重型軌道車電動空壓機振動問題分析及改進

張兵奇

重型軌道車電動空壓機
振動問題分析及改進

張兵奇

某重型軌道車空氣制動系統的電動空壓機批量裝車使用時，少量電動空壓機工作時出現異常振動。采用試驗方法得到電動空壓機的激勵頻率，結合有限元法求得電動空壓機的共振頻率。改變電動空壓機的結構，并用有限元法對改進方案進行計算，合理避開了系統共振。通過實際驗證，發現電動空壓機異常振動消失，該問題徹底解決。

電動空壓機；異常振動；共振；有限元計算

某重型軌道車空氣制動系統中用到一款電動空壓機，有個別空壓機在啟動打風時出現明顯的異常振動，空壓機及吊架振動劇烈。該軌道車空氣制動系統的風源由3個空壓機提供，其中2個為發動機自帶空壓機，發動機工作時自行運轉，是空氣制動系統的主空壓機，在行車時為軌道車空氣制動系統提供風源；電動空壓機是輔助空壓機，在軌道車發動機停機或發動機空壓機故障時為空氣制動系統提供風源，作為備用空壓機使用。空氣制動系統關系到行車安全，風源是制動系統的原動力，空壓機的正常工作對行車安全有著十分重要的意義。

1 電動空壓機的結構

該電動空壓機是由電動機、空壓機、三角皮帶、空壓機吊架及緊固螺栓等組成。電動機通過皮帶驅動空壓機，電動機及空壓機用螺栓固定在空壓機吊架上，空壓機吊架通過螺栓與車架連接。電動機是三相異步電機，同步轉速1 480 r/min。空壓機為雙缸活塞式空氣壓縮機，車架上的連接件為槽鋼及鋼板，電動空壓機結構如圖1所示。

圖1 電動空壓機簡易裝置圖 （單位：mm）

2 電動空壓機異常振動分析

2.1 電動空壓機異常振動的描述及原因分析

電動空壓機正常工作時，空壓機及吊架振動明顯，且噪聲偏高；電動空壓機無負載運行時，空壓機及吊架振動幅度稍有減輕，且噪聲有所降低；電動空壓機的電動機單獨運轉時空壓機及吊架無明顯振動，但是在電動機停止轉動過程中的高轉速區段，空壓機及吊架有明顯振動。

根據以往經驗，電動空壓機異常振動通常有以下幾個原因：①電動空壓機系統的裝配質量差，如傳動皮帶太松或太緊，空壓機皮帶盤與電動機皮帶盤出現錯位，導致傳動過程中皮帶產生過大的附加力；②空壓機、電動機、空壓機吊架等連接螺栓預緊力不足，連接件之間的小間隙產生異常振動；③空壓機或電動機的旋轉部件的動平衡不好，空壓機工作時旋轉部件的離心力過大，導致異常振動；④空壓機吊架剛性不足引起的系統共振。通過對電動空壓機的檢查，排除了前2項原因，并得出如下判斷：振動主要方向沿空壓機吊架長度方向，振幅值3～5 mm，屬于異常振動。

因主要振動是沿空壓機吊架長度方向的單自由度振動，為了便于分析，使用單自由度系統受簡諧激勵的動力學模型。將電動機、空壓機、空壓機吊架看作1個振動系統，其總質量為m；空壓機、電動機的等效激勵頻率為ω，激勵振幅為F0，即等效激勵力為F0sinωt；空壓機吊架的等效剛度為k；空氣及其他阻力作為阻尼c；根據參考文獻[2]，則系統的運動微分方程為：

方程（2）的幅頻圖如圖2所示。

圖2 幅頻圖

因改變阻尼比ξ比較困難，減小空壓機振動的常用方法是改變系統的頻率比和減小激勵振幅F0，即增加吊架鋼度，使，盡量減小空壓機的振動不平衡，使空壓機吊架的振動幅度小于3 mm。

2.2 電動空壓機共振頻率測試

系統的共振頻率和激勵頻率接近時才會出現共振，因此，可以根據激勵頻率推定系統的共振頻率。只要得到共振時的激勵頻率，就能得到系統的共振頻率。可用以下方法來得出共振時的激勵頻率。

電動空壓機系統在取掉皮帶后，空壓機不工作，振動系統的激勵來自電動機轉子旋轉，并與轉子的轉速相關。接通電源電動機空轉時，系統無共振；電動機在減速后的高速區段系統出現共振：可以推定系統的共振頻率低于電動機空轉頻率；該電動機為三相異步電動機，源頻率為50 H z，其同步轉速為1 480 r/min（即24.67 H z)，在電動機空載時其轉速接近1 480 r/min，因此，可以推定系統的激勵頻率小于24.67 Hz。

電動機帶動空壓機運行時系統的激勵來自電動機和空壓機。空壓機空載運行時電動機的轉速比空壓機打風時的轉速高，而空壓機空載時系統的振動幅度有所減小，進一步印證了空壓機正常工作時出現共振。該電動空壓機正常工作時電機的轉速為1 450 r/min，由此可以推定該系統激勵頻率約為24.17 Hz(1 450/60)。得到系統共振的激勵頻率，也就得到系統的共振頻率。

使用有限元法也可求出系統的共振頻率。如果計算結果與以上結論一致，便可確認該電動空壓機異常振動的原因，為徹底解決該問題提供幫助。

2.3 電動空壓機的有限元分析

使用模態分析可以得到系統的各階模態和相應振型，在設計時避免系統共振。模態分析有自由模態分析和約束模態分析。因該電動空壓機的約束明確，故采用約束模態分析。

電動機實際質量為45 kg，三維建模時做成與實際體積近似的質量塊；空壓機按照質量65 kg三維建模時做成與實際體積近似的質量塊；將吊架及吊架與車架的連接梁按照實際尺寸建模，并作適當的簡化。

