城軌車輛設(shè)備懸掛點(diǎn)的振動(dòng)測(cè)試及特性分析

丁 杰,尹 亮

(湖南文理學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，湖南 常德 415000)

城市軌道交通具有安全、節(jié)能、環(huán)保、運(yùn)量大、全天候等特點(diǎn)，是大中城市公共交通的骨干。城軌車輛為了實(shí)現(xiàn)乘車空間的最大化，盡可能地將設(shè)備懸掛在車體底部。車輛運(yùn)行時(shí)，車體受輪軌激勵(lì)而產(chǎn)生振動(dòng)，部分車載設(shè)備內(nèi)部包含冷卻風(fēng)機(jī)、變壓器等激勵(lì)源，這些振動(dòng)會(huì)傳遞至車體底梁與設(shè)備的懸掛點(diǎn)。因此，設(shè)備懸掛點(diǎn)的振動(dòng)特性對(duì)于車輛運(yùn)行安全至關(guān)重要。

李哲豪等[1]對(duì)比分析了某城際列車變壓器的彈性吊掛與剛性吊掛對(duì)車體地板振動(dòng)的影響。王云鵬等[2]利用仿真與振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)相結(jié)合的方法，分析了車輛吊掛設(shè)備剛性連接與彈性連接的振動(dòng)傳遞特性。陳翔宇[3]基于剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)理論，對(duì)車體與車下設(shè)備的耦合振動(dòng)問題進(jìn)行了仿真分析。徐寧等[4]分析了車輛與吊掛設(shè)備耦合作用下的振動(dòng)傳遞及平穩(wěn)性。王思明等[5]通過有限元模型分析了地鐵車輛設(shè)備不同吊掛剛度時(shí)的地板振動(dòng)響應(yīng)。郭金瑩等[6]建立高速動(dòng)車組車體與車下設(shè)備的垂向動(dòng)力學(xué)模型，分析車下設(shè)備對(duì)舒適度的影響。王國(guó)平等[7]根據(jù)地鐵車輛的實(shí)際結(jié)構(gòu)，在實(shí)驗(yàn)室條件下建立緊固件連接預(yù)緊力測(cè)試系統(tǒng)，以驗(yàn)證地鐵車輛底架吊掛設(shè)備連接的可靠性。陳東[8]根據(jù)車輛的動(dòng)力學(xué)工況，編制車下設(shè)備吊掛點(diǎn)的載荷譜，并開展車下吊掛點(diǎn)的疲勞強(qiáng)度評(píng)估。目前，針對(duì)高鐵、動(dòng)車、機(jī)車和城軌等車輛的設(shè)備開展振動(dòng)與沖擊試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)是GB/T 21563—2018，該標(biāo)準(zhǔn)是在IEC 61373:1999和IEC 61373:2010基礎(chǔ)上制定的，功能性振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)來源于20多年前鐵路運(yùn)用的問卷調(diào)查結(jié)果。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況表明，基于實(shí)際線路的運(yùn)行情況開展振動(dòng)測(cè)試及特性分析是極為必要的[9]。

以南京地鐵S8號(hào)線(又稱寧天線)的列車為測(cè)試對(duì)象，獲得牽引逆變器、輔助變流器、高壓電器箱、擴(kuò)展供電箱和空心電抗器等設(shè)備的吊掛點(diǎn)振動(dòng)特性，并與GB/T 21563—2018進(jìn)行對(duì)比分析。通過實(shí)際線路振動(dòng)測(cè)試獲得的設(shè)備懸掛點(diǎn)特性，可為車輛及設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

1 振動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置

南京地鐵寧天線的一期工程從泰山新村站至金牛湖站，全長(zhǎng)45.2 km，其中地下段12.2 km、高架段33 km，列車采用寬體鼓形B型列車4節(jié)編組，最高運(yùn)行速度為120 km/h。南京地鐵寧天線橋隧結(jié)合，車輛的載客量大、運(yùn)行速度高，因此，線路及車輛具有典型性。為了獲得城軌車輛設(shè)備懸掛點(diǎn)的振動(dòng)特性，以南京地鐵寧天線051號(hào)列車為振動(dòng)測(cè)試對(duì)象。將三向加速度傳感器布置在牽引逆變器、輔助變流器、高壓電器箱、擴(kuò)展供電箱和空心電抗器等設(shè)備的吊耳上，測(cè)點(diǎn)編號(hào)為N1～N10，如圖1所示。三向加速度傳感器的縱向、橫向和垂向分別與列車的長(zhǎng)度、寬度和高度方向?qū)?yīng)。在吊裝牽引逆變器和輔助變流器的車體邊梁上各布置一個(gè)單向加速度傳感器，測(cè)點(diǎn)編號(hào)為N11和N12，用于采集車體邊梁垂向的振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)。測(cè)試時(shí)車廂內(nèi)使用沙袋模擬地鐵車輛超員載荷9人/m2的AW3工況，測(cè)試的線路區(qū)間為金牛湖站—泰山新村站，振動(dòng)測(cè)試最大頻率取3 200 Hz。振動(dòng)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)如圖2所示。

