HXD1型電力機(jī)車(chē)牽引變流器的線路振動(dòng)測(cè)試及分析

丁 杰, 殷仁述, 熊 英, 付 霞

(1.湖南文理學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，湖南 常德 415000；2.湖南文理學(xué)院 國(guó)際學(xué)院，湖南 常德 415000)

鐵路運(yùn)輸正在向貨運(yùn)重載化和客運(yùn)高速化方向發(fā)展[1]，與此同時(shí)，受地形、氣候和線路老化等因素影響，電力機(jī)車(chē)的運(yùn)行環(huán)境非常惡劣，振動(dòng)已成為車(chē)載設(shè)備失效的重要環(huán)境因素之一，引起了人們的高度關(guān)注。

David T[2]從鐵路系統(tǒng)的振動(dòng)噪聲產(chǎn)生機(jī)理入手，開(kāi)展仿真建模與優(yōu)化控制。楊云帆等[3]針對(duì)某型號(hào)電力機(jī)車(chē)開(kāi)展車(chē)輪非圓化磨耗測(cè)試，解釋了17階和24階非圓化磨耗是導(dǎo)致輪對(duì)異常振動(dòng)報(bào)警的根本原因。雷成等[4]基于機(jī)車(chē)的動(dòng)力學(xué)仿真模型分析車(chē)輛低頻橫向晃動(dòng)的原因，并提出整改措施。王自超等[5]建立的重載機(jī)車(chē)動(dòng)力學(xué)模型中考慮了齒輪時(shí)變嚙合剛度與軌道不平順性激勵(lì)的影響。丁杰等[6-7]針對(duì)電力機(jī)車(chē)和地鐵車(chē)輛在實(shí)際線路運(yùn)行條件下的振動(dòng)特性，指出實(shí)際線路測(cè)試的必要性。王永勝等[8]結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)測(cè)試與仿真分析，對(duì)某型號(hào)電力機(jī)車(chē)牽引變流器的控制箱進(jìn)行減振優(yōu)化設(shè)計(jì)，有效解決振動(dòng)過(guò)大的問(wèn)題。

牽引變流器作為電力機(jī)車(chē)的牽引裝置，其振動(dòng)環(huán)境復(fù)雜。以株洲—貴陽(yáng)路段運(yùn)行的HXD1 1342號(hào)電力機(jī)車(chē)為測(cè)試對(duì)象，開(kāi)展實(shí)際線路運(yùn)行的振動(dòng)測(cè)試，獲得軸箱、車(chē)體、地板梁、牽引變流器柜腳以及牽引變流器主要部件在不同工況下的時(shí)域和頻域振動(dòng)特性，為解決產(chǎn)品振動(dòng)失效問(wèn)題提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 振動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置和測(cè)試工況

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用反饋，目前HXD1型電力機(jī)車(chē)線路運(yùn)行條件下的車(chē)載設(shè)備故障率較高。為真實(shí)掌握車(chē)載設(shè)備的振動(dòng)水平，以HXD1 1342號(hào)電力機(jī)車(chē)為測(cè)試對(duì)象，載重4 292 t，途徑株洲—懷化—貴陽(yáng)線路，采用B&K振動(dòng)噪聲數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開(kāi)展了運(yùn)行測(cè)試。考慮到全程860 km和持續(xù)32 h的測(cè)試數(shù)據(jù)量很大，測(cè)試頻率選擇1 600 Hz。

圖1為HXD1型電力機(jī)車(chē)設(shè)備布局圖和牽引變流器的結(jié)構(gòu)示意圖，牽引變流器位于電力機(jī)車(chē)的中部，柜體采用框架承載結(jié)構(gòu)，逆變器1～4和整流器1～4采用幾何結(jié)構(gòu)完全相同的功率模塊，通過(guò)變流控制程序?qū)崿F(xiàn)逆變和整流功能。

圖1 HXD1型電力機(jī)車(chē)和牽引變流器的結(jié)構(gòu)

