崔斯柳

（中車株洲電機(jī)有限公司，湖南 株洲 412001）

城軌牽引電機(jī)彈性安裝模態(tài)分析

崔斯柳

（中車株洲電機(jī)有限公司，湖南 株洲 412001）

城軌牽引電機(jī)與轉(zhuǎn)向架安裝形式一般分為剛性安裝和彈性安裝。剛性安裝接口一般用于常規(guī)的A、B型車。伴隨著城市軌道交通發(fā)展，特別是低地板車輛的出現(xiàn)，牽引電機(jī)彈性安裝形式到了廣泛應(yīng)用。文章通過Ansys-Workbench軟件對(duì)彈性安裝形式的牽引電機(jī)進(jìn)行模態(tài)計(jì)算，并對(duì)比電機(jī)在剛性安裝及彈性安裝下的差異。

牽引電機(jī)；模態(tài)分析；有限元；彈性安裝；剛性安裝

城軌牽引電機(jī)與轉(zhuǎn)向架的安裝一般分為彈性安裝及剛性安裝2種形式。剛性安裝形式常見于最高運(yùn)行速度為80～100km/h的A、B型車輛，較為普及。彈性安裝形式常見于最高運(yùn)行速度為100～120km/h的地鐵車輛或低地板車輛上。相比剛性安裝形式，牽引電機(jī)采用彈性安裝可以降低車輛運(yùn)行時(shí)線路帶來的振動(dòng)頻率從而提高機(jī)械部件的使用壽命，但安裝工藝相對(duì)復(fù)雜。由于安裝剛度的降低增加了振動(dòng)位移。

牽引電機(jī)模態(tài)計(jì)算，可以確認(rèn)不同結(jié)構(gòu)下的設(shè)計(jì)剛度，也可以得到該結(jié)構(gòu)下的傳遞函數(shù)，用于后續(xù)牽引電機(jī)的隨機(jī)振動(dòng)、疲勞壽命及振動(dòng)噪聲、電磁噪聲等一系列的分析。

1 牽引電機(jī)彈性安裝形式

牽引電機(jī)彈性安裝形式常見于2類：彈性球絞形式安裝；彈性單元形式安裝。

（1）彈性球絞安裝。彈性球絞種類較多，但結(jié)構(gòu)大體相同。一般由芯軸、外套和橡膠層組成，如圖1所示。彈性球絞通過過盈配合的形式安裝在牽引電機(jī)上，如圖2所示。

圖1 彈性球絞

圖2 彈性球絞安裝形式

（2）彈性單元安裝。相比彈性球絞安裝形式，彈性單元安裝形式一般用于低地板電機(jī)上，采用4點(diǎn)懸掛。如圖3、圖4所示。

圖3 彈性單元安裝形式

2 牽引電機(jī)模態(tài)計(jì)算

文章采用Ansys-Workbench針對(duì)彈性單元形式的安裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析。

牽引電機(jī)三維模型如圖5所示。

圖5 牽引電機(jī)三維模型

2.1 分析過程及假設(shè)

（1）對(duì)于模態(tài)分析，振動(dòng)頻率ωi和模態(tài)φi是根據(jù)下列方程得到的：

并假設(shè)，剛度矩陣［K］和質(zhì)量矩陣［M］不變；材料特性為線彈性的；利用最小位移理論，不包括非線性；不存在阻尼矩陣［C］；不存在外部激振力［F］。

此處模態(tài){φi}是相對(duì)值，而非絕對(duì)值，也就是說計(jì)算得到的形變量形變趨勢(shì)是可以參考的但位移值并非真實(shí)值。

（2）在Ansys軟件中，模態(tài)分析不存在非線性接觸，僅存在“Bonded”（綁定）、“No Separation”（不分離）和“Free”（自由）三類接觸。

