HXD 1B型电力机车设备的线路振动测试及分析*论文

SCI论文（www.lunwensci.com）

　　摘要：为获得 HXD 1B 型电力机车设备的振动特性， 对武汉北—信阳区间运行的电力机车开展线路运行条件下的振动测试， 提取各 测点的振动有效值和冲击峰值与 GB/T 21563-2018 标准进行对比分析， 并从振动频谱和传递函数等角度进行电力机车设备的振动特 性分析 。研究结果表明： 电力机车中的各测点以主变压器的振动为最大， 其中主变压器的横向振动有效值达到 5.98 m/s2. 振动传 递函数和相干性分析验证了主变压器是电力机车高频振动的主要来源; 在 GB/T21563-2018 推荐的频率范围内， 整流模块的横向和 纵向振动超出标准值， 其他测点的振动低于标准值; 在 0~3 200 Hz 全频段范围内， 振动有效值超出标准值的情况较普遍， 牵引变 流器柜脚的振动以中高频为主， 功率模块的振动以低频为主， 传动控制单元的振动在全频段均有体现， 冷却风机的振动以叶片通 过频率为主 。线路振动测试及分析可为电力机车设备的振动研究提供指导。

　　( 1. International College, Hunan University of Arts and Sicence, Changde, Hunan 415000. China;

　　2. Furong College, Hunan University of Arts and Sicence, Changde, Hunan 415000. China)

　　Abstract: In order to obtain the vibration characteristics of HXD 1B electric locomotive equipment, the vibration test of electric locomotive running in section of Wuhan North and Xinyang under the line operation condition is carried out, the vibration effective value and shock peak value of each measuring point are compared with GB/T 21563-2018 standard, and the vibration characteristics of electric locomotive equipment are analyzed from the perspectives of vibration effective value, vibration spectrum and transfer function. The results show that the vibration of the main transformer is the largest at each measuring point in the electric locomotive , and the effective value of the transverse vibration of the main transformer is 5.98 m/s2 . The vibration transfer function and coherence analysis verify that the main transformer is the main source of the high-frequency vibration of the electric locomotive . Within the frequency range recommended in GB/T 21563-2018. the transverse and longitudinal vibrations of the rectifier module exceed the standard value . In the full frequency range of 0~3 200 Hz, it is common that the effective value of vibration exceeds the standard value . The vibration of the traction converter cabinet foot is dominated by medium and high frequency, the vibration of the power module is dominated by low frequency, the vibration of the drive control unit is reflected in the full frequency range, and the vibration of the cooling fan is dominated by the blade passing frequency . The line vibration test and analysis can provide guidance for the vibration research of electric locomotive equipment .

　　Key words: electric locomotive; electrical equipment; traction converter; electromagnetic vibration

　　0 引言

　　电力机车具有起动加速快 、爬坡能力强 、能源利用 率高等优点， 在铁路干线的货物运输中发挥了重要作用 。然而受线路老化 、运行条件恶劣等， 振动已成为影响电 力机车安全稳定运行的主要因素之一， 电力机车及其设备的振动问题受到人们的高度关注 。

　　刘志伟等[ 1]在 Simpack 软件中建立包含柔性轮对的重 载机车刚柔耦合模型， 分析钢轨波磨激励下的振动响应特性 。刘禹清等[2] 通过建立机车与轨道的耦合动力学模型， 对复杂机车振动环境下的牵引电机轴承服役寿命开 展评估 。王少聪等[3] 利用 Simpack 软件建立 B0-B0 机车动 力学模型， 从振动特性角度分析机车低频横向晃动由悬 挂参数不合理导致 。刘鹏飞等[4] 建立重载机车与轨道的 耦合动力学模型， 以一个镟轮周期内的不圆顺测试数据 为输入， 分析车轮不圆顺对机车轮轨作用的相互影响，发现车轮不圆顺极易引起较大的轮轨垂向冲击振动 。刘欢等[5] 针对某和谐型电力机车振动过大的问题， 开展车 轮不圆度测试和线路振动测试， 结合动力学仿真模型分 析得出机车异常振动的根本原因是车轮多边形磨耗 。丁 杰等[6] 开展 HXD 1C 型电力机车在不同线路条件下的振动测试， 并对比分析 IEC 61373 标准 1999 版和 2010 版的区 别， 指出开展实测振动的必要性 。丁杰等[7] 针对不同型 号电力机车牵引变流器开展线路振动测试， 与 IEC 61373 标准进行对比分析， 并归纳整理了实测载荷谱。

　　本文针对 HXD 1B 型电力机车开展线路振动测试， 从 振动大小 、频谱特征和振动传递函数等角度对主变压器、 牵引变流器及其部件进行振动特性分析， 为电力机车设 备的振动研究提供参考。