振動(dòng)測(cè)點(diǎn)處布置三向加速度傳感器，其中，縱向、橫向和垂向分別對(duì)應(yīng)車(chē)體的長(zhǎng)度、寬度和高度方向。測(cè)點(diǎn)1～測(cè)點(diǎn)4分別位于軸箱、門(mén)下方的車(chē)體、牽引變流器柜體右下角的地板梁、牽引變流器柜體右腳，測(cè)點(diǎn)5～測(cè)點(diǎn)7分別位于牽引變流器內(nèi)部的換熱器風(fēng)機(jī)、傳動(dòng)控制箱(傳動(dòng)控制單元1)和功率模塊(逆變器1)等部件，如圖2所示。

圖2 振動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置

為便于測(cè)試工況的描述，考慮到電力機(jī)車(chē)的大部分時(shí)間勻速運(yùn)行速度為73 km/h，將其稱(chēng)為勻速工況；運(yùn)行速度為76 km/h時(shí)，振動(dòng)較為劇烈，將其稱(chēng)為惡劣工況；電力機(jī)車(chē)停車(chē)但設(shè)備啟動(dòng)的工況稱(chēng)為待車(chē)工況。

2 振動(dòng)時(shí)域分析

2.1 不同工況的振動(dòng)有效值對(duì)比

振動(dòng)加速度的有效值可以反映高頻時(shí)的振動(dòng)強(qiáng)度，為分析工況變化對(duì)電力機(jī)車(chē)各部件振動(dòng)性能的影響，表1是待車(chē)工況、勻速工況和惡劣工況下的振動(dòng)有效值對(duì)比，分析頻段為0～1 600 Hz?？芍孩賹?duì)于軸箱，待車(chē)工況幾乎不振動(dòng)，當(dāng)具有行車(chē)速度時(shí)振動(dòng)顯著增加；垂向振動(dòng)為縱向振動(dòng)1.5～2.5倍，為橫向振動(dòng)3～4倍；隨著工況惡劣變化，垂向振動(dòng)增加近30%，振動(dòng)有效值最大為16.30 m/s2，縱向和橫向變化不明顯。②對(duì)于車(chē)體，隨著工況惡劣變化，振動(dòng)有效值均有一定程度增加，且車(chē)體橫向振動(dòng)略強(qiáng)于縱向，強(qiáng)于垂向，振動(dòng)有效值最大為0.45 m/s2；軸箱振動(dòng)在具有行車(chē)速度時(shí)明顯強(qiáng)于車(chē)體，但在待車(chē)工況下振動(dòng)有效值低于車(chē)體，說(shuō)明待車(chē)工況軸箱的振動(dòng)是從車(chē)體內(nèi)部傳遞過(guò)來(lái)的。③對(duì)于地板梁，隨著工況惡劣變化，振動(dòng)水平有一定加強(qiáng)，勻速工況振動(dòng)為待車(chē)工況振動(dòng)的2.5～4倍，惡劣工況為待車(chē)工況振動(dòng)的3.5～5倍，振動(dòng)有效值最大為惡劣工況垂向(0.95 m/s2)。④對(duì)于牽引變流器柜腳，惡劣工況時(shí)垂向和橫向振動(dòng)略強(qiáng)于勻速工況，為待車(chē)工況振動(dòng)的1.5～4倍，振動(dòng)有效值最大為垂向(0.50 m/s2)；地板梁振動(dòng)在勻速和惡劣工況下為牽引變流器柜腳振動(dòng)的1.5～2倍，待車(chē)工況下地板梁和牽引變流器柜腳振動(dòng)水平相當(dāng)，說(shuō)明牽引變流器柜腳和地板梁目前采用的T型螺桿連接方式在電力機(jī)車(chē)運(yùn)行狀態(tài)下，對(duì)地板梁傳遞過(guò)來(lái)的振動(dòng)有一定減振效果。⑤對(duì)于換熱器風(fēng)機(jī)，垂向和縱向不同工況振動(dòng)水平差別不大，橫向振動(dòng)隨工況惡劣有明顯提高，振動(dòng)有效值最大為惡劣工況橫向(2.23 m/s2)。⑥對(duì)于傳動(dòng)控制箱，勻速工況振動(dòng)約為待車(chē)工況的2～3倍，惡劣工況振動(dòng)比勻速工況約提高10%，振動(dòng)有效值最大為惡劣工況橫向(0.75 m/s2)。⑦對(duì)于功率模塊，勻速工況振動(dòng)為待車(chē)工況的4.5～9倍，惡劣工況為待車(chē)工況的4.5～10倍，振動(dòng)有效值最大為模塊垂向(1.60 m/s2)。