（3）材料屬性中彈性模量、泊松比和密度是必要的。

（4）在模態(tài)計(jì)算中考慮重力影響，因此采用有預(yù)應(yīng)力的模態(tài)分析。

2.2 模型的處理

在模型處理方面主要考慮模型簡(jiǎn)化、彈性單元的處理、接觸以及材料的等效。

（1）彈性關(guān)節(jié)。在分析中，彈性關(guān)節(jié)將等效為彈簧單元。彈簧剛度通過橡膠單元試驗(yàn)獲取。位移——負(fù)載試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 彈性單元位移-負(fù)載曲線

（2）轉(zhuǎn)子部分處理。轉(zhuǎn)子部分相對(duì)端蓋剛度較高，可以采用質(zhì)量點(diǎn)代替，如圖6所示。

圖6 轉(zhuǎn)子采用質(zhì)量點(diǎn)代替

（3）定子沖片處理。電機(jī)定子沖片采用0.5mm硅鋼片疊壓而成，在計(jì)算中需要考慮從疊片結(jié)構(gòu)帶來的彈性模量變化，軸向方向與徑向彈性模量不同。

（4）端蓋部分。端蓋部分需要考慮螺栓預(yù)緊帶來的剛度變化，如圖7所示。

圖7 端蓋螺栓預(yù)緊力

2.3 仿真計(jì)算結(jié)果

（1）彈性安裝計(jì)算結(jié)果。具體如表2和圖8、圖9、圖10所示。

表2 彈性安裝計(jì)算頻率

圖8 1階振型 徑向變形（Z方向）

圖9 2階振型 軸向（X方向）

圖10 3階振型 徑向（Y+Z仿真）

（2）剛性安裝。具體如表3和圖11、圖12、圖13所示。

表3 剛性安裝計(jì)算頻率

圖11 1階振型 徑向變形（Z方向）

圖12 2階振型 軸向（X方向）

圖13 3階振型 徑向（Y+Z仿真）

2.4 試驗(yàn)方案及對(duì)比

（1）試驗(yàn)原理及方法。試驗(yàn)采用力錘法。試驗(yàn)流程如圖14所示，機(jī)座采用鑄鐵制成。在機(jī)座底端固定到支架上，支架保證足夠的剛度。

圖14 試驗(yàn)流程圖

（2）試驗(yàn)結(jié)論。彈性安裝工況如表4所示。

表4 彈性安仿真及試驗(yàn)對(duì)比

前3階振型如圖15所示。

圖15 彈性安裝前3階試驗(yàn)振型

剛性安裝工況如表5所示。

表5 剛性安仿真及試驗(yàn)對(duì)比

前3階振型如圖16所示。

圖16 剛性安裝前3階試驗(yàn)振型

3 結(jié)論

較剛性安裝形式，彈性安裝整體剛度下降，前2階頻率降低較明顯。每種工況2階計(jì)算與試驗(yàn)值相比差異較大，主要原因?yàn)?階為軸向振動(dòng)，硅鋼片軸向彈性模量取值與定子疊壓力、疊壓系數(shù)及焊接應(yīng)力等因素有關(guān)，準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)需要一定的試驗(yàn)驗(yàn)證獲得。

模態(tài)計(jì)算的準(zhǔn)確性將影響后續(xù)計(jì)算（噪聲、振動(dòng)分析）結(jié)果。牽引電機(jī)模態(tài)計(jì)算準(zhǔn)確與否與模型處理、材料屬性（特別是硅鋼片）及接觸剛度關(guān)系較大。

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M odal Analysis of the Traction M otor in Flexible Installation

CUI Si-liu
（CRRC Zhuzhou Electric Co.，Ltd.，Zhuzhou，Hunan 412001，China）

The installation formsofcity rail tractionmotorsand bogiesare generally divided into rigid installation and flexible installation.Rigid installation isgenerally used in conventional A and B vehicles.With the developmentofurban rail transitespecially the emergence of low floor vehicles the flexible installation hasbeen widely used.The paper analyzes themodalofmotor by Ansys-Workbench and compares the differencebetween the twoworking conditions.

tractionmotor；modalanalysis；finite element；flexible installation；rigid installation

U264.1

A

2095-980X（2017）05-0056-03

2017-04-15

崔斯柳（1983-），男，碩士，主要研究方向：牽引電機(jī)設(shè)計(jì)。