　　1 振动测试的测点布置

　　图 1 所示为 HXD 1B 型电力机车设备布局及牵引变流 器的结构 。牵引变流器位于电力机车的中间部位， 其下 方的车体地板梁上吊挂了一台额定容量为 11 000 kVA 的 主变压器。

　　为获得 HXD 1B 型电力机车设备的振动环境和特性， 采用 B&K 数据采集分析系统对武汉北—信阳区间的线路 运行的 HXD 1B 型 0154 号电力机车进行振动测试， 分析频 率为 3 200 Hz 。编号为 1#~3#测点的三向加速度传感器分 别布置在靠近牵引变流器的车体地板 、主变压器外壳和 牵引变流器柜体左下角 。编号为 4#~8#测点的三向加速 度传感器分别布置在牵引变流器柜体内部左侧的整流模 块水冷散热器 、整流模块安装板与柜体连接处 、逆变模 块水冷散热器 、传动控制单元法兰和冷却风机 。三向加 速度传感器的纵向 、横向和垂向分别对应车体的长度、 宽度和高度方向 。振动测点的布置如图 2 所示。

　　2 振动数据对比分析

　　2.1 各测点振动有效值

　　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 标准的 1999 年版本 基础上， 增加了 2010 年版本的加速比计算方法与载荷 谱[8-9] 。GB/T 21563—2018 根据设备在机车车辆中的位置 和质量， 规定了设备的分类和推荐的频率范围， 以及设 备的冲击和振动试验条件。

　　依据 GB/T 21563—2018. 车体底板 、主变压器外壳 和牵引变流器柜体属于 1 类 A 级， 这三者的质量均大于1 250 kg， 故推荐的频率范围为 2~60 Hz 。牵引变流器内 部的设备属于 1 类 B 级， 质量均小于 500 kg， 因此推荐的 频率范围为 5~ 150 Hz 。 1 类 A 级设备的纵向 、横向和垂 向加速度有效值分别为 0.50 、0.37 和 0.75 m/s2; 1 类 B 级 设 备 的 纵 向 、横 向 和 垂 向 加 速 度 有 效 值 分 别 为 0.70、 0.45 和 1.01 m/s2.

　　HXD 1B 型 0154 号车在武汉北—信阳区间运行的最高 速 度 为 90 km/h， 线 路 最 大 坡 度 为 0.6% 。 结 合 GB/T 21563—2018 标准， 将高速匀速运行工况下的各测点振 动有效值与标准值进行对比， 如图 3 所示 。可以看出： ( 1 ) 在 0~3 200 Hz 全频段， 主变压器 ( 2#测点) 的纵向、 横向和垂向振动明显超出标准值， 整流模块水冷散热器 ( 4#测点)、 整流模块安装板与柜体连接处 ( 5#测点) 和 传动控制单元法兰 ( 7#测点) 的纵向和横向振动超出标 准 值; (2 ) 在 标 准 GB/T21563—2018 推 荐 频 率 范 围 内 (属于低频段)， 除了整流模块 ( 4#测点) 的纵向和横向 超出标准值， 其他各测点的振动有效值均小于标准值， 这也说明牵引变流器柜体内部设备存在较大的高频振动; ( 3 ) 主变压器在全频段的振动有效值远大于标准值， 其 中横向振动达到 5.98 m/s2. 而在标准推荐的低频段， 主 变压器 3 个方向的振动有效值均远小于标准值， 说明作 为车体的一个主要振源， 主变压器传递的主要是高频振 动， 且量级较大。

　　2.2 各测点冲击峰值

　　HXD 1B 型 0154 号车的行驶过程相对平稳， 没有明显 的振动异常路段， 存在的一些随机的冲击信号， 主要来 自轮轨作用经车体传递的冲击[ 10]， 以及车体内部电气设 备的冲击。

　　图 4所示为各测点冲击峰值的对比 。可以看出， 除 了主变压器的横向振动冲击达到 45 m/s2. 超过了标准值 30 m/s2. 其他测点各方向振动冲击均小于标准值 。数据 表明低频段振动并不是导致电力机车牵引变流器柜体内 部设备振动过大的主要原因， 而是受中高频的振动影响 较大， 这些中高频振动主要来自电气设备的电磁激励， 如车体底部的主变压器。

　　3 振动频谱特征分析

　　3.1 主变压器与车体的振动频谱

　　图 5 所示为主变压器 ( 2#测点) 的振动频谱曲线 。 为便于查看纵向 、横向和垂向的振动频谱差异， 纵坐标 采用了对数标尺 。 由图可以看出： ( 1 ) 主变压器的频谱 特征主要集中在高频段， 低频段的振动相对很小， 且振 动展现出明显的电磁激励特征， 振动峰值基本处于 2 倍 电源频率 (即 100 Hz) 的倍频， 这是由于变压器的电磁 振动主要与电流谐波产生的磁致伸缩力有关[ 11- 12]; ( 2 ) 纵向振动和垂向振动的频谱较为接近， 横向振动的频谱 在 1 600 Hz 处最大， 达到 2.7 m/s2.

