我國(guó)軌道交通牽引機(jī)車振動(dòng)研究現(xiàn)狀分析

蔣濟(jì)雄

（南車株洲電力機(jī)車有限公司技術(shù)中心，湖南株洲 412001）

0 引言

軌道交通牽引機(jī)車作為我國(guó)交通運(yùn)輸業(yè)的中堅(jiān)力量，承擔(dān)著諸如旅客運(yùn)輸、貨物運(yùn)輸、能源運(yùn)輸、軍需戰(zhàn)略物資運(yùn)輸?shù)戎匾姑悄壳八羞\(yùn)輸方式中經(jīng)濟(jì)性、時(shí)效性、便捷性等最為有效的方式之一，其性能的好壞嚴(yán)重影響著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

振動(dòng)作為一種普遍存在的現(xiàn)象在軌道交通牽引機(jī)車上同樣存在，通常有規(guī)律輕微的振動(dòng)對(duì)機(jī)車及車內(nèi)司乘人員并不會(huì)產(chǎn)生太大影響，然而當(dāng)機(jī)車由于自身結(jié)構(gòu)、動(dòng)力裝置、外界環(huán)境等因素變化而產(chǎn)生較大振動(dòng)，甚至共振時(shí)，不僅會(huì)使機(jī)車各零部件故障率增加，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致機(jī)破、臨修等事件概率的大幅上升，久而久之甚至?xí)＜八境巳藛T的人身安全［1-2］。為此，國(guó)內(nèi)外廣大學(xué)者及工程技術(shù)人員都對(duì)機(jī)車振動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行了廣泛的研究。根據(jù)我國(guó)軌道交通牽引機(jī)車的發(fā)展歷程可知，目前主要存在內(nèi)燃傳動(dòng)電力機(jī)車（簡(jiǎn)稱內(nèi)燃機(jī)車）、直流傳動(dòng)電力機(jī)車（簡(jiǎn)稱直流機(jī)車）和交流傳動(dòng)電力機(jī)車（簡(jiǎn)稱交流機(jī)車）三種形式，因此，本文將以該三種形式的分類對(duì)其振動(dòng)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述與分析。

1 內(nèi)燃機(jī)車振動(dòng)研究現(xiàn)狀

內(nèi)燃機(jī)車以內(nèi)燃機(jī)作為動(dòng)力來源，輸出的能量通常作用到發(fā)電機(jī)上，發(fā)出的電能經(jīng)過一系列的變換最終提供給牽引電機(jī)，用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)輪對(duì)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)車移動(dòng)，如圖1所示。因此，內(nèi)燃傳動(dòng)機(jī)車的振動(dòng)也多與其內(nèi)燃機(jī)、發(fā)電機(jī)等存在一定聯(lián)系。

圖1 內(nèi)燃傳動(dòng)機(jī)車

1995年，賈萍穩(wěn)［3］對(duì)東風(fēng) 7 型內(nèi)燃機(jī)車產(chǎn)生異常振動(dòng)的原因進(jìn)行了分析，得出了旋轉(zhuǎn)件不平衡、旋轉(zhuǎn)軸扭轉(zhuǎn)振動(dòng)、彈性支座剛度問題及個(gè)別零件的共振問題是導(dǎo)致東風(fēng)7型機(jī)車產(chǎn)生異常振動(dòng)的主要原因。1995年，曹鳳萍［4］從柴油-發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)的角度分析了內(nèi)燃機(jī)車產(chǎn)生振動(dòng)的因素。1998年，楊明成［5］針對(duì)東風(fēng)4B型內(nèi)燃機(jī)車振動(dòng)故障日漸突出的情況，在對(duì)多臺(tái)故障機(jī)車進(jìn)行解剖排查的基礎(chǔ)上，指出由于輪對(duì)在加工組裝過程中某些工序存在質(zhì)量問題，導(dǎo)致車軸與車輪的偏心，引起機(jī)車振動(dòng)。1999年，張明東等［6］對(duì)東方紅3型機(jī)車司機(jī)室的振動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試與分析，指出柴油機(jī)曲軸系存在的回轉(zhuǎn)質(zhì)量不平衡現(xiàn)象是導(dǎo)致機(jī)車異常振動(dòng)的最主要原因。