網格劃分，結構分析對網格質量要求不是很高，通常采用自動網格劃分。網格質量使用Skewness指標。通常Skewness的平均值：對六面體、三角形和四邊形，應小于0.8；對四面體應小于0.9。使用ANASYS進行網格劃分，其簡圖如圖3所示。

圖3 電動空壓機裝置三維模型網格劃分簡圖

以吊架與車架主梁連接部分的剛性約束作為邊界條件，使用ANASYS進行模態分析，其邊界條件簡圖如圖4所示。

圖4 電動空壓機裝置邊界條件簡圖

使用ANASYS進行模態分析，其6階模態和相應振型如表1所示。

從表1可知：電動空壓機的1階模態的頻率為21.027 Hz，振型為橫向振動。1階模態屬于主振動，其振型與電動空壓機的異常方向一致，可用作異常振動的原因分析。

表1 電動空壓機6階模態及其振型圖

2.4 電動空壓機異常振動的綜合分析

通過電動空壓機振動問題排查及試驗分析得知：電動空壓機在電動機轉動時因旋轉部件的轉動不平衡產生周期性的作用力，這個作用力頻率接近24 Hz，將此看作激勵頻率；通過有限元計算得知，電動空壓機的1階模態頻率為21.03 Hz，將此看作系統固有頻率。激勵頻率與系統固有頻率比值為1.14（24/21.03），這個值大于0.707（1/21/2）且小于1.414（21/2），頻率比接近1；電動空壓機異常振動方向為橫向振動，與有限元計算的1階模態振型一致。基于以上兩點可得出結論：電動空壓機振動原因為系統共振。

3 電動空壓機異常振動的解決方法

系統共振問題可從改變系統的輸入頻率與固有頻率的比值入手，也可通過增加阻尼或隔離振源的方法入手。對電動空壓機來說，改變系統固有頻率的方法最簡單，成本最低。通過改變空壓機吊架及連接的剛度，使激勵頻率與系統固有頻率比值大于1.414或小于0.707，便可解決共振問題。

通過剛度分析得知：此空壓機的吊架與軌道車主梁的連接剛度較小。提高空壓機吊架與主梁的連接剛度可提高空壓機裝置的固有頻率；為安全起見，將空壓機的吊架一并加強。提高空壓機吊架與主梁的連接剛度方法是：①將主梁上的空壓機安裝橫梁加強，如圖5所示，在空壓機橫梁上增加蓋板，使其截面由“[”形變為“□”形，增加抗扭剛度；②在軌道車主梁上的空壓機安裝豎梁上增加筋板(圖5中筋板4)，增加其抗彎剛度。提高空壓機吊架的方法是在空壓機吊架上增加筋板(圖5中筋板1、2、3)。

圖5 改進后的電動空壓機裝置（單位：mm）

為驗證改進方案的有效性，再次進行模態分析。按照變更后的結構建立三維模型，將三維模型輸入ANSYS進行模態分析。其網格劃分簡圖如圖6所示，其ANSYS分析的6階模態及其振型圖如表2所示。

圖6 改進后的電動空壓機三維模型網格劃分簡圖

表2 改進后的電動空壓機6階模態及其振型圖

因其1、2、3、4階模態的振型為局部振動，與空壓機振動無關，不能作為分析依據。5階模態為系統固有頻率，振型與空壓機振動一致，可作為分析依據。此時激勵頻率與系統固有頻率比值為0.24（24/99.479），且小于0.707（1/1.414）的頻率比，滿足防止共振的設計要求。

上述改進方案經過實際驗證，沒有出現異常振動，效果良好，解決了該電動空壓機異常振動的問題。

4 結論

通過對軌道車電動空壓機異常振動的分析，并用有限元模擬分析進行了對比，驗證了異常振動的原因。通過改變電動空壓機的結構和強度，從而改變其固有頻率，防止出現共振現象。經過仿真模擬獲知，改進后的電動空壓機的固有頻率遠離其激勵頻率，因此，確定了解決異常振動的方案。最后經過實際驗證，改進后的結構沒有出現明顯的振動現象。因此，整個分析、試驗、論證及最后設計改進是成功的，該方法可以有效地解決同類問題，同時對新產品的設計、優化以及研發具有重要的指導意義。

[1] W Soedel. DESIGN AND MECHANICS OF COMPRESSOR VALVE [M]. 陜西西安：西安交通大學出版社，1986.

[2] 程耀東，李培玉. 機械振動學（線性系統）[M]. 浙江杭州：浙江大學出版社，1988.

[3] 尤詳勝. 往復式空氣壓縮機振動故障診斷[J]. 壓縮機技術，2006(4)：19-23.

[4] 段進，倪棟，王國業. ANSYS10.0結構分析從入門到精通[M]. 北京：兵器工業出版社，2006.

責任編輯 冒一平

Analysis and Improvement of Vibration of Electric Air Compressor for Heavy Rail Vehicle

Zhang Bingqi

Abnormal vibration of a few electric air compressors in the air brake system occurs on a heavy rail vehicle. The testing method is used to get excitation frequency in the electric compressor. By using finite element method, the resonance frequency of electric air compressor is obtained. The structure of electric air compressor is changed, and by using finite element method the improved scheme is calculated and system-wide resonance is properly avoided. Through the actual verification, it is found that the abnormal vibration of the electric air compressor disappears, and the problem is solved completely.

electric air compressor, abnormal vibration, resonance, finite element calculation

U260.35+1

2015-03-31

張兵奇：寶雞南車時代工程機械有限公司，工程師，陜西寶雞 721000