內(nèi)燃機(jī)車車上部分共振故障原因探討

冉茂坪

摘要：內(nèi)燃機(jī)車在柴油機(jī)組工作過程中異常振動(dòng)時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生共振、共鳴故障，其故障源查找難度、修復(fù)工作量均較大，嚴(yán)重干擾鐵路運(yùn)輸生產(chǎn)秩序，結(jié)合共振理論對(duì)內(nèi)燃機(jī)車的共振原因進(jìn)行了探討分析并提出相應(yīng)措施。

關(guān)鍵詞：內(nèi)燃機(jī)車;共振;原因分析;預(yù)防措施

0 ?引言

內(nèi)燃機(jī)車采用交—直流電傳動(dòng)，通過起動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)柴油機(jī)啟動(dòng)，再驅(qū)動(dòng)主發(fā)電機(jī)工作，相互之間利用軸、法蘭連接，這種機(jī)械連接傳動(dòng)方式極易因部件失效、同軸度不良、安裝不牢或者基座出現(xiàn)裂紋等因素產(chǎn)生異常振動(dòng)，嚴(yán)重的會(huì)產(chǎn)生共振、共鳴現(xiàn)象。

1 ?共振原理及根本原因

共振是指機(jī)械系統(tǒng)所受激勵(lì)的頻率與該系統(tǒng)的固有頻率（圖1）相接近時(shí)，系統(tǒng)振幅顯著增大的現(xiàn)象，簡單的說是一系統(tǒng)固有的振動(dòng)與外界給予系統(tǒng)的振動(dòng)在頻率相近時(shí)產(chǎn)生的一種振動(dòng)狀態(tài)，在共振頻率下，很小的周期振動(dòng)便可產(chǎn)生很大的振動(dòng)。共振時(shí)，激勵(lì)輸入機(jī)械系統(tǒng)的能量最大，系統(tǒng)出現(xiàn)明顯的振型稱為位移共振。此外還有在不同頻率下發(fā)生的速度共振和加速度共振。共振在聲學(xué)中亦稱"共鳴"，它指的是物體因共振而發(fā)聲的現(xiàn)象，比如兩個(gè)頻率相同的音叉靠近，其中一個(gè)振動(dòng)發(fā)聲時(shí)，另一個(gè)也會(huì)發(fā)聲。

在機(jī)械共振中，常見的激勵(lì)有直接作用的交變力、支承或地基的振動(dòng)與旋轉(zhuǎn)件的不平衡慣性力等。共振時(shí)的激勵(lì)頻率稱為共振頻率，近似等于機(jī)械系統(tǒng)的固有頻率。對(duì)于單自由度系統(tǒng)，共振頻率只有一個(gè)，當(dāng)對(duì)單自由度線性系統(tǒng)作頻率掃描激勵(lì)試驗(yàn)時(shí)，其幅頻響應(yīng)上出現(xiàn)一個(gè)共振峰。對(duì)于多自由度線性系統(tǒng)，有多個(gè)共振頻率，激勵(lì)試驗(yàn)時(shí)相應(yīng)出現(xiàn)多個(gè)共振峰。對(duì)于非線性系統(tǒng)，共振區(qū)出現(xiàn)振幅跳躍現(xiàn)象，共振峰發(fā)生明顯變形，并可能出現(xiàn)超諧波共振和次諧波共振。共振時(shí)激勵(lì)輸入系統(tǒng)的功同阻尼所耗散的功相平衡，共振峰的形狀與阻尼密切相關(guān)。

在一般情況下共振是有害的，會(huì)引起機(jī)械和結(jié)構(gòu)很大的變形和動(dòng)應(yīng)力，甚至造成破壞性事故（圖2），我們常見的教訓(xùn)就是，在過橋時(shí)，人們必須注意由交通所產(chǎn)生的振動(dòng)不要與橋的特征振動(dòng)一致。

通過對(duì)共振原理的研究，可以得出：當(dāng)機(jī)械系統(tǒng)中發(fā)生的異常振動(dòng)發(fā)展到一定程度，即振動(dòng)頻率一致時(shí)就會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象。由此可見及時(shí)、有效處理異常振動(dòng)是防止共振的根本。