　　图 6 所示为车体地板梁 ( 1#测点) 和牵引变流器柜 体左下角 ( 3#测点) 的振动频谱曲线 。可以看出： ( 1 ) 车体地板梁和牵引变流器柜体左下角的振动频谱特征与 主变压器相似， 同样以中高频为主; (2 ) 车体地板梁的 峰值频率在 1 900 Hz， 而牵引变流器柜体左下角的峰值 频率在 1 500 Hz， 这说明主变压器产生的振动经过车体 地板梁， 再传递至牵引变流器柜体左下角， 受局部结构 固有特性的影响而有所变化。

　　3.2 牵引变流器部件的振动频谱

　　图 7所示为整流模块水冷散热器 ( 4#测点)、 整流模 块安装板与柜体连接处 ( 5#测点) 和逆变模块水冷散热 器 ( 6#测点) 的振动频谱曲线 。可以看出： ( 1 ) 不论是 整流模块还是逆变模块， 振动均以低频为主， 虽然高频 振动有所体现， 但量级大小不及低频振动， 说明整流模 块和逆变模块的振动主要由柜体传递过来的; (2 ) 整流 模块在 100 、 1 200 、 1 500 和 1 600 Hz 等频率处存在峰 值， 逆变模块在 100 、300 、600 、1 000 、1 500 、1 600 和1 700 Hz 等频率处存在峰值， 这些频率点在牵引变流器 柜体左下角的振动频谱中有所体现; (3 ) 整流模块安装 板与柜体连接处测点的振动以高频振动为主， 在 578、 900 、 1 600 和 1 700 Hz 等频率处存在峰值， 与图 6 (b) 相似但有差异， 主要由于牵引变流器柜体左下角的振动 经过柜体框架结构传递至整流模块处， 柜体框架结构的 刚度较大， 在部分频率点的振动有所放大。

　　由各测点的振动有 效值对比可知， 传动控 制单元法兰的振动要高 于冷却风机， 故对如图 8 所示的传动控制单元 法兰 ( 7#测点) 振动频 谱曲线进行分析 。可以 看出， 传动控制单元的 振动在低中高频均存在较大的峰值， 其中 50 Hz 以下主要是车体轮轨的冲击[ 13]， 100 Hz 处是电磁基频激励， 1 600 Hz 附近的振动来自于 车底变压器的电磁激励 。传动控制单元处于冷却风机的 正 上 方， 冷 却 风 机 转 速 为 3 465 r/min， 叶 片 数 为 10. 578 Hz 与冷却风机的通过频率对应， 传动控制单元在 578 Hz 处的峰值正是来自于冷却风机的振动传递[ 14]， 整 流模块安装板与柜体连接处振动频谱中的 578 Hz 亦是来 自冷却风机的振动传递 。 由此可以说明牵引变流器内部 的振动环境复杂性， 既有来自车体传递的振动， 也有柜 体内部电气设备产生的振动相互影响。

　　4 振动传递函数分析

　　传递函数表征了振动从一个点传递到另一个点的缩放情况 。传递函数大于 1. 表示振动被放大; 反之则表 示振动被抑制， 起到了减隔振的效果[ 15]。

　　为了进一步证实和了解主变压器和车体地板梁之间 的振动关系， 现计算出主变压器到车体地板梁的振动传 递函数和相干性， 如图 9 所示 。 由图可以看出： ( 1 ) 主 变压器到车体地板梁的振动在各主要频段都有一定的传 递性， 其中低频振动传递容易被放大， 而高频振动传递 会小一些; (2 ) 通过相干性曲线对比， 主变压器与车体 地板梁在 3 个方向的相干性都非常相似， 在中高频的各 主要电磁激励频率点都接近于 1. 说明主变压器与车体地 板梁的振动具有很强的相干性， 即两者之间的关联很强， 车体底部的主变压器高频电磁振动很容易直接传递上来。