表1 不同工況的振動(dòng)有效值對(duì)比 m/s2

2.2 測(cè)試值與標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)比分析

GB/T 21563—2018《軌道交通 機(jī)車(chē)車(chē)輛設(shè)備 沖擊和振動(dòng)試驗(yàn)》基于IEC 61373標(biāo)準(zhǔn)的1999版和2010版修改采用。標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)設(shè)備在車(chē)上的安裝位置分為1類(lèi)A級(jí)車(chē)體直接安裝、1類(lèi)B級(jí)車(chē)體直接安裝的柜體內(nèi)部安裝、2類(lèi)轉(zhuǎn)向架安裝和3類(lèi)車(chē)軸安裝，功能性隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)的量級(jí)由問(wèn)卷調(diào)查得到的加速度平均量級(jí)和標(biāo)準(zhǔn)偏差進(jìn)行計(jì)算，頻率范圍由設(shè)備質(zhì)量來(lái)確定。由此可知，測(cè)點(diǎn)1屬于3類(lèi)，推薦頻率范圍為10～200 Hz；測(cè)點(diǎn)2～4屬于1類(lèi)A級(jí)，推薦頻率范圍為2～60 Hz；測(cè)點(diǎn)5～7屬于1類(lèi)B級(jí)，推薦頻率范圍為5～150 Hz。

表2為推薦頻率范圍下勻速工況和惡劣工況的振動(dòng)有效值，以及不同類(lèi)別設(shè)備允許承受的振動(dòng)加速度標(biāo)準(zhǔn)值。結(jié)合表1進(jìn)行對(duì)比分析，可知：①對(duì)于軸箱，其振動(dòng)水平遠(yuǎn)大于車(chē)體，說(shuō)明輪軌作用是電力機(jī)車(chē)最主要的振動(dòng)來(lái)源，且一系、二系彈簧減隔振作用明顯；垂向振動(dòng)約為縱向振動(dòng)1.5倍，約為橫向振動(dòng)3倍，且低頻段有效值略微低于全頻段有效值10%，軸箱應(yīng)以低頻振動(dòng)為主。②對(duì)于車(chē)體，低頻段振動(dòng)有效值均一定程度上小于全頻段，說(shuō)明車(chē)體在推薦頻率范圍之外存在較大的振動(dòng)。③對(duì)于地板梁，全頻段振動(dòng)有效值為低頻段振動(dòng)有效值的2～4倍，勻速工況時(shí)全頻段振動(dòng)最大為垂向(0.76 m/s2)，低頻段時(shí)振動(dòng)最大為縱向(0.29 m/s2)。④對(duì)于牽引變流器柜腳，全頻段振動(dòng)有效值為低頻段振動(dòng)的1.5～2倍，勻速工況時(shí)全頻段振動(dòng)最大方向?yàn)榇瓜?0.45 m/s2)，低頻段時(shí)振動(dòng)最大方向?yàn)榭v向(0.23 m/s2)。⑤對(duì)于換熱器風(fēng)機(jī)，全頻段振動(dòng)為低頻段振動(dòng)有效值的1.5～2.5倍，待車(chē)工況下的垂向振動(dòng)強(qiáng)于縱向和橫向，勻速工況和惡劣工況下的橫向振動(dòng)強(qiáng)于垂向和縱向。⑥對(duì)于傳動(dòng)控制箱，全頻段振動(dòng)較低頻段提高30%～50%，且橫向振動(dòng)在全頻段和低頻段時(shí)均強(qiáng)于垂向和縱向。⑦對(duì)于功率模塊，全頻段有效值明顯高于低頻段，尤其是垂向全頻段振動(dòng)約為低頻段4倍，全頻段時(shí)垂向振動(dòng)最強(qiáng)，在低頻段時(shí)橫向振動(dòng)略強(qiáng)于垂向和縱向。⑧軸箱、車(chē)體、地板梁、牽引變流器柜腳和功率模塊等設(shè)備在勻速工況和惡劣工況下的振動(dòng)沒(méi)有超出標(biāo)準(zhǔn)值；勻速工況下，換熱器風(fēng)機(jī)橫向振動(dòng)超標(biāo)59.68%，傳動(dòng)控制箱橫向振動(dòng)超標(biāo)15.56%；惡劣工況下，換熱器風(fēng)機(jī)橫向振動(dòng)超標(biāo)67.44%，傳動(dòng)控制箱橫向振動(dòng)超標(biāo)30.97%，功率模塊橫向和傳動(dòng)控制箱縱向振動(dòng)有效值與標(biāo)準(zhǔn)值接近(20%以?xún)?nèi))。

