磁悬浮控制力矩陀螺高速转子的优化设计_韩邦成
磁悬浮车辆结构动力学建模与仿真
第27卷,第1期 中国铁道科学Vol 127No 11 2006年1月 C HINA RA IL WA Y SCIENCEJ anuary ,2006 文章编号:100124632(2006)0120104205磁悬浮车辆结构动力学建模与仿真缪炳荣,肖守讷,罗世辉,金鼎昌,雷 成(西南交通大学牵引动力国家重点实验室机车车辆研究所,四川成都 610031) 摘 要:为了准确获得磁悬浮车辆结构的动力学特性,结合上海磁悬浮示范线车辆,对磁悬浮车辆结构建模和仿真方法展开研究。
通过分析整体结构受力载荷工况,给出夹层和车体结构的受力公式。
采用参数化和子结构建模技术,利用多体系统软件SIMPAC K 建立磁悬浮车辆首车动力学模型。
为简化整个磁悬浮车辆系统多体模型和提高计算效率,将车辆受到的作用力和部分刚体简化为力元或力矩。
仿真结果表明,多体动力学建模可以作为磁悬浮车辆结构设计方案优劣的有效评估工具,有益于磁悬浮结构国产化设计和开发。
关键词:磁悬浮车辆;多体动力学;建模;仿真 中图分类号:U26719;U270111 文献标识码:A 收稿日期:2005201220 基金项目:教育部创新团队研究计划项目(IR T0452) 作者简介:缪炳荣(1970—),男,江苏泰县人,博士研究生。
磁悬浮车辆是一种轻量化、低噪、低维护和高可靠的地面高速载运工具,各国学者对磁悬浮的研究取得许多研究成果[1—6]。
对于磁悬浮技术的研究,常用原理主要有:日本电动悬浮方式(EDS )和德国电磁悬浮方式(EMS )。
上海磁悬浮示范线的磁悬浮系统主要采用德国TR08电磁悬浮技术,基本组成包括车辆、导轨以及命令控制中心。
而车辆结构又包括3个主要部分:车厢、夹层结构和磁铁走行机构[2]。
车辆结构设计还要求考虑较低的重心高度、足够的强度和刚度等,主要结构部件的连接方式也由过去焊接钢结构车体发展到焊铆混合结构,且以铆接为主的连接形式。
而结构在进行轻量化设计的同时,也要求能具备高可靠度和足够的安全性,这两者之间常常出现矛盾。
高速动车组齿轮箱设计研究现状及趋势
２０２１年２月第４９卷第４期机床与液压ＭＡＣＨＩＮＥＴＯＯＬ＆ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳＦｅｂ ２０２１Ｖｏｌ ４９Ｎｏ ４ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ ｉｓｓｎ １００１－３８８１ ２０２１ ０４ ０３５本文引用格式：杨树峰，王晓鹏，陈超，等．高速动车组齿轮箱设计研究现状及趋势［Ｊ］．机床与液压，２０２１，４９（４）：１７３－１７９．ＹＡＮＧＳｈｕｆｅｎｇ，ＷＡＮＧＸｉａｏｐｅｎｇ，ＣＨＥＮＣｈａｏ，ｅｔａｌ．Ｒｅｓｅａｒｃｈｓｔａｔｕｓａｎｄｔｒｅｎｄｏｆｇｅａｒｂｏｘｄｅｓｉｇｎｆｏｒｈｉｇｈ⁃ｓｐｅｅｄＥＭＵ［Ｊ］．ＭａｃｈｉｎｅＴｏｏｌ＆Ｈｙｄｒａｕｌｉｃｓ，２０２１，４９（４）：１７３－１７９．收稿日期：２０１９－１０－１０基金项目：国家重点研发计划（２０１８ＹＦＢ２００１７００）作者简介：杨树峰（１９８６ ），男，博士研究生，研究方向为齿轮传动技术㊂Ｅ－ｍａｉｌ：ｙａｎｇｓｈｕｆｅｎｇ８６１０＠１６３ ｃｏｍ㊂通信作者：刘世军（１９６２ ），男，硕士，研究员，博士生导师，主要研究方向为齿轮传动㊂Ｅ－ｍａｉｌ：Ｌｓｊ７６９＠１６３ ｃｏｍ㊂高速动车组齿轮箱设计研究现状及趋势杨树峰１，２，王晓鹏１，陈超１，刘世军１（１ 郑州机械研究所有限公司，河南郑州４５００５２，２ 中原工学院机电学院，河南郑州４５０００７）摘要：齿轮箱是高速动车组动力转向架的核心部件，其性能直接影响运行的安全可靠性㊂介绍了目前国内高速动车组齿轮箱结构及安装方式㊂根据齿轮箱的结构，分别从齿轮㊁支架㊁箱体㊁润滑密封等方面描述了国内外高速动车组齿轮箱设计方法的研究现状及存在的问题㊂提出了后期应重点针对齿轮箱的造型设计㊁故障诊断与健康管理和极端环境下的产品性能等方面开展相关研究，为深入研究高速动车组齿轮箱提供了参考㊂关键词：高速动车组；齿轮箱；设计方法；研究现状中图分类号：Ｕ２６０ ３３２ＲｅｓｅａｒｃｈＳｔａｔｕｓａｎｄＴｒｅｎｄｏｆＧｅａｒｂｏｘＤｅｓｉｇｎｆｏｒＨｉｇｈ－ｓｐｅｅｄＥＭＵＹＡＮＧＳｈｕｆｅｎｇ１，２，ＷＡＮＧＸｉａｏｐｅｎｇ１，ＣＨＥＮＣｈａｏ１，ＬＩＵＳｈｉｊｕｎ１（１ ＺｈｅｎｇｚｈｏｕＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏ．，Ｌｔｄ．，ＺｈｅｎｇｚｈｏｕＨｅｎａｎ４５００５２，Ｃｈｉｎａ；２ ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＺｈｏｎｇｙｕａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＺｈｅｎｇｚｈｏｕＨｅｎａｎ４５０００７，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｇｅａｒｂｏｘｉｓｔｈｅｃｏｒｅｃｏｍｐｏｎｅｎｔｏｆｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄＥＭＵｐｏｗｅｒｂｏｇｉｅ，ｉｔｓｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｄｉｒｅｃｔｌｙａｆｆｅｃｔｓｔｈｅｓａｆｅｔｙａｎｄｒｅｌｉａ⁃ｂｉｌｉｔｙｏｆｏｐｅｒａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｇｅａｒｂｏｘｏｆｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄＥＭＵｉｎｄｏｍｅｓｔｉｃｗａｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｇｅａｒｂｏｘ，ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｓｔａｔｕｓａｎｄｅｘｉｓｔｉｎｇｐｒｏｂｌｅｍｓｏｆｔｈｅｇｅａｒｂｏｘｄｅｓｉｇｎｍｅｔｈｏｄｏｆｔｈｅｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄＥＭＵａｔｈｏｍｅａｎｄａｂｒｏａｄｗｅｒｅｄｅｓｃｒｉｂｅｄｆｒｏｍｔｈｅａｓｐｅｃｔｓｏｆｇｅａｒ，ｂｒａｃｋｅｔ，ｂｏｘ，ｌｕｂｒｉｃａｔｉｏｎａｎｄｓｅａｌｉｎｇ．Ｉｔｗａｓｐｒｏｐｏｓｅｄｔｈａｔｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｓｈｏｕｌｄｆｏｃｕｓｏｎｔｈｅｓｈａｐｅｄｅｓｉｇｎ，ｆａｕｌｔｄｉａｇｎｏｓｉｓａｎｄｈｅａｌｔｈｍａｎａｇｅｍｅｎｔｏｆｔｈｅｇｅａｒｂｏｘａｎｄｔｈｅｐｒｏｄｕｃｔｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｉｎｅｘｔｒｅｍｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．Ｉｔｐｒｏｖｉｄｅｓｒｅｆｅｒｅｎｃｅｆｏｒｔｈｅｉｎ⁃ｄｅｐｔｈｓｔｕｄｙｏｆｈｉｇｈ⁃ｓｐｅｅｄＥＭＵｇｅａｒｂｏｘ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｈｉｇｈ⁃ｓｐｅｅｄＥＭＵ；Ｇｅａｒｂｏｘ；Ｄｅｓｉｇｎｍｅｔｈｏｄ；Ｒｅｓｅａｒｃｈｓｔａｔｕｓ０㊀前言１９６４年，世界上首条高速铁路 东海道新干线投入运营，列车运行时速高达２１０ｋｍ，产生巨大的轰动效应㊂近半个多世纪，世界各国都在努力进行铁路技术装备和现代化管理的研究，高速铁路技术取得突破性进展㊂我国于２００４年开始从川崎重工㊁庞巴迪等公司引进并合作生产高速动车组，研究出适合我国的ＣＲＨ１㊁ＣＲＨ２㊁ＣＲＨ３和ＣＲＨ５型系列动车组㊂２００８年，我国第一条高速铁路 京津城际铁路开始运营，２０１０年拥有完全自主知识产权的ＣＲＨ３８０Ａ㊁ＣＲＨ３８０Ｂ型动车开始运行，实现了由仿制向创造㊁从摸索到突破的复兴之路，使我国成为了高铁里程数最长的国家㊂高铁的舒适㊁便捷㊁高效㊁准时等优势已经深入民心，但是，我国对高速重载牵引齿轮箱的研究起步较晚，整体水平与发达国家相比还有较大差距，因此，在动车组齿轮传动技术等方面还需参照国外的相关标准进行设计㊂高速动车组齿轮箱是动车组列车的动力驱动核心部件，也是保证列车正常运行的关键零部件㊂由于列车运行速度快，需面对高温高寒㊁潮湿㊁沙尘多等极端恶劣的运行环境，对齿轮箱的设计提出了更高的要求，特别是在齿轮抗载荷㊁齿间啮合㊁润滑㊁箱体强度㊁密封等方面㊂目前，小空间㊁轻量化㊁高功率密度［１］已经成为齿轮箱的设计趋势㊂１㊀高速动车组齿轮箱结构根据车型的不同，齿轮箱安装方式及传动方式也不相同，具体统计见表１㊂齿轮箱将牵引电机的转矩传递给轮轴，齿轮箱内包括小齿轮轴，它与一个直接安装在车轴上的齿轮箱相啮合，其传动方式分为斜齿轮传动和锥齿轮转动２种㊂齿轮箱的箱体由直接安装在轮轴上的圆锥滚柱轴承支承㊂平衡杆安装在转向架和齿轮箱之间，用于承受作用在齿轮箱上的各种扭矩载荷，包括由牵引和制动引起的负荷㊁转矩振动和牵引电机短路引起的转矩振动［２］㊂表１㊀高速动车组齿轮箱汇总序号实用车型传动方式安装方式模型１ＣＲＨ１ＣＲＨ２ＣＲＨ３８０Ａ斜齿轮传动平衡杆吊装２ＣＲＨ５锥齿轮传动平衡杆横装３ＣＲＨ３ＣＲＨ３８０Ｂ斜齿轮传动Ｃ形托架２ 高速动车组齿轮箱设计研究现状２ １㊀齿轮设计高速重载齿轮传动在高速轧机㊁高速列车及航空发动机等中得到广泛应用，运行中需承受较高的载荷，运行速度高，工况相对复杂㊂因此，对高速重载齿轮传动进行非线性动力学㊁计算机辅助工程㊁制造系统工程等基础理论研究尤为迫切㊂高铁齿轮箱采用一级渐开线齿轮传动方式，在设计齿轮的过程中充分考虑因轮齿时变啮合刚度㊁齿侧间隙和传递误差等非线性因素引起的传动不稳定现象，对高速重载齿轮传动的稳定性展开研究㊂大连理工大学的学者根据齿轮传动中出现的非线性动力学现象，如混沌和分岔现象［３］，结合高速动车牵引齿轮箱的特点，建立斜齿轮－扭－轴非线性动力学模型，采用定性和定量的方法，研究了激励频率㊁啮合阻尼和齿侧间隙对系统产生混沌和分岔的规律和机制㊂西南交通大学的学者采用集中参数法建立基于多种非线性因素的齿轮系统动力学模型［４］，研究了齿轮传动系统在内㊁外部激励作用下的轮齿间啮合力传递及变化规律㊂以上对动力学模型的分析是基于理论研究的，缺乏实验性的验证㊂传动模型的精确建模是进行齿轮啮合研究的基础，通过对齿轮各曲线方程的推导，根据齿轮空间啮合原理，完成动车组齿轮箱斜齿轮对模型的精确装配［５］㊂有学者基于ＶｉｓｕａｌＣ＋＋和ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ，利用ＭＦＣ类型库对列车牵引齿轮进行参数化设计，实现了模型的设计㊁建模㊁装配一体化设计［６］㊂由于高速列车传动齿轮的制造和装配误差的影响，以及齿轮基节误差的作用，导致齿面载荷突变㊁啮入和啮出位置载荷集中等现象，需进行齿面修形研究㊂在齿廓修形研究中，主要针对主动轮齿顶㊁齿根的变形量和长度等参数展开研究［７－８］，可结合啮合理论和实际工况对齿轮修形量进行计算㊂有学者根据齿轮在啮合过程中齿轮副的热弹变形［９－１０］，对斜齿轮采用直修形的方式，研究齿轮修形曲线，并运用ＶＢ及ＡＮＳＹＳ／ＡＰＤＬ语言编制了一套基于热弹变形的齿轮修形软件，实现齿轮修形的可视化操作［１１］㊂在齿向修形研究中，郑州机械研究所团队针对动车组传动齿轮副触底误差及齿面载荷分布不均的问题，通过将小齿轮直线修形㊁鼓形修形和大齿轮的螺旋角修形相结合的方式［１２］，使传递误差减少２６ ４２％，线载荷减小４３ ６４％，使齿面接触区域分布更加合理；ＬＩＵ和ＰＡＲＫＥＲ［１３］考虑齿轮动载荷分布㊁时变啮合刚度和齿廓修形等因素的影响，建立了齿轮非线性分析模型，研究了齿廓修形对多啮合齿轮系统振动响应的影响规律㊂陈思雨等［１４］利用准静态接触下的有限元计算方法得到不同修形量的啮合刚度和静态传递误差，研究不同齿廓修形量和修形长度对齿轮动态行为的影响，并提出根据Ｗ齿轮副的振动幅值及动态因子来确定最佳的修形参数，使齿轮副啮合的接触斑点㊁齿面线载荷分布以及传递误差明显降低，㊃４７１㊃机床与液压第４９卷传动更加平稳㊂２ ２㊀轴承选型齿轮箱轴承为高速轨道列车运行的支撑部件，运行中承受极大的轴向载荷及径向载荷，其性能的稳定性及寿命直接影响动车组运行安全㊂目前，高速轨道列车所需的电机轴承㊁齿轮箱轴承㊁轮轴轴承全部被瑞典ＳＫＦ㊁德国ＦＡＧ㊁日本ＮＴＮ等国外知名厂商垄断［１５］㊂由表１可知，ＣＲＨ１和ＣＲＨ３系列均采用一级斜齿轮传动，如图１所示，输入轴上装有１个四点接触球轴承和２个圆柱滚子轴承［１６］㊂四点接触球轴承承受轴向载荷，与轴承座内圈采用间隙配合；圆柱滚子轴承承受径向载荷，采用过渡配合的方式装入轴承座㊂输出轴采用圆锥滚子轴承面对面布置㊂ＣＲＨ５型高速动车组采用一级锥齿轮传动方式，如图２所示，输入轴上同样安装有１个四点接触球轴承和２个圆柱滚子轴承；输出轴上安装有圆锥滚子轴承和双列圆锥滚子轴承［１７］㊂圆锥滚子轴承可承受较高的轴向力，安装后可通过调整轴向游隙提高轴承的旋转精度和承载能力［１８］㊂图１㊀一级斜齿轮传动图２㊀一级锥齿轮传动２ ３㊀支架设计目前，高速列车采用的齿轮箱安装方式主要有齿轮箱吊杆和Ｃ形支架２种吊挂方式，其结构简图分别如图３㊁图４所示，在悬架连接处都安装有弹簧橡胶模块，该模块既可以较好地承受载荷，也可在弹簧失效时起到一定的承载作用㊂图３㊀吊杆吊装简图㊀㊀㊀图４㊀Ｃ形支架吊装简图ＨＯＬＺＡＰＦＥＬ和ＢＡＳＳＭＡＮＮ［１９］在吊杆支架的基础上研制出Ｃ形支架㊂相比于吊杆吊挂，Ｃ形支架使受力分散到２个位置，更加可靠㊂目前，以ＣＲＨ２㊁ＣＲＨ３８０Ａ为代表的日系动车组均采用了吊杆吊挂式安装，以ＣＲＨ３㊁ＣＲＨ３８０Ｂ为代表的德系动车组则采用了Ｃ形支架安装方式，２种安装方式均属于弹性安装㊂有学者分别计算了不同齿轮箱安装方式对车辆动力学性能的影响，在低速状态下吊杆吊挂方式振动加速度更小，但在３５０ｋｍ／ｈ以上时，Ｃ形支架表现更佳［２０－２３］㊂２ ４㊀箱体研究随着高速动车组向高可靠㊁高速㊁舒适等趋势发展，对齿轮箱提出了更高的要求㊂箱体作为齿轮箱的支撑件，其稳定性㊁安全性直接影响动车行业的发展㊂目前，箱体均采用铝合金铸造成型，箱体结构的高强度㊁轻质化一直是箱体的发展方向㊂（１）箱体ＣＡＥ分析学者们分别从模态分析㊁静力学分析㊁谐响应分析等方面对箱体强度进行研究［２４］，根据箱体存在的应力集中现象，提出箱体改进方案［２０］，采用等损伤准则［２５］㊁Ｓｔｅｉｎｂｅｒｇ积累损伤三区间法［２６］等方法对箱体进行疲劳寿命的评估㊂针对出现故障裂纹的箱体，采用金相检测和实际测试的实验方法进行研究［２７－２８］，指出箱体固有频率与轨道激励在低频存在共振现象，为箱体的改进指明方向㊂（２）箱体优化设计在箱体轻量化方面，学者们以体积最小为目标函数［２９］，采用灵敏度分析法和物理规划法，对箱体进行稳健优化分析；利用ＨｙｐｅｒＭｅｓｈ软件中的拓扑和形状优化功能对箱体进行优化设计［３０］，降低最大变形量和等效应力；以容差和优质率为目标函数［３１］，采用模糊理论与容差多面体法对箱体装配尺寸链进行优化㊂２ ５㊀密封及润滑的研究高速动车组驱动齿轮箱的密封设计技术至关重要，密封性能的优劣直接影响到齿轮箱零部件的使用寿命以及高速动车组运行的安全性和可靠性㊂为了保证齿轮箱的高效工作，其传动轴的轴端通常采用非接触式迷宫密封㊂２ ５ １㊀密封性能研究（１）迷宫密封结构㊂为了增强迷宫密封的性能，学者们提出了不同的方案：①分别设置阶梯密封外环和内环［３２］；②在轴两侧的油路设置２－３道内装有带切口的涨圈的环形槽［３３］；③将内挡油环的外环面处理成超疏油膜层，将外挡油环的外环面处理成超疏水膜层［３４］；④增加径向密封以及轴向密封的长度间隙比［３５］；⑤将密封齿齿形锐化（减小夹角和齿顶长㊃５７１㊃第４期杨树峰等：高速动车组齿轮箱设计研究现状及趋势㊀㊀㊀度）［３６］；⑥将迷宫密封更改为阶梯式迷宫密封，减小密封间隙，增加密封空腔［３７］㊂通过采用不同的结构方案，阻止箱体内润滑油泄漏以及外界水分㊁杂质进入箱体㊂（２）密封数值模拟㊂学者们主要采用了数值模拟和实验研究相结合的方式进行密封数值模拟，裘雪玲［３８］从不同压比㊁密封齿顶间隙㊁进气预旋等方面对泄漏量进行研究；田华军等［３９］从密封齿的节流间隙尺寸㊁齿间回油效果㊁齿尖厚度等方面展开研究；还有学者研究空腔数量和深度［４０－４１］㊁进出口压差㊁转速［４２］对泄漏系数的影响㊂２ ５ ２㊀润滑性能研究国内高速动车齿轮箱齿轮油一般是选用设备说明书上推荐的品牌及型号，但是由于受到运行环境及复杂工况的影响，有时需要根据齿轮载荷㊁摩擦副相对速度㊁工作温度等参数选取［４３］㊂有学者通过在齿轮油中添加ＴｉＯ２［４４］或者钼元素［４５］来提高齿轮油的抗载和耐磨性能㊂齿轮油在不同转速和载荷下表现出的摩擦特性也不同［４６］，刘杰等人［４７］提出了有效润滑油量的概念，并探讨与浸油深度㊁大齿轮转速的关系，当齿轮啮合线速度为３５ｍ／ｓ时，搅油损失急剧增大［４８］，中车的高军团队通过实验方法对齿轮油中的硫添加剂［４９］和换油周期［５０］进行了研究㊂２ ６㊀齿轮箱性能研究动车组齿轮箱传动系统性能一直是研究重点，目前主要采用仿真实验和在线监测的方式来评估齿轮箱性能㊂（１）在仿真实验方面，研究人员将齿轮箱温度㊁振动［５１］㊁噪声［５２］㊁传动效率㊁可靠性为评价指标，采用定性㊁定量的筛选方法，开发了动车组齿轮传动性能综合评价软件［５３］㊂有学者针对运行中存在的负压现象，研制了相关实验设备［５４］，以验证箱体性能㊂（２）在在线监测方面，有学者通过研究齿轮油中铁元素性能的退化数据［５５］，建立了齿轮箱的性能评价方法；学者还研制了基于涡流技术的非接触探伤仪［５６］；张伟伟［５７］设计了基于光纤布拉格（Ｂｒａｇｇ）光栅传感器的动车组齿轮箱的实时振动监测系统；邓晓宇［５８］根据检测数据和非参数的核密度估计方法，建立 齿轮箱振动阈值数据库 与 齿轮系统故障特征频率库 ，确保齿轮箱的安全运行㊂３㊀高速动车组齿轮箱的展望随着我国铁路行业的不断发展，高速动车组运行将呈现 高速㊁重载㊁全天候 的特点［５９］，而机车驱动系统为适应这些特点，向高速㊁大功率方向发展成为必然趋势，所以必然对齿轮箱的结构㊁承载能力㊁润滑系统及抗胶合㊁振动能力提出更高的要求㊂因此，结合我国高速动车组齿轮箱传动系统的发展现状［６０］，应从以下几方面加大研究力度：（１）应对高速动车组齿轮箱齿轮从结构设计㊁参数优化㊁动力学性能分析等方面进行创新性研究，开发出适合我国现状的传动齿轮㊂同时，在日常的维修㊁故障解决中及时总结经验，在设计中加以改进，防患于未然㊂（２）目前国内减速机箱体依旧沿用国外的结构，缺乏工业设计㊁艺术设计角度的创新，应该用人机交互等新的设计方法对箱体外观进行研究㊂（３）关于高速动车组列车齿轮箱在线监测㊁故障诊断技术方面的研究还不够深入，难以建立产品的故障诊断与健康管理系统，核心的振动机制研究和故障特征的提取及其对应的信号分析方法都有待深入研究㊂（４）针对高速动车组齿轮箱在极端㊁恶劣环境中运行的研究不够深入，运行中齿轮箱外围气压为瞬态㊁交替变化，导致齿轮箱内气液流场比较复杂㊂用于齿轮箱运行过程相关仿真及实验的设备比较缺失㊂在齿轮箱轻量化设计制造㊁润滑密封㊁高可靠性等方面应重点攻关㊂４㊀结束语高速动车组齿轮箱的设计是一项系统工程，我国对高速重载牵引齿轮箱的研究起步较晚，整体水平与发达国家相比还有较大差距㊂本文作者从高速动车组齿轮箱的结构出发，在齿轮㊁轴承㊁支架㊁箱体㊁密封润滑等方面综述了国内外的研究现状，最后从齿轮设计制造㊁箱体外观设计㊁在线检测㊁极端场合等方面展望了齿轮箱未来的研究方向㊂参考文献：［１］高小平．高速动车齿轮箱产品开发中的计算仿真应用［Ｊ］．轨道交通装备与技术，２０１５（５）：１－４．ＧＡＯＸＰ．ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｉｎｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｇｅａｒｂｏｘｅｓｆｏｒｈｉｇｈｓｐｅｅｄＥＭＵｓ［Ｊ］．ＲａｉｌＴｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎＥｑｕｉｐｍｅｎｔａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１５（５）：１－４．