CR400BF 型動車組輔助變流器主風(fēng)扇結(jié)構(gòu)故障原因探究

賈 潞，金 煒

（1 中國鐵路北京局集團(tuán)有限公司，北京 100860；2 中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)公司 機(jī)車車輛研究所，北京 100081）

CR400BF 型動車組輔助供電系統(tǒng)由輔助變流器、充電機(jī)和蓄電池、應(yīng)急逆變器等組成。分別在TC01、TC08 車（為 ACU-A 型）和 TP03、TP06 車（為 ACU-B 型）上設(shè)4 臺輔助變流器。輔助變流器將來自牽引變流器中間直流電轉(zhuǎn)換成三相交流電為輔助系統(tǒng)供電，在動車組過分相區(qū)時，可以通過牽引變流器中間電路將牽引電機(jī)發(fā)出的電轉(zhuǎn)換成三相交流電繼續(xù)供給輔助系統(tǒng)。

輔助變流器采用強(qiáng)迫風(fēng)冷方式，主風(fēng)扇是為PWMI 功率模塊、變壓器、電抗器等電氣部件散熱的核心裝置。輔助變流器工作時主風(fēng)扇從外界向變流器內(nèi)部抽入冷空氣，冷空氣經(jīng)由安裝在機(jī)箱前部的進(jìn)氣格柵進(jìn)入變流器，經(jīng)過 PWMI 功率模塊的散熱器完成對功率模塊的散熱，通過風(fēng)扇后進(jìn)入到變流器臟室完成對變壓器、電抗器的冷卻，最后經(jīng)過變流器底部的排氣口排出。當(dāng)主風(fēng)扇出現(xiàn)故障時，輔助變流器的冷卻系統(tǒng)將無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)，電氣部件會報出超溫故障，從而影響輔助變流器的正常工作［1］。

1 主風(fēng)扇結(jié)構(gòu)及故障情況

1.1 風(fēng)扇結(jié)構(gòu)

主風(fēng)扇的電機(jī)采用EC 無刷直流外轉(zhuǎn)子電機(jī)，葉輪為離心式結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)控制調(diào)速及智能反饋功能，具有質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、安裝維修方便等特點(diǎn)。風(fēng)扇主要由下安裝板、立柱、上安裝板、電機(jī)、葉輪組成，如圖1 所示。

圖1 主風(fēng)扇結(jié)構(gòu)

1.2 故障情況

某路局配屬的CR400BF 型動車組在檢修中發(fā)生3 起輔助變流器主風(fēng)扇結(jié)構(gòu)故障，主要表現(xiàn)為風(fēng)扇葉輪晃動，支架螺栓斷裂。具體故障信息見表1。故障風(fēng)扇和折斷的螺栓如圖2 所示。

表1 主風(fēng)扇故障概況表

圖2 故障主風(fēng)扇（左）和折斷的螺栓（右）

2 故障原因分析

2.1 故障風(fēng)扇拆解分析

拆解風(fēng)扇后發(fā)現(xiàn)葉輪表面及扇葉立面聚集大量不均勻積灰，積灰情況如圖3 所示。

圖3 風(fēng)扇葉輪（左）和葉輪積灰圖（右）

從3 臺風(fēng)扇各選取2 個螺栓進(jìn)行理化分析，依據(jù)GB 3098.6 檢驗(yàn)其化學(xué)成分均符合A2-70 的要求，依據(jù)DIN 7500 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行最小破壞扭矩測試結(jié)果滿足許用值。選取3 個斷裂的螺栓進(jìn)行斷口金相分析，螺栓的斷口裂紋源區(qū)均未見粗大夾雜物，斷口平緩，裂紋起源于螺紋牙底表面，裂紋源可見多條疲勞臺階。綜合分析排除螺栓本身質(zhì)量問題，螺栓斷裂屬于外部載荷造成的疲勞斷裂。

振動失效是旋轉(zhuǎn)機(jī)械主要的一種故障形式，而振動產(chǎn)生的原因通常來源于轉(zhuǎn)子不平衡［2］，因此對積灰葉輪的動平衡質(zhì)量進(jìn)行測試，清理積灰后再次進(jìn)行動平衡測試，測試結(jié)果見表2，測試數(shù)據(jù)表明清理積灰前動不平衡質(zhì)量超出了新風(fēng)扇出廠驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，特別是后端面的數(shù)據(jù)超標(biāo)明顯，清理積灰后動平衡質(zhì)量顯著下降。

