HXD1G型電力機(jī)車牽引變流器功率模塊的振動(dòng)測(cè)試及分析

丁 杰，王 麗，陳 緣，顏心戀

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

為了更好更快地運(yùn)送旅客與貨物，鐵路運(yùn)輸正在向高速與重載方向發(fā)展。然而受地形、氣候和線路等因素的影響，電力機(jī)車的運(yùn)行環(huán)境非常惡劣，愈發(fā)凸顯的振動(dòng)問(wèn)題引起了人們的高度關(guān)注。

David[1]系統(tǒng)性研究了鐵路系統(tǒng)振動(dòng)噪聲的產(chǎn)生機(jī)理、仿真建模與優(yōu)化控制。張衛(wèi)華 等[2]針對(duì)鐵路機(jī)車狀態(tài)評(píng)估問(wèn)題，將機(jī)車狀態(tài)進(jìn)行了分類，從剩余壽命預(yù)測(cè)、修程修制等方面進(jìn)行了文獻(xiàn)綜述。Tao et al.[3]分析了車輪多邊形化對(duì)輪軌相互作用、振動(dòng)噪聲和結(jié)構(gòu)件疲勞失效的影響。楊云帆 等[4]針對(duì)國(guó)內(nèi)某型號(hào)電力機(jī)車頻繁發(fā)生異常振動(dòng)報(bào)警問(wèn)題進(jìn)行了車輪非圓化磨耗測(cè)試，發(fā)現(xiàn)車輪高階非圓化磨耗是電力機(jī)車異常振動(dòng)的主要原因。王永勝 等[5]通過(guò)添乘測(cè)試發(fā)現(xiàn)某型機(jī)車牽引變流器振動(dòng)主要源于車輪失圓，利用實(shí)測(cè)譜對(duì)牽引變流器的整柜減振方案進(jìn)行了仿真對(duì)比計(jì)算，確定了減振方案的減振效果。Shireesha et al.[6]針對(duì)電力機(jī)車的懸架系統(tǒng)建立了動(dòng)力學(xué)模型并分析了不同控制策略對(duì)電力機(jī)車車體振動(dòng)的影響。Spangenberg[7]針對(duì)南非境內(nèi)的重載貨運(yùn)機(jī)車結(jié)構(gòu)件疲勞故障問(wèn)題進(jìn)行了測(cè)試與分析，發(fā)現(xiàn)牽引變流器諧波導(dǎo)致?tīng)恳妱?dòng)機(jī)、輪對(duì)的耦合共振。劉志偉 等[8]建立了包含柔性輪對(duì)的重載機(jī)車剛?cè)狁詈夏Ｐ?，通過(guò)仿真計(jì)算獲得了輪對(duì)、構(gòu)架和車體的振動(dòng)響應(yīng)，分析了波磨對(duì)振動(dòng)響應(yīng)的影響。雷成 等[9]采用根軌跡法分析某2B0機(jī)車車體的振動(dòng)特性，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)向架蛇行運(yùn)動(dòng)模態(tài)與車體搖頭、側(cè)滾模態(tài)的耦合共振是車體低頻橫向晃動(dòng)的主要原因，由此提出了調(diào)整減振器安裝角度和阻尼的整改方案。

本文針對(duì)HXD1G型電力機(jī)車牽引變流器功率模塊頻繁報(bào)故障問(wèn)題，進(jìn)行了添乘振動(dòng)測(cè)試與數(shù)據(jù)分析，從功率模塊的振動(dòng)加速度有效值與標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)比、時(shí)域信號(hào)、振動(dòng)頻譜等角度分析了異常功率模塊的振動(dòng)特性，并從輪對(duì)和冷卻風(fēng)機(jī)等傳遞路徑分析了異常功率模塊的振動(dòng)來(lái)源。振動(dòng)測(cè)試及分析可為功率模塊與冷卻風(fēng)機(jī)的減振優(yōu)化提供理論指導(dǎo)。