2000年，曾斌［7］對(duì)東風(fēng)4型內(nèi)燃機(jī)車進(jìn)行大量靜態(tài)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上分析了引起振動(dòng)的原因并給出了相應(yīng)改進(jìn)措施。2001年，趙慶華［8］對(duì)東風(fēng)8B型機(jī)車振動(dòng)原因進(jìn)行了分析并提出了對(duì)應(yīng)改進(jìn)措施。2006年，羅世輝等［9］針對(duì)東風(fēng)8B機(jī)車垂向振動(dòng)異常的現(xiàn)象，在對(duì)機(jī)車實(shí)測(cè)振動(dòng)頻率成分與懸掛系統(tǒng)頻率特性進(jìn)行對(duì)比分析的基礎(chǔ)上，得出了轉(zhuǎn)向架隨動(dòng)式制動(dòng)裝置布置方式存在問題是導(dǎo)致機(jī)車振動(dòng)異常的主要原因。同年，程海濤等［10］通過分析懸掛系統(tǒng)間振動(dòng)傳遞、測(cè)點(diǎn)間的相干性等角度提出靜壓泵及車體局部振動(dòng)是導(dǎo)致車體地板垂向振動(dòng)大的原因。2007年，祝正宇［11］分別從柴油機(jī)-發(fā)電機(jī)組自身振動(dòng)及其在機(jī)車上的安裝精度兩個(gè)方面對(duì)280型內(nèi)燃機(jī)車振動(dòng)原因進(jìn)行了分析。2010年，汪秀平［12］在對(duì)多臺(tái)東風(fēng)5型機(jī)車進(jìn)行測(cè)試的基礎(chǔ)上得出減振器批次質(zhì)量問題是導(dǎo)致機(jī)車異常振動(dòng)的重要原因。2012年，鄒家龍［13］從柴油機(jī)-發(fā)電機(jī)組自身振動(dòng)、起動(dòng)發(fā)電機(jī)振動(dòng)、車輪直徑誤差引起振動(dòng)、油壓減振器故障等多角度列舉分析引起東風(fēng)8B內(nèi)燃機(jī)車的振動(dòng)因素。2013年，李春勝等［14］通過建立司機(jī)室隔振結(jié)構(gòu)的6DOF動(dòng)力學(xué)方程，進(jìn)而分析其縱、橫、垂向頻響函數(shù)對(duì)和諧內(nèi)燃3型機(jī)車的振動(dòng)情況進(jìn)行了研究。2014年，周虹偉、梁信棟［15］以天津機(jī)務(wù)段承做的東風(fēng)4D型機(jī)車大中修為對(duì)象，在非運(yùn)行狀態(tài)下對(duì)機(jī)車異常振動(dòng)情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)與分析。同年，郭欣［16］從減振系統(tǒng)、輪緣偏磨等角度對(duì)運(yùn)用于青藏鐵路的美國(guó)進(jìn)口NJ2型內(nèi)燃機(jī)車振動(dòng)情況進(jìn)行了研究。

圖2 直流傳動(dòng)機(jī)車

2 直流機(jī)車振動(dòng)研究現(xiàn)狀

直流機(jī)車通常采用直流電機(jī)作為動(dòng)力輸出裝置，而輸入到機(jī)車的電能既可以是直流電也可以是交流電，因此直流傳動(dòng)機(jī)車有直-直型電力機(jī)車和交-直型電力機(jī)車兩種，我國(guó)直流傳動(dòng)電力機(jī)車以韶山系列為代表，如圖2所示。

