HXD1型电力机车牵引变流器风机振动测试分析_丁杰.pdf

基金项目：湖南省自然科学基金面上项目（编号：2020JJ4448）；湖南省教育厅科学研究重点项目（编号：21A0416）；湖南文理学院科技创新团队项目（编号：校办通202026号）收稿日期：20220513HXD1型电力机车牵引变流器风机振动测试分析*丁杰1,2（1.湖南文理学院 机械工程学院，湖南常德415000；2.湖南文理学院 国际学院，湖南常德415000）摘要：针对现场反馈电力机车牵引变流器内部的斩波器风机出现振动过大、异音和轴承掉粉等问题，开展线路运行的振动测试，与GB/T 21563-2018相比，从时域和频域角度分析牵引变流器柜脚、风机安装座和风机轴承等部位的振动特性。研究结果表明：标准推荐频率范围内的振动测试有效值低于标准值，考虑中高频振动分量时，大多数测点的横向振动测试有效值均超过标准值。接触器的冲击对附近设备及车体振动峰值影响很大，导致冲击峰值高于标准值。振动冲击环境恶劣，且斩波器风机的安装支架固有频率低于换热器风机，是斩波器风机振动失效的主要原因。实际线路的振动测试分析可为电力机车车载设备的减隔振设计提供数据基础。关键词：电力机车；牵引变流器；风机；振动；冲击中图分类号：U270.1+4文献标志码：A文章编号：10099492(2023)02005904Vibration Test and Analysis of Fan of Traction Converter for HXD1Electric LocomotiveDing Jie1,2（1.School of Mechanical Engineering,Hunan University of Art and Science,Changde,Hunan 415000,China;2.International Collegd,Hunan University of Art and Science,Changde,Hunan 415000,China）Abstract:In view of the problems of excessive vibration,abnormal sound and bearing powder dropping of chopper fan in electric locomotivetraction converter fed back on site,the vibration test of line operation was carried out.Compared with GB/T 21563-2018,the vibrationcharacteristics of traction converter cabinet foot,fan mounting seat and fan bearing were analyzed from the perspective of time domain andfrequency domain.The results show that the effective value of vibration test within the recommended frequency range is lower than the standardvalue.When considering the medium and high frequency vibration component,the effective value of transverse vibration test at most measuringpoints exceeds the standard value.The impact of the contactor has a great impact on the vibration peak value of nearby equipment and vehiclebody,resulting in the impact peak value higher than the standard value.The vibration impact environment is bad,and the natural frequency ofthe mounting bracket of the chopper fan is lower than that of heat exchanger fan,which is the main reason for the vibration failure of chopperfan.The vibration test and analysis of the actual line can provide data basis for the vibration reduction and isolation design of on-boardequipment of electric locomotive.Key words:electric locomotive;traction converter;fan;vibration;shock2023年02月第52卷第02期Feb.2023Vol.52No.02机电工程技术MECHANICAL&ELECTRICAL ENGINEERING TECHNOLOGYDOI:10.3969/j.issn.1009-9492.2023.02.014丁杰.HXD1型电力机车牵引变流器风机振动测试分析 J.机电工程技术，2023，52（02）：59-62.0引言大功率交流传动电力机车是实现重载货运的关键。由于地形复杂、气候多样、部分线路老化等影响，长期在恶劣环境下运行的电力机车产生的振动问题，严重影响到电力机车的安全可靠运行，引起了人们的关注1-2。David T3系统性分析了铁路振动噪声的产生机理与仿真建模。