1 電力機(jī)車的振動(dòng)測(cè)試方案

HXD1G型準(zhǔn)高速客運(yùn)電力機(jī)車是在既有的和諧系列電力機(jī)車基礎(chǔ)上，考慮客運(yùn)專線要求研制而成的八軸交流傳動(dòng)快速客運(yùn)電力機(jī)車。HXD1G 0001號(hào)電力機(jī)車在試運(yùn)行期間，牽引變流器中靠近冷卻風(fēng)機(jī)的功率模塊多次出現(xiàn)接線松動(dòng)，導(dǎo)致功率模塊頻繁報(bào)故障，為此開(kāi)展了添乘振動(dòng)測(cè)試。添乘振動(dòng)測(cè)試的路線為武昌—廣州段的往返，采用B&K振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和三向加速度傳感器進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試，分析頻率取3 200 Hz。振動(dòng)測(cè)點(diǎn)1和2分別位于車頭前端和車頭后端的輪對(duì)軸箱上，振動(dòng)測(cè)點(diǎn)3、4、5、6分別布置在牽引變流器柜體的左下腳、中間梁、底架梁和功率模塊安裝架前豎梁，振動(dòng)測(cè)點(diǎn)7、8、9分別布置在冷卻風(fēng)機(jī)安裝座、傳動(dòng)控制箱安裝螺栓和正常功率模塊水冷散熱器，振動(dòng)測(cè)點(diǎn)10、11、12分別布置在異常功率模塊的安裝架、水冷散熱器和電容安裝座，如圖1所示。三向加速度傳感器的縱向、橫向和垂向分別對(duì)應(yīng)車體的長(zhǎng)度、寬度和高度方向。

電力機(jī)車按正常設(shè)定速度運(yùn)行，其中武昌—長(zhǎng)沙段之間的行駛速度相對(duì)較快，部分路段速度達(dá)到130 km/h以上，而長(zhǎng)沙—廣州段之間的運(yùn)行速度相對(duì)較慢，速度基本在120 km/h以下。

圖1 振動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置

2 功率模塊的異常振動(dòng)分析

2.1 振動(dòng)加速度有效值與標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)比

根據(jù)GB/T 21563—2018《軌道交通 機(jī)車車輛設(shè)備 沖擊和振動(dòng)試驗(yàn)》要求，輪對(duì)軸箱上的振動(dòng)測(cè)點(diǎn)屬于3類，牽引變流器柜體上的振動(dòng)測(cè)點(diǎn)屬于1類A級(jí)，功率模塊、傳動(dòng)控制箱和冷卻風(fēng)機(jī)上的振動(dòng)測(cè)點(diǎn)屬于1類B級(jí)。標(biāo)準(zhǔn)提供了用于功能性振動(dòng)試驗(yàn)和模擬長(zhǎng)壽命振動(dòng)試驗(yàn)的加速度功率譜密度，其頻率范圍根據(jù)設(shè)備的質(zhì)量M來(lái)確定。對(duì)于1類A級(jí)和1類B級(jí)振動(dòng)測(cè)點(diǎn)，M≤500 kg時(shí)，f1=5 Hz，f2=150 Hz；500 kg1 250 kg時(shí)，f1=2 Hz，f2=60 Hz。對(duì)于3類振動(dòng)測(cè)點(diǎn)，f1為10 Hz，M≤50 kg時(shí)，f2=500 Hz；50 kg125 kg時(shí)，f2=200 Hz。根據(jù)設(shè)備的實(shí)際質(zhì)量可知，輪對(duì)軸箱上的振動(dòng)測(cè)點(diǎn)頻率范圍為10～200 Hz，牽引變流器柜體上的振動(dòng)測(cè)點(diǎn)頻率范圍為2～60 Hz，功率模塊、傳動(dòng)控制箱和冷卻風(fēng)機(jī)上的振動(dòng)測(cè)點(diǎn)頻率范圍均為5～150 Hz。

表1為電力機(jī)車在武昌—長(zhǎng)沙段運(yùn)行時(shí)，不同部位測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)加速度有效值與標(biāo)準(zhǔn)值的對(duì)比。由表1可以看出：(1)在標(biāo)準(zhǔn)頻率范圍內(nèi)，除異常功率模塊橫向振動(dòng)加速度有效值超出標(biāo)準(zhǔn)值外，其余測(cè)點(diǎn)各方向的振動(dòng)加速度有效值均小于標(biāo)準(zhǔn)值；(2)在0～3 200 Hz范圍內(nèi)，異常功率模塊和冷卻風(fēng)機(jī)各方向的振動(dòng)加速度有效值均超出標(biāo)準(zhǔn)值。其中，冷卻風(fēng)機(jī)垂向和橫向的振動(dòng)加速度有效值約為標(biāo)準(zhǔn)值的5倍，說(shuō)明冷卻風(fēng)機(jī)的中高頻振動(dòng)大，需要引起關(guān)注。

表1 不同部位測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)加速度有效值與標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)比 m/s2

