地铁
车辆
设备
电气
连接器
振动
测试
故障
分析
文章编号:1 0 0 2-7 6 0 2(2 0 2 3)0 4-0 0 7 7-0 7地铁车辆设备电气连接器的振动测试及故障分析丁 杰,李 芳,肖文杰(湖南文理学院 国际学院,湖南 常德 4 1 5 0 0 0)摘 要:针对上海地铁1 1号线设备电气连接器卡扣出现断裂的问题,开展地铁车辆实际线路运行的振动测试,结合G B/T 2 1 5 6 32 0 1 8标准从振动加速度有效值、振动冲击加速度峰值、振动频谱和不同车次等方面进行设备连接器的振动特性分析,并与沈阳、北京和广州等地铁线路测试数据进行对比分析,针对性提出改进措施。研究结果表明:上海地铁1 1号线设备电气连接器各测点在3个方向的振动都明显大于沈阳地铁2号线、北京地铁房山线和广州地铁2号线,与线路条件、速度等级直接相关;上海地铁1 1号线设备电气连接器各测点的纵向振动加速度均超过标准值,横向与纵向振动冲击加速度峰值超过标准值,电气连接器的断裂故障与振动过大有关;采用提升连接卡扣在纵向方向的紧固度和调整卡扣为实心结构的改进措施,可以解决设备电气连接器卡扣断裂问题。利用振动测试的分析方法可为地铁车辆设备的可靠性提供参考。关键词:地铁车辆;连接器;振动;冲击;断裂中图分类号:T B 5 3 3+.2 文献标志码:A d o i:1 0.3 9 6 9/j.i s s n.1 0 0 2-7 6 0 2.2 0 2 3.0 4.0 1 5收稿日期:2 0 2 2-0 4-1 8基金项目:湖南省教育厅科学研究重点资助项目(2 1 A 0 4 1 6)第一作者:丁 杰(1 9 7 9),男,博士,正高级工程师。V i b r a t i o n T e s t a n d F a u l t A n a l y s i s o f E l e c t r i c a l C o n n e c t o r f o r M e t r o V e h i c l e E q u i p m e n tD I NG J i e,L I F a n g,X I AO W e n j i e(I n t e r n a t i o n a l C o l l e g e,H u n a n U n i v e r s i t y o f A r t s a n d S i c e n c e,C h a n g d e 4 1 5 0 0 0,C h i n a)A b s t r a c t:I n r e s p o n s e t o t h e i s s u e o f b r o k e n e l e c t r i c a l c o n n e c t o r b u c k l e f o r S h a n g h a i M e t r o L i n e 1 1,t h e v i b r a t i o n t e s t i s c a r r i e d o u t o n t h e m e t r o v e h i c l e u n d e r a c t u a l o p e r a t i o n.A c c o r d i n g t o G B/T 2 1 5 6 32 0 1 8 s t a n d a r d,t h e v i b r a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s o f e q u i p m e n t c o n n e c t o r a r e a n a l y z e d f r o m t h e a s p e c t s o f t h e r.m.s v a l u e o f a c c e l e r a t i o n,v i b r a t i o n a n d s h o c k p e a k a c c e l e r a t i o n,v i b r a t i o n f r e q u e n c y s p e c t r u m a n d d i f f e r e n t t r a i n n u m b e r s,a n d t h