与电机自振频率对比可知，在当前的弹簧刚度下，电机和车体不会发生共振.3 电机悬挂参数影响3.1 电机悬挂刚度除电机质量外，体悬式电机的自振频率主要取决于悬挂刚度.因此，为了使电机和车辆具有良好的运行品质，对电机悬挂刚度的选择至关重要.电机悬挂横向刚度对电机横向加速度和位移的影响如图 4 所示.由图 4 可知，车辆的运行速度越快，电机的横向加速度和位移越大.电机的横向加速度在单弹簧刚度小于 400 kN/m 时，随着刚度的增大而增大，在刚度大于 400 kN/m 后，会有所波动.电机的横向位移在单弹簧刚度约为 40 kN/m 时达到最大，原因是电机与车体发生了横向共振，因此弹簧横向刚度的取值要避开这一范围，在此之后，位移随着刚度的增大而减小，最后逐渐趋于稳定.电机悬挂垂向刚度对电机垂向加速度和位移的影响见图 5.由图 5可知，车辆的运行速度越快，电机的垂向加速度和位移越大，这与横向的响应相似.电机的垂向加速度随着弹簧垂向刚度的增大而增大，而电机的垂向位移随着刚度的增大而单调递减，最后逐渐趋于稳定.200 km/h运行速度下，弹簧悬挂横向和垂向刚度对车辆平稳性指标的影响如图 6 所示.由图 6 可知，随着横向刚度的增加，横向平稳性指标会略有降低，而垂向平稳性指标几乎无变化.随着垂向刚度图 3车体电机悬挂点加速度频谱图Fig.3Acceleration spectrum of car body motor suspension points图 4电机横向加速度和位移随悬挂横向刚度的变化规律Fig.4Variation law of motor lateral acceleration and displacement with changing suspension lateral stiffness125北京交通大学学报第 47 卷的增加，横向和垂向平稳性指标变化均不明显.电机悬挂刚度对各自所在方向上的车体电机悬挂点加速度的影响如图 7所示.由图 7可知，车体电机悬挂点加速度与平稳性指标的结果类似，横向的变化幅度要略大于垂向.根据上述结果，电机悬挂刚度对车体加速度的影响不大.综合考虑悬挂刚度对牵引电机和车体的影响，建议单弹簧横向刚度的取值范围在 100300 kN/m，单弹簧垂向刚度的取值范围在200400 kN/m.3.2 电机悬挂阻尼为了更好地抑制牵引电机的振动加速度和位移，改善车辆运行性能，本文还加入了牵引电机悬挂阻尼对电机和车体的影响研究.其中，添加的阻尼数量和位置与悬挂弹簧一致.200 km/h运行速度下，电机悬挂横向和垂向阻尼对各自所在方向上的电机加速度和位移的影响如图 8 所示.由图 8 可知，随着阻尼的增加，电机垂向加速度以及电机横向、垂向位移均会降低，最后趋于稳定；电机横向加速度的变化趋势为先减小后增大，当横向阻尼约在 10 kN s/m 时达到最低，之后便随着阻尼的增大而增大.200 km/h运行速度下，电机横向和垂向阻尼对车辆平稳性指标的影响如图 9所示.由图 9可知，随着横向阻尼的增加，横向平稳性指标先降低，约在2 kN s/m 时达到拐点，之后便逐渐增大，而垂向平图 5电机垂向加速度和位移随悬挂垂向刚度的变化规律Fig.5Variation law of motor vertical acceleration and displacement with changing suspension vertical stiffness图 6平稳性指标随横向、垂向刚度的变化规律Fig.6Variation law of riding index with changing lateral and vertical stiffness图 7车体电机悬挂点加速度随横向、垂向刚度的变化规律Fig.7Variation law of car body motor suspension points acceleration with changing lateral and vertical stiffness126杨建伟等：体悬式牵引电机悬挂参数对高速列车的振动特性影响第 3 期稳性指标没有发生明显改变.随着垂向阻尼的增加，横向平稳性指标变化很小，而垂向平稳性指标会缓慢降低.电机悬挂阻尼对各自所在方向上的车体电机悬挂点加速度的影响如图 10 所示.由图 10 可知，电机悬挂阻尼的变化对悬挂点加速度的影响很小.当阻尼过小时无法有效抑制振动，而阻尼过大则会转化为刚性连接，不能起到缓冲的效果.因此，适当添加牵引电机的悬挂阻尼对车辆运行性能的提高有一定帮助，建议横向和垂向单个阻尼的取值约在 10 kN s/m.3.3 电机悬挂横向跨距除电机悬挂刚度和阻尼外，还需要合理选择悬挂点的位置.