高速動車組牽引變壓器振動特征及對車體的影響*

陳 璨，郭力榮，李國順，張義超，王成強

（1 中國鐵道科學研究院集團有限公司 機車車輛研究所，北京100081；2 中車長春軌道客車股份有限公司，長春130062）

牽引變壓器是高速動車組的關鍵設備，具有質量大，振動激勵源復雜等特點，極易與車體產生耦合振動，降低車輛運行品質，影響牽引變壓器的正常運轉，甚至會導致設備連接部件的疲勞斷裂，威脅車輛的運營安全［1-2］。此外，車體輕量化設計和運行速度的提高，致使車體及其懸吊設備承受的載荷日益復雜，惡化了牽引變壓器等部件的工作條件［3］。因此，掌握高速列車運用過程中牽引變壓器真實的振動特點及與車體的耦合振動關系是十分必要的。

賀小龍等建立了車輛剛柔耦合模型，對牽引變壓器的懸掛參數進行了優化設計［4］。于金鵬等利用有限元模型研究了牽引變壓器的振動響應容限［5］。高艷姿研究了牽引變壓器雙層隔振系統的振動功率流［6］。張遠亮等研究了牽引變壓器在負載開風機狀態下的振動及傳遞特性［7］。值得注意的是，該研究僅分析了車輛靜態時牽引變壓器垂向的振動情況，忽略了牽引變壓器工作時磁致伸縮引起的鐵芯振動以及車體振動對牽引變壓器的影響，不能較為完整、全面地反映牽引變壓的振動特征。

文中基于高速列車線路試驗，獲取了動車組正常運行時牽引變壓器及車體的振動加速度數據，并對其進行時頻域分析，較為詳細地研究牽引變壓器在不同工作狀態下的時頻域響應特征及對車體的影響，更加完整真實地揭示高速動車組運用過程中牽引變壓器的振動特點，為牽引變壓器的設計和安全運用提供參考。

1 線路試驗

選取在京廣線正常運行的某型動車組為試驗車輛，在其牽引變壓器及車體底架安裝三向加速度傳感器。表1列出了試驗項點，各測點的現場照片如圖1所示。試驗中采樣頻率為2000 Hz，確保測試數據能有效地反映牽引變壓器和車體的振動情況。

圖1 振動加速度安裝位置

表1 測點描述

2 牽引變壓器加速度時頻域分析

選取某一運行區間的測試數據，對其去零漂、消除干擾及噪聲毛刺后，獲得牽引變壓器箱體（測點1）的振動加速度。測試數據涵蓋了高速動車組完整的加速、恒速以及減速過程。測試區間動車組最高運行速度為306 km/h。

動車組區間運行速度和牽引變壓器垂向、橫向振動加速度時間歷程如圖2所示。從圖2中可以明顯看出，與車體振動加速度情況不同，牽引變壓器的橫向振動加速度明顯大于其垂向振動加速度。測試區間內，牽引變壓器垂向振動加速度最大值為2.02 m/s2，有效值為0.25 m/s2；橫向振動加速度最大值為11.05 m/s2，有效值為1.32 m/s2，是垂向振動加速度值的5倍。主要原因是試驗車輛牽引變壓器鐵芯是橫向布置，因此當牽引變壓器工作時，在鐵芯磁致伸縮效應和通電繞組引起的軸向電磁力作用下，牽引變壓器器身與箱體發生橫向振動。

圖2 速度、牽引變壓器加速度時間歷程

牽引變壓器垂向、橫向振動加速度的時頻分布如圖3、圖4所示。由圖3和圖4可知，牽引變壓器振動基頻為100 Hz，振動能量主要集中在100 Hz及倍頻。主要原因是磁致伸縮效應和電磁力產生的激勵頻率為交流電頻率（50 Hz）的2n（n=1，2，3...）倍［8］。

