吕少鹏
中车唐山机车车辆有限公司
摘要：在动车组的运行中，牵引系统发挥着重要的作用。本文针对动车组牵引电机中的典型运营条件，对电机悬挂部位的受力边界条件进行合理简化，分析动车组牵引供电系统中存在的主要故障问题，分析故障出现原因，为电机悬挂部位的设计优化提供依据，为电机制造过程中的偏差处理提供数据支撑。
关键词：动车组；牵引电机；悬挂
近年来，我国经济的快速发展带动城市现代化的建设进程不断加快，高效、便捷的交通技术已然成为衡量我国社会经济整体发展状况的关键参数之一。因此，国家大力发展铁路工程，既为人民出行提供便利，又从另一程度促进了经济的发展。动车作为一种新型高效的交通运输工具，在交通运输系统中有着重要的地位。而牵引电机做为动车的重要模块，必须要做好牵引电机悬挂部位的分析和研究，以保障动车安全系数。
一 概述
动车组牵引电机技术是2004年铁道部从日本三菱引进的，因属引进技术，我国工程技术人员对承载电机重量及加速度冲击的悬挂部位的安全系数与裕度并不清楚。而无论是铸钢结构悬挂部位还是焊接结构的悬挂部位，在实际生产过程中往往为非理想状况，如加工尺寸出现偏差，材料局部微小铸造缺陷、焊接缺陷，当遇到此类问题时技术人员因无有效的计算分析与试验数据，加之过多的对行车安全性的考虑，往往做出定子机座报废的结论。
本文对比分析系列牵引电机悬挂方式，列举研究相关振动和撞击实验，以此对安全系数进行研究。
二 牵引电机悬挂方式
牵引电机的悬挂方式从总体来说分为体悬式、架悬式和轴悬式。其中，轴悬式牵引电机的大部分质量为簧下质量，增加了车辆对轨道的动力破坏作用，又将轮轨间产生的冲击与振动直接传递给牵引电机，加大了电机的振动载荷，所以该结构一般使用在低速轨道车辆上。对于运行速度大于120 km/h的动车组而言，牵引电机悬挂方式的选型设计至关重要。目前，国内已运行动车组，其牵引电机的悬挂方式主要为体悬和架悬两大类别。
（一） 电机体悬
电机体悬是指牵引电机吊挂在车体底架上，采用传动轴与转向架上的齿轮箱连接，从而传递扭矩。其典型产品的结构形式是：动力转向架齿轮箱采用抱轴式伞齿轮结构;在牵引电机和齿轮箱之间安装双十字万向传动轴及其保护支架;万向轴可以伸缩变位，以满足车体与轮对之间的相对位移。由于电机吊挂车体，大大降低了转向架的簧间质量，可有效地改善转向架的高速直线运行性能，同时也便于对牵引电机的检查与维护。
但电机体悬的缺点也很明显，主要表现在:①齿轮箱及传动系统的结构复杂，生产和维护成本高；②电机占用车下设备吊装空间，需要特殊的吊装结构避免电机振动对车体的影响；③传动轴的临界转速受结构﹑静动平衡﹑磨损等因数影响较大；④由于传动轴较长，其1阶垂向弯曲自振频率很难避开转向架与车体的共振区间。
因此，电机体悬更适合应用在受结构空间限制不能满足电机安装空间需求的特殊形式转向架，例如轴箱内置转向架.摆式列车转向架等。
（二） 电机架悬
电机架悬是指牵引电机吊挂在转向架构架上，常见的驱动布置方式是电机、联轴节、齿轮箱的三大件结构形式，其牵引电机完全为簧上质量。按照牵引电机与构架的连接状态，电机架悬还可以分为刚性架悬、柔性架悬和弹性架悬3种类型。
1.2.1 刚性架悬
刚性架悬的典型结构形式是电机上部卡槽与构架电机吊座卡条刚性配合安装，通过螺栓分别将电机上部和下部与构架连接。其特点是电机和构架刚性连接为一体，不存在任何方向的相对位移。刚性架悬多用于地铁转向架，其优点是结构简单、安装方便;缺点是刚性连接没有任何的减振隔振装置，导致电机振动直接传递到转向架构架。
1.2.2柔性架悬