表2 動不平衡質(zhì)量記錄表

對拆解后風(fēng)扇的軸承室內(nèi)徑尺寸進(jìn)行測量，上軸承室尺寸平均值為?35.003 9 mm，下軸承室尺寸平均值為?35.148 2 mm。對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值?35（0，+0.007） mm，下軸承室測試結(jié)果大幅超出設(shè)計尺寸，是葉輪發(fā)生晃動的主要原因。

2.2 積灰原因分析

葉輪內(nèi)部氣體流場如圖4 所示，在葉片的立面非工作面上，會有氣體渦流以及分離現(xiàn)象出現(xiàn)，有大量的微細(xì)粉塵在其前緣和后緣區(qū)域發(fā)生碰撞，并沉積下來，如果粉塵粒子的黏性大（黏土類粉塵、濕度較大的氣體中的粉塵等），則其沉降下來的可能性更大［3-4］。由于分子間的相互作用導(dǎo)致它們的黏結(jié)或附著力不足以克服氣流對粉塵的沖擊，粉塵將黏結(jié)在葉輪上。

圖4 葉輪內(nèi)部氣體流場

2.3 風(fēng)扇結(jié)構(gòu)仿真分析

為充分驗(yàn)證風(fēng)扇的可靠性，基于有限元仿真分析軟件，對風(fēng)扇進(jìn)行強(qiáng)度分析。外部載荷采用IEC 61373：1999 1 類B 級要求，在模擬長壽命載荷作用下（縱、橫、垂3 向加速度共計加載15 h），風(fēng)扇結(jié)構(gòu)及箱體相關(guān)結(jié)構(gòu)最大損傷值為0.094，未發(fā)生疲勞失效，滿足疲勞設(shè)計要求。風(fēng)扇及箱體相關(guān)結(jié)構(gòu)疲勞仿真如圖5 所示。

圖5 縱向、橫向、垂向加速度激勵下風(fēng)扇結(jié)構(gòu)及箱體相關(guān)結(jié)構(gòu)薄弱點(diǎn)

針對螺栓斷裂問題，對螺栓進(jìn)行強(qiáng)度分析，3向激勵下累積損傷結(jié)果顯示最大值為0.405 8，螺栓在正常工作環(huán)境下不會出現(xiàn)疲勞斷裂，分析情況如圖6 所示。

圖6 螺栓部分仿真分析

仿真結(jié)果表明，風(fēng)扇在正常的工作狀態(tài)下機(jī)械結(jié)構(gòu)具備足夠的安全裕量，可以滿足現(xiàn)場的使用需求，但是積灰導(dǎo)致的葉輪動平衡破壞使風(fēng)扇處于非正常工作狀態(tài)，縮短了風(fēng)扇的使用壽命。

2.4 現(xiàn)車普查

首批故障發(fā)生后，某局和相關(guān)單位制定了排查方案，首先對局內(nèi)配屬的CR400BF 型動車組該部位進(jìn)行全面普查，后續(xù)擴(kuò)展到全路該型號動車組。經(jīng)過普查，在北京局和上海局配屬的車組均發(fā)現(xiàn)了類似故障。其中64.8%的故障發(fā)生在北京局，發(fā)生故障的車組走行公里數(shù)集中在80 萬km~95 萬km，而上海局同樣運(yùn)營里程的動車組風(fēng)扇葉輪積灰程度要輕微，故障率低，也真實(shí)體現(xiàn)了我國北方和南方運(yùn)營環(huán)境的差異。

2.5 故障原因小結(jié)

綜上分析表明，風(fēng)扇葉輪在工作中積灰導(dǎo)致不平衡質(zhì)量增加，葉輪振動加劇。超出設(shè)計的振動導(dǎo)致軸承室內(nèi)徑尺寸增加，表現(xiàn)為葉輪晃動、風(fēng)扇異響。在這一過程中，風(fēng)扇支架螺釘承受了超出許用范圍的應(yīng)力，個別螺釘出現(xiàn)折斷。