e t e s t d a t a a r e c o m p a r e d w i t h t h o s e o f S h e n y a n g,B e i j i n g a n d G u a n g z h o u m e t r o l i n e s t o p u t f o r w a r d t h e t a r g e t e d i m p r o v e m e n t m e a s u r e s.T h e r e s e a r c h r e s u l t s s h o w t h a t t h e v i b r a t i o n a t e a c h m e a s u r i n g p o i n t o f t h e e l e c t r i c a l c o n n e c t o r s o f e q u i p m e n t o n S h a n g h a i M e t r o L i n e 1 1 i s s i g n i f i c a n t l y h i g h e r i n a l l t h r e e d i r e c t i o n s t h a n t h a t o f S h e n y a n g M e t r o L i n e 2,B e i j i n g M e t r o F a n g s h a n L i n e,a n d G u a n g z h o u M e t r o L i n e 2,w h i c h i s d i r e c t l y r e l a t e d t o l i n e c o n d i t i o n s a n d s p e e d l e v e l s.T h e l o n g i t u d i n a l a c c e l e r a t i o n a t e a c h m e a s u r i n g p o i n t o f t h e e q u i p m e n t e l e c t r i c a l c o n n e c t o r f o r S h a n g h a i M e t r o L i n e 1 1 e x c e e d s t h e s t a n d a r d v a l u e,a n d t h e p e a k v a l u e s o f l a t e r a l a n d l o n g i t u d i n a l p e a k a c c e l e r a t i o n e x c e e d t h e s t a n d a r d v a l u e.T h e f r a c t u r e f a u l t o f t h e e l e c t r i c a l c o n n e c t o r i s r e l a t e d t o e x c e s s i v e v i b r a t i o n.T h e m e a s u r e s o f i m p r o v i n g t h e f a s t e n i n g o f t h e c o n n e c t i o n b u c k l e i n t h e l o n g i t u d i n a l d i r e c t i o n a n d a d j u s t i n g t h e b u c k l e t o a s o l i d s t r u c t u r e c a n s o l v e t h e f r a c t u r e p r o b l e m.T h e a n a l y s i s m e t h o d o f v i b r a t i o n t e s t c a n p r o v i d e r e f e r e n c e f o r t h e r e l i a b i l i t y o f m e t r o v e h i c l e e q u i p m e n t.K e y w o r d s:m e t r o v e h i c l e;c o n n e c t o r;v i b r a t i o n;s h o c k;f r a c t u r e 地铁是大中城市公共交通的骨干,其安全稳定运行具有非常重要的社会经济意义。