2.2 功率模塊的時(shí)域信號(hào)分析

現(xiàn)場(chǎng)添乘發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電力機(jī)車運(yùn)行速度較快時(shí)，特別在130 km/h以上時(shí)，遇彎道等路況相對(duì)較差的路段，電力機(jī)車將會(huì)產(chǎn)生劇烈的振動(dòng)，可明顯感受到駕駛室等部位產(chǎn)生嚴(yán)重的左右搖擺晃動(dòng)，駕乘舒適性急劇下降。

圖2為振動(dòng)測(cè)點(diǎn)9和11的時(shí)域信號(hào)，對(duì)應(yīng)了正常功率模塊和異常功率模塊在不同路段的振動(dòng)時(shí)域數(shù)據(jù)。由圖2可以看出：在0～110 min時(shí)，電力機(jī)車運(yùn)行于武昌—長(zhǎng)沙段，運(yùn)行速度較高，異常功率模塊振動(dòng)測(cè)點(diǎn)的加速度出現(xiàn)明顯的沖擊信號(hào)，瞬時(shí)加速度急劇增大。經(jīng)檢查確認(rèn)，沖擊信號(hào)并非外部電磁干擾等因素造成的；110 min之后，電力機(jī)車在長(zhǎng)沙—廣州段開(kāi)行，異常功率模塊振動(dòng)測(cè)點(diǎn)的加速度相對(duì)穩(wěn)定，無(wú)明顯的沖擊信號(hào)；而整個(gè)武昌—廣州段，正常功率模塊振動(dòng)測(cè)點(diǎn)的加速度始終保持相對(duì)穩(wěn)定，無(wú)沖擊現(xiàn)象。

圖2 振動(dòng)測(cè)點(diǎn)9和11的時(shí)域信號(hào)

分別提取異常功率模塊和正常功率模塊在武昌—長(zhǎng)沙段和長(zhǎng)沙—廣州段的數(shù)據(jù)，結(jié)合電力機(jī)車行駛速度進(jìn)行對(duì)比分析。圖3為不同功率模塊的振動(dòng)加速度有效值和峭度對(duì)比，其中，工況1指異常功率模塊在武昌—長(zhǎng)沙段，工況2指異常功率模塊在長(zhǎng)沙—廣州段，工況3指正常功率模塊在武昌—廣州段。由圖3可知：

(1) 異常功率模塊在武昌—長(zhǎng)沙段的垂向、橫向和縱向的振動(dòng)加速度均為1.4 m/s2左右，在長(zhǎng)沙—廣州段的垂向、橫向和縱向的振動(dòng)加速度均為0.4 m/s2左右，與正常功率模塊振動(dòng)加速度大小相當(dāng)。

(2) 異常功率模塊在武昌—長(zhǎng)沙段的垂向、橫向和縱向的峭度分別為105.6、118.9和125.1，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于峭度正常值(正常值為3)，在長(zhǎng)沙—廣州段的垂向、橫向和縱向的峭度分別為8.4、5.9和5.3，稍大于正常值，而正常功率模塊整個(gè)路段的垂向、橫向和縱向的峭度均與正常值接近。峭度遠(yuǎn)大于3則表明機(jī)械振動(dòng)呈非高斯?fàn)顟B(tài)，其對(duì)結(jié)構(gòu)件的損傷非常嚴(yán)重。

(3) 采用振動(dòng)積分求位移的方法，異常功率模塊在武昌—長(zhǎng)沙段發(fā)生沖擊時(shí)，其位移量大于0.2 mm，而正常功率模塊位移量小于0.02 mm。異常功率模塊位移量是正常功率模塊和牽引變流器柜體的10倍左右，說(shuō)明沖擊發(fā)生時(shí)，異常功率模塊相對(duì)于牽引變流器柜體和正常功率模塊產(chǎn)生了相對(duì)移動(dòng)，即異常功率模塊極有可能已經(jīng)產(chǎn)生了松動(dòng)。

圖3 不同功率模塊的振動(dòng)加速度和峭度對(duì)比

2.3 功率模塊的振動(dòng)頻譜分析

為進(jìn)一步分析功率模塊的振動(dòng)特性，對(duì)異常功率模塊和正常功率模塊在武昌—長(zhǎng)沙段和長(zhǎng)沙—廣州段的數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，不同功率模塊的振動(dòng)頻譜如圖4所示，由圖4可以看出：

(1) 電力機(jī)車運(yùn)行于長(zhǎng)沙—廣州段時(shí)，異常功率模塊和正常功率模塊振動(dòng)頻譜特性基本相同，振動(dòng)頻譜主要包括1 Hz低頻振動(dòng)和52～70 Hz振動(dòng)。

