动车牵引电机转子的弯扭振动特性研究

动车牵引电机转子的弯扭振动特性研究

牟彦强 薛猛 田磊

中车永济电机有限公司 山西 永济 044500

摘要：目前，我国的经济在快速发展，社会在不断进步，弯扭振动特性是动车牵引电机在复杂列车振动环境中安全可靠运行的关键评价依据。为此，考虑动车牵引电机结构特点，利用转子动力学有限元方法构建牵引电机转子系统的梁元有限元模型，探讨转子铁芯和电机惯性负载在牵引电机转子动力学系统中的模拟方法和对系统弯扭振动特性的影响规律。结果表明:转子铁芯对牵引电机转子系统模态的显著影响仅限于在铁芯段存在较大形变的模态振型;铁芯质量分布直接影响系统弯扭特性的准确性，需按照动力学分析目的选择铁芯质量的离散数目;铁芯对转轴的刚度贡献能显著提高系统扭转模态频率，但弯曲模态频率的提高在转轴刚度增加到一定程度后变得不明显;电机惯性负载会使电机转子系统引入更低频率的扭转模态，有可能造成电机与负载之间的扭转共振，但另一方面电机惯性负载并不影响系统弯曲振动特性。

关键词：牵引电机;转子铁芯;惯性负载

引言

我国高速动车组中普遍运用异步牵引电机。牵引电机是高速动车组的机械牵引传动系统中进行机电能量转换的核心部件。随着动车组运行速度的大幅提高，牵引电机的运行安全性、可靠性和平稳性越来越受到人们的广泛关注。牵引电机的复杂振动现象是电机运行性能最为直观的外在表现之一。从国内外文献可以看到，牵引电机振动问题的存在不仅关乎电机自身的平稳运行，也直接影响电机悬挂部位的可靠性和寿命，甚至会成为危害整个高速动车组行驶安全的源头。在另一方面，牵引电机的振动特性也是电机设计、制造和故障诊断的重要依据o因而从振动机理上研究高速动车组牵引电机转子的动力学特性具有重要的工程应用价值。

1本文主要研究内容

电力动车组牵引系统的牵引电机是动车组的主要动力来源，在动车组运行过程中，牵引电机高速运行产生大量的热量，因而用于冷却牵引电机的风机的安全和可靠运行也是动车组稳定运行不可忽视的环节。电力动车组牵引电机冷却风机的应用状态和转轴断裂问题进行分析，对转轴的使用寿命做出判断，并对轴的设计进行分析优化。具体研究内容有以下几个方面:(1)利用有限元分析(ANSYS)对电机转轴进行模拟分析，计算出转轴静载荷、动载荷及应力集中情况;(2)分析断轴的故障机理，对转轴的疲劳寿命进行评估，计算出该转轴的寿命与载荷的相互关系;(3)通过对原材料、设计结构、故障转轴一系列的分析，评估出转轴的使用极限条件，针对在该风机的使用工况条件下，改进设计方案，并进行评估。

2动车牵引电机转子的弯扭振动特性研究

2.1转子结构离散及力学模型

架悬式动车牵引电机，包括电机定子、转子和轴承等部分。其中电机转子结构由左右两滚动轴承支承在电机定子上，其输出端则经浮动式齿式联轴器接齿轮传动装置。为便于构建力学模型，需将牵引电机转子结构进行合理简化。这里将转子端环和导条质量特性等效到电机铁芯段，然后采用集总质量法分别在左、右滚动轴承支点、转子铁芯几何中心将电机转子结构离散化为由刚性圆盘和弹性轴段组成的盘轴系统，其中刚性圆盘计及惯量但不计厚度，弹性轴段计及刚度但不计质量。此外，电机转子拖动的负载装置的质量特性则通过后文给出的等效转动惯量模拟（由等效惯性负载得到）。最终动车牵引电机转子系统被离散化为１个具有１０个自由度的弯扭力学模型。