地铁车辆运行时,77 研究与设计铁道车辆 第6 1卷第4期2 0 2 3年8月 受轮轨的激励会产生振动问题,影响车辆及设备的可靠性。地铁车辆及设备的振动研究主要集中在振动产生机理、传递特性与控制方法等方面1。李明航等2分析地铁列车振动源在全天表现出的离散特性。闫庚旺等3对地铁A型车的车体模态频率和振型进行有限元仿真,分析车底主要振动源设备对车体结构的响应。李华等4针对某地铁车辆一节车厢地板振动过大问题,由振动传递特性分析得出其原因为局部共振。曾要争5分析车体吊挂设备激励对振动模态及舒适性的影响。邱新锋6针对地铁车辆地板振动问题开展测试,分析得出振动来源于辅助变流器,并提出降低车体耦合振动的减振方案。丁杰7针对地铁车辆辅助变流器中的振动噪声源开展振动噪声测试及仿真分析,提出减振降噪的方案与具体措施。本文针对上海地铁1 1号线设备电气连接器卡扣出现断裂的问题,开展实际线路振动测试与故障分析,与G B/T 2 1 5 6 32 0 1 8 轨道交通 机车车辆设备 冲击和振动试验 标准值对比,分析不同测点、车次及线路对卡扣断裂位置振动的影响,并针对性提出改进措施,为地铁车辆设备的安全可靠运行提供指导。1 地铁车辆设备电气连接器的结构及测点布置在地铁车辆中,许多设备之间需要实现安全可靠的电气连接,电气连接器可以简化设备的电气连接结构设计,提高安装操作的便利性,因此得到广泛应用。图1为HA R T I NG公司的电气连接器结构示意图。电气连接器主要由底座、接线端、压接、针和联锁件等组成。底座和接线端的材料一般为铸锌或铸铝,其表面镀镍或粉末涂层,底座与接线端通过卡扣进行固定。图1 电气连接器结构根据上海地铁1 1号线的现场应用情况反馈,辅助变流器和牵引变流器的电气连接器出现卡扣断裂的故障。根据断裂故障的原因,初步判定为电气连接器振动过大所致8。为获得实际线路运行中的设备电气连接器振动特性,采用B&K振动噪声测试系统对1 1 8 1次列车开展振动测试,振动数据采集频率设置为3 2 0 0 H z。三向加速度计粘贴在电气连接器上的位置如图2所示。三向加速度计的横向、垂向和纵向分别根据列车的宽度、高度和长度方向来定义。图2 三向加速度计在电气连接器上的位置 振动测试采用了8个三向加速度计,测点1测点7对应的三向加速度计在车辆上的布置情况如表1所示。测点8位于3号车辅助变流器柜体吊耳,用于了解车体传递至辅助变流器的振动水平。表1 地铁车辆设备电气连接器的测点布置编号车辆编号设备名称电气连接器的部位测点11号车充电机卡扣测点21号车辅助变流器底座测点31号车辅助变流器卡扣(断裂位置)测点41号车辅助变流器接线端测点53号车牵引变流器底座测点63号车牵引变流器卡扣(断裂位置)测点73号车辅助变流器底座 车辆从罗山路站至上海赛车场站空载运行,其中罗山路站至东方体育中心站之间未停站,其余站点按运行时刻表靠站停车。2 振动测试及分析2.1 振动加速度有效值分析在03 2 0 0 H z的全频段,各测点的振动加速度有效值如图3所示。可以看出:(1)03 2 0 0 H z全频段各测点的纵向振动总体上大于垂向与横向振动;(2)垂向与横向振动中,牵引变流器和辅助变流器电气连接器卡扣断裂位置处的振动要明显大于其他部位的振动,而卡扣断裂位置处的纵向振动与底座和接线端的87铁道车辆 第6 1卷第4期2 0 2 3年8月 振动相差不大。2.2 振动冲击加速度分析图4为测点3的振动冲击加速度时域数据,其余测点的数据未列出。可以看出在不同运行时刻下的振动冲击加速度值有较大差异。图3 各测点3个方向的振动加速度有效值对比图4 测点3的振动冲击加速度时域数据图5为各测点的振动冲击加速度最大值。根据G B/T 2 1 5 6 32 0 1 8规定的1类车体安装设备冲击载荷标准值,垂向、横向和纵向的加速度峰值分别为3 0 m/s2、3 0 m/s2和5 0 m/s2。