3 實(shí)車振動測試

由于北京局發(fā)生故障的動車組集中在天津動車運(yùn)用所，這些動車組頻繁的運(yùn)營在京津城際線路。為了實(shí)車驗(yàn)證積灰對風(fēng)扇振動的影響，并且確定故障發(fā)生是否與固定線路有關(guān)，北京局和相關(guān)單位研究了測試方案，于2020 年10 月選取一組CR400BF 型動車組開展了測試工作。在主風(fēng)扇上、變流器箱體和車體上布置加速度傳感器進(jìn)行實(shí)車振動測試。

3.1 振動加速度時域分析

在相同的京津城際線路上，進(jìn)行了積灰風(fēng)扇與未積灰風(fēng)扇的對比振動測試，對典型振動測點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理見表3。積灰與未積灰風(fēng)扇振動值對比如圖7 所示。

表3 振動測試數(shù)據(jù)示例表

圖7 積灰—未積灰風(fēng)扇振動值對比

由表3、圖7 可知，測點(diǎn)1（風(fēng)扇頭部）積灰風(fēng)扇的振動RMS 值和幅值均顯著大于未積灰風(fēng)扇，積灰風(fēng)扇的縱、橫、垂3 個方向RMS 值分別是未積灰風(fēng)扇的8.69、5.94、4.48 倍，積灰對風(fēng)扇本體的影響很大，尤其是縱向。測點(diǎn)2（箱體內(nèi)部）積灰風(fēng)扇的振動也大于未積灰風(fēng)扇，積灰風(fēng)扇的縱、橫、垂3 個方向RMS 值分別是未積灰風(fēng)扇的2、2.67、2.75 倍。測點(diǎn)3（車體）積灰風(fēng)扇的振動基本等于未積灰風(fēng)扇，RMS 值和幅值沒有明顯變化。

可以概括為：積灰對風(fēng)扇自身的振動具有顯著影響，對變流器有一定影響，對車體基本沒有影響。

3.2 風(fēng)扇動應(yīng)力分析

在未積灰風(fēng)扇的上安裝板、風(fēng)扇安裝座的焊縫（均為耐候鋼角接焊縫）處布置動應(yīng)力測點(diǎn)，得到各測點(diǎn)在運(yùn)營過程中的動應(yīng)力值，采用Miner 線性疲勞累計損傷法則和NASA 針對變幅加載條件所推薦的S-N曲線形式計算疲勞等效應(yīng)力［5-6］。測試結(jié)果表明風(fēng)扇焊縫最大等效應(yīng)力為20.5 MPa，小于耐候鋼角接焊縫要求的80 MPa 疲勞許用應(yīng)力，還保留一定的安全裕量。動應(yīng)力測試表明在正常狀態(tài)下風(fēng)扇結(jié)構(gòu)可以滿足使用需求。

3.3 振動加速度頻域分析

對積灰風(fēng)扇與非積灰風(fēng)扇振動數(shù)據(jù)進(jìn)行頻域分析，由風(fēng)扇頭部垂向振動頻域分析（如圖8 所示）和STFT-能量分析［7］（如圖9 所示）可知，風(fēng)扇在59 Hz 附近積灰風(fēng)扇與未積灰風(fēng)扇均出現(xiàn)激振點(diǎn)，59 Hz 為風(fēng)扇自轉(zhuǎn)頻率，但積灰風(fēng)扇的振動幅度遠(yuǎn)大于未積灰風(fēng)扇的振動幅度，同時在118、177 Hz等頻率處積灰風(fēng)扇出現(xiàn)了明顯的倍頻激振，而未積灰風(fēng)扇沒有出現(xiàn)倍頻激振現(xiàn)象。說明風(fēng)扇在未積灰狀態(tài)下振動受風(fēng)扇自轉(zhuǎn)的影響不明顯，當(dāng)葉輪因積灰動平衡被破壞后，風(fēng)扇振動受風(fēng)扇自轉(zhuǎn)頻率及其倍頻的影響非常大，能量集中。

圖8 風(fēng)扇頭部垂向頻域分布圖

圖9 風(fēng)扇頭部垂向STFT-能量圖

3.4 不同線路振動情況分析

對未積灰風(fēng)扇先后進(jìn)行了京津城際、京滬高鐵、京廣高鐵、津秦客專4 條線路的振動測試，取風(fēng)扇頭部、變流器箱體內(nèi)部、車體試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，匯總不同線路的振動數(shù)據(jù)（RMS 值）統(tǒng)計如圖10 所示，可以看到各個測點(diǎn)的振動值，沒有因運(yùn)營線路不同而表現(xiàn)出明顯差異，即風(fēng)扇在正常工作狀態(tài)下運(yùn)營線路對主風(fēng)扇故障的影響較小。