圖3 牽引變壓器垂向振動加速度時頻分布

圖4 牽引變壓器橫向振動加速度時頻分布

由圖3可知，垂向振動能量主要集中在0～50 Hz頻段和100 Hz、200 Hz及300 Hz。0～50 Hz頻段振動能量主要源自車體受輪軌激勵引起的受迫振動和彈性振動；100～300 Hz頻段振動能量主要反映是在電磁力作用下牽引變壓器器身與箱體間的振動。與垂向振動相比，0～50 Hz頻率范圍內的橫向振動能量較小，振動能量主要集中在100 Hz及其倍頻，且頻率分布更加分散，表明橫向振動能量主要來自器身與箱體間的振動，受車體振動的影響較小。此外，400～500 Hz頻率范圍內牽引變壓器箱體的振動能量出現了明顯的衰減，尤其是垂向振動。

值得注意的是，在220～237 s、512～527 s時間范圍內，牽引變壓器的橫向和垂向振動加速度值接近，且遠小于工作時的振動加速度值，見圖2。此外，在這兩個時段沒有明顯的100 Hz及其倍頻振動能量，見圖3和圖4。這是由于車輛通過分相區，牽引變壓器斷電待機，鐵芯與繞組間的軸向電磁力逐漸減弱，器身與箱體間不再有劇烈的相互運動。此時，牽引變壓器可視作一個懸吊于車體底架下無振動源的大質量塊，僅受車體振動影響。

車輛通過分相區后，牽引變壓器通電重新工作，由于激磁涌流的影響，導致牽引變壓器振動加速度出現了明顯的峰值。

3 典型工況的振動特征

由上述分析可知，牽引變壓器振動情況與其工作狀態密切相關，因此選取車輛在直線線路運行時牽引變壓器斷電待機和恒速負載工況下5 s的穩態測試數據分析牽引變壓器的振動特點及對車體的影響。

3.1 待機工況

225～230s時間范圍內，動車組通過分相區，牽引變壓器斷電待機，運行速度為250 km/h。待機工況下，牽引變壓器和車體的振動加速度時間歷程如圖5所示，加速度統計值見表2。

圖5 待機工況下振動加速度時間歷程

表2 待機工況下加速度統計值

對比車體與牽引變壓器的振動情況可知，待機時車體橫向振動加速度與牽引變壓器橫向振動加速度十分接近。由于牽引變壓器箱體與車體間隔振系統的作用，車體垂向振動加速度小于牽引變壓器垂向振動加速度。需要注意的是，待機時牽引變壓器橫向振動加速度值仍大于垂向振動加速度值。這是由于斷電后鐵芯和繞組間仍有殘留的軸向電磁力，導致器身與箱體間仍存在輕微的振動。

待機工況下牽引變壓器和車體振動加速度功率譜密度如圖6所示。從圖6中可以看出，待機時車體和牽引變壓器振動能量主要集中在0～50 Hz頻率范圍內，垂向振動主頻為0.8 Hz，橫向振動主頻為0.6 Hz，均與車體垂向、橫向振動主頻一致，并且振動能量接近。

圖6 待機工況下加速度功率譜密度

文中利用相干系數和相關系數討論車體與牽引變壓器振動加速度間的關聯關系［9］，如圖7、圖8所示。在0～2 Hz頻率范圍內，車體與牽引變壓器加速度的相干系數均大于0.9，相干成分在頻率范圍所占比重較大，如圖7所示。

圖7 待機工況下車體與牽引變壓器加速度相干系數

圖8 待機工況下車體與牽引變壓器加速度相關系數

由圖8可知，在垂向上車體與牽引變壓器振動加速度表現出負相關關系，在橫向上車體與牽引變壓器振動加速度表現出正相關關系。此外，二者的相關系數存在明顯的周期性，垂向相關系數的周期頻率為0.8 Hz，橫向相關系數的周期頻率為0.6 Hz，均與圖6中相應方向振動加速度的主頻一致。由相關系數的性質可知，周期信號的相關函數是周期性，且其周期與原信號相同。基于圖6、圖7和圖8的分析可知，車體與牽引變壓器振動加速度在低頻段存在明顯的相關關系，且低頻振動能量占比非常大。考慮低于1 Hz的振動通常是車體受迫振動響應，由此可以認為待機時牽引變壓器振動主要受車體振動影響。