2 ?內(nèi)燃機(jī)車車上部分共振因素

2.1 橡膠支承、橡膠緩沖墊失效

橡膠支承、橡膠緩沖墊通過良好的彈性和較大的剪切變形屬性，具有隔振、抗振作用。如果一個(gè)系統(tǒng)中橡膠堆、橡膠緩沖墊相互間的性能差異過大，會(huì)造成相互間的隔振、抗振作用不一致，引起系統(tǒng)的工作不平衡產(chǎn)生振動(dòng);另外如果橡膠支承、橡膠緩沖墊本身的抗老化性能不佳時(shí)間久了會(huì)讓隔振、抗振效果降低。

內(nèi)燃機(jī)車有4個(gè)柴油機(jī)安裝橡膠支承，受產(chǎn)品本身的制造差異性、選裝因素影響，存在相互性能偏差的可能性，柴油機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的負(fù)載通過4個(gè)橡膠支撐傳遞給車體引起共振。

采用靜液壓泵、馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的冷卻系統(tǒng)，冷卻裝置為V型整體吊裝結(jié)構(gòu)，經(jīng)橡膠緩沖墊固定在車體頂蓋的安裝座上，當(dāng)靜液壓系統(tǒng)出現(xiàn)異常振動(dòng)或冷卻風(fēng)扇異音時(shí)，極易通過橡膠緩沖墊傳給車體引起冷卻間和Ⅱ室司機(jī)室出現(xiàn)共振、共鳴現(xiàn)象。

2.2 傳動(dòng)軸、萬向軸

傳動(dòng)軸、萬向軸的外形質(zhì)量不均勻，其不平衡會(huì)引起轉(zhuǎn)軸的橫向振動(dòng)，并使轉(zhuǎn)軸受到不必要的動(dòng)載荷，這不利于轉(zhuǎn)軸正常運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)還會(huì)因花鍵間隙偏大、同軸度問題引起徑向跳動(dòng)量較大，產(chǎn)生異音或異常振動(dòng);另外如果傳動(dòng)軸、萬向軸的動(dòng)平衡試驗(yàn)不符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，其工作時(shí)的離心力還會(huì)引起變速箱的周期性振動(dòng)和噪音，但因傳動(dòng)軸、萬向軸本身的物理結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了在還沒有引起機(jī)車共振前本身就已經(jīng)結(jié)構(gòu)性損壞了，一般對(duì)共振影響不大。

2.3 安裝基座出現(xiàn)裂紋和地角螺栓不牢

安裝基座出現(xiàn)裂紋和地角螺栓不牢是共振常見和主要因素，我們通過探傷、目測檢查安裝基座和地角螺栓狀態(tài)即可查找出，相對(duì)來說較為容易查找。安裝基座和地角羅栓在機(jī)械系統(tǒng)長期負(fù)載作用下產(chǎn)生安裝基座疲勞裂紋和地角螺栓松動(dòng)現(xiàn)象，引起安裝部件的運(yùn)轉(zhuǎn)不平穩(wěn)、振動(dòng)，這種運(yùn)轉(zhuǎn)不平穩(wěn)和振動(dòng)反過來再次加劇裂紋和地角松動(dòng)故障的擴(kuò)大化，長時(shí)間惡性循環(huán)極易使固有頻率和激勵(lì)頻率發(fā)展到相近從而引起共振現(xiàn)象。

2.4 彈性聯(lián)軸節(jié)、主發(fā)電機(jī)和硅油減振器

柴油機(jī)軸系的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)會(huì)在曲軸和傳動(dòng)軸上產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)附加應(yīng)力，會(huì)產(chǎn)生一定的自振頻率。主發(fā)電機(jī)屬于機(jī)車上又一質(zhì)量較大的振動(dòng)體，其振動(dòng)的原因很多，如定子和轉(zhuǎn)子鐵心變橢圓、偏心、松動(dòng)及不平衡等本身質(zhì)量問題，與聯(lián)軸節(jié)組裝配合時(shí)軸系不對(duì)中、中心線不重合、定心不正確連接組裝問題，另外還有一種情況就是聯(lián)動(dòng)部分在冷態(tài)時(shí)是重合一致的，但運(yùn)行一段時(shí)間后由于轉(zhuǎn)子支點(diǎn)、基礎(chǔ)等變形產(chǎn)生的振動(dòng)。為此內(nèi)燃機(jī)車柴油機(jī)采用了彈性聯(lián)軸節(jié)、減振器與主發(fā)電機(jī)的連接方式來進(jìn)行隔振、抗振。此類異常振動(dòng)現(xiàn)象多發(fā)生在機(jī)車落成竣工后水阻試驗(yàn)過程中，通常采用調(diào)整主發(fā)電機(jī)的安裝角度或更換主發(fā)電機(jī)，可以減小或消除異常振動(dòng)。