圖1 設(shè)備懸吊振動(dòng)測(cè)點(diǎn)位置示意

圖2 振動(dòng)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

2 振動(dòng)時(shí)域特性分析

城軌車輛在實(shí)際線路中運(yùn)行時(shí)，存在啟動(dòng)加速、勻速行駛和減速停車等工況，牽引逆變器、輔助變流器、高壓電器箱、擴(kuò)展供電箱和空心電抗器等設(shè)備的運(yùn)行狀況也會(huì)不同，因此，不同工況下各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)大小及振動(dòng)頻譜存在較大的差異。本節(jié)針對(duì)不同的運(yùn)行工況首先從時(shí)域角度對(duì)各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)情況進(jìn)行分析，并與GB/T 21563—2018標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比。

2.1 各工況振動(dòng)有效值對(duì)比

城軌車輛在實(shí)際線路中勻速行駛的速度主要與站間距、牽引加速度、制動(dòng)減速度和列車牽引策略等因素有關(guān)[10]，因此，城軌車輛勻速行駛的速度通常小于列車的設(shè)計(jì)最高時(shí)速，且不同站點(diǎn)間的勻速行駛速度有差別。通過對(duì)南京地鐵寧天線的運(yùn)行情況進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)車輛大部分運(yùn)行時(shí)間的勻速行駛速度在77 km/h左右，極少數(shù)運(yùn)行時(shí)間的勻速行駛速度達(dá)到96 km/h。對(duì)設(shè)備在停車工況以及77 km/h與96 km/h勻速行駛工況下，各測(cè)點(diǎn)在0～3 200 Hz頻率范圍的垂向振動(dòng)有效值進(jìn)行對(duì)比分析，如圖3所示?？梢钥闯觯?1)除輔助變流器的測(cè)點(diǎn)在停車和運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)有效值接近外，其余測(cè)點(diǎn)在運(yùn)行工況下的振動(dòng)遠(yuǎn)大于在停車工況下的振動(dòng)，這是由于列車停止時(shí)，輔助變流器仍在工作中，而牽引逆變器、高壓電器箱、擴(kuò)展供電箱和空心電抗器等設(shè)備并非完全工作；(2)速度對(duì)振動(dòng)有效值有一定的影響，然而由77 km/h增大至96 km/h，測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)并沒有明顯的增大趨勢(shì)。

圖3 不同速度下的各測(cè)點(diǎn)0～3 200 Hz垂向振動(dòng)有效值對(duì)比

考慮到車輛大部分運(yùn)行時(shí)間的勻速行駛速度為77 km/h，圖4為該工況下各測(cè)點(diǎn)在0～3 200 Hz頻率范圍的縱向、橫向和垂向振動(dòng)有效值對(duì)比?？梢钥闯龈鳒y(cè)點(diǎn)3個(gè)方向的振動(dòng)大小沒有統(tǒng)一的趨勢(shì)。具體的特征將結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析。

圖4 勻速行駛工況的各測(cè)點(diǎn)0～3 200 Hz振動(dòng)有效值對(duì)比

2.2 測(cè)試有效值與標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)比

GB/T 21563—2018標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)設(shè)備在車體上的安裝位置分為1類車體安裝、2類轉(zhuǎn)向架安裝和3類車軸安裝。其中，1類車體安裝又可分為A級(jí)車體直接安裝的柜體組件、設(shè)備和部件，B級(jí)車體直接安裝的柜體內(nèi)部的組件、設(shè)備和部件。按照標(biāo)準(zhǔn)分類，本次測(cè)試的設(shè)備均屬于1類A級(jí)。