表2 推薦頻率范圍下的不同工況振動(dòng)有效值對(duì)比 m/s2

3 振動(dòng)頻域分析

3.1 軸箱和車(chē)體的振動(dòng)頻域分析

針對(duì)部分測(cè)點(diǎn)全頻段振動(dòng)有效值大于推薦頻率范圍振動(dòng)有效值的情況，說(shuō)明該測(cè)點(diǎn)在中高頻具有較大的振動(dòng)，需要結(jié)合振動(dòng)頻譜開(kāi)展進(jìn)一步分析。本節(jié)針對(duì)軸箱在待車(chē)工況和勻速工況的振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，探究車(chē)體在靜止和行車(chē)狀態(tài)下的頻譜特征。

圖3為待車(chē)工況和勻速工況的軸箱振動(dòng)頻譜。

由圖3(a)可以看出：①軸箱振動(dòng)集中在0～250 Hz頻段，以50、100、150、200 Hz等電源頻率倍頻為主，尤其是軸箱橫向振動(dòng)表現(xiàn)出的特征非常明顯，這是由于待車(chē)工況下的軸箱振動(dòng)來(lái)自車(chē)體的傳遞，而車(chē)體的振動(dòng)主要受底部主變壓器在諧波電流激勵(lì)下產(chǎn)生交變的電磁激勵(lì)(如磁致伸縮力和洛倫茲力等)影響[9]。②軸箱垂向和縱向除電磁激勵(lì)作用外，低頻部分存在23、46、54、58、79、108 Hz等頻率，考慮到牽引變流器內(nèi)部存在換熱器風(fēng)機(jī)(轉(zhuǎn)速3 390 r/min，轉(zhuǎn)頻56.5 Hz)和斬波器風(fēng)機(jī)等，機(jī)械間內(nèi)存在牽引風(fēng)機(jī)(電機(jī)頻率60 Hz，轉(zhuǎn)速3 530 r/min，轉(zhuǎn)頻58.8 Hz)和水冷設(shè)備，這些頻率成分與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)頻及倍頻等氣動(dòng)激勵(lì)和水冷設(shè)備有關(guān)，但由于風(fēng)機(jī)質(zhì)量小，對(duì)軸箱等激勵(lì)作用有限。

由圖3(b)可以看出：①勻速工況下軸箱振動(dòng)仍然以0～250 Hz頻率范圍的低頻為主，除了50、100和200 Hz等電磁激勵(lì)頻率外，出現(xiàn)95 Hz為主的激勵(lì)作用，且頻段分布較待車(chē)工況更加密集，呈現(xiàn)寬頻帶特征，如30～80 Hz、100～150 Hz、180～250 Hz等頻段幾乎每隔幾Hz就出現(xiàn)一個(gè)峰值。②低頻段除了受電磁激勵(lì)和風(fēng)機(jī)等氣動(dòng)激勵(lì)微小作用外，由于輪對(duì)磨損失圓，仍會(huì)引起軸箱的低階振動(dòng)[3]，如34、95 Hz等。③存在551 Hz的高階激勵(lì)，且對(duì)橫向激勵(lì)作用強(qiáng)于垂向和縱向，根據(jù)HXD1型電力機(jī)車(chē)的傳動(dòng)比106/17，車(chē)輪直徑1.25 m，由此可知551 Hz頻率主要由齒輪嚙合傳動(dòng)引起[10]。