2.5 前、后變速箱

結(jié)合變速箱的結(jié)構(gòu)原理，其運(yùn)轉(zhuǎn)是通過外部萬向軸或傳動(dòng)軸與本身主動(dòng)齒輪軸的剛性連接，再通過齒輪傳遞給惰輪軸、從動(dòng)軸實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)。當(dāng)發(fā)生軸承受損、撞齒、齒面剝離和掉齒等故障，降低軸和軸承系統(tǒng)的剛性，降低自振頻率，都會(huì)引起運(yùn)轉(zhuǎn)不平穩(wěn)，產(chǎn)生異音和振動(dòng)，從而引起其他連接部件發(fā)生運(yùn)轉(zhuǎn)不平穩(wěn)、振動(dòng)現(xiàn)象，當(dāng)出現(xiàn)相同頻次的振動(dòng)時(shí)就會(huì)產(chǎn)生共振。

2.6 各油、水管路管卡脫焊或無管卡

柴油機(jī)工作時(shí)，若管路過長而管卡又出現(xiàn)脫焊或無管卡時(shí)，會(huì)因柴油機(jī)、車體本身的運(yùn)行振動(dòng)及管路中工作介質(zhì)的流動(dòng)產(chǎn)生異常振動(dòng)。一般不致于引起共振。

3 ?防止措施

防止機(jī)械共振的核心主題是通過改進(jìn)機(jī)械的結(jié)構(gòu)或改變激勵(lì)，使機(jī)械的固有頻率避開激勵(lì)頻率。對(duì)于機(jī)車檢修與運(yùn)用來說，改變激勵(lì)是我們的主題，削弱激勵(lì)和防止激勵(lì)的發(fā)生或發(fā)展擴(kuò)大是根本。因此，在結(jié)構(gòu)部件運(yùn)行當(dāng)中，發(fā)現(xiàn)異常振動(dòng)、異音要及時(shí)查找原因，盡快修復(fù)，避免振動(dòng)加劇最終產(chǎn)生共振共鳴現(xiàn)象。結(jié)合內(nèi)燃機(jī)車檢修實(shí)際，提出以下減小、消除內(nèi)燃機(jī)車車上部分共振的建議、措施。

3.1 調(diào)整組裝相位

對(duì)曲軸系（曲軸、彈性聯(lián)軸節(jié)、主發(fā)電機(jī)）組裝時(shí)應(yīng)保證旋轉(zhuǎn)部件相互間的不平衡矢量盡量抵消或者錯(cuò)開，避免不平衡量的疊加，當(dāng)出現(xiàn)異常振動(dòng)或共振時(shí)可以通過調(diào)整組裝角度來進(jìn)行削弱。

3.2 橡膠支承或墊

嚴(yán)格加強(qiáng)橡膠支承或墊的壓縮量檢測，保證性能符合技術(shù)要求，且通過選裝控制同一臺(tái)車相互間的壓縮差不能相差太大。

3.3 動(dòng)平衡試驗(yàn)卡控

對(duì)曲軸、彈性聯(lián)軸節(jié)、主發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、傳動(dòng)軸、萬向軸等旋轉(zhuǎn)部件按工藝要求進(jìn)行嚴(yán)格的動(dòng)平衡試驗(yàn)檢測，通過動(dòng)平衡試驗(yàn)找到為消除不平衡量所需的校正質(zhì)量的大小和應(yīng)放置的位置。理想狀態(tài)下回轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)與不旋轉(zhuǎn)時(shí)，對(duì)軸承產(chǎn)生的壓力是一樣的。由于材質(zhì)不均勻或毛坯缺陷、加工及裝配中產(chǎn)生的誤差，甚至設(shè)計(jì)時(shí)具有非對(duì)稱的幾何形狀等多種因素，使得回轉(zhuǎn)體在旋轉(zhuǎn)時(shí)，其上每個(gè)微小質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生的離心慣性力不能相互抵消，離心慣性力通過軸承作用到機(jī)械及其基礎(chǔ)上，引起振動(dòng)，產(chǎn)生噪音，加速軸承的磨損，縮短機(jī)械壽命，嚴(yán)重時(shí)造成破壞性事故，由此可見動(dòng)平衡性試驗(yàn)對(duì)于旋轉(zhuǎn)部件的重要性。

