內燃機車車上部分共振故障原因探討

冉茂坪

摘要：內燃機車在柴油機組工作過程中異常振動時有發生，嚴重時會產生共振、共鳴故障，其故障源查找難度、修復工作量均較大，嚴重干擾鐵路運輸生產秩序，結合共振理論對內燃機車的共振原因進行了探討分析并提出相應措施。

關鍵詞：內燃機車;共振;原因分析;預防措施

0 ?引言

內燃機車采用交—直流電傳動，通過起動電機帶動柴油機啟動，再驅動主發電機工作，相互之間利用軸、法蘭連接，這種機械連接傳動方式極易因部件失效、同軸度不良、安裝不牢或者基座出現裂紋等因素產生異常振動，嚴重的會產生共振、共鳴現象。

1 ?共振原理及根本原因

共振是指機械系統所受激勵的頻率與該系統的固有頻率（圖1）相接近時，系統振幅顯著增大的現象，簡單的說是一系統固有的振動與外界給予系統的振動在頻率相近時產生的一種振動狀態，在共振頻率下，很小的周期振動便可產生很大的振動。共振時，激勵輸入機械系統的能量最大，系統出現明顯的振型稱為位移共振。此外還有在不同頻率下發生的速度共振和加速度共振。共振在聲學中亦稱"共鳴"，它指的是物體因共振而發聲的現象，比如兩個頻率相同的音叉靠近，其中一個振動發聲時，另一個也會發聲。

在機械共振中，常見的激勵有直接作用的交變力、支承或地基的振動與旋轉件的不平衡慣性力等。共振時的激勵頻率稱為共振頻率，近似等于機械系統的固有頻率。對于單自由度系統，共振頻率只有一個，當對單自由度線性系統作頻率掃描激勵試驗時，其幅頻響應上出現一個共振峰。對于多自由度線性系統，有多個共振頻率，激勵試驗時相應出現多個共振峰。對于非線性系統，共振區出現振幅跳躍現象，共振峰發生明顯變形，并可能出現超諧波共振和次諧波共振。共振時激勵輸入系統的功同阻尼所耗散的功相平衡，共振峰的形狀與阻尼密切相關。

在一般情況下共振是有害的，會引起機械和結構很大的變形和動應力，甚至造成破壞性事故（圖2），我們常見的教訓就是，在過橋時，人們必須注意由交通所產生的振動不要與橋的特征振動一致。

通過對共振原理的研究，可以得出：當機械系統中發生的異常振動發展到一定程度，即振動頻率一致時就會產生共振現象。由此可見及時、有效處理異常振動是防止共振的根本。

2 ?內燃機車車上部分共振因素

2.1 橡膠支承、橡膠緩沖墊失效

橡膠支承、橡膠緩沖墊通過良好的彈性和較大的剪切變形屬性，具有隔振、抗振作用。如果一個系統中橡膠堆、橡膠緩沖墊相互間的性能差異過大，會造成相互間的隔振、抗振作用不一致，引起系統的工作不平衡產生振動;另外如果橡膠支承、橡膠緩沖墊本身的抗老化性能不佳時間久了會讓隔振、抗振效果降低。

內燃機車有4個柴油機安裝橡膠支承，受產品本身的制造差異性、選裝因素影響，存在相互性能偏差的可能性，柴油機工作時產生的負載通過4個橡膠支撐傳遞給車體引起共振。

采用靜液壓泵、馬達驅動的冷卻系統，冷卻裝置為V型整體吊裝結構，經橡膠緩沖墊固定在車體頂蓋的安裝座上，當靜液壓系統出現異常振動或冷卻風扇異音時，極易通過橡膠緩沖墊傳給車體引起冷卻間和Ⅱ室司機室出現共振、共鳴現象。

2.2 傳動軸、萬向軸

傳動軸、萬向軸的外形質量不均勻，其不平衡會引起轉軸的橫向振動，并使轉軸受到不必要的動載荷，這不利于轉軸正常運轉，同時還會因花鍵間隙偏大、同軸度問題引起徑向跳動量較大，產生異音或異常振動;另外如果傳動軸、萬向軸的動平衡試驗不符合技術標準，其工作時的離心力還會引起變速箱的周期性振動和噪音，但因傳動軸、萬向軸本身的物理結構特點決定了在還沒有引起機車共振前本身就已經結構性損壞了，一般對共振影響不大。

2.3 安裝基座出現裂紋和地角螺栓不牢

安裝基座出現裂紋和地角螺栓不牢是共振常見和主要因素，我們通過探傷、目測檢查安裝基座和地角螺栓狀態即可查找出，相對來說較為容易查找。安裝基座和地角羅栓在機械系統長期負載作用下產生安裝基座疲勞裂紋和地角螺栓松動現象，引起安裝部件的運轉不平穩、振動，這種運轉不平穩和振動反過來再次加劇裂紋和地角松動故障的擴大化，長時間惡性循環極易使固有頻率和激勵頻率發展到相近從而引起共振現象。

2.4 彈性聯軸節、主發電機和硅油減振器

柴油機軸系的扭轉振動會在曲軸和傳動軸上產生扭轉附加應力，會產生一定的自振頻率。主發電機屬于機車上又一質量較大的振動體，其振動的原因很多，如定子和轉子鐵心變橢圓、偏心、松動及不平衡等本身質量問題，與聯軸節組裝配合時軸系不對中、中心線不重合、定心不正確連接組裝問題，另外還有一種情況就是聯動部分在冷態時是重合一致的，但運行一段時間后由于轉子支點、基礎等變形產生的振動。為此內燃機車柴油機采用了彈性聯軸節、減振器與主發電機的連接方式來進行隔振、抗振。此類異常振動現象多發生在機車落成竣工后水阻試驗過程中，通常采用調整主發電機的安裝角度或更換主發電機，可以減小或消除異常振動。

