深度國產化H XD1型交流傳動電力機車車下設備振動試驗研究*

蔣濟雄，李希寧

（南車株洲電力機車有限公司　技術中心，湖南株洲412001）

深度國產化H XD1型交流傳動電力機車車下設備振動試驗研究*

蔣濟雄，李希寧

（南車株洲電力機車有限公司技術中心，湖南株洲412001）

文章對最能反映機車振動情況的車下設備進行了在線試驗研究，在對運行線路進行典型區段劃分的基礎上，采用動態信號采集分析系統分別采集了各區間車下設備振動試驗數據；基于對加速度信號數據進行的時域分析、自相關分析及互相關分析，定性剖析了引起機車振動的原因及主要影響因素，并提出了進一步研究的方向，為后續機車的優化設計提供了良好的數據與經驗支持。

車下設備振動試驗；時域分析；自相關分析；互相關分析；交流傳動電力機車

交流傳動電力機車以其功率大、過載能力強等一系列優良性能得到了廣泛的應用，然而，相比于直流傳動電力機車，交流傳動電力機車運行過程中的振動更加明顯。據研究表明，交流傳動電力機車在運行過程中不僅受自身動力系統工作時產生的振動影響，結構間的相互作用產生的振動影響，還承受著來自輪軌間的復雜耦合動力學振動影響［1-3］，因此，交流傳動電力機車振動是我們亟待解決而又難以解決的問題。馬衛華等對軌道隨機不平順與輪對縱向振動之間的關系進行了分析［4］。郝剛等針對車下設備連接參數與車體間振動傳遞關系進行了深入研究［5］。辛濤等對提速線路軌道的不平順波長基于耦合動力學理論，利用有限元方法對其進行了動力學仿真［6］。么鳴濤等基于振動加速度信號對車輛運行路面狀況進行了深入分析［7］。寧迎智等基于小波分析的方法對機車車體振動響應分析進行了研究［8］。為充分了解交流傳動機車在實際運行過程中的振動情況，我們對H XD1型電力機車進行了標準載重下在線振動試驗研究。

深度國產化H XD1型電力機車（以下簡稱H XD1機車）是由南車株洲電力機車有限公司研發的大功率交流傳動電力機車，它具有完全自主知識產權。該車配屬西安鐵路局安康機務段以來，主要承擔西康線貨物列車牽引任務。西康線北起西安新豐鎮，南至安康市安康東站，區間多為山區、隧道、彎道和連續長大坡道。其中平均坡度在12‰以上的有9.5 km，平均坡度在11‰以上的達14.75 km；因此，西康線具有坡道長、坡度大、緩沖區域短等復雜、困難鐵路運輸線路的特點。

1　試驗準備

西康線全長268 km，穿越秦嶺山脈，沿途經過紡織城、西安南、營鎮等26個站點，各站點間線路狀況不盡相同，為切實反映機車與不同線路間耦合作用的效果，我們在新豐鎮—安康東間選擇3個區間進行試驗，分別采集3個區間機車車下設備的振動加速度信號。

所選區間1處于公里標K51～K58之間，位于西安南站—小峪站之間；區間2處于公里標K63～K70之間，位于小峪站—南五臺站之間；區間3處于公里標K82～K88之間，位于青岔站—營鎮站之間。

車下設備一般主要包括牽引電機、軸箱體、牽引桿、牽引變壓器、構架等，通過對牽引力、制動力傳遞途徑的分析，我們選擇在牽引電機的傳動端、非傳動端、軸箱體、軸箱拉桿、電機吊桿、牽引桿及構架等處，根據部件受力特點的不同，分別布置單向或三向（垂向、橫向、縱向）加速度傳感器，采用東華軟件公司研發的D H D A S動態信號采集與分析系統進行加速度信號采集及時域、頻域分析；詳細布置位置及傳感器信息如表1所示，部分實物布置如圖1所示。

2　試驗過程及結果

深度國產化H XD1型電力機車是由兩節完全相同的四軸電力機車通過內重聯方式連接在一起構成的八軸大功率交流傳動電力機車，具有起動牽引力大、功率高、冗余性好、環境適應能力強等特點。其標準載重在4 000～4 500 t之間，持續速度65 km/h。

表1　加速度傳感器布置

圖1　測試傳感器分布圖

為充分發揮該機車牽引能力，參照IE C 61373—2010和T B/T 3058—2002鐵路應用—機車車輛設備—沖擊和振動試驗標準中的功能性隨機振動試驗標準，共進行3次試驗，每次牽引噸位保持在4 000～4 500 t之間以真實反映其日常工作狀態，分別在所選3個區間進行車下設備振動加速度信號采集，采集情況如圖2所示。