(2) 電力機(jī)車運(yùn)行于武昌—長(zhǎng)沙段時(shí)，異常功率模塊振動(dòng)產(chǎn)生劇烈變化，振動(dòng)頻率演變?yōu)?個(gè)突出的振動(dòng)峰值頻率，垂向、橫向、縱向3個(gè)方向的振動(dòng)頻譜峰值頻率均為1 Hz和58 Hz。

(3) 除了功率模塊以外的振動(dòng)測(cè)點(diǎn)(如電容安裝座、功率模塊安裝支架等)，在武昌—長(zhǎng)沙段和長(zhǎng)沙—廣州段均表現(xiàn)出相同的振動(dòng)頻譜特性。

2.4 功率模塊的時(shí)頻域分析

功率模塊通過(guò)螺栓固定在牽引變流器柜體內(nèi)部，其振動(dòng)特性受到牽引變流器內(nèi)部其他設(shè)備傳遞至柜體的振動(dòng)以及輪對(duì)經(jīng)車體傳遞至牽引變流器柜體的振動(dòng)共同作用。圖5為異常功率模塊和正常功率模塊在武昌—長(zhǎng)沙段運(yùn)行時(shí)的垂向振動(dòng)時(shí)頻圖，其他方向的結(jié)果未列出。由圖5可以看出，異常功率模塊和正常功率模塊均存在非常明顯的58 Hz振動(dòng)頻率。因此，有必要深入分析功率模塊的振動(dòng)來(lái)源。

圖4 不同功率模塊的振動(dòng)頻譜對(duì)比

圖5 武昌—長(zhǎng)沙段不同功率模塊的垂向振動(dòng)時(shí)頻圖

3 功率模塊的振動(dòng)來(lái)源分析

3.1 輪對(duì)的振動(dòng)分析

通過(guò)振動(dòng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，輪對(duì)振動(dòng)是電力機(jī)車振動(dòng)的主要來(lái)源，其振動(dòng)特征也將對(duì)駕駛室、牽引變流器柜體等部件振動(dòng)構(gòu)成影響。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電力機(jī)車高速通過(guò)彎道或分岔路口時(shí)，會(huì)產(chǎn)生劇烈的左右晃動(dòng)，低頻振動(dòng)顯??；遇平直路段時(shí)，電力機(jī)車運(yùn)行則相對(duì)平穩(wěn)。下面將電力機(jī)車運(yùn)行分為平穩(wěn)運(yùn)行和沖擊2種工況，分別處理其頻譜特征。

平穩(wěn)運(yùn)行工況時(shí)，電力機(jī)車運(yùn)行速度平穩(wěn)，輪對(duì)振動(dòng)無(wú)明顯沖擊現(xiàn)象，時(shí)域加速度數(shù)據(jù)無(wú)突變現(xiàn)象。圖6和圖7分別為電力機(jī)車以90 km/h平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)的輪對(duì)軸箱和牽引變流器柜體中間梁的振動(dòng)結(jié)果?？梢钥闯觯?/p>

(1) 電力機(jī)車以較低速度(圖6(a)中顯示電力機(jī)車速度有小幅變化)平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)，電力機(jī)車主要頻率為58 Hz，其中垂向和橫向振動(dòng)相對(duì)較大。

圖6 平穩(wěn)運(yùn)行工況時(shí)輪對(duì)軸箱的振動(dòng)頻譜圖

圖7 平穩(wěn)運(yùn)行工況時(shí)牽引變流器柜體中間梁的振動(dòng)頻譜圖

(2) 牽引變流器柜體振動(dòng)主要包括垂向55～65 Hz的寬頻振動(dòng)，峰值頻率為58 Hz，而橫向振動(dòng)主要包括1 Hz和12 Hz兩個(gè)頻率，橫向振動(dòng)時(shí)頻圖顯示58 Hz存在一個(gè)較大振動(dòng)峰值以及與車速有關(guān)的振動(dòng)特征。

沖擊工況時(shí)，時(shí)域振動(dòng)峰值顯著增大，輪對(duì)軸箱和牽引變流器柜體中間梁的振動(dòng)結(jié)果如圖8所示?？梢钥闯觯?/p>

(1) 前后端2組輪對(duì)的振動(dòng)頻率存在顯著區(qū)別，前端輪對(duì)(1軸)以垂向振動(dòng)為主，頻率為45～70 Hz，峰值頻率為53 Hz，后端輪對(duì)(2軸)振動(dòng)以1 Hz為主；