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的功能振動(dòng)試驗(yàn)加速度有效值量級(jí)Arms是20多年前通過英國(guó)、法國(guó)、奧地利、韓國(guó)等國(guó)家鐵路運(yùn)用的問卷調(diào)查獲得的。1類A級(jí)的加速度有效值量級(jí)問卷調(diào)查結(jié)果如表1所示。Arms是平均量級(jí)Aavg與標(biāo)準(zhǔn)偏差A(yù)std之和，由此確定1類A級(jí)的縱向、橫向和垂向的加速度有效值分別為0.50、0.37和0.75 m/s2。

表1 1類A級(jí)的加速度有效值量級(jí)問卷調(diào)查結(jié)果

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了如圖5所示的加速度功率譜密度(acceleration spectral density，ASD)形式及頻率范圍。1類A級(jí)的縱向、橫向和垂向的ASD量級(jí)標(biāo)稱值分別為0.007 3、0.004 1、0.016 6(m/s2)2/Hz，頻率范圍f1和f2與設(shè)備質(zhì)量M有關(guān)。當(dāng)M≤500 kg時(shí)，f1=5 Hz，f2=150 Hz；當(dāng)500 kg

圖5 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的ASD頻譜

以標(biāo)準(zhǔn)中根據(jù)設(shè)備的質(zhì)量推薦的有效值計(jì)算頻率范圍，得到77 km/h勻速行駛工況下，各測(cè)點(diǎn)的縱向、橫向和垂向振動(dòng)有效值對(duì)比如圖6所示?？梢钥闯龈鳒y(cè)點(diǎn)在標(biāo)準(zhǔn)推薦頻率范圍內(nèi)的有效值都在標(biāo)準(zhǔn)值50%之內(nèi)，大部分?jǐn)?shù)值都小于標(biāo)準(zhǔn)值的20%。結(jié)合圖4來看，僅有3個(gè)測(cè)點(diǎn)部分方向(N2橫向、N5縱向和N7橫向)在0～3 200 Hz的有效值超出了標(biāo)準(zhǔn)值，各測(cè)點(diǎn)3個(gè)方向的振動(dòng)有效值接近，而GB/T 21563—2018中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)值，垂向>縱向>橫向，橫向僅為垂向的50%。0～3 200 Hz頻率范圍的有效值大于5～150 Hz或2～60 Hz頻率范圍的有效值，這是由于設(shè)備懸掛點(diǎn)具有較大的中高頻振動(dòng)，可以從頻域角度作進(jìn)一步分析。一般而言，低頻振動(dòng)對(duì)設(shè)備的結(jié)構(gòu)疲勞壽命產(chǎn)生較大影響，而高頻振動(dòng)主要導(dǎo)致電子產(chǎn)品的故障，對(duì)設(shè)備的結(jié)構(gòu)失效影響較小[11]。GB/T 21563—2018主要從結(jié)構(gòu)可靠性以及20多年前的振動(dòng)試驗(yàn)技術(shù)水平角度考慮，只采用了低頻段的ASD頻譜，未考慮中高頻振動(dòng)的影響。

圖6 勻速行駛工況的各測(cè)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)頻率范圍振動(dòng)有效值對(duì)比

2.3 測(cè)試峰值與標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)比

根據(jù)GB/T 21563—2018關(guān)于沖擊試驗(yàn)的規(guī)定，需要對(duì)設(shè)備施加持續(xù)時(shí)間為30 ms的脈沖譜，其中橫向和垂向峰值為30 m/s2，縱向峰值為50 m/s2。提取測(cè)試過程中各測(cè)點(diǎn)的峰值，得到如圖7所示的沖擊峰值對(duì)比。由圖7可知，各測(cè)點(diǎn)的沖擊峰值均遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)值，除N2測(cè)點(diǎn)橫向沖擊峰值為14.5 m/s2，是標(biāo)準(zhǔn)沖擊峰值的48.3%，大部分測(cè)點(diǎn)的沖擊峰值在標(biāo)準(zhǔn)沖擊峰值的30%以下。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的沖擊試驗(yàn)是沿縱向、橫向和垂向的正反方向分別進(jìn)行3次，一共18次沖擊，以此檢驗(yàn)設(shè)備經(jīng)受沖擊試驗(yàn)后是否出現(xiàn)螺栓松動(dòng)、結(jié)構(gòu)斷裂等故障現(xiàn)象。從城軌車輛運(yùn)行過程中的設(shè)備振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)提取出的沖擊峰值來看，每天經(jīng)受的沖擊次數(shù)為數(shù)十次，按設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)壽命30 a累計(jì)，設(shè)備經(jīng)受的沖擊次數(shù)顯著，因此，振動(dòng)測(cè)試的沖擊峰值應(yīng)明顯小于標(biāo)準(zhǔn)沖擊峰值，才能確保設(shè)備的結(jié)構(gòu)可靠性。