从测试结果来看,大部分测点的振动冲击加速度最大值没有超过标准值,而1号车辅助变流器电气连接器卡扣断裂位置处(测点3)的纵向振动冲击加速度最大值达到6 2 m/s2,3号车牵引变流器电气连接器卡扣断裂位置处(测点6)的横向振动冲击加速度最大值达到4 8.4 m/s2,均超过了标准值,且振动冲击超标路段位于桃浦新村站南翔站之间。值得指出的是,G B/T 2 1 5 6 32 0 1 8规定的冲击试验是在横向、垂向和纵向的正反方向各进行3次冲击,一共为1 8次冲击,电气连接器实际承受的冲击载荷次数明显多于标准规定值。图5 各测点的振动冲击加速度最大值对比2.3 振动分段分析根据G B/T 2 1 5 6 32 0 1 8标准,车下悬挂设备柜体均属于1类A级,设备质量M5 0 0 k g时,加速度谱密度(A S D谱)的频率范围为51 5 0 H z;5 0 0 k g1 2 5 0 k g时,A S D谱的频率范围为26 0 H z。1类A级的垂向、横向和纵向功能振动试验的振动加速度有效值分别为0.7 5 m/s2、0.3 7 m/s2和0.5 0 m/s2。电气连接器安装在车下悬挂设备柜体上,属于1类B级,垂向、横向和纵向功能振动试验的振动加速度有效值分别为1.0 1 m/s2、0.4 5 m/s2和0.7 0 m/s2。在对比不同测点不同路段的振动加速度有效值时,为了统一化,将频率定为51 5 0 H z。从各测点的纵向振动加速度有效值与G B/T 2 1 5 6 32 0 1 8标准对比来看,除了1号车充电机电气连接器卡扣和3号车辅助变流器柜体吊耳测点的振动没有超标,其他测点大部分均超过标准值0.5 m/s2,典型路段(如云锦路站龙华站、徐家汇站交通大学站)的纵向振动超标严重,振动加速度最大值达到3.9 6 m/s2。从之前的分析可以看出各测点的纵向振动占据主导地位,图6列出各测点在不同路段的51 5 0 H z频率范围纵向振动加速度有效值。从分段振动数据得出,牵引变流器和辅助变流器的电气连接器卡扣在云锦路站龙华站、徐家汇站交通大学站、上海西站站李子园站存在较大的振动,说明这些路段的线路工况较为恶劣,其中云锦路站龙华站的振动最大。2.4 振动频谱分析为了进一步分析卡扣的振动差异性与断裂原因,以97 地铁车辆设备电气连接器的振动测试及故障分析 丁 杰,李 芳,肖文杰图7所示的电气连接器横向振动频谱为例进行分析。图7(a)中的测点2 测点4分别对应1号车辅助变流器电气连接器的底座、卡扣和接线端,可以看出接线端在中高频段的振动大于其他部位。图7(b)中的测点5和测点6分别对应3号车牵引变流器电气连接器的底座和卡扣,可以看出卡扣断裂位置处的振动相比底座在中高频段存在明显的放大,这与配合间隙有关9。图6 各测点在不同路段的纵向振动加速度有效值对比图7 电气连接器测点的横向振动频谱2.5 不同车次的对比分析采用同样的测试方法,对上海地铁1 1号线路中的1 1 7 1次列车开展振动测试。图8为1 1 8 1次列车和1 1 7 1次列车的测点振动加速度有效值对比。可以看出1 1 7 1次列车的1号车辅助变流器电气连接器底座的垂向与横向振动小于1 1 8 1次列车,而其他测点各个方向的振动均稍大于1 1 8 1次列车。同一线路不同车次的振动差异是由车辆的使用状况以及设备电气连接器长时间处于振动环境等因素而导致的。图8 不同车次的测点振动加速度有效值对比3 不同线路的振动测试及对比分析考虑到上海地铁1 1号线的牵引变流器、辅助变流器和充电机等设备的结构形式在多个城市的地铁车辆应用,采用同样的测试方法,分别针对沈阳地铁2号线2 1 1车、北京地铁房山线0 1 8车和广州地铁2号线1 1 8车开展振动测试。车辆为空载,沈阳地铁2号线从全运路站运行至蒲田路站,北京地铁房山线从郭公庄站运行至阎村东站,广州地铁2号线受工作区间的影响,从萧岗站运行至飞翔公园站。3.1 振动加速度有效值的对比分析图9为4条地铁线路各测点在03 2 0 0 H z全频段的振动加速度有效值对比。