［２］王伯铭．高速动车组总体及转向架［Ｍ］．２版．成都：西南交通大学出版社，２０１４：２４２－２５３．［３］褚衍顺．高速重载齿轮传动系统稳定性研究［Ｄ］．大连：大连理工大学，２０１２．ＣＨＵＹＳ．Ｓｔｕｄｙｏｎｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｈｉｇｈｓｐｅｅｄ＆ｈｅａｖｙｌｏａｄｇｅａｒｔｒａｉｎ［Ｄ］．Ｄａｌｉａｎ：ＤａｌｉａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１２．［４］全克博．ＣＲＨ２型动车组齿轮系统动力学特性分析［Ｄ］．成都：西南交通大学，２０１５．ＱＵＡＮＫＢ．ＴｈｅｄｙｎａｍｉｃｓａｎａｌｙｓｉｓｏｆＣＲＨ２ｍｕｌｔｉｐｌｅｕｎｉｔｓｇｅａｒｓｙｓｔｅｍ［Ｄ］．Ｃｈｅｎｇｄｕ：ＳｏｕｔｈｗｅｓｔＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２０１５．［５］杨萌．高速列车传动系统齿轮可靠性建模研究［Ｄ］．北㊃６７１㊃机床与液压第４９卷京：北京交通大学，２０１４．ＹＡＮＧＭ．Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｍｏｄｅｌｉｎｇｏｆｔｈｅｔｒａｎｓｍｉｓ⁃ｓｉｏｎｇｅａｒｓｉｎｔｈｅｈｉｇｈｓｐｅｅｄｔｒａｉｎ［Ｄ］．Ｂｅｉｊｉｎｇ：ＢｅｉｊｉｎｇＪｉａｏ⁃ｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２０１４．［６］曹从庆．机车车辆齿轮参数化ＣＡＤ系统研究［Ｄ］．成都：西南交通大学，２０１２．ＣＡＯＣＱ．ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎａｐａｒａｍｅｔｅｒｉｚｅｄＣＡＤｓｙｓｔｅｍｆｏｒｔｈｅｖｅｈｉｃｌｅｇｅａｒ［Ｄ］．Ｃｈｅｎｇｄｕ：ＳｏｕｔｈｗｅｓｔＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２０１２．［７］黄琦．高速列车传动齿轮齿廓修形及箱体优化设计［Ｄ］．大连：大连理工大学，２０１２．ＨＵＡＮＧＱ．Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｇｅａｒｐｒｏｆｉｌｅｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎｆｏｒｇｅａｒｂｏｘｏｆｈｉｇｈ⁃ｓｐｅｅｄｔｒａｉｎｄｒｉｖｅｓｙｓｔｅｍ［Ｄ］．Ｄａｌｉａｎ：ＤａｌｉａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１２．［８］ＨＵＺＨ，ＴＡＮＧＪＹ，ＺＨＯＮＧＪ，ｅｔａｌ．Ｅｆｆｅｃｔｓｏｆｔｏｏｔｈｐｒｏｆｉｌｅｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｎｄｙｎａｍｉｃｒｅｓｐｏｎｓｅｓｏｆａｈｉｇｈｓｐｅｅｄｇｅａｒ⁃ｒｏ⁃ｔｏｒ⁃ｂｅａｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓａｎｄＳｉｇｎａｌＰｒｏ⁃ｃｅｓｓｉｎｇ，２０１６，７６／７７：２９４－３１８．［９］李绍彬．高速重载齿轮传动热弹变形及非线性耦合动力学研究［Ｄ］．重庆：重庆大学，２００４．ＬＩＳＢ．Ｓｔｕｄｙｏｎｃｏｕｐｌｅｄｔｈｅｒｍｏ⁃ｅｌａｓｔｉｃｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄｎｏｎｌｉｎｅａｒｄｙｎａｍｉｃｅｍｕｌａｔｅａｂｏｕｔｈｉｇｈ⁃ｓｐｅｅｄ，ｈｅａｖｙ⁃ｌｏａｄｇｅａｒｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｓｓｙｓｔｅｍ［Ｄ］．Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ：ＣｈｏｎｇｑｉｎｇＵｎｉ⁃ｖｅｒｓｉｔｙ，２００４．［１０］姚阳迪．基于热弹变形的高速重载齿轮修形研究［Ｄ］．重庆：重庆大学，２０１０．ＹＡＯＹＤ．Ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｒｅｓｅａｒｃｈｏｆｈｉｇｈ⁃ｓｐｅｅｄａｎｄｈｅａｖｙ⁃ｌｏａｄｇｅａｒｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｒｍｏ⁃ｅｌａｓｔｉｃｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ［Ｄ］．Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ：ＣｈｏｎｇｑｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２０１０．［１１］杨玉良．斜齿轮系统热弹耦合及修形减振研究［Ｄ］．大连：大连理工大学，２０１６．ＹＡＮＧＹＬ．Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｔｈｅｒｍｏ⁃ｅｌａｓｔｉｃｃｏｕｐｌｉｎｇａｎｄｖｉ⁃ｂｒａｔｉｏｎｄａｍｐｉｎｇｗｉｔｈｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆｈｅｌｉｃａｌｇｅａｒｓｙｓｔｅｍ［Ｄ］．Ｄａｌｉａｎ：ＤａｌｉａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１６．［１２］范乃则，田华军，裴帮，等．基于ＫＩＳＳｓｏｆｔ动车组传动齿轮修形优化设计［Ｊ］．机械传动，２０１７，４１（３）：８３－８７．ＦＡＮＮＺ，ＴＩＡＮＨＪ，ＰＥＩＢ，ｅｔａｌ．Ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎａｎｄｏｐｔｉ⁃ｍｉｚａｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎｏｆｍｏｔｏｒｔｒａｉｎｕｎｉｔｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｇｅａｒｂａｓｅｄｏｎＫＩＳＳｓｏｆｔ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ，２０１７，４１（３）：８３－８７．［１３］ＬＩＵＧ，ＰＡＲＫＥＲＲＧ．Ｄｙｎａｍｉｃｍｏｄｅｌｉｎｇａｎｄａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｏｏｔｈｐｒｏｆｉｌｅｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｆｏｒｍｕｌｔｉｍｅｓｈｇｅａｒｖｉｂｒａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＤｅｓｉｇｎ，２００８，１３０（１２）：１２１４０２．［１４］陈思雨，唐进元，王志伟，等．修形对齿轮系统动力学特性的影响规律［Ｊ］．机械工程学报，２０１４，５０（１３）：５９－６５．ＣＨＥＮＳＹ，ＴＡＮＧＪＹ，ＷＡＮＧＺＷ，ｅｔａｌ．Ｅｆｆｅｃｔｏｆｍｏｄｉ⁃ｆｉｃａｔｉｏｎｏｎｄｙｎａｍｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｇｅａｒｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｓｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１４，５０（１３）：５９－６５．［１５］张亨飏．高速动车轴承试验台的开发与研究［Ｄ］．长春：吉林大学，２０１７．ＺＨＡＮＧＨＹ．Ｄｅｓｉｇｎａｎｄｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｔｈｅｔｅｓｔｒｉｇｏｆｈｉｇｈ⁃ｓｐｅｅｄｒａｉｌｗａｙｒｏｌｌｉｎｇｂｅａｒｉｎｇｓ［Ｄ］．Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ：ＪｉｌｉｎＵｎｉ⁃ｖｅｒｓｉｔｙ，２０１７．［１６］吴成攀，阙红波，王本涛，等．典型动车组齿轮箱轴承的计算［Ｃ］／／铁路车辆轮轴技术交流会论文集．大连，２０１６：１０７－１１２．［１７］李春蕾，吴承攀，赵艳英，等．标准动车组齿轮箱轴承的选型及开发［Ｃ］／／铁路车辆轮轴技术交流会论文集．大连：中国铁道学会，２０１６．［１８］刘志恒，张红军．轴箱轴承轴向自由间隙对机车动力学影响分析［Ｊ］．铁道学报，２００６，２８（２）：４８－５２．ＬＩＵＺＨ，ＺＨＡＮＧＨＪ．Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆａｘｉａｌｆｒｅｅｃｌｅａｒａｎｃｅｓｏｆａｘｌｅｂｏｘｂｅａｒｉｎｇｓｏｎｌｏｃｏｍｏｔｉｖｅｄｙｎａｍｉｃｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆｔｈｅＣｈｉｎａＲａｉｌｗａｙＳｏｃｉｅｔｙ，２００６，２８（２）：４８－５２．［１９］ＨＯＬＺＡＰＦＥＬＭ，ＢＡＳＳＭＡＮＮＴ．Ｄｅｓｉｇｎｉｎｇｈｉｇｈ⁃ｐｅｒｆｏｒｍ⁃ａｎｃｅｄｒｉｖｅｓｆｏｒ３５０ｋｍ／ｈｈｉｇｈ⁃ｓｐｅｅｄｔｒａｉｎｏｐｅｒａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＲａｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，２００５，６（４）：２０１－２０６．［２０］胡伟钢，刘志明，李强，等．高速列车齿轮箱载荷识别方法研究［Ｊ］．铁道学报，２０２０，４２（１２）：５０－５７．ＨＵＷＧ，ＬＩＵＺＭ，ＬＩＱ，ｅｔａｌ．Ｌｏａｄｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｆｏｒｈｉｇｈ⁃ｓｐｅｅｄｔｒａｉｎｇｅａｒｂｏｘ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆｔｈｅＣｈｉｎａＲａｉｌ⁃ｗａｙＳｏｃｉｅｔｙ，２０２０，４２（１２）：５０－５７．［２１］刘杰，刘世军，郭熛，等．基于有限元的高铁齿轮箱箱体载荷计算与结构分析［Ｊ］．机械传动，２０１６，４０（２）：７７－８１．ＬＩＵＪ，ＬＩＵＳＪ，ＧＵＯＢ，ｅｔａｌ．ＳｔｒｕｃｔｕｒａｌａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｌｏａｄｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｏｆＣＲＨ３８０ｈｉｇｈ⁃ｓｐｅｅｄｒａｉｌｇｅａｒｂｏｘｂａｓｅｄｏｎｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ，２０１６，４０（２）：７７－８１．［２２］ＹＡＮＧＪＷ，ＹＡＮＧＭＨ，ＬＩＸ，ｅｔａｌ．Ｓｔｒｅｎｇｔｈａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｏｆｈｉｇｈｓｐｅｅｄｒａｉｌｗａｙｇｅａｒｂｏｘｂｒａｃｋｅｔ［Ｊ］．ＴｈｅＯｐｅｎＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＪｏｕｒｎａｌ，２０１５，９（１）：２６６－２７０．［２３］李众．高速动车组转向架齿轮箱安装方式研究［Ｄ］．成都：西南交通大学，２０１７．ＬＩＺ．Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｏｆｇｅａｒｂｏｘｆｏｒｈｉｇｈ⁃ｓｐｅｅｄｔｒａｉｎｓ［Ｄ］．Ｃｈｅｎｇｄｕ：ＳｏｕｔｈｗｅｓｔＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２０１７．［２４］王富民，李捷，杨建伟，等．地铁齿轮箱箱体模态及谐响应分析［Ｊ］．机械传动，２０１５，３９（９）：１４６－１５０．ＷＡＮＧＦＭ，ＬＩＪ，ＹＡＮＧＪＷ，ｅｔａｌ．Ｍｏｄａｌａｎｄｈａｒｍｏｎｉｃｒｅｓｐｏｎｓｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｓｕｂｗａｙｇｅａｒｂｏｘｈｏｕｓｉｎｇ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ，２０１５，３９（９）：１４６－１５０．［２５］袁文东．标准动车组齿轮箱箱体强度分析与寿命预测［Ｄ］．北京：北京交通大学，２０１６．ＹＵＡＮＷＤ．Ａｎａｌｙｓｉｓｏｎｔｈｅｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄｆａｔｉｇｕｅ⁃ｌｉｆｅｐｒｅ⁃ｄｉｃｔｉｏｎｏｆｓｔａｎｄａｒｄｈｉｇｈ⁃ｓｐｅｅｄＥＭＵｇｅａｒｂｏｘｈｏｕｓｉｎｇ［Ｄ］．Ｂｅｉｊｉｎｇ：ＢｅｉｊｉｎｇＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２０１６．㊃７７１㊃第４期杨树峰等：高速动车组齿轮箱设计研究现状及趋势㊀㊀㊀［２６］潘红明．基于三区间法的高速动车组齿轮箱体疲劳寿命研究［Ｄ］．成都：西南交通大学，２０１６．ＰＡＮＨＭ．Ｓｔｕｄｙｏｎｇｅａｒｂｏｘｆａｔｉｇｕｅｌｉｆｅａｎａｌｙｓｉｓｂｙｓｔｅｉｎ⁃ｂｅｒｇｍｅｔｈｏｄ［Ｄ］．Ｃｈｅｎｇｄｕ：ＳｏｕｔｈｗｅｓｔＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２０１６．［２７］ＨＵＷＧ，ＬＩＵＺＭ，ＬＩＵＤＫ，ｅｔａｌ．Ｆａｔｉｇｕｅｆａｉｌｕｒｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｈｉｇｈｓｐｅｅｄｔｒａｉｎｇｅａｒｂｏｘｈｏｕｓｉｎｇｓ［Ｊ］．ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＦａｉｌ⁃ｕｒｅＡｎａｌｙｓｉｓ，２０１７，７３：５７－７１．［２８］ＬＩＧＱ．Ｆａｔｉｇｕｅｃｒａｃｋｍｅｃｈａｎｉｓｍｓｔｕｄｙｏｎｈｉｇｈ⁃ｓｐｅｅｄＥＭＵｇｅａｒｂｏｘ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１７，５３（２）：９９－１０５．［２９］李永华，臧庆，张军．高速动车组齿轮箱稳健优化设计［Ｊ］．大连交通大学学报，２０１５，３６（６）：２９－３３．ＬＩＹＨ，ＺＡＮＧＱ，ＺＨＡＮＧＪ．Ｒｏｂｕｓｔｄｅｓｉｇｎｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｇｅａｒｂｏｘｏｎｈｉｇｈ⁃ｓｐｅｅｄＥＭＵ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＤａｌｉａｎＪｉａｏ⁃ｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２０１５，３６（６）：２９－３３．［３０］魏静，李震，孙伟，等．基于ＳＩＭＰ及应变能理论的高速动车齿轮箱结构优化［Ｊ］．机械强度，２０１１，３３（４）：５５８－５６４．ＷＥＩＪ，ＬＩＺ，ＳＵＮＷ，ｅｔａｌ．Ｓｈａｐｅａｎｄｔｏｐｏｌｏｇｙｏｐｔｉｍｉｚａ⁃ｔｉｏｎｆｏｒｇｅａｒｂｏｘｏｆｈｉｇｈ⁃ｓｐｅｅｄｔｒａｉｎｂａｓｅｄｏｎＳＩＭＰｍｏｄｅｌａｎｄｓｔｒａｉｎｅｎｅｒｇｙｔｈｅｏｒｙ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｔｒｅｎｇｔｈ，２０１１，３３（４）：５５８－５６４．［３１］臧庆．高速动车组齿轮箱稳健优化设计研究［Ｄ］．大连：大连交通大学，２０１５．ＺＡＮＧＱ．Ｒｏｂｕｓｔｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎｏｆｇｅａｒｂｏｘｏｎｈｉｇｈ⁃ｓｐｅｅｄＥＭＵ［Ｄ］．Ｄａｌｉａｎ：ＤａｌｉａｎＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２０１５．［３２］重庆江增船舶重工有限公司．一种齿轮箱密封装置：ＣＮ２０１１２０５２５９６８．１［Ｐ］．２０１２－０９－０５．［３３］哈尔滨东安发动机（集团）有限公司．风电齿轮箱的密封结构：ＣＮ２０１１２０５３３０４３．２［Ｐ］．２０１２－０８－０１．［３４］郑州机械研究所．高速列车齿轮箱轴密封结构：ＣＮ２０１６１０６００３９８１．８［Ｐ］．２０１６－１２．［３５］李枫，金思勤，吴成攀．高速动车组齿轮箱迷宫密封系统设计与试验验证［Ｊ］．机车车辆工艺，２０１３（２）：１－３．ＬＩＦ，ＪＩＮＳＱ，ＷＵＣＰ．Ｄｅｓｉｇｎａｎｄｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｌａｂ⁃ｙｒｉｎｔｈｓｅａｌｉｎｇｓｙｓｔｅｍｆｏｒｔｈｅｇｅａｒｂｏｘｏｆｈｉｇｈｓｐｅｅｄＥＭＵ［Ｊ］．Ｌｏｃｏｍｏｔｉｖｅ＆ＲｏｌｌｉｎｇＳｔｏｃｋＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１３（２）：１－３．［３６］张雨，张开林，姚远．高速动车组齿轮箱径向迷宫密封的数值研究［Ｊ］．润滑与密封，２０１６，４１（１２）：１６－２０．ＺＨＡＮＧＹ，ＺＨＡＮＧＫＬ，ＹＡＯＹ．Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｔｕｄｙｏｆｒａ⁃ｄｉａｌｌａｂｙｒｉｎｔｈｓｅａｌｆｏｒｈｉｇｈ⁃ｓｐｅｅｄｔｒａｉｎｕｎｉｔｇｅａｒｂｏｘ［Ｊ］．ＬｕｂｒｉｃａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１６，４１（１２）：１６－２０．［３７］张晶．地铁齿轮箱结构改进研究［Ｄ］．上海：上海交通大学，２０１４．ＺＨＡＮＧＪ．Ｓｔｕｄｙｏｎｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｏｆｍｅｔｒｏｇｅａｒｂｏｘｓｔｒｕｃ⁃ｔｕｒｅ［Ｄ］．Ｓｈａｎｇｈａｉ：ＳｈａｎｇｈａｉＪｉａｏＴｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２０１４．［３８］裘雪玲．迷宫密封流场与转子动力学耦合研究［Ｄ］．杭州：浙江大学，２００７．［３９］田华军，范乃则，裴帮，等．基于Ｆｌｕｅｎｔ的高速动车组齿轮箱迷宫密封数值模拟［Ｊ］．机械传动，２０１７，４１（４）：６２－６６．ＴＩＡＮＨＪ，ＦＡＮＮＺ，ＰＥＩＢ，ｅｔａｌ．ＮｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｌａｂｙｒｉｎｔｈｓｅａｌｏｆｈｉｇｈｓｐｅｅｄＥＭＵｇｅａｒｂｏｘｂａｓｅｄｏｎｆｌｕｅｎｔ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ，２０１７，４１（４）：６２－６６．［４０］ＺＨＡＯＷ，ＮＩＥＬＳＥＮＴＫ，ＢＩＬＬＤＡＬＪＴ．Ｅｆｆｅｃｔｓｏｆｃａｖｉｔｙｏｎｌｅａｋａｇｅｌｏｓｓｉｎｓｔｒａｉｇｈｔ⁃ｔｈｒｏｕｇｈｌａｂｙｒｉｎｔｈｓｅａｌｓ［Ｃ］／／ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆＥａｒｔｈａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＳｃｉｅｎｃｅ，２５ｔｈＩＡＨＲＳｙｍｐｏｓｉｕｍｏｎＨｙｄｒａｕｌｉｃＭａｃｈｉｎｅｒｙａｎｄＳｙｓｔｅｍｓ．Ｔｉｍｉşｏａｒａ，２０１０．［４１］吴特，米彩盈．高速齿轮箱润滑系统密封结构的数值研究［Ｊ］．铁道学报，２０１４，３６（４）：２６－３１．ＷＵＴ，ＭＩＣＹ．Ｎｕｍｅｒｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓｏｎｓｅａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｈｉｇｈ⁃ｓｐｅｅｄｇｅａｒｂｏｘｌｕｂｒｉｃａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆｔｈｅＣｈｉｎａＲａｉｌｗａｙＳｏｃｉｅｔｙ，２０１４，３６（４）：２６－３１．［４２］王琰，王丽娜，张开林．高速齿轮箱迷宫密封流场和泄漏特性的数值研究［Ｊ］．内燃机车，２０１２（３）：６－９．ＷＡＮＧＹ，ＷＡＮＧＬＮ，ＺＨＡＮＧＫＬ．Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｔｕｄｙｏｆｆｌｏｗｆｉｅｌｄａｎｄｌｅａｋａｇｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｌａｂｙｒｉｎｔｈｓｅａｌｆｏｒｈｉｇｈｓｐｅｅｄｇｅａｒｂｏｘ［Ｊ］．ＤｉｅｓｅｌＬｏｃｏｍｏｔｉｖｅｓ，２０１２（３）：６－９．［４３］马骁驰，张朝前，张松鹏，等．高速列车齿轮箱润滑油黏度指数的计算方法研究［Ｊ］．润滑与密封，２０１５，４０（４）：２６－２９．ＭＡＸＣ，ＺＨＡＮＧＣＱ，ＺＨＡＮＧＳＰ，ｅｔａｌ．Ｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓｏｆｈｉｇｈ⁃ｓｐｅｅｄｔｒａｉｎｇｅａｒｂｏｘｌｕｂｒｉｃａｎｔｖｉｓｃｏｓｉｔｙｉｎ⁃ｄｅｘ［Ｊ］．ＬｕｂｒｉｃａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１５，４０（４）：２６－２９．［４４］赵巍，粟斌，周新聪，等．ＧＬ－５重负荷车辆齿轮油换油周期研究［Ｃ］／／第八届全国摩擦学大会论文集．广州：中国机械工程学会，２００７．［４５］陈琳，李枫，水琳，等．高速列车齿轮油性能要求与验证方法初探［Ｊ］．合成润滑材料，２０１４，４１（３）：９－１２．ＣＨＥＮＬ，ＬＩＦ，ＳＨＵＩＬ，ｅｔａｌ．Ｐｒｉｍａｒｙｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎｓｏｆｐｅｒ⁃ｆｏｒｍａｎｃｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓａｎｄｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓｏｆｇｅａｒｏｉｌｓｆｏｒｈｉｇｈｓｐｅｅｄｔｒａｉｎ［Ｊ］．ＳｙｎｔｈｅｔｉｃＬｕｂｒｉｃａｎｔｓ，２０１４，４１（３）：９－１２．［４６］盛晨兴，曾卓，冯伟，等．高铁齿轮油摩擦学特性的试验探究［Ｊ］．润滑与密封，２０１６，４１（５）：８６－９０．ＳＨＥＮＧＣＸ，ＺＥＮＧＺ，ＦＥＮＧＷ，ｅｔａｌ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｅｘ⁃ｐｌｏｒｅｏｎｔｒｉｂｏｌｏｇｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｈｉｇｈ⁃ｓｐｅｅｄｒａｉｌｇｅａｒｏｉｌｓ［Ｊ］．ＬｕｂｒｉｃａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１６，４１（５）：８６－９０．［４７］刘杰，刘世军，徐文博，等．高速列车齿轮箱润滑性能优化与热平衡温度分析［Ｊ］．机械传动，２０１７，４１（４）：８９－９４．ＬＩＵＪ，ＬＩＵＳＪ，ＸＵＷＢ，ｅｔａｌ．Ｌｕｂｒｉｃａｎｔｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｐｔｉ⁃ｍｉｚａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｒｍａｌｂａｌａｎｃｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｈｉｇｈ⁃ｓｐｅｅｄｔｒａｉｎｇｅａｒｂｏｘ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＴｒａｎｓｍｉｓ⁃ｓｉｏｎ，２０１７，４１（４）：８９－９４．㊃８７１㊃机床与液压第４９卷［４８］陈晓玲，刘松丽，黄智勇，等．高速列车传动齿轮箱浸油深度对平衡温度的影响［Ｊ］．铁道学报，２００８，３０（１）：８９－９２．ＣＨＥＮＸＬ，ＬＩＵＳＬ，ＨＵＡＮＧＺＹ，ｅｔａｌ．Ｓｔｕｄｙｏｎｔｈｅｉｎ⁃ｆｌｕｅｎｃｅｏｆｉｍｍｅｒｓｉｏｎｄｅｐｔｈｏｎｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆｓｐｕｒｇｅａｒｕｓｅｄｉｎｈｉｇｈｓｐｅｅｄｔｒａｉｎ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆｔｈｅＣｈｉ⁃ｎａＲａｉｌｗａｙＳｏｃｉｅｔｙ，２００８，３０（１）：８９－９２．［４９］高军，李来顺，冯伟，等．动车组齿轮箱油中含硫添加剂损失的试验研究［Ｊ］．润滑与密封，２０１６，４１（１２）：１２９－１３３．ＧＡＯＪ，ＬＩＬＳ，ＦＥＮＧＷ，ｅｔａｌ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｔｕｄｙｏｎｓｕｌ⁃ｆｕｒａｄｄｉｔｉｖｅｌｏｓｓｏｆｔｒａｉｎ⁃ｓｅｔｇｅａｒｂｏｘｌｕｂｒｉｃａｎｔｓ［Ｊ］．Ｌｕｂｒｉ⁃ｃａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１６，４１（１２）：１２９－１３３．［５０］高军，李来顺，赵海板，等．高速动车组齿轮油换油周期研究［Ｊ］．润滑与密封，２０１５，４０（２）：８９－９２．ＧＡＯＪ，ＬＩＬＳ，ＺＨＡＯＨＢ，ｅｔａｌ．Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｄｒａｉｎｉｎｔｅｒ⁃ｖａｌｏｆｇｅａｒｂｏｘｏｉｌｓｏｆｈｉｇｈ⁃ｓｐｅｅｄｅｌｅｃｔｒｉｃｍｕｌｔｉｐｌｅｕｎｉｔ［Ｊ］．ＬｕｂｒｉｃａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１５，４０（２）：８９－９２．［５１］ＬＩＮＴＪ，ＨＥＺＹ，ＧＥＮＧＦＹ，ｅｔａｌ．Ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎａｎｄｅｘｐｅｒｉ⁃ｍｅｎｔａｌｓｔｕｄｙｏｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｒａｄｉａｔｉｏｎｎｏｉｓｅｏｆｓｕｂｗａｙｇｅａｒｂｏｘ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＶｉｂｒｏｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１３，１５（４）：１８３８－１８５０．［５２］ＨＵＡＮＧＧＨ．Ｄｙｎａｍｉｃｒｅｓｐｏｎｓｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｇｅａｒｂｏｘｈｏｕｓ⁃ｉｎｇｓｙｓｔｅｍｓｕｂｊｅｃｔｅｄｔｏｉｎｔｅｒｎａｌａｎｄｅｘｔｅｒｎａｌｅｘｃｉｔａｔｉｏｎｉｎｈｉｇｈ⁃ｓｐｅｅｄｔｒａｉｎ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１５，５１（１２）：９５．［５３］吴冬．高铁齿轮传动系统性能检测评价研究［Ｄ］．大连：大连理工大学，２０１２．ＷＵＤ．Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｔｈｅｅｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆｔｅｓｔｉｎｇｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｆｏｒｔｈｅｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｇｅａｒｂｏｘｉｎｈｉｇｈ⁃ｓｐｅｅｄｔｒａｉｎ［Ｄ］．Ｄａｌｉａｎ：ＤａｌｉａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１２．［５４］马玉强，林新海，李枫．高速动车组齿轮箱的负压试验研究［Ｊ］．机车车辆工艺，２０１６（６）：１－３．ＭＡＹＱ，ＬＩＮＸＨ，ＬＩＦ．ＲｅｓｅａｒｃｈｏｆｔｈｅｎｅｇａｔｉｖｅｐｒｅｓｓｕｒｅｔｅｓｔｏｆｔｈｅｇｅａｒｂｏｘｆｏｒｈｉｇｈｓｐｅｅｄＥＭＵ［Ｊ］．Ｌｏｃｏｍｏｔｉｖｅ＆ＲｏｌｌｉｎｇＳｔｏｃｋＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１６（６）：１－３．［５５］王泰．基于性能退化分析的高速动车组齿轮箱可靠性研究［Ｄ］．成都：西南交通大学，２０１７．ＷＡＮＧＴ．ＴｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｏｆＥＭＵｇｅａｒｂｏｘｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｂａｓｅｄｏｎｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓ［Ｄ］．Ｃｈｅｎｇｄｕ：ＳｏｕｔｈｗｅｓｔＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２０１７．［５６］田勐．ＣＲＨ３８０动车组福伊特齿轮箱深层涡流检测技术开发［Ｃ］／／中国中车２０１６第二届轨道交通先进金属加工及检测技术交流会．长春：中国中车科技管理部，中车工业研究院有限公司，２０１６．［５７］张伟伟．基于光纤布拉格光栅传感器的动车组齿轮箱振动监测系统设计与研究［Ｄ］．开封：河南大学，２０１４．ＺＨＡＮＧＷＷ．