圖2　信號采集圖片

2.1時域分析

車下設備是最開始也是最直接承受來自輪軌間作用力、轉向架動力學作用力等引起的振動作用的部件，因此，車下設備的抗振能力要求也相應的要高于車內設備、車頂設備及其他設備。根據IEC 61373—2010和TB/T 3058—2002標準可知，車下設備的振動分析屬于其分類的第2類轉向架安裝，或第3類車軸安裝；為此，對3個不同區間采集所得部件振動加速度信號進行統計分析，所得結果分別如表2、表3和表4所示。

表2　K50～K58區間1振動試驗結果分析

從表2與表3中分析所得試驗數據可以看出，機車在區間1和區間2運行過程中，Ⅰ軸電機非傳動端底部、Ⅰ軸電機吊桿、Ⅰ軸軸箱體、Ⅳ軸軸箱體及Ⅰ轉向架構架處的振動加速度均方根值均小于其對應標準值，只有Ⅱ轉向架構架處縱向加速度均方根值少許超過標準值；同時，從表4可以看出，在區間3運行過程中，所有2類轉向架安裝設備的振動加速度值均大幅超出標準值，3類車軸安裝設備雖未超過標準值，但相比較于前兩個區間的數值，振動強度大幅上升。而3個區間數據的采集條件除外部線路狀況的變化外，其余均未發生變化，因此，從一定程度上可以看出，機車在區間3運行時的振動明顯高于其他兩種情況，同時也一定程度上說明區間3的道路不平順度要高于其余兩個區間。

表3　K62～70區間2振動試驗結果分析

表4　K82～K88區間3振動試驗結果分析

2.2自相關分析

相關性分析是指對兩個或者多個具備相關性的變量元素進行分析，從而衡量變量間的相關密切程度，是一種基于概率的統計學分析方法，它對于從大量無規律的表象數據中探索出引起事物發生變化的主要因素有著積極的作用。其中，自相關分析是描述同一個隨機信號在任意兩個不同時刻取值之間的相關程度。

基于上述在3個運行區間采集到的各部件振動加速度信號，對在3個區間上振動信號的均方根值發生了明顯變化的電機非傳動端底部和電機吊桿兩處振動加速度信號分別進行自相關分析。即對兩處部件的垂向、橫向、縱向三向振動加速度信號分別在3個區間上進行自相關處理，得出其自相關系數。研究同一牽引機車、同一噸位、同一采集設備狀態下的同一部件在不同區段運行時的振動相關性，進一步探究不同區段線路不平順狀況對機車振動的影響。分析結果分別如表5～表10所示。

表5　電機非傳動端底部垂向加速度信號自相關分析

表6　電機非傳動端底部橫向加速度信號自相關分析

表7　電機非傳動端底部縱向加速度信號自相關分析

表8　電機吊桿垂向加速度信號自相關分析

表9　電機吊桿橫向加速度信號自相關分析

表10　電機吊桿縱向加速度信號自相關分析

從表5～表10的相關分析結果可以看出，表中的斜對角線數值均為1，即同一信號與其自身完全相關，除此之外可以看出，無論是電機非傳動端底部的垂向、橫向、縱向，或是電機吊桿處的垂向、橫向、縱向加速度信號在區間1與區間2上的相關性要明顯大于區間1與區間3、區間2與區間3之間的相關性，從另一個角度來說，即區間1與區間2的線路平順度狀況相似，而區間3的線路狀況與前兩者存在較大差異。結合2.1節中機車在區間3運行時車下設備的振動加速度值普遍明顯高于在區間1、區間2運行時振動的分析結果可以間接得出，區間3線路狀況要明顯劣于區間1與區間2的線路狀況，且對運行中機車振動具有較為明顯影響。

2.3互相關分析

互相關分析是描述兩個不同隨機信號在任意兩個不同時刻的取值之間的相關程度。這里，為了進一步分析導致機車產生振動的原因，對Ⅰ轉向架構架和Ⅱ轉向架構架的3個方向的振動加速度分別在3個區間內進行互相關分析，即分別在區間1～區間3內對Ⅰ轉向架構架和Ⅱ轉向架構架的振動加速度信號進行互相關分析，探究在某一瞬間的同一時刻，前后構架間所處線路條件的差異。分析結果分別如表11～表13所示。