从图9可以看出:(1)上海地铁1 1号线设备电气连接器3个方向的振动加速度均明显大于其他线路,大部分测点的振动加速度大于1 m/s2,其中纵向振动尤为明显,振动加速度最大值接近1.8 m/s2;(2)沈阳地铁2号线设备电气连接器振动加速度有效值整体上最小,北京地铁房山线设备电气连接器在垂向和横向的振动稍大于沈阳地铁2号线与广州地铁2号线;(3)上海地铁1 1号线设备电气连接器振动加速度最大值为辅助变流器电气连接器底座的纵向振动加速度(1.7 5 m/s2),沈阳地铁2号线设备电气连接器振动加速度最大值为牵引变流器电气连接器卡扣的横向振动加速度(0.8 1 m/s2),北京地铁房山线设备电气连接器振动加速度最大值为辅助变流器电气连接器接线端的横向振动加速度(0.7 6 m/s2),广州地铁2号线设备电气连接器振动加速度最大值为牵引变流器电气连接器卡扣的横向振动加速度(0.7 8 m/s2)。3.2 振动加速度有效值与标准值的对比分析图1 0为4条地铁线路各测点在51 5 0 H z频段08铁道车辆 第6 1卷第4期2 0 2 3年8月 的振动加速度有效值对比。从图1 0可以看出:(1)在51 5 0 H z频段,上海地铁1 1号线和北京地铁房山线的电气连接器各测点振动加速度明显大于沈阳地铁2号线与广州地铁2号线;(2)北京地铁房山线有两处电气连接器测点的横向振动加速度超过标准值(0.4 5 m/s2),上海地铁1 1号线设备电气连接器所有测点的纵向振动加速度均超过标准值(0.7 m/s2)。图9 不同线路各测点在03 2 0 0 H z频段的振动加速度有效值对比3.3 振动冲击加速度峰值与标准值的对比分析图1 1为4条地铁线路各测点的振动冲击加速度峰值对比。由图1 1(a)可知:上海地铁1 1号线的垂向振动冲击加速度峰值明显高于其他3条线,其中辅助变流器电气连接器卡扣处的振动冲击加速度峰值已经接近标准值(3 0 m/s2)。由图1 1(b)可知:上海地铁1 1号线的辅助变流器与牵引变流器电气连接器卡扣处测点的横向振动加速度峰值均超过标准值(3 0 m/s2),而其他线路的横向振动冲击加速度峰值远低于标准值。由图1 1(c)可知:上海地铁1 1号线的设备电气连接器各测点的纵向振动冲击加速度峰值均远大于其他线路,且辅助变流器电气连接器卡扣处的加速度峰值超过标准值(5 0 m/s2),进一步说明上海地铁1 1号线的线路运行工况较为恶劣。图1 0 不同线路各测点在51 5 0 H z频段的振动加速度有效值对比图1 1 不同线路的振动冲击加速度峰值对比18 地铁车辆设备电气连接器的振动测试及故障分析 丁 杰,李 芳,肖文杰3.4 振动分段的对比分析为了解各条线路不同车站区间的振动运行特征与线路工况,对各条线路进行分段振动分析。以垂向振动为例,沈阳地铁2号线设备电气连接器振动的整体量级都很小,其中在全运路站白塔河路站、五里河站市图书馆站、青年大街站市府广场站和岐山路站中医药大学站的振动相对较大。北京地铁房山线设备电气连接器在各车站区间的振动无很大的波动,其中郭公庄站大葆台站和大葆台站稻田站的振动相对大一些。广州地铁2号线测试车站区间较少,各区间段的设备电气连接器振动相对较为平稳,且量级不大。横向振动与纵向振动的各区间情况与垂向振动基本相同。3.5 振动频谱的对比分析考虑到上海地铁1 1号线设备电气连接器的纵向振动量级较大,图1 2给出4条线路设备电气连接器测点3的纵向振动频谱曲线,为便于低频段的振动频谱特征对比,横纵坐标采用对数坐标方式。可以看出:上海地铁1 1号线设备电气连接器在全频段的振动分量都远大于另外3条线路,特别是在02 0 0 H z的低频段尤为明显,振动在6 8 H z的低频处存在极大值,能量较大。一般而言,采用二系空气弹簧悬挂的车体结构在2 0 0 H z以 下 振 动 频 率 范 围 内 很 难 出 现 大 的 振动1 0。6 8 H z的低频振动主要与上海地铁1 1号线路条件和电气连接器结构及安装条件有关。图1 2 不同线路测点3的纵向振动频谱对比4 改进措施对牵引变流器、辅助变流器和充电机等设备均开展了结构强度仿真分析与型式试验验证工作,未发现设备出现振动异常现象。振动测试结果亦表明辅助变流器柜体吊耳(测点8)的振动载荷未超出标准值。通过设备的结构强度仿真分析与型式试验无法得出设备电气连接器出现故障的原因。通过不同线路的设备电气连接器振动对比则可以对故障产生的原因予以解释,上海地铁1 1号线的设备电气连接器卡扣断裂故障与该线路上的振动和冲击过大、超出标准值有直接关系。