Ｔｈｅｄｅｓｉｇｎａｎｄｒｅｓｅａｒｃｈｏｆｔｈｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍｆｏｒｔｈｅｇｅａｒｂｏｘｏｆｈｉｇｈ⁃ｓｐｅｅｄｒａｉｌｂａｓｅｄｏｎｆｉｂｅｒＢｒａｇｇｇｒａｔｉｎｇｓｅｎｓｏｒ［Ｄ］．Ｋａｉｆｅｎｇ：ＨｅｎａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２０１４．［５８］邓晓宇．高速列车齿轮传动系统动态特性仿真与评价方法研究［Ｄ］．成都：西南交通大学，２０１６．ＤＥＮＧＸＹ．Ｓｔｕｄｙｏｎｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｅｖａｌｕａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｏｆｄｙｎａｍｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｇｅａｒｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｓｙｓｔｅｍｏｆｈｉｇｈｓｐｅｅｄｔｒａｉｎ［Ｄ］．Ｃｈｅｎｇｄｕ：ＳｏｕｔｈｗｅｓｔＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２０１６．［５９］邢志伟，孙银生，邓晓丽，等．电动机车牵引齿轮设计概述［Ｊ］．机械传动，２０１１，３５（１１）：４１－４４．ＸＩＮＧＺＷ，ＳＵＮＹＳ，ＤＥＮＧＸＬ，ｅｔａｌ．Ｓｕｒｖｅｙｏｎｔｒａｃｔｉｏｎｇｅａｒｄｅｓｉｇｎｏｆｅｌｅｃｔｒｉｃｌｏｃｏｍｏｔｉｖｅ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭｅｃｈａｎｉ⁃ｃａｌＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ，２０１１，３５（１１）：４１－４４．［６０］刘忠明．中国战略性新兴产业研究与发展－齿轮［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２０１３．（责任编辑：张楠）（上接第１７２页）［５］ＧＩＥＳＥＮＵ，ＭＵＬＬＥＲＳ．ＴｈｅｖｅｈｉｃｌｅｏｆＨ⁃ｂａｈｎｓｙｓｔｅｍｓｉｎＤｏｒｔｍｕｎｄｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ［Ｊ］．ＶｅｒｋｅｈｒｕｎｄＴｈｃｈｎｉｋ，１９８３，３６（１０）：３７１－３８２．［６］许桂红．地铁制动系统的研究与仿真［Ｄ］．成都：西南交通大学，２０１４．ＸＵＧＨ．Ｒｅｓｅａｒｃｈａｎｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｍｅｔｒｏｂｒａｋｉｎｇｓｙｓｔｅｍ［Ｄ］．Ｃｈｅｎｇｄｕ：ＳｏｕｔｈｗｅｓｔＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２０１４．［７］张龙飞．低地板有轨电车制动系统性能研究［Ｄ］．成都：西南交通大学，２０１８．ＺＨＡＮＧＬＦ．Ｓｔｕｄｙｏｎｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｂｒａｋｅｓｙｓｔｅｍｆｏｒｌｏｗｆｌｏｏｒｔｒａｍ［Ｄ］．Ｃｈｅｎｇｄｕ：ＳｏｕｔｈｗｅｓｔＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２０１８．［８］周纪武，纪铅磊，刘勇刚．浅谈城市轨道车辆制动冲击率的计算［Ｊ］．铁道车辆，２０１７，５５（４）：３０－３１．ＺＨＯＵＪＷ，ＪＩＱＬ，ＬＩＵＹＧ．Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｏｆｂｒａｋｅｉｍｐａｃｔｒａｔｉｏｏｆｕｒｂａｎｒａｉｌｖｅｈｉｃｌｅｓ［Ｊ］．ＲｏｌｌｉｎｇＳｔｏｃｋ，２０１７，５５（４）：３０－３１．（责任编辑：张楠）㊃９７１㊃第４期杨树峰等：高速动车组齿轮箱设计研究现状及趋势㊀㊀㊀。
永磁同步电机旋转变压器解码算法优化设计
永磁同步电机旋转变压器解码算法优化设计马利娇，贾欣&,陈少华（北京信息科技大学仪器科学与光电工程学院，北京100192）摘要：针对旋转变压器解码电路误差对永磁同步电机（PMSM ）转子位置检测精度的影响，深入分析了解码电路工作 ，基 度/速度观测器， 了 高精度快响应的旋转变压器信 方法。
电路采用低电压运放MCA33202对旋变输出正弦和余弦信号进行解码，基于解码后的估算角度构建了单位反馈闭环系 ，优化了解码电路关键器，提高了 PMSM 转子位置检测精度。
通1台2.5 kW 高速PMSM 了该的有效 。
关键词：永磁同步电机；旋转变压器；观测器；解码电路；位置检测精度中图分类号：TM 341文献标志码：A文章编号：1673-6540（2021）02-0031-05doi ： 1052177/emca.2020.187Optimal Design of Resolver Decoding Algorithm for Permanent MagnetSynchronous Motor *收稿日期：2020-11-02；收到修改稿日期：2020-12-E4*基金项目：国家自然科学基金项目（62003047）；北京市委组织部骨干人才项目（2018000020124+103） 作者简介：马利娇（1995-），女,硕士研究生,研究方向为永磁电机控制’陈少华（1985-），男，博士,副教授，研究方向为高速电机控制、高效电力变换’（通信作者）MA Lijiao ， JIA Xinyu ， CHEN Shaohua(School of Instrument Scienca and Opto-Electronica Engineering ，Beijing InformationScienca & Technology University ，Beijing 100192，China)Abstrach : The erroo of resolves decoding circuit has effect on the rotoo position detection accuracy of permanent magnet synchronous motoe ( PMSM). In ordee to reducc tie inOuencc ，the principle of decoding circuit ir analyzed.A decoding circuit with the advantaaes of high precision and fast response is proposed. The low voVage operationaVamplifier MCA33202 is used t 。
部分分段Halbach永磁同步电机优化设计
2021年2月电工技术学报Vol.36 No. 4 第36卷第4期TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Feb. 2021DOI: 10.19595/ki.1000-6753.tces.191554部分分段Halbach永磁同步电机优化设计高锋阳1齐晓东1李晓峰1袁成1庄圣贤2（1. 兰州交通大学自动化与电气工程学院兰州 7300702. 西南交通大学电气工程学院成都 610031）摘要针对高功率密度的永磁同步电机齿槽转矩及永磁体涡流损耗大的问题，设计一种部分分段Halbach结构的表贴式永磁同步电机，永磁体采用Halbach充磁方式，每极分为三段，主磁极采用单侧部分分段，边界磁极与主磁极不等厚且不等宽。
采用精确子域模型法，将求解域划分为永磁体、气隙、槽身和槽口四个区域，在二维极坐标下计算电机空载气隙磁通密度及齿槽转矩。
建立10极12槽三维电机模型进行电磁仿真分析。
结果表明，部分分段Halbach结构降低了永磁体涡流损耗、齿槽转矩及永磁体体积。
同时，在有限元应力场中建立三维永磁同步电机求解模型，求得等效应力和总变形，确保部分分段结构永磁体的机械强度维持在允许范围内。
关键词：永磁同步电机精确子域模型法部分分段Halbach结构等效应力中图分类号：TM351Optimization Design of Partially-Segmented Halbach PermanentMagnet Synchronous MotorGao Fengyang1 Qi Xiaodong1 Li Xiaofeng1 Yuan Cheng1 Zhuang Shengxian2（1. School of Automation and Electrical Engineering Lanzhou Jiaotong UniversityLanzhou 730070 China2. School of Electrical Engineering Southwest Jiaotong University Chengdu 610031 China）Abstract In order to suppress the cogging torque and reduce the eddy current loss in high power-density permanent magnet synchronous motor, a surface-mounted partially-segmented Halbach structure is designed. The permanent magnets is magnetized with Halbach pattern and each pole is divided into three sections. The main magnetic pole is segmented on single side. The boundary magnetic pole and the main magnetic pole are not equal in thickness and width. A precise subdomain model method is used to divide the solution