表11　區間1構架處振動信號互相關分析

表12　區間2構架處振動信號互相關分析

表13　區間3構架處振動信號互相關分析

從表11可以看出，在區間1上運行時，Ⅰ轉向架構架的垂向、橫向、縱向振動加速度信號與Ⅱ轉向架構架上對應振動加速度信號的互相關系數值比較接近，數學期望值為0.199 73，最大誤差9.28%。同理，從表12也可以看出，Ⅰ轉向架構架與Ⅱ轉向架構架對應振動加速度信號的互相關系數較為接近，數學期望值為0.099 14，最大誤差12.29%。因此，可以從一定程度上說明區間1與區間2上無論是高低不平順還是方向不平順等現象均不明顯，且存在明顯一致性，即這兩個區間的線路狀況較好。而從表13中可以看出，在垂向方向，Ⅰ轉向架構架與Ⅱ轉向架構架的相關系數遠小于其他兩個方向之間的相關系數，最大誤差達到91.44%，這說明區間3上高低不平順現象明顯，且是引起機車振動的最為重要的因素之一。

3　結束語

采用模擬標準載重牽引模式對深度國產化H XD1型電力機車在西康線進行了在線振動試驗研究，在對線路劃分3個區間進行數據采集的基礎上，對最能反映機車振動情況的車下設備的振動加速度信號進行了時域分析，得出了機車在區間3上振動明顯高于在其他兩個區間的振動，間接說明了區間3線路狀況劣于區間1與區間2線路狀況的結論。接著，分別采用自相關分析與互相關分析的方法對電機非傳動端、電機吊桿、Ⅰ轉向架構架和Ⅱ轉向架構架處振動加速度信號進行了分析，進一步說明了區間3線路狀況的不理想，尤其是線路垂向高低不平順，是導致機車在該區間振動較大的主要原因之一。同時，為了給后續研發過程提供數據支持，應進一步分析引起機車振動各因素的影響權值并對線路軌道狀態定量化測試等方面進行深入研究。

［1］ 蔣海波，羅世輝，董仲美.Black man-Tukey法的軌道不平順數值模擬［J］.中國測試技術，2006，32（4）：97-100.

［2］ 劉曉波，劉 劍，L E Van-quynh.軌道列車振動與噪聲研究現狀與發展［J］.電力機車與城軌車輛，2013，36（6）：12-18，22.

［3］ 房 建，雷曉燕，練松良，等.提速線路軌道不平順不利波長的研究［J］.鐵道工程學報，2010，146（11）：27-31.

［4］ 馬衛華，羅世輝.軌道不平順對輪對縱向振動影響分析［J］.鐵道機車車輛，2005，25（6）：16-20.

［5］ 郝 剛，郭志成，張立民.車下設備連接參數對車體振動特性影響研究［J］.鐵道機車車輛，2013，33（1）：63-66.

［6］ 辛 濤，高 亮，曲建軍.提速線路軌道不平順波長的動力仿真［J］.北京交通大學學報，2010，34（6）：21-25.

［7］ 么鳴濤，管繼富，顧 亮.基于車輛振動加速度響應的路面識別研究［J］.拖拉機與農用運輸車，2011，38（1）：28-31.

［8］ 寧迎智，周小林，徐慶元，等.基于小波的軌道不平順和車體振動響應分析［J］.鐵道科學與工程學報，2014，34（3）：28-32.

Experimental Study on the Vibration of Bottom Equip ments of Deep Localization H XD1 A C Drive Electric Locomotive

JIA N G Jixiong，LI Xining
（Technology Center，CSR Zhuzhou Electric Loco m otive Co.，Ltd.，Zhuzhou 412001 H unan，China）

This paper proposes to study on the vibration of botto m equip ments，w hich could reflect vibration，belongs to deep localization H XD1 A C drive electric loco m otive.Based on the representative parts＇division of the running line，all kinds of vibration data about botto m equip ments running on different parts is collected with dynamic signal collection and analysis system.A nd then，with the help of the time do main analysis，auto-correlation analysis and cross-correlation analysis of acceleration signal，main factor w hich induce locom otive vibration is analyzed.Furtherm ore，the next research direction is proposed and it will be quite helpful to the following development of electric loco m otive.

botto m equip ment vibration experiment；time do main analysis；auto-correlation analysis；cross-correlation analysis；A C drive electric loco m otive

U264.0

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2015.05.07

1008-7842（2015）05-0033-05

*中國南車股份有限公司科技開發項目（2012 N C K027）；南車株洲電力機車有限公司科技開發項目（2011 KJ24）

蔣濟雄（1985—）男，工程師（2015-04-12）