3.4 內(nèi)燃機(jī)車大、中修時(shí)對(duì)安裝基座進(jìn)行探傷等檢查，發(fā)現(xiàn)裂紋等質(zhì)量問題及時(shí)消除，增加基座的剛性強(qiáng)度。

3.5 保證組裝同軸度

盡量減小曲軸系、傳動(dòng)軸等旋轉(zhuǎn)部件間的組裝偏差，保證同軸度。影響組裝同軸度的因素有部件本身的加工精度、部件間的配合要求和接觸質(zhì)量、旋轉(zhuǎn)件的不平衡、同軸度調(diào)整采用的方式及工人的裝配技術(shù)，需要對(duì)組裝同軸度進(jìn)行嚴(yán)格測量把關(guān)。

3.6 出現(xiàn)管卡脫焊、管路裂等現(xiàn)象要查找振動(dòng)源

隨著振動(dòng)的加劇，除了振動(dòng)源本身一些零部件會(huì)加大損害外，還會(huì)引起連接部件以及通過機(jī)體傳遞給周邊安裝部件發(fā)生損害。在實(shí)際工作中，針對(duì)出現(xiàn)的管卡脫焊、管路裂等現(xiàn)象要引起重視，分析查找出原因。如果振動(dòng)源沒有排查消除，就算將管卡脫焊、管路裂損等振動(dòng)易損部位修復(fù)，接下來使用中依然會(huì)發(fā)生故障。因此，發(fā)現(xiàn)異常振動(dòng)或者一些振動(dòng)易損部位已經(jīng)發(fā)生了故障，就應(yīng)該排查真正的振動(dòng)源，避免振動(dòng)加劇帶來的更大的損害。我段DF8型0036機(jī)車短期內(nèi)曾先后發(fā)生過高溫靜液壓管裂漏、裂斷、冷卻間和Ⅱ室司機(jī)室振動(dòng)大及最后的冷卻間和Ⅱ室司機(jī)室共振、共鳴現(xiàn)象，后更換輔助變速箱和冷卻裝置橡膠緩沖墊重新組裝故障消除，主要原因是輔助變速箱軸承損壞和冷卻裝置橡膠緩沖墊老化，一起典型的從振動(dòng)發(fā)展起來的共振故障，起初的高溫靜液壓管裂漏、裂斷屬于早期異常振動(dòng)階段，沒有那么明顯，在我們?nèi)梭w的容忍范圍內(nèi)，屬于系統(tǒng)異常振動(dòng)的危害者，隨著輔助變速箱軸承的損害擴(kuò)大發(fā)展到后期的整個(gè)冷卻間和Ⅱ司機(jī)室共振。

3.7 利用振動(dòng)監(jiān)測技術(shù)

通過對(duì)機(jī)器或結(jié)構(gòu)在工作狀態(tài)下的運(yùn)轉(zhuǎn)或振動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，對(duì)機(jī)器或結(jié)構(gòu)進(jìn)行故障診斷、環(huán)境控制、等級(jí)評(píng)定;測量受迫振動(dòng)獲得被測對(duì)象的動(dòng)態(tài)性能：固有頻率、阻尼、響應(yīng)、模態(tài)等信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器或結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的評(píng)估與診斷，找出薄弱環(huán)節(jié)。當(dāng)零部件發(fā)生故障時(shí)，激勵(lì)發(fā)生變化，結(jié)構(gòu)振動(dòng)狀態(tài)也將發(fā)生相應(yīng)變化。通過監(jiān)測結(jié)果參照《常用機(jī)械設(shè)備振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》——ISO 2372等相關(guān)機(jī)械振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)來判定振動(dòng)烈度量級(jí)，并根據(jù)振動(dòng)烈度量級(jí)來決定是維持運(yùn)用還是必須拆解維修。

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