domain into four regions: permanent magnet, air gap, slot and slot-opening. The magnetic field density of no-load airgap and the cogging torque are calculated under two-dimensional polar coordinates. The 3-D electromagnetic field analysis is carried out with a 10-pole/12-slot permanent magnetic synchronous motor. The simulation results show that the eddy current loss, the cogging torque and the volume of permanent magnet are reduced by partially segmented Halbach structure. Moreover, the equivalent stress and total deformation are calculated based on a 3-D finite element stress model of permanent magnetic synchronous motor, which are also in the tolerant range of mechanical strength.Keywords：Permanent magnet synchronous motor, the precise subdomain model method, partially-segmented Halbach structure, the equivalent stress国家重点研发计划（2018YFB1201602-06）资助。
重载磁悬浮轴承电控系统的研究
重载磁悬浮轴承电控系统的研究程炜超;谢振宇;张云聪;郝建胜【摘要】针对大型高速旋转机械中磁悬浮轴承电磁力小和响应(电流响应和电磁力响应)速度较慢等问题,采用了IGBT器件作为功率器件,研究了变换器的拓扑结构及其控制方法,设计制作了高电压大电流功率放大器和电压可调高频开关功率电源.将设计制作的功率放大器和开关功率电源,与实验室已有的传感器和数字控制器相结合,搭建了重载磁悬浮轴承电控系统,并将其应用于磁悬浮飞轮转子试验台进行了试验.试验及研究结果表明:重载磁悬浮轴承电控系统的最大输出电流为120 A,最大输出电压为450 V,大大提高了磁悬浮轴承的电磁力和响应速度,并且其能够保证飞轮转子在工作转速范围内稳定运行.【期刊名称】《机电工程》【年(卷),期】2019(036)006【总页数】6页(P562-567)【关键词】功率放大器;IGBT;开关电源;高频变压器;FPGA【作者】程炜超;谢振宇;张云聪;郝建胜【作者单位】南京航空航天大学机电学院,江苏南京210016;南京航空航天大学机电学院,江苏南京210016;南京航空航天大学机电学院,江苏南京210016;南京航空航天大学机电学院,江苏南京210016【正文语种】中文【中图分类】TH133.3;TH39;TM1330 引言当前，旋转机械正向高速、重载和细长方向发展。
磁悬浮轴承具有无接触、高转速和主动控制等优点，因而得到了广泛应用[1]。
一般磁悬浮轴承电控系统包括传感器、控制器、功率放大器和线性功率电源等。
单自由度磁悬浮轴承转子系统的工作原理是：首先，传感器检测转子的位移，并将位移信号转化为电压信号；其次，控制器接受上述电压信号，与预定位置的参考值做比较得出偏差，并按照相应的控制策略对偏差进行处理，得到控制信号的输出；最后，功率放大器接受控制信号，并根据该信号调整磁悬浮轴承线圈上的电流大小，以改变电磁铁A和B的吸力，从而改变转子偏离平衡位置的趋势，保证其稳定悬浮[2]。
新能源汽车用永磁同步电机转子拓扑结构优化设计
新能源汽车用永磁同步电机转子拓扑结构优化设计2.浙江中车尚驰电气有限公司，浙江海宁314400；3.湖南省新能源汽车工程技术研究中心，湖南株洲412001[摘要]随着能源危机和环境污染问题日趋严重，新能源电动汽车逐步成为研究热点。
驱动电机作为动力核心部件，其性能的好坏直接决定了整车的性能。
受产品转子冲片性能影响，原双V型转子结构方案的车用永磁同步电机存在转矩脉动大、制造成本高等问题，本文了设计一款U+1型转子拓扑结构。
对比两种转子拓扑结构下电机的电磁性能，结果表明在满足技术参数和设计要求的前提下，优化方案可对电机电磁性能进行提升和有效的降本。
[关键词]新能源电动汽车；驱动电机；转子拓扑；优化设计Optimization Design of Rotor Topology of Permanent Magnet Synchronous for New Energy VehiclesWang ding1,2,3(1.CRRC ZhuZhou Motor Co.,LTD,ZhuZhou 412000,China;2.Zhejiang CRRC Shangchi Electric Co.,LTD,Zhejiang 314400,China;3.Hunan Provincial Engnieering Research Ceter for Electric Vehicle Motors, Zhuzhou 412001,China)Abstract:With the increasingly serious problems of new energy crisis and environmental pollution, new energy electric vehicles have gradually become a research hotspot. As the power core component, the performance of the driving motor directly determines the performance of the whole vehicle. Due to the influence of the rotor sheet,the original double V rotor structure scheme for vehicle permanent magnet synchronous motor has problems of large torque ripple and high manufacture cost. In this paper, a U+1 rotor topology structure is designed, and the electromagnetic performance of the two kinds of rotortopology is compared .The results show that under the premise of meeting thetechnical parameters and design requirements, The optimization scheme can improve the electromagnetic performance of the motor and effectively reduce the cost.Key words:New energy electric vehicles;Driving motor;Rotor topology;Optimal design0前言永磁同步电机因其具有结构简单，高功率密度、高转矩、宽调速范围等优点，广泛应用于国防、航天与工业领域，近些年随着新能源行业的迅猛发展，内置式永磁同步电机在新能源汽车中被越来越多采用且对其性能的要求也逐步提高[1-2]。
磁浮列车悬浮斩波器优化和状态监测研究
磁浮列车悬浮斩波器优化和状态监测研究电磁悬浮型 (Electro-Magnetic Suspension，EMS型)磁浮列车利用电磁吸力使列车以给定高度悬浮于轨道上，而其行进方向采用直线电机进行牵引。
因此，磁浮列车具有噪音低、振动小、转弯半径小以及爬坡能力强等优点。
随着磁浮技术的普及，对悬浮系统提出了模块化，小型化和轻量化的要求。
而由SiC(Silicon Carbide，碳化硅)材料制造的电力电子功率器件具有功率损耗小，耐高温和开关频率高的优势。
所以将SiC MOSFET应用于悬浮斩波器的设计，能够有效提高系统效率，降低系统散热需求，缩小散热器体积，提升功率密度，也提高了斩波器的使用寿命。
悬浮斩波器在控制箱中没有冗余设计，一旦发生故障，就会使相应的悬浮点失去悬浮力。
而由Shaoyong Yang等学者做的一份功率变流装置可靠性的调查显示，功率器件和电容引起最多的故障。
一、磁浮列车悬浮斩波器功率器件应用发展悬浮斩波器主电路的核心是功率器件组成的开关阵列，悬浮斩波器的性能随着这些电力电子器件的发展而不断提升。
世界上第一个悬浮实验是通过电子管来完成的悬浮控制，过大的体积和重量使其不可能应用到磁浮列车上。
六十年代时出现了晶体管，它的功耗和体积较电子管有了很大的减小，为实现磁浮列车的悬浮控制提供了可能性。
这一时期的悬浮斩波器几乎都采用晶体管线性变换器，但晶体管线性变换器的效率会随着输出功率的增加而明显下降，无法为列车安全运行提供可靠的保障。
到了七十年代，全控型开关器件的出现使得PWM式DC-DC变换器成为了主流，德国和日本将采用GTR电力晶体管作为功率开关的PWM式悬浮斩波器应用到了磁浮列车上。
八十年代后，IGBT的出现使PWM的硬开关频率提高到了20kHz以上，使得悬浮斩波器的重量明显减小，约是其可悬浮重量的1%。
国防科技大学、西南交通大学和同济大学在国内率先开始磁浮技术的研究。
其中国防科技大学在上世纪八十年代开始磁浮技术方面的研究。
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第14卷 第4期2006年8月
光学精密工程
OpticsandPrecisionEngineering
Vol.14 No.4