2.5 前、后變速箱

結合變速箱的結構原理，其運轉是通過外部萬向軸或傳動軸與本身主動齒輪軸的剛性連接，再通過齒輪傳遞給惰輪軸、從動軸實現傳動。當發生軸承受損、撞齒、齒面剝離和掉齒等故障，降低軸和軸承系統的剛性，降低自振頻率，都會引起運轉不平穩，產生異音和振動，從而引起其他連接部件發生運轉不平穩、振動現象，當出現相同頻次的振動時就會產生共振。

2.6 各油、水管路管卡脫焊或無管卡

柴油機工作時，若管路過長而管卡又出現脫焊或無管卡時，會因柴油機、車體本身的運行振動及管路中工作介質的流動產生異常振動。一般不致于引起共振。

3 ?防止措施

防止機械共振的核心主題是通過改進機械的結構或改變激勵，使機械的固有頻率避開激勵頻率。對于機車檢修與運用來說，改變激勵是我們的主題，削弱激勵和防止激勵的發生或發展擴大是根本。因此，在結構部件運行當中，發現異常振動、異音要及時查找原因，盡快修復，避免振動加劇最終產生共振共鳴現象。結合內燃機車檢修實際，提出以下減小、消除內燃機車車上部分共振的建議、措施。

3.1 調整組裝相位

對曲軸系（曲軸、彈性聯軸節、主發電機）組裝時應保證旋轉部件相互間的不平衡矢量盡量抵消或者錯開，避免不平衡量的疊加，當出現異常振動或共振時可以通過調整組裝角度來進行削弱。

3.2 橡膠支承或墊

嚴格加強橡膠支承或墊的壓縮量檢測，保證性能符合技術要求，且通過選裝控制同一臺車相互間的壓縮差不能相差太大。

3.3 動平衡試驗卡控

對曲軸、彈性聯軸節、主發電機轉子、傳動軸、萬向軸等旋轉部件按工藝要求進行嚴格的動平衡試驗檢測，通過動平衡試驗找到為消除不平衡量所需的校正質量的大小和應放置的位置。理想狀態下回轉體旋轉與不旋轉時，對軸承產生的壓力是一樣的。由于材質不均勻或毛坯缺陷、加工及裝配中產生的誤差，甚至設計時具有非對稱的幾何形狀等多種因素，使得回轉體在旋轉時，其上每個微小質點產生的離心慣性力不能相互抵消，離心慣性力通過軸承作用到機械及其基礎上，引起振動，產生噪音，加速軸承的磨損，縮短機械壽命，嚴重時造成破壞性事故，由此可見動平衡性試驗對于旋轉部件的重要性。

3.4 內燃機車大、中修時對安裝基座進行探傷等檢查，發現裂紋等質量問題及時消除，增加基座的剛性強度。

3.5 保證組裝同軸度

盡量減小曲軸系、傳動軸等旋轉部件間的組裝偏差，保證同軸度。影響組裝同軸度的因素有部件本身的加工精度、部件間的配合要求和接觸質量、旋轉件的不平衡、同軸度調整采用的方式及工人的裝配技術，需要對組裝同軸度進行嚴格測量把關。

3.6 出現管卡脫焊、管路裂等現象要查找振動源

隨著振動的加劇，除了振動源本身一些零部件會加大損害外，還會引起連接部件以及通過機體傳遞給周邊安裝部件發生損害。在實際工作中，針對出現的管卡脫焊、管路裂等現象要引起重視，分析查找出原因。如果振動源沒有排查消除，就算將管卡脫焊、管路裂損等振動易損部位修復，接下來使用中依然會發生故障。因此，發現異常振動或者一些振動易損部位已經發生了故障，就應該排查真正的振動源，避免振動加劇帶來的更大的損害。我段DF8型0036機車短期內曾先后發生過高溫靜液壓管裂漏、裂斷、冷卻間和Ⅱ室司機室振動大及最后的冷卻間和Ⅱ室司機室共振、共鳴現象，后更換輔助變速箱和冷卻裝置橡膠緩沖墊重新組裝故障消除，主要原因是輔助變速箱軸承損壞和冷卻裝置橡膠緩沖墊老化，一起典型的從振動發展起來的共振故障，起初的高溫靜液壓管裂漏、裂斷屬于早期異常振動階段，沒有那么明顯，在我們人體的容忍范圍內，屬于系統異常振動的危害者，隨著輔助變速箱軸承的損害擴大發展到后期的整個冷卻間和Ⅱ司機室共振。

3.7 利用振動監測技術

通過對機器或結構在工作狀態下的運轉或振動狀態進行監測，對機器或結構進行故障診斷、環境控制、等級評定;測量受迫振動獲得被測對象的動態性能：固有頻率、阻尼、響應、模態等信息，實現對機器或結構健康狀態的評估與診斷，找出薄弱環節。當零部件發生故障時，激勵發生變化，結構振動狀態也將發生相應變化。通過監測結果參照《常用機械設備振動標準》——ISO 2372等相關機械振動標準來判定振動烈度量級，并根據振動烈度量級來決定是維持運用還是必須拆解維修。

參考文獻：

[1]張書堂，王雙強.東風4型機車司機室共振問題的研究[J].內燃機車，2002（5）：6-17.

[2]王修斌，程良駿.機械修理大全：第1卷[M].遼寧：遼寧科學技術出版社，1993.

[3]戚墅堰機車車輛廠.東風11型內燃機車[M].北京：中國鐵道出版社，1997.

[4]張大昌.高中物理選修3-4[M].北京：人民教育出版社，2010.