沈陽地鐵電客車振動問題的研究與解決措施探討

王鑫，魏紅梅

（沈陽地鐵集團有限公司，沈陽 110141）

隨著全國城市軌道交通的飛速發(fā)展，人們的出行越來越便捷，地鐵也逐步成為人們出行的首選交通工具。與此同時，地鐵的舒適度也越來越受到人們的重視，振動和噪聲是評估舒適度的重要標準。沈陽地鐵1號線電客車整體舒適性良好，但在現(xiàn)場驗收過程中發(fā)現(xiàn)某列車的客室地板存在異常振動問題，而后期沈陽地鐵9號線電客車也出現(xiàn)了批量性振動問題。經(jīng)對沈陽地鐵1號線電客車進行振動測定，其振動加速度達到0.41 m/s2，如圖1所示，而9號線電客車的振動加速度達到了1.229 m/s2，均大于GB/T 13441.1—2007《機械振動與沖擊人體暴露于全身振動的評價》標準中規(guī)定的人體舒適參考值0.315 m/s2。文中通過從振動來源入手［1］，分析沈陽地鐵1號線電客車振動問題，找出引起其振動的主要原因，并根據(jù)電客車變壓器安裝結(jié)構(gòu)及沈陽地鐵1號線、9號線的實際解決經(jīng)驗提出具體解決措施，以解決相關(guān)振動問題，提高電客車運行舒適性。

圖1 通電時地板振動頻譜

1 振動原因分析

1.1 振動來源

經(jīng)現(xiàn)場判斷，地板振動較大點其下方正對輔助變壓器，通過進行現(xiàn)場實測，振動主要表現(xiàn)為100 Hz的電磁振動如圖1所示，而變壓器磁致伸縮效應(yīng)引起的電磁振動頻率也為100 Hz（一般表現(xiàn)為電源頻率的2倍，并具有明顯的諧波特征），因此客室地板的振動由輔助變壓器振動引起的可能性較大。

對振動的可能性進行如下排查：

（1）使用1臺全新變壓器更換振動側(cè)變壓器，更換后振動依然存在。

（2）將整體變壓器下車（脫離車體）后啟動輔助系統(tǒng)，振動完全消失。

因此，地板振動來源于輔助變壓器箱體。

1.2 振動原因

沈陽地鐵1號線每列車含2臺輔助變壓器（分布在1/6車），異常振動問題僅發(fā)生在單獨列車的單側(cè)變壓器地板上方。從實際情況分析，異常振動可能由2個方面引起：一是振動側(cè)變壓器本身振動較大引起異常振動（振源）；二是振動在傳播過程中車身結(jié)構(gòu)對變壓器產(chǎn)生的電磁振動進行了放大，即在從變壓器—吊耳—車體梁—波紋板—減振隔音材料—地板傳輸過程中存在共振/局部共振放大的可能性（傳輸途徑）。

針對上述振動引起的可能性，通過將地板振動較大的變壓器與其他列車地板振動較小變壓器進行對調(diào)，發(fā)現(xiàn)振動并未隨變壓器轉(zhuǎn)移，因此異常振動不是由變壓器本身振動過大引起；針對第2種可能性，從傳播途徑中找到對100 Hz振動起放大作用的部件，并針對性地進行整改，總體思路為：在電客車斷電條件下，通過使用滿足力信號質(zhì)量外部脈沖力獲得所需頻域內(nèi)（100 Hz附近）的動態(tài)響應(yīng)，來判斷傳輸過程中存在共振/局部共振的具體部位。即通過敲擊變壓器吊耳、車體梁、波紋板和地板以施加一個脈沖激勵，然后在各測點得到力—加速度相干系數(shù)曲線［2］，以此判斷對振動起放大作用的部件。振動測試過程如下。

1.2.1 測試點選擇

車上測試點選取地板振動最大點，車下測試點選擇變壓器吊耳、吊耳附近吊梁、波紋板、地板如圖2所示。

圖2 測試點圖示

1.2.2 力信號質(zhì)量判斷

使用力錘敲擊吊耳，力信號在500 Hz以及基本保持為直線，如圖3所示，因此力信號質(zhì)量滿足要求。

圖3 力信號頻譜曲線

1.2.3振動測試

（1）錘擊變壓器吊耳

力錘敲擊吊耳時，力錘激勵與吊耳測點、車體梁測點、地板測點之間的力—加速度傳遞函數(shù)圖形如圖4所示，吊耳和車體梁對100 Hz附近的振動響應(yīng)有明顯的放大作用。

圖4 力到吊耳、車體梁、地板測點的傳遞函數(shù)（錘擊吊耳）

（2）錘擊車體梁

力錘敲擊車體梁時，力錘激勵與吊耳、車體梁、地板測點之間的力—加速度傳遞函數(shù)圖形如圖5所示，吊耳、車體梁對100 Hz附近的振動響有明顯的放大作用。

圖5 力到吊耳、車體梁、地板測點的傳遞函數(shù)（錘擊車體梁）

（3）錘擊波紋板

力錘敲擊波紋板時，力錘激勵與變壓器吊耳、車體梁、車地板測點之間的力—加速度傳遞函數(shù)圖形如圖6所示，在波紋板時施加激勵時，傳遞到吊耳、車體梁、車地板的振動在100 Hz附近沒有明顯放大現(xiàn)象。