圖3 不同工況下的軸箱振動(dòng)頻譜

由軸箱和車(chē)體的振動(dòng)加速度，可以計(jì)算出勻速工況下垂向、縱向和橫向的振動(dòng)傳遞率分別為33.7、27.9、22.2，惡劣工況下垂向、縱向和橫向的振動(dòng)傳遞率分別為34.2、23.5、19.8。表明軸箱振動(dòng)經(jīng)一系、二系彈簧減振后振動(dòng)明顯減弱，不同工況下的垂向振動(dòng)傳遞率變化不大，但縱向和橫向的振動(dòng)傳遞率因工況惡劣變化而降低，振動(dòng)傳遞性能變差。

圖4所示的傳遞函數(shù)分析以軸箱振動(dòng)為基礎(chǔ)，從頻域角度分析振動(dòng)傳遞特性?？梢钥闯觯捍瓜蛘駝?dòng)的傳遞僅局限在2、6 Hz這樣的低頻，20 Hz以上頻率幾乎被抑制；縱向振動(dòng)在1、7、13 Hz有一定的振動(dòng)傳遞，其余頻率振動(dòng)傳遞很微小；橫向振動(dòng)僅在微小的低頻段有振動(dòng)傳遞。

圖4 傳遞函數(shù)分析

3.2 地板梁及牽引變流器柜腳的振動(dòng)頻域分析

針對(duì)待車(chē)工況下地板梁和牽引變流器柜腳進(jìn)行振動(dòng)頻譜分析，結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯觯孩俅?chē)工況的激勵(lì)以電磁激勵(lì)為主，表現(xiàn)為50 Hz的倍頻，如100、200、300、1 000 Hz等成分。②在0～100 Hz低頻部分，除了50 Hz電源頻率外，存在27、54、56、58、68、74、78、86 Hz等頻率成分，考慮到換熱器風(fēng)機(jī)額定轉(zhuǎn)頻為56.5 Hz，牽引風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)頻58.8 Hz，機(jī)械間存在水冷設(shè)備等，這些低頻成分可能為風(fēng)機(jī)及水冷設(shè)備引起，但激勵(lì)作用微小。③在250～300 Hz頻段，存在244、257、264、286 Hz等頻率成分，多與風(fēng)機(jī)及牽引電機(jī)倍頻相近，推測(cè)為風(fēng)機(jī)氣動(dòng)激勵(lì)所致。

圖5 待車(chē)工況下地板梁及牽引變流器柜腳振動(dòng)頻譜

圖6為勻速工況下地板梁和牽引變流器柜腳的振動(dòng)頻譜。

圖6 勻速工況下地板梁及牽引變流器柜腳振動(dòng)頻譜

由圖6(a)可以看出：①電力機(jī)車(chē)勻速運(yùn)行工況下，仍以電磁激勵(lì)為主，且激勵(lì)幅值較待車(chē)工況下明顯增強(qiáng)。②在0～100 Hz低頻段，頻譜分布較待車(chē)工況下明顯密集，峰值頻率包括0～10 Hz范圍內(nèi)低頻，以及15、18、34、44、53、72、77、83、88 Hz等頻率。③對(duì)比軸箱頻譜結(jié)果及傳遞特性，0～10 Hz低頻段為軸箱振動(dòng)傳遞所致，34 Hz與輪對(duì)失圓有關(guān)。

由圖6(b)可以看出：①牽引變流器柜腳的頻譜分布規(guī)律和地板梁類(lèi)似，在200 Hz以上以電磁激勵(lì)作用為主。②低頻段分布密集，存在0～20 Hz低頻，以及34、44、55、72、77、83、88、94 Hz等峰值頻率。

3.3 牽引變流器的部件振動(dòng)頻域分析

為了解牽引變流器內(nèi)部各部件的振動(dòng)特性，針對(duì)牽引變流器內(nèi)部的功率模塊、傳動(dòng)控制箱和換熱器風(fēng)機(jī)等部件進(jìn)行振動(dòng)頻域分析。