圖10 不同線路條件下風(fēng)扇振動對比圖

實(shí)車振動測試結(jié)果表明，風(fēng)扇葉輪的積灰能夠顯著增大風(fēng)扇的振動，風(fēng)扇的振動能量主要來源于自轉(zhuǎn)振動，不同線路對風(fēng)扇的振動影響較小。線路實(shí)車振動測試證明風(fēng)扇葉輪晃動及螺栓斷裂故障是葉輪表面積灰導(dǎo)致的。

4 風(fēng)扇優(yōu)化建議

通過上述分析和測試，排除了線路因素對主風(fēng)扇故障的影響，需要從風(fēng)扇自身研究加以改進(jìn)。現(xiàn)階段能夠采取的措施主要有：

第一，定期清理風(fēng)扇葉輪積灰。在動車所結(jié)合二級修或者動車組每年的春季、秋季質(zhì)量整修，對主風(fēng)扇葉輪表面的灰塵進(jìn)行清理，減少附著，達(dá)到消除不良振動的目的。由于早期發(fā)生故障的風(fēng)扇運(yùn)用里程在80 萬km~95 萬km 居多，并考慮到CR400BF 型動車組的高級修周期間隔在由132 萬km向165 萬km 逐步驗(yàn)證中，建議在80 萬km 專項(xiàng)修或每年進(jìn)行一次清理。當(dāng)然，由于我國幅員遼闊不同地域清潔的周期可由各鐵路局摸索進(jìn)行差異化安排。在風(fēng)扇本身制造工藝及其運(yùn)行環(huán)境改善之前，這是減少故障行之有效的方法。其不足是會增加動車所的檢修工作量，并帶來底板拆裝的次生風(fēng)險。

第二，在風(fēng)扇葉輪表面增加涂層。在分解過程中發(fā)現(xiàn)，風(fēng)扇葉輪表面的粗糙度較大，加之有弧度和一些加工過程中造成的不平滑，客觀上也造成了容易聚集灰塵。經(jīng)調(diào)查，風(fēng)扇葉輪使用的是5754-O 態(tài)型鋁合金材質(zhì)，葉輪表面粗糙度Ra1.6。在葉輪表面進(jìn)行噴涂處理后，表面光滑度得到大幅提高，表面粗糙度降至Ra0.4，可以有效減少灰塵積聚。但在實(shí)際運(yùn)營和檢修過程中，涂層表面被破壞后（如劃傷、局部剝落）有可能產(chǎn)生灰塵的聚集點(diǎn)，局部加快灰塵聚集。

第三，細(xì)化輔助變流器進(jìn)氣格柵濾網(wǎng)。如前所述，空氣是從安裝在輔助變流器箱體前部的格柵導(dǎo)入的，可以細(xì)化格柵內(nèi)部過濾網(wǎng)，對進(jìn)入的空氣中的灰塵過濾，目前在CR300BF 型動車組對進(jìn)氣格柵濾網(wǎng)進(jìn)行了優(yōu)化，針對CR400BF 型動車組的結(jié)構(gòu)變更需要申請裝車運(yùn)營考核。改動后，優(yōu)點(diǎn)是改善風(fēng)扇艙室的工作環(huán)境，降低風(fēng)扇葉輪表面的積灰量。缺點(diǎn)是需要定期清潔格柵濾網(wǎng)，較清潔葉輪灰塵而言工作難度小，但工作頻次較高。

5 結(jié) 論

文中對CR400BF 型動車組輔助變流器在運(yùn)營過程中出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)故障進(jìn)行了分析，確定了故障原因，并有針對地提出了優(yōu)化建議。下一步工作主要是對相關(guān)措施開展運(yùn)用考核、批量驗(yàn)證，將有效的措施推廣。最終目標(biāo)是通過改進(jìn)風(fēng)扇本身制造工藝、改進(jìn)風(fēng)扇工作環(huán)境和提高運(yùn)用維修水平，力爭將其清灰周期延長到145 萬km~165 萬km，實(shí)現(xiàn)結(jié)合高級修進(jìn)行清潔。