圖7 各測(cè)點(diǎn)的沖擊峰值對(duì)比

3 振動(dòng)頻域特性分析

為進(jìn)一步對(duì)比分析各設(shè)備的振動(dòng)特性，下面從頻域角度開展不同工況下各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)特性分析。

3.1 勻速行駛工況下的振動(dòng)頻譜

圖8為城軌車輛77 km/h勻速運(yùn)行時(shí)各設(shè)備吊耳測(cè)點(diǎn)的三向振動(dòng)頻譜。由圖8可以看出：(1)牽引逆變器、高壓電器箱、擴(kuò)展供電箱和空心電抗器等設(shè)備的振動(dòng)頻譜存在一定的相似性，大致分為低頻(200 Hz以下)、中頻(400～800 Hz)和高頻(2 800～3 000 Hz)3個(gè)區(qū)域，這些設(shè)備的測(cè)點(diǎn)基本包含2、10、18、25、51、103、618、2 882 Hz等頻率的振動(dòng)峰值；(2)輔助變流器的振動(dòng)頻譜集中在低頻(100 Hz以下)和高頻(2 400～3 200 Hz)2個(gè)區(qū)域，其中100 Hz及高頻的振動(dòng)是由輔助變流器內(nèi)部的變壓器電磁振動(dòng)引起的。

圖8 勻速行駛時(shí)各設(shè)備的振動(dòng)頻譜對(duì)比

將輔助變流器吊耳測(cè)點(diǎn)的100 Hz振動(dòng)有效值以及靠近輔助變流器吊耳的邊梁100 Hz振動(dòng)有效值列出，如圖9所示。可以看出輔助變流器吊耳測(cè)點(diǎn)中，N3和N4的100 Hz振動(dòng)較大，而N5和N6的100 Hz振動(dòng)較小，這與N3、N4測(cè)點(diǎn)靠近輔助變流器內(nèi)部的變壓器有關(guān)，變壓器在電源頻率50 Hz的激勵(lì)下，因磁致伸縮效應(yīng)而產(chǎn)生以100 Hz為基波，其倍頻為諧波的電磁力波[12]，振動(dòng)經(jīng)過變壓器的安裝支撐傳遞至輔助變流器柜體吊耳，再經(jīng)車體邊梁傳遞至車廂地板。根據(jù)大量的測(cè)試及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)獲得的經(jīng)驗(yàn)表明，變壓器的振動(dòng)導(dǎo)致輔助變流器柜體吊耳處的100 Hz振動(dòng)加速度超過0.35 m/s2，極易引起車輛地板局部區(qū)域的振動(dòng)過大，造成乘客腳感發(fā)麻[13]。從100 Hz的振動(dòng)加速度數(shù)值來看，該變壓器的振動(dòng)較小，不會(huì)引發(fā)地板振動(dòng)過大的問題。

圖9 輔助變流器各測(cè)點(diǎn)及車體邊梁的100 Hz振動(dòng)有效值

3.2 停車和行駛工況的振動(dòng)頻譜對(duì)比

圖10為停車和勻速行駛工況下，高壓電器箱和輔助變流器吊耳測(cè)點(diǎn)的垂向振動(dòng)頻譜。由圖10(a)所示的0～3 200 Hz頻率范圍的振動(dòng)頻譜可以看出，高壓電器箱吊耳的振動(dòng)頻譜在停車工況集中在150 Hz以下，行駛工況下在整個(gè)頻率范圍內(nèi)振動(dòng)明顯增大。由圖10(b)所示的0～200 Hz頻率范圍的振動(dòng)頻譜可以看出，行駛工況下，輔助變流器吊耳在37 Hz以下的低頻振動(dòng)有所增大，電磁振動(dòng)幾乎沒有變化，37 Hz的振動(dòng)在2種工況下幅值相同，這是由輔助變流器內(nèi)部冷卻風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)頻造成的。