TAO G等4针对铁路车辆车轮多边形问题开展了文献综述。杨云帆等5针对某型号电力机车车轮非圆化磨耗进行测试，分析得出车轮高阶非圆化磨耗是轮对异常振动报警的主要原因。陶功权等6总结了国内外铁道车辆运营中出现的车轮非圆化磨耗现象、形成机理及控制措施。王自超等6通过动力学仿真分析齿轮啮合刚度与轨道不平顺激励作用下的机车动力学响应特性。雷成等7针对机车车体低频横向晃动问题进行了动力学分析。杨柳等8利用有限元方法分析机车传动系统振动的影响因素。张卫华等10分析了铁路机车车辆的状态评估与分类标准。丁杰等11通过测试电力机车在实际线路运行的振动数据，与IEC 61373标准进行对比分析得出我国实测振动数据的振动量级和标准偏差较大。王永胜等12通过添乘测试获得某机车牵引变流器的振动特性，结合有限元分析提出针对性的减振方案。路景阳13针对HXD1型机车主变流器模块驱动板接线故障频繁发生的问题，开展振动测试与分析，提出了镟轮消除车轮多边形和加固驱动板接线插头等措施。本文针对HXD1型电力牵引变流器的斩波器风机振动过大、异音和轴承掉粉等问题，开展线路运行条件下 59的振动测试，从时域和频域等角度分析风机振动特性，为解决风机应用问题提供指导。1振动测点布置及测试工况根据现场反馈的信息可知，在新丰镇运行的HXD11060号电力机车牵引变流器内部的斩波器风机出现振动过大、异音和轴承掉粉等问题，为此开展了电力机车线路运行的振动测试。图1所示为牵引变流器的几何结构及振动测点位置说明。牵引变流器位于电力机车的中间部位，柜体底部通过T型螺杆与车体地板梁固定。牵引变流器主要由柜体、功率模块、传动控制箱、斩波器、换热器、接触器和风机等组成，斩波器和换热器的风机结构形式相同。采用B&K公司振动噪声数据采集系统进行测试，振动分析频率为3 200 Hz。三向加速度传感器分别布置在靠近司机室的斩波器风机轴承端（1#测点）和安装座（3#测点）、远离司机室的斩波器风机轴承端（2#测点）和安装座（4#测点）、换热器风机轴承端（5#测点）和安装座（6#测点）、传动控制箱（7#测点）和牵引变流器柜脚（8#测点）。三向加速度传感器的纵向、横向和垂向分别对应为车体的长度、宽度和高度方向。电力机车挂接空车厢从新丰镇出发，经延安、榆林开往榆林北（称为空载工况），并在榆林北完成4 000 t货物装车，之后负重返程（称为负载工况），对全程进行振动测试。2振动时域分析2.1各测点有效值对比分析图2所示为各测点在不同线路和测试工况下 03 200 Hz频率范围的振动有效值对比。可以看出：（1）空载工况的两段路程中，延安至榆林路段的振动值明显大于新丰镇至延安路段，负载工况的两段路程中，榆林至延安路段的振动值略大于榆林北至榆林路段，可以发现榆林至延安路段路况最差，这是由于该路段坡度大、弯道半径小等原因造成的；（2）从延安至榆林路段往返的振动有效值对比可以发现，空载时的振动明显大于负载工况；（3）与其他测点相比，风机轴承端的振动明显，需要从频域角度开展深入分析。2.2振动标准评估GB/T 21563-2018轨道交通 机车车辆设备 冲击和振动试验是在等同采用IEC 61373:1999基础上，增加了IEC 61373:2010的加速比计算方法，是铁路车辆设备振动冲击试验现行有效的国家标准。该标准根据设备在车上的安装位置进行试验等级的分类，包括1类车体安装、2类转向架安装和3类车轴安装，其中1类又分为A级（车体直接安装的柜体、组件、设备和部件）和B级（车体直接安装的柜体内部的组件、设备和部件）。1类A级和B级功能性振动试验的加速度谱密度（AccelerationSpectral Density，ASD）如图3所示，上下限频率根据设备质量 M 来确定，M500 kg 时，f1=5 Hz，f2=150 Hz；500 kg500 kg时，f1=2 Hz，f2=60 Hz。牵引变流器、风机和传动控制箱的质量分别为 2 945 kg、17 kg 和 20 kg。由此可确定，测点1#7#为1类B级，频率范围为5150 Hz；测点8#为1类A级，频率范围为260 Hz。标准根据问卷调查确定1类A级垂向、横向和纵向的加速度有效值分别为 0.75 m/s2、0.37 m/s2和0.50 m/s2，1类B级垂向、横向和纵向的加速度有效值分别为1.01 m/s2、0.45 m/s2和0.70 m/s2。为了评估该电力机车牵引变流器及内部设备是否满图1牵引变流器的几何结构及振动测点位置图2各测点在不同线路和测试工况的振动有效值对比2023年02月机 电 工 程 技 术第52卷第02期 60足标准要求，以各测点振动相对恶劣的延安至榆林的空载工况数据为分析对象，根据标准推荐的分析频率范围（5150 Hz 和 260 Hz）列出振动有效值，如图 4 所示。由图4与图2（b）对比可知：（1）在标准推荐的频率范围内，各测点振动值均小于标准限值，说明在这段路程中行车的振动情况较好，满足标准要求；（2）各测点在03 200 Hz频率范围内多个方向的振动有效值超出标准的限值，这说明高频成分的振动分量明显，对振动有效值的贡献较大；（3）除传动控制箱处的测点外，其他测点的横向分量均超出标准限值，该现象值得关注。GB/T 21563-2018 要求铁路车辆设备能承受一定的脉冲激励，规定1类A级和B级设备的垂向、横向和纵向脉冲激励加速度峰值分别为30 m/s2、30 m/s2和50 m/s2，持续时间均为30 ms。现场振动测试发现牵引变流器柜体及内部设备存在多次冲击激励，既有来自于车体的，也有来自于牵引变流器柜体内部（主要是接触器开关动作引起）的激励，且持续时间一般都大于30 ms，峰值大小不一。图5所示为提取的加速度冲击峰值与标准值的对比。可以看出2#测点垂向及纵向、5#测点垂向和6#测点纵向的冲击峰值超出标准值。通过查看冲击现象的时域波形可知，这些超出标准值的冲击峰值时刻与接触器触头分开与吸附状态对应，说明由接触器工作引起的冲击对牵引变流器柜体内部设备影响很大，