某動(dòng)車牽引變壓器振動(dòng)及傳遞分析*

張遠(yuǎn)亮，張立民

(西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610031)

某動(dòng)車牽引變壓器振動(dòng)及傳遞分析*

張遠(yuǎn)亮，張立民

(西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610031)

為研究某動(dòng)車牽引變壓器振動(dòng)及傳遞特性，測試了變壓器在負(fù)載開風(fēng)機(jī)狀態(tài)振動(dòng)加速度。結(jié)果表明:牽引變壓器底部振動(dòng)較小，變壓器箱體壁橫向(法向面)振動(dòng)較大 ，與變壓器鐵芯橫向放置有關(guān)。同時(shí)，振動(dòng)烈度能較好的反應(yīng)變壓器振動(dòng)情況;牽引變壓器的振動(dòng)基頻為100 Hz，而且其振動(dòng)能量絕大部分都集中在100 Hz，倍頻處的振動(dòng)迅速減小;牽引變壓器振動(dòng)經(jīng)橡膠隔振器傳遞到車體側(cè)墻及車內(nèi)地板，振動(dòng)未出現(xiàn)放大現(xiàn)象。該橡膠隔振器、側(cè)墻內(nèi)裝材料和地板內(nèi)裝材料隔振性能較好。

動(dòng)車;牽引變壓器;振動(dòng)烈度;振動(dòng)基頻

動(dòng)車組采用動(dòng)力分散型技術(shù)，牽引變壓器、牽引變流器等電氣設(shè)備直接下掛在車體下方，這些設(shè)備通常重達(dá)幾噸，且是具有復(fù)雜的振動(dòng)激勵(lì)源，引起車體振動(dòng)惡化，旅客乘座舒適度下降，甚至?xí)斐绍圀w、車下吊掛設(shè)備和連接件的疲勞斷裂［1－2］。高速行駛動(dòng)車車體和附屬設(shè)備都承受著較大的波動(dòng)載荷，激勵(lì)的頻率成分也變得復(fù)雜［3］。車下附屬設(shè)備等部件的振動(dòng)疲勞破壞已經(jīng)成為影響車輛運(yùn)行品質(zhì)的重大問題［4－5］。因此，搞清楚車下設(shè)備如牽引變壓器振動(dòng)情況顯得十分必要。

本文測試牽引變壓器在負(fù)載開風(fēng)機(jī)狀態(tài)振動(dòng)加速度，分析了變壓器箱體不同位置的振動(dòng)，得出了變壓器的振動(dòng)基頻及倍頻［6］，最后簡單的分析了牽引變壓器振動(dòng)經(jīng)橡膠隔振器傳遞到車體側(cè)墻及車內(nèi)地板的傳遞情況。對(duì)動(dòng)車組牽引變壓器吊掛剛度設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

1 相關(guān)理論

1.1 振動(dòng)烈度

在設(shè)備選定的位置上按不同方向(一般是沿縱向、橫向、垂向3個(gè)方向)測量出振動(dòng)速度或加速度，計(jì)算其有效值，利用矢量合成，計(jì)算出機(jī)械振動(dòng)速度的均方根值［7］。機(jī)械振動(dòng)烈度量標(biāo)為均方根速度，符號(hào)為vrms，mm/s。

機(jī)械振動(dòng)烈度的基本計(jì)算公式為［7］:

式中vx為選定位置(測點(diǎn))上縱向振動(dòng)速度均方根值，mm/s;vy為選定位置(測點(diǎn))上橫向振動(dòng)速度均方根值，mm/s;vz為選定位置(測點(diǎn))上垂向振動(dòng)速度均方根值，mm/s;Nx為縱向測點(diǎn)數(shù);Ny為橫向測點(diǎn)數(shù);Nz垂向測點(diǎn)數(shù)。

參照表1所示常用設(shè)備的振動(dòng)烈度評(píng)定等級(jí)對(duì)被試設(shè)備進(jìn)行評(píng)定。

表1 常用機(jī)械設(shè)備的振動(dòng)烈度等級(jí)表

牽引變壓器按第3類設(shè)備進(jìn)行評(píng)定，即振動(dòng)烈度不大于1.8 mm/s為良好。

1.2 頻域傳遞率

機(jī)組到構(gòu)架的頻域位移量傳遞率定義為:

式中F［y(t)］是響應(yīng)信號(hào)y(t)的傅里葉變換;F［x(t)］是輸入激勵(lì)信號(hào)x(t)的傅里葉變換。

2 牽引變壓器試驗(yàn)分析

對(duì)某動(dòng)車組牽引變壓器在負(fù)載開風(fēng)機(jī)狀態(tài)測試變壓器及車體振動(dòng)加速度。傳感器靈敏度為1 000 mV/g。采樣帶寬為512 Hz，分辨率為0.125 Hz。振動(dòng)測點(diǎn)［6］如圖1～圖6所示。

測點(diǎn)描述如表2。

圖1 安裝梁振動(dòng)測點(diǎn)

圖2 變壓器安裝座及箱體底部測點(diǎn)

圖3 變壓器箱體壁測點(diǎn)

圖4 變壓器箱體壁測點(diǎn)

圖5 車體側(cè)墻測點(diǎn)

圖6 車體地板測點(diǎn)

表2 測點(diǎn)描述

2.1 變壓器振動(dòng)分析

截取變壓器負(fù)載開風(fēng)機(jī)狀態(tài)120 s穩(wěn)態(tài)振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)。以6 s的分析段確定平均最大值［8］，同時(shí)計(jì)算振動(dòng)有效值。對(duì)采樣得到的離散加速度進(jìn)行數(shù)值積分得到振動(dòng)速度有效值及振動(dòng)烈度(重力加速度取9.794 g)。結(jié)果如表3。

由表3可知，變壓器箱體底部(測點(diǎn)20)振動(dòng)相對(duì)較小，變壓器箱體側(cè)壁(測點(diǎn)13)法向方向，即橫向方向振動(dòng)較大，安裝加強(qiáng)肋板后，即測點(diǎn)14振動(dòng)減小，但引起縱向振動(dòng)有所增大?？梢缘贸鲎儔浩鞑粌H僅在垂向振動(dòng)，在3個(gè)方向均存在振動(dòng)。

表3 變壓器振動(dòng)加速度特征

表4 變壓器振動(dòng)烈度

由振動(dòng)烈度可以看出，變壓器底部垂向(法向面)和變壓器箱體壁橫向(法向面)振動(dòng)較大，同時(shí)箱體壁振動(dòng)烈度達(dá)到容許級(jí)別，振動(dòng)較惡劣，其原因是變壓器鐵芯采用橫向安裝方式。振動(dòng)烈度更能反應(yīng)變壓器振動(dòng)情況。

對(duì)變壓器箱體振動(dòng)進(jìn)行FFT變換，得到振動(dòng)頻域信息。頻譜曲線見圖7。

圖7 變壓器箱體頻譜

圖7可以看出，變壓器振動(dòng)基頻為100 Hz，同時(shí)存在倍頻振動(dòng)，但振動(dòng)能量均不斷減小。變壓器主要激勵(lì)頻率為100 Hz，符合變壓器鐵芯磁滯伸縮規(guī)律。

2.2 變壓器及車體振動(dòng)傳遞分析

變壓器振動(dòng)傳遞到車體，將引起車體振動(dòng)，進(jìn)而引起車體側(cè)墻及車內(nèi)地板振動(dòng)。

變壓器采用12個(gè)圓形橡膠安裝座彈性安裝，安裝方式見圖8。

圖8 變壓器安裝方式

計(jì)算安裝座上下測點(diǎn)、車體側(cè)墻及地板振動(dòng)有效值，見表5及圖9～圖10。

表5 變壓器及車體加速度有效值

圖9 變壓器安裝座頻譜

圖10 變壓器安裝梁頻譜

圖11 變壓器及車體振動(dòng)傳遞關(guān)系

圖12 傳遞環(huán)節(jié)

圖12中:傳遞環(huán)節(jié)1為:

中部安裝座(測點(diǎn)7)—中部安裝梁(測點(diǎn)2)—車體地板(測點(diǎn)32)—車內(nèi)內(nèi)裝地板(測點(diǎn)30)。

傳遞環(huán)節(jié)2為:

端部安裝座(測點(diǎn)6)—端部安裝梁(測點(diǎn)1)—車體下部側(cè)墻(測點(diǎn)27)—車體上部側(cè)墻(測點(diǎn)26)—車內(nèi)內(nèi)裝側(cè)墻(測點(diǎn)28)。

從表5可以得出:變壓器振動(dòng)(測點(diǎn)6、7)經(jīng)橡膠隔振器傳遞到車體(測點(diǎn)1、2)，3個(gè)方向振動(dòng)均明顯減小。