圖10 停車和行駛工況的垂向振動(dòng)頻譜對(duì)比

3.3 啟動(dòng)過程分析

城軌車輛達(dá)到勻速行駛的速度較高，此時(shí)的振動(dòng)頻譜差別不明顯，城軌車輛停車時(shí)的振動(dòng)頻譜與勻速行駛工況有較大差異，因此，下面利用如圖11所示的時(shí)間-頻率-振動(dòng)幅值色譜圖對(duì)城軌車輛啟動(dòng)過程中各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)頻譜進(jìn)行分析，以了解各測(cè)點(diǎn)的頻譜特點(diǎn)。

圖11 不同測(cè)點(diǎn)的時(shí)間-頻率-振動(dòng)幅值色譜圖

由圖11可以看出：

(1)牽引逆變器、高壓電器箱、擴(kuò)展供電箱和空心電抗器的色譜圖具有一定的相似性，各測(cè)點(diǎn)400 Hz以下的低頻振動(dòng)幾乎不隨速度變化，由于車輪非圓化引起的振動(dòng)隨速度變化的特征較明顯，可以排除車輪非圓化對(duì)低頻振動(dòng)的影響，各測(cè)點(diǎn)共同包含的10、18、25、51、103 Hz等振動(dòng)頻率是由車體的固有特性引起的[14]。

(2)牽引逆變器吊耳在600～1 200 Hz的頻率范圍內(nèi)振動(dòng)較大，振動(dòng)有效值遠(yuǎn)大于其他測(cè)點(diǎn)在該頻率范圍內(nèi)的有效值，與牽引逆變器在該頻率范圍內(nèi)模態(tài)密集有關(guān)。

(3)輔助變流器測(cè)點(diǎn)在整個(gè)啟動(dòng)過程中都包含了明顯的電磁振動(dòng)特征，且電磁振動(dòng)的大小在啟動(dòng)過程中變化不大。

(4)將圖11(f)與圖11(b)進(jìn)行對(duì)比，車體邊梁的測(cè)點(diǎn)N12因靠近輔助變流器，其色譜圖與輔助變流器的測(cè)點(diǎn)N3基本相同，說明輔助變流器的振動(dòng)通過柜體吊耳傳遞至車體邊梁，N12與N3的色譜圖差異是由于車體邊梁振動(dòng)還受到車體其他設(shè)備的影響。

(5)從色譜圖表現(xiàn)出不同時(shí)間和頻譜下對(duì)應(yīng)的振動(dòng)幅值特性，與GB/T 21563—2018給出的振動(dòng)有效值相比，提供的信息更加豐富，由于城軌車輛對(duì)設(shè)備的輕量化設(shè)計(jì)要求高，設(shè)備可根據(jù)實(shí)際線路振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)開展針對(duì)性的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，較GB/T 21563—2018針對(duì)高鐵、動(dòng)車、機(jī)車和城軌車輛設(shè)備均采用相同的數(shù)值會(huì)更加合理，基于實(shí)際線路振動(dòng)測(cè)試的方法可為車輛及設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

4 結(jié)論

通過對(duì)南京地鐵寧天線城軌車輛線路運(yùn)行時(shí)設(shè)備懸掛點(diǎn)的振動(dòng)測(cè)試及數(shù)據(jù)分析，可以得到以下結(jié)論：

(1)各測(cè)點(diǎn)在GB/T 21563—2018推薦頻率范圍內(nèi)的有效值均在標(biāo)準(zhǔn)值50%之內(nèi)，大部分測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)有效值小于標(biāo)準(zhǔn)值的20%，小部分測(cè)點(diǎn)在0～3 200 Hz頻率范圍的有效值超過標(biāo)準(zhǔn)值，GB/T 21563—2018標(biāo)準(zhǔn)未考慮中高頻振動(dòng)的影響。

(2)牽引逆變器、高壓電器箱、擴(kuò)展供電箱和空心電抗器等設(shè)備的振動(dòng)頻譜存在一定的相似性，大致分為低頻(200 Hz以下)、中頻(400～800 Hz)和高頻(2 800～3 000 Hz)3個(gè)區(qū)域，而輔助變流器的振動(dòng)頻譜集中在低頻(100 Hz以下)和高頻(2 400～3 200 Hz)2個(gè)區(qū)域，100 Hz及高頻振動(dòng)來源于輔助變流器內(nèi)部的變壓器電磁振動(dòng)，需要重點(diǎn)關(guān)注。

(3)與GB/T 21563—2018給出的振動(dòng)有效值和僅關(guān)注低頻振動(dòng)相比，實(shí)際線路振動(dòng)測(cè)試獲得的設(shè)備懸掛點(diǎn)特性提供的信息更加豐富，可為車輛及設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。