由于体悬式牵引电机纵向安装于车体下方，运行时电机转子绕纵向坐标轴转动，因此主要考虑 4组悬挂弹簧的横向跨距.200 km/h运行速度下，电机悬挂弹簧横向跨距对电机加速度和位移的影响如图 11 所示.由 11 图可知，随着弹簧横向跨距由小变大的过程，电机的横向加速度和位移先减小，约在 1.6 m 时达到最小，之后便逐渐增大，而电机垂向的加速度和位移基本没有变化.200 km/h运行速度下，电机悬挂弹簧横向跨距对车辆平稳性指标的影响如图 12 所示.由图 12 可图 8电机加速度、位移随悬挂阻尼的变化规律Fig.8Variation law of motor acceleration and displacement with changing suspension damping图 9平稳性指标随横向、垂向阻尼的变化规律Fig.9Variation law of riding index with changing lateral and vertical damping图 10车体电机悬挂点加速度随横向、垂向阻尼的变化规律Fig.10Variation law of car body motor suspension points acceleration with changing lateral and vertical damping127北京交通大学学报第 47 卷知，悬挂弹簧横向跨距的变化对横向平稳性指标产生了轻微波动，而对于垂向平稳性指标几乎无影响.弹簧横向跨距对各自所在方向上的车体电机悬挂点加速度的影响如图 13所示.由图 13可知，当横向跨距小于 1.2 m 时，会增大悬挂点的横向加速度，除此之外，加速度的变化不大.综合考虑仿真结果和电机安装空间，建议悬挂弹簧横向跨距的取值范围在 1.51.8 m.4 结论1）体悬式牵引电机的振动频率主要为自振频率，由悬挂刚度和质量决定.随着车辆运行速度的提高，电机横向和垂向加速度的幅值会增大，而振动频率不会发生变化；车体电机悬挂点的加速度幅值 和 频 率 均 会 变 大，并 且 垂 向 的 变 化 比 横 向 更显著.2）电机悬挂弹簧刚度的改变对车体影响很小，但对于电机振动的抑制作用显著.选择悬挂刚度还应保证电机与车体不会发生共振.建议电机悬挂单弹簧的横向刚度取值范围在100300 kN/m，垂向刚度取值范围在200400 kN/m.3）适当添加牵引电机悬挂阻尼可以降低电机的加速度、位移以及车辆平稳性指标，改善车辆的运行性能.建议电机横向和垂向单个阻尼的取值约在10 kN s/m 较好.4）除悬挂刚度和阻尼外，选择合理的电机悬挂弹簧横向跨距可以降低体悬式电机的横向加速度和位移，但对于车体的影响不大.建议弹簧横向跨距的取值范围在 1.51.8 m.5）各个电机悬挂参数对于车体和电机的影响不同，可针对具体的线路情况和车辆性能要求进行进一步的参数择优，为体悬式牵引电机悬挂参数的设计提供依据.参考文献（References）：1 尹振坤，吕常秀.城际铁路动车组牵引电机悬挂方式比较分析 J.城市轨道交通研究，2018，21（2）：2933.YIN Zhenkun，LYU Changxiu.Comparative analysis of 图 13车体电机悬挂点加速度随横向跨距的变化规律Fig.13Variation law of car body motor suspension points acceleration with changing lateral span图 12平稳性指标随横向跨距的变化规律Fig.12Variation law of riding index with changing lateral span图 11电机加速度、位移随横向跨距的变化规律Fig.11Variation law of motor acceleration and displacement with changing lateral span128杨建伟等：体悬式牵引电机悬挂参数对高速列车的振动特性影响第 3 期traction motor suspension mode for intercity EMUJ.Urban Mass Transit，2018，21（2）：2933.（in Chinese）2 李秋泽.CRH5型动车驱动系统万向轴失效机理及对策研究 D.北京：北京交通大学，2016.LI Qiuze.Study on failure mechanism and 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