Aug.2006
收稿日期:2005-10-14;修订日期:2006-05-16. 基金项目:国家863项目(No.863-2-2-4-9B)
文章编号 1004-924X(2006)04-0662-05磁悬浮控制力矩陀螺高速转子的优化设计
韩邦成1,虎 刚2,房建成1,
(1.北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院,北京100083;2.北京控制工程研究所,北京100080)
摘要:介绍了一种磁悬浮控制力矩陀螺(CMG)的结构,其中陀螺转子的额定角动量为200N ms。利用多学科设计优化软件iSIGHT及有限元分析软件ANSYS,以质量为优化目标,以静力学、动力学和其他要求同时作为约束条件,对永磁偏置混合磁轴承支承的5自由度高速盘形转子(额定转速为20000rpm)进行了优化设计。通过优化设计,其静强度安全系数由原来的2.39提高到2.63,提高了10%;转子质量由15.032kg减小为13.972kg,减少了7.1%。为满足控制系统对共振频率的要求,转子的弹性一阶共振频率为1313Hz(动力学)。关 键 词:控制力矩陀螺;陀螺转子;混合磁轴承;优化设计;有限元法中图分类号:V241.5 文献标识码:A
OptimizationdesignofmagneticsuspendedgyroscoperotorHANBang-cheng1,HUGang2,FANGJian-cheng1(1.BeijingUniversityofAeronautics&Astronautics,Beijing100083,China;2.BeijingInstituteofControlEngineering,Beijing100080,China)
Abstract:ThestructureofaControlMomentumGyroscope(CMG)wasintroducecl,inwhichgyro-scoperotorwiththeratingrotationspeedof20,000r/minandratingangularmomentumof200N msissupportedbypermanentbiasactivemagneticbearing.Thesoftwareofmultidisciplinarydesignoptimization(iSIGHT)andthesoftwareofFiniteElementAnalysisSoftware(ANSYS)wereappliedtooptimizetherotortoreducethemassofrotor.Theresultsofoptimizationindicatethatthemassoftherotorisdecreasedfrom15.032kgto13.973kg(isreducedby7.1%),thesafetyfactorisin-creasedfrom2.39to2.63(isincreasedby10%),thefirstresonancefrequencyis1313Hzcomparetooriginaldesignresults.Keywords:ControlMomentGyroscope(CMG);gyroscoperotor;permanentbiasmagneticbearing;optimizationdesign;FiniteElementMethod(FEM)1 引 言 随着空间技术的发展,空间站、大型观测卫星等航天器成为世界各国空间战略的重要组成部分,同时也带动了控制力矩陀螺(ControlMo-mentGyroscope,简称CMG)的研究高潮。CMG是空间站等长期运行的大型航天器(也包括机动灵活等小型航天器)实现姿态控制的关键执行机构[1],它由陀螺转子系统(高速旋转的陀螺转子、支承系统、陀螺房、高速驱动电机)和框架系统(框架体、力知电机、滑环、角位置传感、支承系统)等组成。航天器姿态控制系统对CMG的基本要求是寿命长、体积小、质量轻、功耗低。根据陀螺转子的支承方式,CMG可以分为机械轴承和磁轴承支承两类,如天空实验室[2](Skylab)和国际空间站(ISS)[3]上的CMG采用机械轴承,但机械轴承的摩擦和润滑是其需要解决的关键问题,也是其出现故障的主要原因。与机械轴承相比,磁轴承具有无接触、无需润滑、高转速、低功耗、长寿命、高精度及对振动可实现主动控制等优点[4-7],使其在CMG中得到应用。如和平号空间站(1987年～2002年)首次将磁轴承技术应用于CMG[8],在寿命方面体现了磁轴承技术的优势(在轨寿命为15年),但也存在一定的问题(刚度低、整体功耗大、可靠性较低),其主要原因是当时的磁轴承技术还不成熟。但时至今日,磁轴承技术已广泛应用于各个领域[9-11]。本文介绍了一种基于混合磁轴承技术的CMG,说明了陀螺转子系统的结构及其工作原理。由于磁悬浮陀螺转子是CMG的核心部件,它的质量、静力学和动力学性能直接影响系统的整体性能(如系统的功耗、振动情况及可靠性等),因此需要对陀螺转子进行优化设计。本文利用多学科设计优化软件iSIGHT和有限元分析软件ANSYS,以高速陀螺转子为分析对象,以质量为优化目标,在满足静力学和动力学约束条件下进行了优化。2 磁悬浮CMG系统的结构 CMG的主要功能是在陀螺转子高速旋转状态下,通过框架伺服电机控制陀螺房进动以提供陀螺力矩来控制航天器的姿态。本文所研究的磁悬浮CMG的主要结构如图1所示,主要由提供角动量的高速陀螺转子(额定转速20000r/min)、飞轮电机、径向混合磁轴承(控制转子径向位移和陀螺效应)、轴向磁轴承(控制转子轴向位移)、径向位移传感器(探测转子径向位移及其振动信号)、轴向位移传感器(探测转子轴向位移及其振动信号)和陀螺房(主要作用是作为支承结构;维持内部真空,减小空气阻力;与框架系统接口)等组成。
图1 磁悬浮CMG转子系统结构示意图Fig.1 Constructionofmagneticsuspensioncontrolmomentumgyroscope
3 磁悬浮CMG转子的优化设计3.1 优化设计方案由于航天器对CMG质量、体积和功耗等都有严格要求,而陀螺转子是其关键元件,所以需要对其结构进行优化。设计要求是:在额定转速下达到设计角动量(即转子达到指定的转动惯量),同时满足强度、刚度、可靠性等方面的要求,并且希望以尽可能小的质量、尺寸达到尽可能大的转动惯量。因而,其结构总体设计的出发点与一般承力、传力是完全不同的。从结构优化设计的角度来说,磁悬浮CMG转子的优化设计是一个有约束、非线性优化问题。考虑到约束条件中存在弹性一阶共振频率等与结构设计参数呈比较复杂关系的因素,这里采用直接搜索法中的序列二次规划法(NLPQL)进行优化设计。直接搜索法的特点是直接比较和利用各设计点的目标函数和约束函数本身的数值来进行搜索,不需要考虑那些函数的导数,这类方法逻辑结构简单,直观性强,易于程序化。
663第4期
韩邦成,等:磁悬浮控制力矩陀螺高速转子的优化设计在初步设计阶段,综合考虑了陀螺转子的设计转速、转动惯量、几何尺寸对系统等效质量、电机设计方案、磁轴承设计方案、传感器安装位置及尺寸、陀螺房设计等各种影响因素,最终确定了陀螺转子的基本结构和轴向长度。如图1所示,考虑到磁悬浮陀螺转子上需要安装飞轮电机转子、径向磁轴承和轴向磁轴承转子,而根据电机和磁轴承设计方案,这三个部件已经初步确定了设计方案,因此转子芯轴和飞轮中间辐板已没有进一步优化设计的余地,所以只能针对转子的轮缘进行优化设计。综合考虑各方面因素,应用NLPQL对于陀螺转子优化设计问题的数学描述如下:搜寻设计变量:x=(R0,R1,D),(1)目标函数:M=F(X)=F(R0,R1,D),(2)满足以下约束条件:gj(x)=0;j=1,…,me,(3)gj(x)≥0;j=me+1,…,m,(4)xl≤x≤xu.(5)其中,式(1)为设计变量,R0表示轮缘内半径,R1表示轮缘外半径,D表示轮缘厚度;式(2)为目标函数,即当陀螺转子质量M取最小值时设计结果最优;式(3)为等式约束;式(4)为不等式约束;式(5)为边界约束。陀螺转子的优化设计需要满足以下约束条件:(1)效能约束:陀螺转子组件在额定转速(20000r/min)下需要提供200N ms的角动量,此时,其极转动惯量J=0.09549kg m2;(2)几何约束:为限制陀螺房和框架系统的体和质量,要求轮缘内、外半径R0,1≤130mm,同时轴向尺寸能满足电机和磁轴承安装尺寸的要求;(3)强度约束:为使系统具有较高的可靠性,要求转子在额定转速下的最大等效应力σmax,eq<[σ]/2,即安全系数在2以上;(4)刚度约束:要求陀螺转子在工作转速范围内为刚性转子,则需要其弹性一阶共振频率大于转子最高工作转速的1.4倍。对于最高转速为24000r/min的陀螺转子,并考虑控制系统的需要,则要求转子组件的弹性一阶共振频率f>1000Hz;(5)形状:扁平转子,且要有利于磁悬浮陀螺转子的控制(即抑制陀螺效应),要求转子极惯性矩/赤道惯性矩之比q在1.4～2之间。(6)强制约束:与轴向、径向磁轴承和电机相关的几何尺寸,如飞轮辐盘的厚度、轮缘的最小内径,飞轮轴向尺寸等。根据以上设计目标及约束条件,并结合优化设计软件和有限元分析软件,在初步设计的基础上,采用NLPQL对磁悬浮控制力矩陀螺的转子进行优化设计。
图2 陀螺转子组件优化设计流程Fig.2 Optimizationflowchartofrotordesign
3.2 磁悬浮陀螺转子的优化结果根据电磁设计的要求,陀螺转子体选用低碳钢材料—合金钢S06。陀螺转子组件的优化流程如图2所示,首先建立转子组件的静力学和动力学模型,通过iSIGHT软件集成两种分析模型,并利用NLPQL算法在满足约束条件下获得一组最优的设计,使质量最小。陀螺转子组件优化设计结果如表1所示。与原设计方案相比,通过优化设计使转子质量减小了1.051kg(约减小了7.1%);而按合金钢S06的曲服强度(σ0.2=980MPa)计算,其安全系数由原来的2.39提高到2.63,提高了10%;极转动惯量基本为0.0955kg m2;其他优化结果也满足
条件约束要求。设计变量的优化过程曲线如图3所示,最优计算结果出现在第13步。
664 光学 精密工程 第14卷