1982年和1984年，彭文生［17-18］分別對(duì)韶山型直流電力機(jī)車牽引電機(jī)和電器設(shè)備的振動(dòng)情況進(jìn)行了在線測(cè)量與研究。1999年，郭同生等［19］采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，分析了韶山7型機(jī)車計(jì)算模型在不同外界激勵(lì)作用下的響應(yīng)，研究了牽引電機(jī)的振動(dòng)規(guī)律，反映了機(jī)車振動(dòng)情況。2002年，楊改云等［20］以評(píng)價(jià)軌面不平順對(duì)車體結(jié)構(gòu)振動(dòng)影響為目的，采用直接積分的瞬態(tài)特性分析和特征分析對(duì)韶山8型機(jī)車進(jìn)行了振動(dòng)分析。2003年，廖凱等［21-22］基于小波分析的方法對(duì)韶山8型機(jī)車振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行了變換分析，所建立的振動(dòng)狀態(tài)特征向量在表征機(jī)車振動(dòng)故障狀態(tài)方面有明顯作用。同年，謝培甫等［23］采用另一種方法——模態(tài)機(jī)械阻抗綜合法，建立了多層隔振系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)韶山8型機(jī)車振動(dòng)進(jìn)行了計(jì)算與辨識(shí)。2004年，王開云等［24］對(duì)韶山7型機(jī)車橫向晃動(dòng)的原因進(jìn)行了理論計(jì)算與分析。2006年，袁偉等［25］針對(duì)韶山3型機(jī)車在運(yùn)行過程中磁場(chǎng)削弱時(shí)的這一特殊工況下的機(jī)車振動(dòng)情況進(jìn)行了計(jì)算分析，從電路上減少了電流波動(dòng)，降低了機(jī)車振動(dòng)。同年，馬明智等對(duì)運(yùn)用于神朔線的韶山4改型機(jī)車走行部振動(dòng)進(jìn)行了研究，認(rèn)為車輪踏面擦傷和異常磨耗是導(dǎo)致機(jī)車異常振動(dòng)的主要原因。同時(shí)，馬衛(wèi)華等［26］在理論計(jì)算與試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上得出一系橫向定位剛度不足是引起機(jī)車橫向異常振動(dòng)的主要原因，對(duì)韶山9型機(jī)車的良好運(yùn)用提供了有力支持。

圖3 交流傳動(dòng)機(jī)車

3 交流機(jī)車振動(dòng)研究現(xiàn)狀

交流機(jī)車以采用交流電機(jī)作為動(dòng)力輸出裝置為標(biāo)志，供電方式有直流供電、交流供電等，我國(guó)主要采用單相工頻交流供電方式。自我國(guó)開展引進(jìn)、消化、吸收、再創(chuàng)新的發(fā)展模式以來，逐步形成了以和諧系列為主的大功率交流傳動(dòng)電力機(jī)車，如圖3所示。相比直流機(jī)車，交流機(jī)車電氣化設(shè)備多、結(jié)構(gòu)緊湊、控制系統(tǒng)復(fù)雜，在實(shí)際運(yùn)行過程中產(chǎn)生了更為明顯的振動(dòng)現(xiàn)象。