(2) 牽引變流器柜體1 Hz頻率處的振動(dòng)大幅增大，較平穩(wěn)運(yùn)行工況增大50%以上。

圖8 沖擊工況時(shí)輪對(duì)軸箱和牽引變流器柜體中間梁的振動(dòng)頻譜圖

3.2 冷卻風(fēng)機(jī)的振動(dòng)分析

冷卻風(fēng)機(jī)作為牽引變流器內(nèi)部主要振源之一，會(huì)對(duì)功率模塊、傳動(dòng)控制箱等部件振動(dòng)構(gòu)成影響。牽引變流器中的冷卻風(fēng)機(jī)為軸流風(fēng)機(jī)，標(biāo)稱轉(zhuǎn)速為3 500 r/min，工作基頻約為58 Hz。冷卻風(fēng)機(jī)采用4個(gè)葉片，工作時(shí)會(huì)存在倍頻。

圖9和圖10分別為冷卻風(fēng)機(jī)安裝座的振動(dòng)頻譜圖和振動(dòng)時(shí)頻圖。由圖9和圖10可知：

(1) 冷卻風(fēng)機(jī)振動(dòng)主要在850～1 100 Hz的高頻振動(dòng)區(qū)間，但對(duì)結(jié)構(gòu)影響較大的低頻振動(dòng)主要包括58 Hz、174 Hz、232 Hz、290 Hz和346 Hz等振動(dòng)頻率，其中58 Hz為風(fēng)機(jī)的基頻，其余頻率均為風(fēng)機(jī)的倍頻。

(2) 對(duì)垂向振動(dòng)影響較大的為6倍頻(346 Hz與之相近)，對(duì)橫向振動(dòng)影響較大的為基頻58 Hz，對(duì)縱向振動(dòng)影響較大為的3倍頻(174 Hz)和4倍頻(232 Hz)，冷卻風(fēng)機(jī)2倍頻的振動(dòng)很小。

圖9 冷卻風(fēng)機(jī)安裝座的振動(dòng)頻譜圖

圖10 冷卻風(fēng)機(jī)安裝座的振動(dòng)時(shí)頻圖

結(jié)合輪對(duì)的振動(dòng)特點(diǎn)可知，電力機(jī)車以正常速度行駛時(shí)(速度為80～130 km/h)，輪對(duì)產(chǎn)生的50～75 Hz的垂向振動(dòng)與冷卻風(fēng)機(jī)振動(dòng)頻率非常接近，極易產(chǎn)生共振，異常功率模塊靠近冷卻風(fēng)機(jī)，因此導(dǎo)致異常功率模塊振動(dòng)增大，與現(xiàn)場(chǎng)表現(xiàn)出接線松動(dòng)的故障完全吻合。

3.3 冷卻風(fēng)機(jī)的減振優(yōu)化

針對(duì)冷卻風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率對(duì)功率模塊的影響，在冷卻風(fēng)機(jī)安裝座與牽引變流器柜體之間增加一層橡膠墊，冷卻風(fēng)機(jī)安裝座的垂向、橫向和縱向的振動(dòng)頻譜圖如圖11所示。與圖9相比可以看出，增加橡膠墊后可以降低冷卻風(fēng)機(jī)的振動(dòng)加速度有效值，提高冷卻風(fēng)機(jī)應(yīng)用的可靠性。冷卻風(fēng)機(jī)通過(guò)其安裝座傳遞至牽引變流器柜體的振動(dòng)特性也得到明顯改善，有效解決了功率模塊的振動(dòng)故障，確保了牽引變流器的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

圖11 減振優(yōu)化后的冷卻風(fēng)機(jī)安裝座振動(dòng)頻譜圖

4 結(jié)論

(1) 電力機(jī)車在武昌—長(zhǎng)沙段運(yùn)行時(shí)，運(yùn)行速度較高，遇彎道或分岔路口會(huì)在異常功率模塊上產(chǎn)生明顯的沖擊信號(hào)，振動(dòng)加速度有效值增大至正常值的3倍左右，峭度達(dá)到100以上，呈非高斯振動(dòng)狀態(tài)，對(duì)結(jié)構(gòu)損傷影響很大；

(2) 輪對(duì)激勵(lì)頻率50～75 Hz與冷卻風(fēng)機(jī)工作基頻58 Hz耦合，異常功率模塊距離冷卻風(fēng)機(jī)的安裝位置較近，是牽引變流器功率模塊頻繁報(bào)故障的根本原因；

(3) 對(duì)冷卻風(fēng)機(jī)進(jìn)行減隔振處理，可以減小冷卻風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)頻對(duì)牽引變流器功率模塊等部件的影響，同時(shí)防止輪對(duì)激勵(lì)頻率與冷卻風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)共振，減小對(duì)冷卻風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)損傷。