圖6 力到地板測點傳遞函數(shù)（錘擊波紋板）

（4）錘擊地板

力錘敲擊車地板時，力錘激勵與地板測點之間的力—加速度傳遞函數(shù)如圖7所示，地板傳遞函數(shù)在100 Hz附近沒有明顯的波峰，排除地板共振的可能性。

圖7 力到地板測點傳遞函數(shù)（錘擊地板）

通過上述振動測量，發(fā)現(xiàn)吊耳、車體梁均對100 Hz附近的頻率具有放大作用，波紋板及地板則在100 Hz頻率附近對振動沒有明顯的放大作用，可排除地板和波紋板共振的可能性，因此地板振動很可能與變壓器吊耳或者車體（吊耳與車體剛性連接）振動的放大有關(guān)，推測是由于工藝、裝配和材料的差異性引起，這種差異性將使得部分局部模態(tài)頻率發(fā)生變化，從而改變車體結(jié)構(gòu)的動力學(xué)特性。主要原因為底架工件間焊接可能存在缺陷：由于底架波紋板與底架主橫梁采用電阻焊方式進行焊接。在受到電流、電壓、人工操作等多種因素影響，工件間焊接存在缺陷的可能性。

2 解決措施

為解決振動問題，可從變壓器（振源側(cè)）、傳播路徑（吊耳、車體梁、波紋板、減振隔音材料）2個方面入手，切斷或減小振動振幅以解決振動問題［3］，措施如下。

2.1 振源側(cè)

在變壓器箱體內(nèi)吊裝螺栓與吊梁間增加減振墊以切斷振動傳遞路徑，此方法可有效解決該類振動問題，但需要將變壓器吊裝孔擴大，不滿足變壓器箱本身的互換性，一般該方案適用于批量整改。由于沈陽地鐵1號線只針對個別列車振動問題，選用此方案對后續(xù)運營、維護工作的統(tǒng)一性會產(chǎn)生一定影響，故未采取該方法進行整改，而沈陽地鐵9號線電客車普遍存在振動問題，且最大振動加速度值達到了1.229 m/s2，通過該措施整改后將垂向加速度值降低至0.05 m/s2以下，如圖8所示，完全滿足了GB/T 13441.1標準的規(guī)定值。

圖8 9號線電客車振動整改前后振動測試值及整改圖示

2.2 傳播路徑

2.2.1 吊耳

在含變壓器箱體與車體吊裝螺栓處安裝隔振器/減振墊的方案，針對個別電客車進行的振動整改影響變壓器的可互換性，可由地鐵方權(quán)衡后決定。

2.2.2 車體梁

對變壓器箱處橫梁進行加強，或在變壓器附近的波紋板和主橫梁之間增加焊點，可一定程度地提高局部剛度及強度，此種方案減震效果較小，用于振動幅值微調(diào)。此種方案在沈陽地鐵9號線單列使用如圖9所示，但振動幅度調(diào)制較小，故未采用該方案進行批量整改。

圖9 9號線電客車橫梁加強前后圖示

2.2.3 波紋板

通過對波紋板及車體梁等部位噴涂阻泥漿，可一定程度減小振動振幅，此種方案減震效果較小，用于振動微調(diào)。此種方案在沈陽地鐵9號線單個試驗列車使用，在安裝變壓器箱體對應(yīng)車體下方的波紋板上噴涂阻泥漿如圖10所示，但振動幅度調(diào)制較小，故未采用該方案進行批量整改。

圖10 沈陽9號線電客車橫梁加強前后圖示

2.2.4 優(yōu)化減振隔音材料

通過局部區(qū)域選用減振隔音性能較好的阻尼材料，并對所選區(qū)域進行連續(xù)鋪設(shè)，從而增加減振隔音的效果。對不同減振材料進行試驗驗證后，選取對共振頻率段減振效果較好的材質(zhì)進行填充如圖11所示。沈陽地鐵1號線的單列電客車在使用該方案后，振動加速度降至0.273 m/s2，符合GB/T 13441.1標準的相關(guān)規(guī)定，且未對部件互換性產(chǎn)生影響。

圖11 沈陽1號線亞羅弗減振材料填充方案

2.2.5 測定共振位置并進行局部加強

通過試驗測試定位車體梁共振發(fā)生的具體位置并進行局部剛度加強，或通過安裝質(zhì)量塊等措施予以解決，此方法所要求的技術(shù)難度較大、成本較高，且增加電客車運行時的能量消耗，一般較少采用該方案。

2.3 其他

根據(jù)所選減振方案，需對振動影響涉及部位如變壓器、吊裝螺栓、車體梁焊縫等部件進行受力校核與疲勞壽命的評估，以保證電客車在全壽命周期的運行安全。

3 結(jié)束語

通過從引起電客車地板振動問題的源頭出發(fā)，排查出引起振動的主要原因是吊耳及車體梁對振動的放大作用，針對上述原因提出從切斷振源、減小振幅2個途徑解決振動問題，并根據(jù)電客車變壓器安裝結(jié)構(gòu)及沈陽地鐵1號線、9號線實際應(yīng)用經(jīng)驗提出具體解決措施，以期對其他軌道客車出現(xiàn)的此類振動問題提供相應(yīng)解決經(jīng)驗。