2007年，馬衛(wèi)華等［27］對(duì)采用徑向轉(zhuǎn)向架方式的某交流機(jī)車的垂向振動(dòng)問題進(jìn)行了分析，并認(rèn)為垂向振動(dòng)加速度大是一種長(zhǎng)期可能被鐵路機(jī)車車輛所忽略的一種動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象，即輪對(duì)縱向動(dòng)力學(xué)。劉輝等［28］基于時(shí)間序列分析理論對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行了分析，并采用AR模型進(jìn)行了建模與對(duì)振動(dòng)信號(hào)的未來發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)。2008年，張?jiān)迫A［29］以提速后列車運(yùn)行時(shí)振動(dòng)加劇為背景，建立了提速機(jī)車的動(dòng)力學(xué)模型，并采用小波分析法對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行了降噪處理。2009年，姚遠(yuǎn)等［30］針對(duì)機(jī)車打滑時(shí)產(chǎn)生的輪對(duì)縱向振動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行了研究，認(rèn)為此時(shí)的振動(dòng)為自激振動(dòng)且振動(dòng)頻率為傳動(dòng)系統(tǒng)固有頻率的整數(shù)倍。同年，馬新娜等［31］提出將磁流變阻尼器作為高速交流機(jī)車懸掛系統(tǒng)的橫向減振器，并進(jìn)行模糊控制，該方法有限衰減了機(jī)車振動(dòng)，提高了機(jī)車平穩(wěn)性。鄭瓊林［32］對(duì)大秦線HXD1機(jī)車的諧振現(xiàn)象進(jìn)行了原因分析與對(duì)策研究。2012年，孟建軍等［33］提出采用虛擬激勵(lì)法對(duì)軌道車輛垂向振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了研究，改進(jìn)了傳統(tǒng)隨機(jī)振動(dòng)分析方法計(jì)算量大的缺點(diǎn)。2013年，劉鵬飛等［34］在考慮軌道彈性變形的基礎(chǔ)上得出不考慮軌道參振作用時(shí)會(huì)導(dǎo)致輪軌動(dòng)態(tài)作用力及輪對(duì)振動(dòng)加速度幅值較考慮軌道參振作用時(shí)的值偏大的結(jié)論。同年，劉文生等［35］建立了交流機(jī)車牽引裝置動(dòng)力學(xué)仿真模型，得出牽引電機(jī)諧波轉(zhuǎn)矩會(huì)造成電機(jī)的點(diǎn)頭和垂向振動(dòng)，引起機(jī)車異常振動(dòng)。劉曉波等［36］對(duì)軌道列車振動(dòng)與噪聲當(dāng)前研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述與分析。2014年，徐磊等［37］提出基于PCA-SVM方法的車體振動(dòng)狀態(tài)分類預(yù)測(cè)模型用于從理論上分析軌道不平順對(duì)機(jī)車車輛振動(dòng)的影響。

4 結(jié)論與展望

通過對(duì)上述的分析我們可以看出我國(guó)在機(jī)車振動(dòng)方面的研究，三種類型機(jī)車有著不同的現(xiàn)狀。內(nèi)燃機(jī)車集動(dòng)力輸入與輸出于一身且控制系統(tǒng)較簡(jiǎn)單，其振動(dòng)研究無論是在動(dòng)力輸出系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、零部件質(zhì)量問題、靜態(tài)振動(dòng)試驗(yàn)還是實(shí)際在線振動(dòng)測(cè)試方面都有涉獵，且結(jié)合目前內(nèi)燃機(jī)車向高速、重載方向帶來的振動(dòng)問題也展開了一定理論與實(shí)踐研究。

直流機(jī)車雖然逐漸在被交流傳動(dòng)機(jī)車取代，但在相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，其對(duì)我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展做出了不可忽略的貢獻(xiàn)。對(duì)于它的振動(dòng)研究，無論是在車內(nèi)電器設(shè)備、牽引傳動(dòng)裝置，還是轉(zhuǎn)向架甚至整車方面都有著廣泛研究，且經(jīng)過學(xué)者和工程技術(shù)人員的不斷努力，目前，直流機(jī)車在線運(yùn)行過程中的振動(dòng)狀況已經(jīng)得到明顯改善。

交流傳動(dòng)機(jī)車具有牽引功率大、過載能力強(qiáng)等一系列優(yōu)點(diǎn)，是我國(guó)目前正大力發(fā)展的主流。交流機(jī)車車載電器設(shè)備多，牽引控制系統(tǒng)復(fù)雜，載重大，在運(yùn)行過程中，特別是山區(qū)復(fù)雜線路運(yùn)行時(shí)振動(dòng)較直流機(jī)車要更加明顯。國(guó)內(nèi)學(xué)者在對(duì)機(jī)車整車動(dòng)力學(xué)建模、走行部建模及控制系統(tǒng)優(yōu)化等方面都有較為深入的研究，對(duì)分析交流機(jī)車振動(dòng)問題提供了一定的借鑒意義；但對(duì)于機(jī)車在不同載荷、不同線路、不同工況下運(yùn)行時(shí)的在線振動(dòng)試驗(yàn)研究及大數(shù)據(jù)分析方面尚處于起步階段，而恰恰這方面的研究是對(duì)解決交流機(jī)車振動(dòng)問題最直接且最為有效的方法。因此，后續(xù)對(duì)于機(jī)車振動(dòng)的研究工作可以著重考慮從這個(gè)方向進(jìn)行開展。

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