圖7為待車(chē)工況下的換熱器風(fēng)機(jī)、傳動(dòng)控制箱和功率模塊振動(dòng)頻譜。可以看出：①對(duì)于待車(chē)工況，換熱器風(fēng)機(jī)振動(dòng)幅值最大，傳動(dòng)控制箱次之，功率模塊的振動(dòng)最弱。②對(duì)于換熱器風(fēng)機(jī)，振動(dòng)集中于0～300 Hz和600 Hz周?chē)?，且低頻段峰值頻率分布密集，除電源倍頻100 Hz外，主要受風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)頻和氣動(dòng)激勵(lì)作用，特征頻率包括56、65、76、83、120、166、194、262、270、286 Hz等作用，在1 100～1 600 Hz頻段存在多個(gè)峰值頻率且分布密集，主要受電磁激勵(lì)作用。③對(duì)于傳動(dòng)控制箱，頻譜分布較為規(guī)律，主要集中在100、600、800 Hz周?chē)?，表現(xiàn)為100、572、590、600、779、786、798 Hz等特征頻率，且受風(fēng)機(jī)影響導(dǎo)致低頻部分存在58、261、266、288 Hz等頻率成分。④對(duì)于功率模塊，振動(dòng)幅值較小，受風(fēng)機(jī)影響存在0～100 Hz密集頻率和286 Hz等頻率成分，且受電磁激勵(lì)作用存在100、200、600 Hz等頻率，受傳動(dòng)控制箱影響，存在786、798 Hz等激勵(lì)頻率。

圖7 待車(chē)工況下的牽引變流器部件振動(dòng)頻譜

圖8為勻速工況下的換熱器風(fēng)機(jī)、傳動(dòng)控制箱和功率模塊振動(dòng)頻譜，惡劣工況的頻譜特征與之基本相似，故未列出。由圖8可以看出：①對(duì)比待車(chē)工況頻譜結(jié)果，電力機(jī)車(chē)運(yùn)行工況下的頻譜分布復(fù)雜且幅值增大，在低頻段分布更加密集，存在15、34 Hz等待車(chē)工況不存在的頻率，為車(chē)體底部傳遞過(guò)來(lái)的激勵(lì)。②對(duì)于換熱器風(fēng)機(jī)振動(dòng)，主要集中于0～100 Hz低頻段以及600 Hz和100 Hz的電磁激勵(lì)頻率，低頻段的峰值頻率為15、34、56、66、72、76、83 Hz等頻率，在100～300 Hz頻段存在120、166、194、244、263、271、286、326等頻率作用，在1 000～1 600 Hz頻段的峰值頻率較密集，考慮主要是電磁激勵(lì)引起。③對(duì)于傳動(dòng)控制箱振動(dòng)，主要集中于0～100 Hz低頻和800 Hz電磁激勵(lì)頻率周?chē)?，低頻段的峰值頻率為15、34、45、55、72 Hz，在800 Hz附近峰值頻率為777、785、797 Hz等頻率，另外還存在286、414、589 Hz等頻率，這些頻率主要受車(chē)體振動(dòng)傳遞、電磁激勵(lì)和風(fēng)機(jī)激勵(lì)等作用。④對(duì)于功率模塊振動(dòng)，主要受電磁激勵(lì)影響，且振動(dòng)幅值較待車(chē)工況明顯增強(qiáng)，這是因?yàn)楣β誓K在待車(chē)工況下未輸出牽引功率，而在勻速工況下利用IGBT器件的開(kāi)關(guān)作用向牽引電機(jī)輸出很大的牽引功率，電磁激勵(lì)頻率主要包括800、900、1 000、1 100、1 500、1 550 Hz等頻率，其中900 Hz頻率處的振動(dòng)最大，與功率模塊中的IGBT器件開(kāi)關(guān)頻率450 Hz的2倍頻有關(guān)，這是由于功率模塊內(nèi)部集成了電容，電容極板在交流條件下工作會(huì)產(chǎn)生交變電磁力，從而引起電容的振動(dòng)，進(jìn)而傳遞至功率模塊以及牽引變流器柜體和其他安裝部件(如傳動(dòng)控制箱在900 Hz頻率處的振動(dòng)較大)[11]；功率模塊在低頻段受風(fēng)機(jī)振動(dòng)和車(chē)體振動(dòng)傳遞作用，主要峰值頻率有15、34、45、55、72 Hz，除此還存在414、827、1 242、1 562 Hz等頻率成分。