此外，牽引變壓器在7.5～12.6 Hz頻段內有較大的振動能量，反映了牽引變壓器箱體的彈性振動。需要注意的是，牽引變壓器橫向振動有100 Hz的振動能量，表明斷電后器身與箱體間仍有電磁力引起的橫向振動，但振動能量較小。

3.2 負載工況

430～435 s時間范圍內，動車組恒速運行，運行速度為300 km/h，牽引變壓器持續穩定工作。

負載工況下牽引變壓器和車體的振動加速度時間歷程如圖9所示。從圖9中可以看出，負載工況下牽引變壓器振動加速度值明顯大于車體振動加速度值，尤其是橫向振動。負載工況下，牽引變壓器垂向振動加速度是待機工況加速度值的2倍；橫向振動加速度是待機工況加速度值的8倍，見表3。由此可見，牽引變壓器工作時磁致伸縮效應和電磁力引起的鐵芯與箱體間的振動是主要能量來源。

表3 負載工況下加速度統計值

圖9 負載工況下振動加速度時間歷程

與牽引變壓器振動變化情況不同，負載工況下車體振動加速度值沒有明顯增大，表明牽引變壓器與車體間的隔振系統有效衰減了來自牽引變壓器的振動能量。需注意的是，車體橫向振動仍有較大增幅。

由于電磁力與供電頻率有關，負載工況下牽引變壓器垂向、橫向振動能量主要集中在100 Hz及其倍頻，如圖3、圖4所示，限于篇幅，在此不再討論。

負載工況下車體振動加速度功率譜密度如圖10所示。車體垂向振動能量分布與待機工況振動能量分布類似，主要反映了車體的受迫振動和彈性振動。與垂向振動不同，車體橫向振動中不僅有輪軌激勵引起的受迫振動能量，也有明顯的100 Hz振動能量。負載工況下車體與牽引變壓器振動加速度相干系數如圖11所示。從圖11中可以看出，在0～2 Hz范圍內，二者的相干系數與待機工況的相干系數接近，均大于0.9，由3.1節分析可知，該頻段牽引變壓器振動能量主要來自車體振動。需注意的是，在100 Hz處相干系數接近1，且在100 Hz出現了明顯的振動能量，這與牽引變壓器振動能量分布頻帶一致，由此可以認為經過隔振系統衰減后，仍有部分牽引變壓器振動能量傳遞至車體，致使車體存在明顯的100 Hz高頻振動能量。

圖10 負載工況下車體加速度功率譜密度

圖11 負載工況下車體與牽引變壓器加速度相干系數

4 結論

通過深入分析高速列車線路試驗中動車組牽引變壓器及車體的振動加速度數據，研究了動車組牽引變壓器振動特征及對車體的影響。研究結果表明：

（1）牽引變壓器振動基頻為100 Hz，振動能量主要集中在100 Hz及其倍頻。由于鐵芯橫向放置，牽引變壓器橫向振動比垂向振動更加劇烈，且振動能量在頻域內分布更為分散，受車體振動影響較小。

（2）牽引變壓器待機條件下，牽引變壓器振動情況與車體振動情況接近，振動能量主要來自車體振動，但箱體法平面仍有殘留電磁力引起振動能量。

（3）牽引變壓器負載條件下，振動加速度值比待機工況加速度值擴大了2～8倍，器身與箱體間的振動成為主要能量來源。

（4）隔振系統能有效衰減牽引變壓器傳遞至車體的振動能量，尤其是垂向振動，但仍有100 Hz高頻橫向振動傳遞至車體。