柔性架悬是指电机与构架之间的横向刚度很小(小于1 kN/mm)，电机相对于构架在横向方向上可以相对位移(最大横向位移可达 12 mm)。其优点是实现电机和构架横向振动的解耦，能减小构架的横向质量和摇头惯量，从而改善平稳性，减小轮轨作用力，提高转向架蛇行临界速度。柔性架悬中，影响架悬式动力转向架蛇行运动稳定性的主要因素是电机横移模态，而电机摇头模态的影响相对很小。柔性架悬的典型结构有2种:一种是将电机及其安装吊架通过板弹簧吊装在转向架构架上。由于板弹簧在板厚方向刚度较低，从而降低了电机的横向悬挂刚度。但该结构设计过于复杂，零部件较多，制造成本也较高。另外一种是电机通过大直径橡胶节点与构架连接。橡胶节点采用多层橡胶与隔套分瓣硫化再压装结构，从而满足小轴向刚度并兼顾较大的径向刚度。与板弹簧结构相比，其结构相对简单，但橡胶节点的尺寸较大(直径130 mm)，对橡胶节点的设计和制造要求较高，且橡胶节点的使用寿命短。
此外，电机柔性架悬都需要配置横向减振器以衰减电机横向振动，同时需设置横向止挡以限制电机横向的最大位移，保证行车安全。因此，该结构形式多用于运行速度较高的动车组车辆。
1.2.3弹性架悬
弹性架悬是指电机和构架之间通过大刚度的橡胶节点实现连接，橡胶节点数量可以为3个或4个。此吊装结构中，橡胶节点多为单层硫化橡胶，单个节点的刚度值较大（轴向刚度大于10 kN/mm，径向刚度大于30 kN/mm)，所以橡胶节点的外形尺寸大大减小(直径小于90 mm)，可节省空间便于安装且制造工艺简单，寿命长。此结构多用在地铁车辆上。
三 悬挂仿真分析
（一） 基本技术条件
为研究悬挂部位的安全性，以某动车组牵引电机机座悬挂部位强度进行有限元分析，该电机所用材料为Q235A，密度7800kg/m3，弹性模量200GPa，疲劳强度130MPa，屈服强度235MPa。
按照结构件通用评定标准，极限工况下仿真求取最大应力，其安全系数即对应材料屈服强度/最大应力计算值，在正常工况下，求取该条件下最大应力值，其疲劳安全系数即对应结构钢件疲劳强度/正常工况最大应力计算值。
（二） 载荷工况与位移约束
根据建模模拟分析，电机其最大位移部位在机座的防脱落部位，其承受应力较大的区域在上悬挂筋板与压圈焊接部位之间，以及底角悬挂撑板之间，其正常工况与极端工况下最大应力值分别为72.29 MPa、 118.65 MPa，这样根据求取极限状况下的应力值，可得知该电机的屈服安全系数为1.98，根据正常工况下其最大应力值72.29 MPa，可得知其疲劳安全系数为1.80。结合CRH2-300动车组在新建京津客运专线型式试验时牵引电机加速度的大量测量结果统计:垂向振动加速度最大为2.03g，横向振动加速度最大为0.97g2，并对此条件在模型加载分析，最大部位应力34.11 MPa，低于悬挂部位钢材的机械性能，电机悬挂实际安全裕度较计算值大。
四 总结
通过对不同牵引电机悬挂方式的结构对比、动力学仿真计算、振动传递和振动耦合分析以及线路实测数据分析，基于动车在不同方向的应用，需根据结构、动力性能需求等要求，来采用适宜的悬挂方式，从基础设计上提高安全性，达到最大性能，增大系统基本安全系数，以达到合理的安全系数要求。
上述有限元仿真分析与模拟台架试验数据，因有限元分析给定边界条件、台架冲击振动试验条件均比实际统计工况严酷，该牵引电机悬挂部位的实际运行安全系数应大于计算值1.80，安全裕度较大。这些数据可在产品设计开发时，为动车组和地铁此种架承式安装结构电机的上下悬挂轻量化设计优化提供数据支撑，可对应力较大的上悬挂拉板部位针对性加强，其余部位因安全裕量较大可进行相应的轻量化设计与优化。在制造过程中，给一线专业工程技术人员在处理悬挂部位尺寸偏差、铸件缺陷对整个电机安全性的影响提供评估依据。
参考文献：
[1]黄彩虹，梁树林，曾京，等.牵引电机架悬参数对动车转向架稳定性的影响[J].铁道车辆，2014，52( 11) :1.
[2] 王立国，杨秀娟.电力机车转向架牵引电机悬挂方式选择研究[J].轨道交通装备与技术，2015(4):1.
[3] TB/T 3058--2002，铁路应用机车车辆设备冲击和振动试验[S].