圖8 勻速工況下的牽引變流器部件振動(dòng)頻譜

3.4 牽引變流器的模態(tài)分析

從前面的分析可知，換熱器風(fēng)機(jī)在低頻段的振動(dòng)幅值大且峰值頻率分布密集。為了解換熱器風(fēng)機(jī)在牽引變流器柜體中的固有頻率特性，針對(duì)牽引變流器建立有限元模型進(jìn)行模態(tài)分析。網(wǎng)格尺寸設(shè)置為5 mm，鈑金件制作的結(jié)構(gòu)件劃分成以四邊形為主、極少數(shù)為三角形的殼單元，其余部件劃分成以六面體為主、極少數(shù)為五面體的體單元，焊縫和螺栓連接采用剛性單元進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，牽引變流器底部安裝孔設(shè)置為約束。

從模態(tài)分析結(jié)果可知，由于牽引變流器柜體的柜門(mén)和壁板面積大，低階固有頻率對(duì)應(yīng)的模態(tài)振型主要出現(xiàn)在剛度小的柜門(mén)和壁板上。圖9為牽引變流器第42階固有頻率(43.7 Hz)的模態(tài)振型，換熱器風(fēng)機(jī)采用側(cè)向安裝的方式，一階彎曲模態(tài)表現(xiàn)為橫向的跳動(dòng)，在輪對(duì)傳遞至車(chē)體和牽引變流器的激勵(lì)，以及牽引變流器內(nèi)部激勵(lì)源的作用下，容易造成換熱器風(fēng)機(jī)橫向振動(dòng)超標(biāo)。傳動(dòng)控制箱依靠法蘭沿橫向安裝在柜體上，其安裝方式容易引起傳動(dòng)控制箱的橫向振動(dòng)超標(biāo)[8]。在后續(xù)的減振設(shè)計(jì)中，需要結(jié)合線路振動(dòng)測(cè)試的特性以及牽引變流器的結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行綜合考慮。

圖9 牽引變流器的模態(tài)振型

4 結(jié)論

(1)軸箱在待車(chē)工況下的振動(dòng)主要受車(chē)體底部主變壓器電磁激勵(lì)作用，表現(xiàn)峰值頻率為電源倍頻；運(yùn)行狀態(tài)下的振動(dòng)遠(yuǎn)高于待車(chē)工況，且隨著工況惡劣變化而加劇，垂向振動(dòng)強(qiáng)于縱向和橫向，頻譜密集且以低頻為主。

(2)牽引變流器工作環(huán)境復(fù)雜，主要振源包括車(chē)體底部主變壓器電磁激勵(lì)、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)頻激勵(lì)、輪軌傳遞的低頻振動(dòng)以及牽引變流器內(nèi)部各部件間的振動(dòng)等。

(3)換熱器風(fēng)機(jī)的振動(dòng)受風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)頻及其倍頻作用、車(chē)體振動(dòng)傳遞以及電磁激勵(lì)等影響，安裝基礎(chǔ)的固有頻率較低，導(dǎo)致勻速工況和惡劣工況下的橫向振動(dòng)分別超標(biāo)59.68%和67.44%；傳動(dòng)控制箱的振動(dòng)受車(chē)體振動(dòng)傳遞、電磁激勵(lì)和風(fēng)機(jī)激勵(lì)等作用，勻速工況和惡劣工況下的橫向振動(dòng)分別超標(biāo)15.56%和30.97%；功率模塊的振動(dòng)受電容電磁振動(dòng)、風(fēng)機(jī)振動(dòng)和車(chē)體振動(dòng)傳遞等作用，頻譜峰值出現(xiàn)在IGBT器件開(kāi)關(guān)頻率的2倍頻。實(shí)際線路振動(dòng)測(cè)試可為解決車(chē)載設(shè)備振動(dòng)失效問(wèn)題提供指導(dǎo)。