由圖9～圖10可以得出經(jīng)橡膠隔振器后，變壓器振動(dòng)到安裝梁振動(dòng)能量衰減明顯，高階倍頻明顯減小。但振動(dòng)頻率仍是100 Hz及其倍頻。

從圖11可以得出:從總體上看，傳遞環(huán)節(jié)1和傳遞環(huán)節(jié)2均逐漸減小。說明橡膠隔振器、側(cè)墻內(nèi)裝材料和地板內(nèi)裝材料隔振性能較好。其中傳遞環(huán)節(jié)1中測點(diǎn)2到測點(diǎn)32傳遞有振動(dòng)放大現(xiàn)象，是因?yàn)閭鬟f到車體地板的振動(dòng)不僅僅由中部安裝座傳遞，其余安裝座振動(dòng)也會(huì)傳遞給車體地板。

圖13 變壓器安裝座(測點(diǎn)6)到安裝梁(測點(diǎn)1)頻域傳遞率

圖14 變壓器安裝座(測點(diǎn)7)到安裝梁(測點(diǎn)1)頻域傳遞率

計(jì)算變壓器安裝座到安裝梁頻域傳遞率，如圖13、圖14所示。

從圖13～圖14可以看出，變壓器在100 Hz，240 Hz及350 Hz附近存在峰值，但振動(dòng)均在0dB以下(除350 Hz附近)，橡膠隔振性能較好。

3 結(jié)論

通過上述分析可得到如下結(jié)論:

(1)該牽引變壓器的振動(dòng)基頻為100 Hz，而且其振動(dòng)能量絕大部分都集中在100 Hz，倍頻處的振動(dòng)迅速減小。

(2)該牽引變壓器底部振動(dòng)較小，變壓器箱體壁橫向(法向面)振動(dòng)較大，與變壓器鐵芯橫向放置有關(guān)。同時(shí)，振動(dòng)烈度能較好的反應(yīng)變壓器振動(dòng)情況。

(3)該牽引變壓器振動(dòng)經(jīng)橡膠隔振器傳遞到車體側(cè)墻及車內(nèi)地板，振動(dòng)未出現(xiàn)放大現(xiàn)象。該橡膠隔振器、側(cè)墻內(nèi)裝材料和地板內(nèi)裝材料隔振性能較好。

［1］ 吳會(huì)超.高速動(dòng)車組車體與車下設(shè)備耦合振動(dòng)研究［D］.成都:西南交通大學(xué)，2012.

［2］ 荊道艷.TPB車體有限元分析與車下設(shè)備布局優(yōu)化研究［D］.北京:北京交通大學(xué)，2007.

［3］ 陳 亮，康洪軍，張立民.牽引變壓器連接剛度對(duì)車體與設(shè)備振動(dòng)影響分析［J］.鐵道車輛.2012，50(8):4-6.

［4］ 張立民，陳 林.簡諧激擾下模態(tài)參數(shù)對(duì)平穩(wěn)性指標(biāo)的影響研究［J］.西南交通大學(xué)學(xué)報(bào).2008，43(4):465-468.

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［6］ 李德葆，陸秋海.工程振動(dòng)分析［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2004.

［7］ GB 5913-86 柴油機(jī)車車內(nèi)設(shè)備機(jī)械振動(dòng)烈度評(píng)定方法［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1986.

［8］ 方 松.高速鐵路客車振動(dòng)特性研究［D］.成都:西南交通大學(xué)，2012.

Analysis of Vibration and Vibration Transmission for EMU Traction Transformer

ZHANG Yuanliang，ZHANG Limin
(Traction Power State Key Laboratory，Southwest JiaoTong University，Chengdu 610031 Sichuan，China)

Vibration test on load and fans-opened has been done for study vibration and vibration transmission of EMU traction transformer.The results show that vibration at the bottom of traction transformer is smaller，while vibration at the side(normal)is bigger for the horizontal placement of transformer core.Vibration severity can be better reaction transformer vibration;the vibration baseband of traction transformer is 100Hz and most of dynamic energy are concentrated in 100Hz.Vibration decreases rapidly at vibration multiplier;traction transformer vibration transmission through the rubber isolator to the carbody sidewalls and floor，vibration amplification phenomenon does not appear.The isolation performance of rubber isolator，sidewall interior materials and floor interior material is better.

EMU;traction transformer;vibration severity;vibration baseband

U266.2.3

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2015.01.06

1008－7842(2015)01－0032－04

*國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2009BAG12A04－C03)

8—)男，碩士研究生(

2014－08－25)