2.2弯扭动力学特性方程

按照前述分析，牵引电机转子系统的建模关键是合理模拟转子部件(铁芯质量分布和刚度贡献)和处理电机负载问题，为此采用基于梁单元的转子动力学有限元方法实现。为了分析转子的弯扭振动特性，模拟电机转轴的梁单元除了具有4个横向振动自由度外，还必须包括扭转自由度，故电机转轴单元具有5个自由度。电机铁芯的质量贡献用具有转动惯量的集中质量单元模拟，依附在转轴单元节点上，并具有同样的5个自由度。滚动轴承在电机转子系统中主要提供刚度和阻尼作用，为此用弹簧阻尼单元模拟，若需计及轴承的质量贡献则可在单元中引入质量参数。电机定子可以单独按照静止部件由一般的结构有限单元模拟，也可以将其质量和刚度贡献等效到轴承的单元模拟参数中。

2.3风机转轴的优化设计

由理论和实验分析得出风机转轴断裂的位置其实就是退刀槽所在的位置，车床在使用车刀预制风机转轴的退刀槽时会在槽内产生一些初始缺陷及初始裂纹，这会使得轴承会在槽内产生应力集中;除此之外，退刀槽的存在使转轴在此处的横截面积减小，这会进一步使得该处的应力增大。由加工工艺可知:在退刀槽预制的过程中，刀具会对转轴产生较大的损伤，除此之外退刀槽会使得转轴在该处的直径略有减小，这会导致该处的应力进一步增大。因此优化的方法就是将退刀槽所在的段由等直径改为锥轴的形式，以避免退刀槽的产生。

2.4径向和扭转载荷作用下的转子弯扭振动

模拟某型动车组以运营速度(300km/h)运行，此时其牵引电机以额定转速(4140r/min)运转。牵引电机转子承受径向载荷和扭转载荷共同作用。设作用在转子上的阻力矩为恒定的转矩。以正弦波转矩来模拟牵引电机的脉动驱动转矩，其频率为6倍供电频率(840Hz，其幅值为恒定阻力矩值的12.2%;阻力矩值为牵引电机转子在额定转速下运行时的阻尼负载转矩值，与前文的阻力矩值和脉动驱动转矩相同。设转子存在质量偏心和初始静偏心，考虑转子重力的影响。不平衡磁拉力作用于转子铁芯段圆盘的轴心。脉动驱动转矩作用于转子铁芯段位置的惯性圆盘恒定阻力矩作用于惯性负载位置的惯性圆盘.J4。考虑转轴径向阻尼和转轴扭转阻尼的影响。转子的初始转速为额定转速(4140r/min，求解转子的弯扭振动响应。分析转子在径向和扭转载荷共同作用下的弯扭振动特性。

2.5算例与结果讨论

以某型动车牵引电机为参考，建立其转子系统有限元模型，并分别探讨铁芯质量分布、刚度贡献以及电机惯性负载影响下的牵引电机转子弯扭振动特性规律。该型牵引电机转子的部分结构参数为:转轴总长为0.675m，非铁芯段转轴输入端和输出端轴段长度分别为0.125、0.230m，输入端轴承处轴径0.025m，输出端轴承处轴径0.04m，铁芯的内半径、外半径和宽度尺寸分别为0.047、0.16、0.32m，输入、输出端轴承刚度系数分别为1.5×108、7.0×107N/m，其余结构参数略。由于铁芯对转轴刚度的增强作用与实际过盈情况、铁芯径宽比和工作条件等因素有关，需要借助试验或仿真手段确定，这里不做具体讨论，而是直接假定本算例中铁芯对转轴刚度的增强作用等价于将该处转轴半径增加T/4，其中T=Ro－Ri为铁芯厚度。由于仅讨论弯扭振动特性规律，因而这一假定并不影响算例结论的适用性。

结语

本文牵引电机转子系统弯扭耦合振动主要是由质量偏心引起，下一步应考虑机电耦合下牵引电机不平衡磁拉力、谐波驱动转矩以及负载波动转矩等造成的弯扭耦合振动规律；还应考虑系统中不确定性因素影响下的弯扭振动特性统计规律，为更准确地掌握组合载荷作用下动车组用牵引电机转子的弯扭振动机理和识别典型故障特征提供参考。

参考文献

［1］宋雷鸣．动车组传动与控制［M］．北京:中国铁道出版社，2016:182-279．

［2］沙登君．大型电机转子铁芯热套轴应注意的几个问题［J］．上海大中型电机，2004(2):44，48-49．