由于设备的柜体壁板厚度一般为23 mm,设备柜体的整体刚度偏低,吊耳处的振动将在设备柜体薄弱的部位产生放大效应。电气连接器底座下方与设备接触处垫有丁晴橡胶材质的密封圈,电缆旋紧件上端面至底座下端面的距离为1 3 2 mm,且电气连接器接线端连接有较粗的线缆,这属于典型的悬臂梁结构。现有的卡扣并非实心结构,特别是折弯处比较薄弱,更容易由于振动疲劳或者冲击载荷产生裂纹。当外部激励较大时,密封圈接触以及卡扣接触等配合间隙的状态逐步恶化,最终导致卡扣处的受力过大而出现断裂。前期开展的设备结构强度仿真分析未考虑电气连接器的实际结构,故无法分析出电气连接器的振动响应与薄弱部位。设备型式试验中,设备电气连接器的接线较车辆实际布线悬垂长度短,振动与冲击试验难以激发卡扣的断裂故障。针对上海地铁1 1号线表现出的设备电气连接器卡扣断裂故障,可以从以下方面进行改进:(1)出现开裂的卡扣需要及时更换,尚未出现开裂的卡扣,需要检查密封圈接触和卡扣接触的配合间隙,特别需要提升卡扣在纵向方向的紧固度,避免出现因间隙产生的低频晃动。(2)针对上海地铁1 1号线较为恶劣的运行环境,可以将空心结构的卡扣调整为实心结构。通过采取以上改进措施,上海地铁1 1号线的设备电气连接器卡扣断裂问题得到有效解决,确保了设备电气连接的可靠性。针对设备电气连接器故障反映出的设备柜体因刚度不足而导致振动放大的问题,在开发牵引变流器、辅助变流器和充电机等设备时,结构强度仿真分析工作可以采取分层分级模式,首先针对柜体开展结构强度仿真分析与结构振动响应分析,再利用振动响应分析的结果对刚度较小的关键部位开展子模型仿真分析,最终确定各关键部位的结构可靠度。该模式已经得到推广应用,有效提高了结构仿真精度与产品可靠性。5 结论(1)上海地铁1 1号线设备电气连接器各测点在3个方向的振动都明显大于沈阳地铁2号线、北京地铁房山线和广州地铁2号线,这与线路条件、速度等级直接相关。(2)依据G B/T 2 1 5 6 32 0 1 8标准,按1类B级28铁道车辆 第6 1卷第4期2 0 2 3年8月 分类取51 5 0 H z的分析频段对比振动加速度有效值,上海地铁1 1号线设备电气连接器各测点的纵向振动加速度均超过标准值,而北京地铁房山线设备电气连接器卡扣测点的横向振动轻微超标。(3)依据G B/T 2 1 5 6 32 0 1 8标准对比振动冲击加速度峰值,上海地铁1 1号线设备电气连接器各测点的振动冲击加速度峰值明显大于其他3条线路,且横向与纵向均存在振动冲击加速度峰值超标的情况。(4)提升连接卡扣在纵向方向的紧固度和调整卡扣为实心结构,可以解决设备电气连接器卡扣断裂问题,为设备的电气可靠连接提供保障。参考文献:1 THOMP S ON D.R a i l w a y n o i s e a n d v i b r a t i o n:m e c h a-n i s m s,m o d e l l i n g a n d m e a n s o f c o n t r o lM.Am s t e r-d a m:E l s e v i e r,2 0 0 9.2 李明航,马蒙,刘维宁,等.地铁列车振动源强离散机理测试分析 J.振 动、测 试 与 诊 断,2 0 2 0,4 0(4):7 3 8-7 4 4.L I M i n g h a n g,MA M e n g,L I U W e i n i n g,e t a l.A n a l y s i s m e c h a n i s m o f v i b r a t i o n s o u r c e d i s p e r s i o n i n d u c e d b y m e t-r o t r a i n s t h r o u g h i n-s i t u t e s tJ.J o u r n a l o f V i b r a t i o n,M e a s u r e m e n t&D i a g n o s i s,2 0 2 0,4 0(4):7 3 8-7 4 4.3 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