　　4#测点布置在整流模块的水冷散热器上， 表征了功 率模块本体 (包括水冷散热器 、IGBT 器件 、驱动板等) 的振动， 5#测点布置在整流模块安装板与柜体连接处， 安装板与柜体通过螺栓紧固相连， 刚性很大， 因此这个 测点的振动表征了牵引变流器柜体的振动 。图 10 所示为 振动从牵引变流器柜体到整流模块的纵向 、横向和垂向 传递函数曲线 。可以看出： ( 1 ) 牵引变流器柜体到功率 模块的高频振动基本被抑制， 而在小于 400 Hz 的低频 段， 特别是小于 100 Hz 的低频段， 振动被放大， 其中纵向振动在 41 Hz 处被放大了 9 倍; (2 ) 高 频 振 动主要来自车体底部的主变压器， 高频振动被抑制说明功率模块与牵引变流器柜体之间采用的柔性导槽连接起到了很好的高频振动抑制作用，而产生的反作用就是振动在某些低频段被放大。

　　5 结束语

　　( 1 ) HXD 1B 型 0154号电力机车各主要测点中， 主变压器的振动最大， 其中横向振动有效值达到了 5.98 m/s2. 是电力机车高频振动的主要来源。

　　( 2 ) 在 0~3 200 Hz 全频段范围内， 对比 GB/T 21563 —2018 的标准值， 各主要测点均有超标的情况存在， 而 在标准推荐的低频段， 仅有整流模块的横向和纵向振动 存在超标。

　　( 3 ) 牵引变流器柜体振动以中高频为主; 功率模块 的振动以低频为主， 从柜体传递而来的振动在低频段被 放大， 而在高频段得到有效抑制; 传动控制单元的振动 在全频段均有体现， 包含了 100 Hz 的电磁激励基频振 动 、578 Hz 的冷却风机通过频率振动和 1 600 Hz 附近来 自变压器的电磁激励振动。

　　参考文献：

　　[ 1] 刘志伟, 刘建新, 蔡久凤 . 钢轨波磨激励下重载机车振动响应 分析[J]. 噪声与振动控制, 2020. 40(5): 119- 125.
　　[2] 刘禹清, 陈再刚, 閤鑫, 等 . 复杂机车振动环境下牵引电机轴 承服役寿命评估[J]. 力学学报, 2022. 54(7): 1820- 1829.
　　[3] 王少聪, 罗世辉, 马卫华 . B0-B0 机车横向晃动现象研究[J]. 机 械设计与制造, 2020(9): 66-69.
　　[4] 刘鹏飞, 王天龙, 吕凯凯, 等 . 重载机车车轮不圆演变规律及 动态影响[J]. 科学通报, 2019. 64(25): 2583-2589.
　　[5] 刘欢, 陶功权, 罗贇, 等 . 机车异常振动原因分析和控制措施 研究[J]. 机械, 2019. 46(8): 1-7.
　　[6] 丁杰, 张平, 王鹏 . 机车车辆设备振动试验标准与实测数据的 分析[J]. 机械工程学报, 2016. 52(22): 129- 137.
　　[7] 丁杰, 尹亮 . 电力机车牵引变流器的线路振动测试及载荷谱 归纳[J]. 振动与冲击, 2022. 41( 15): 252-262.
　　[8] International Electro Technical Commission Technical Commit ⁃ tee 9. IEC 61373: 1999 Railway applications- Rolling stock equipment- Shock and vibrationtest[S]. Geneva: Standards Press of International Electro Technical Commission, 1999.
　　[9] International Electro Technical Commission Technical Commit ⁃ tee 9. IEC 61373: 2010 Railway applications-Rolling stock equipment-Shock and vibrationtest[S]. Geneva: Standards Press of International Electro Technical Commission,2010.
　　[ 10] 吴军沛 . HXD 1B 电力机车走行部故障研究[D]. 北京: 中国铁 道科学研究院, 2019.
　　[ 11] 樊运新, 邹焕青 . HXD 1B 型机车谐波特性分析[J]. 电力机车 与城轨车辆, 2014. 37(3): 1-7.
　　[ 12] 丁杰, 张平, 尚敬,等 . 地铁辅助变流器用变压器电磁振动计算 与减振分析[J]. 振动与冲击,2019.38(3):59-66.
　　[ 13] TAO G, WEN Z, JIN X, et al. Polygonisation of railway wheels: a critical review[J]. Railway Engineering Science, 2020. 28(3):1-29.
　　[ 14] 郗珂立, 徐凤琳 . HXD3 型机车牵引风机检修中的质量提升 办法[J]. 机电工程技术, 2021. 50( 11): 317-319.
　　[ 15] 何琳,帅长庚 . 振动理论与工程应用[M]. 北京:科学出版社,2015.
 
关注SCI论文创作发表，寻求SCI论文修改润色、SCI论文代发表等服务支撑，请锁定SCI论文网！

文章出自SCI论文网转载请注明出处：https://www.lunwensci.com/ligonglunwen/63937.html