中低速磁浮列車輔助逆變器風機失效研究

李 林 鄭田田

（中車株洲電力機車有限公司 磁浮系統(tǒng)研究所，湖南 株洲 412001）

中低速磁浮列車利用懸浮電磁鐵的電磁吸力使列車懸浮于軌道上,通過直線電機牽引列車前進。磁浮列車經過不同軌道基頻和不平順所產生的車輛振動問題,通常采取空簧等一系列減振器來減弱;同時建立車輛- 懸浮控制系統(tǒng)- 軌道共振模型,研究控制核心算法抑制車輛在道岔、共振等問題[1],為中低速度磁浮列車實現平穩(wěn)安靜運行提供技術保障。

目前中低速磁浮產品的振動與沖擊試驗都是依據IEC 61373、GB/T 21563 為標準[2-3]進行,標準規(guī)定了機車設備不同等級的振動頻率范圍、大小、加載方式等。在多次現場測試中,我們發(fā)現該標準不完全符合中低速磁浮列車及其線路的實際需求,因而迫切需要獲取產品實際運行振動環(huán)境用于指導和優(yōu)化產品設計,提高可靠性。

本文針對輔助逆變器風機異響、開裂等失效問題,展開研究,并對其結構進行優(yōu)化。

1 失效現象及初步分析

某磁浮線路的輔助變流器散熱風機 (型號: 軸流風機S2D200-BH18-08)發(fā)生異音故障,經拆解后確認為風機扇葉處裂紋導致。此風機為地鐵輔助逆變器批量裝車驗證的風機,未有類似的問題。現場更換輔助變流器散熱風機,試驗功能及各方面指標參數正常，見圖1。

圖1 輔助逆變器及風機

扇葉出現裂紋最可能的原因是風機安裝固有頻率偏低、扇葉剛度偏弱,風機與柜體之間連接結構剛度偏弱,疊加風機自身重量,在運行中引起了共振。風機的葉片與本體之間是采用焊接連接也是可能導致扇葉開裂原因之一。

2 振動原因分析

2.1 振動激勵源分析

電磁懸浮是依靠電磁鐵與軌道之間的電磁吸力使列車懸浮于軌道之上,保證列車無接觸運行。懸浮控制器采集懸浮傳感器輸出的懸浮間隙與加速度信號,通過控制板(DSP- 數字信號處理器)進行控制算法處理,得出懸浮電磁鐵需要的電流,再與實際反饋電流進行比較,輸出PWM脈沖給IGBT 驅動電路,從而控制主電路中IGBT 的開通和關斷。若PWM開關頻率大于100Hz,會造成車輛產生高頻低幅的振動激勵, 易產生車輛- 懸浮控制系統(tǒng)- 軌道共振，見圖2。

圖2 車輛- 懸浮控制系統(tǒng)- 軌道共振原理

2.2 振動相關標準分析

目前中低速磁浮產品的振動與沖擊試驗都是參考國內外軌道交通行業(yè)相關的標準。IEC 61373、GB/T 2156 中描述了相應的振動沖擊指標要求[2-3],規(guī)定共振試驗、振動性能試驗和振動耐久性試驗頻率范圍不超過150Hz[4]。ISO 2631 中規(guī)定軌道的振動頻率范圍為1HZ～80Hz。TB/T 2360 中規(guī)定車輛的振動計算頻率為1HZ～80Hz。TB/T2360、ISO2631 和UIC513 橫向振動加權基本相同[5-6],但垂直分量均有別,均只關心0-100HZ 低頻分量[7]。

通過測試獲取主要產品的運行振動環(huán)境特性,后續(xù)可為同類型產品的選型、設計、優(yōu)化等提供技術支持,并有助于甄別和解決輔助逆變器風機異響、開裂等類似問題。通過建立現場運行數據庫,可用于指導現場振動故障,監(jiān)測產品結構健康水平,提高產品實際運行質量。對軌道交通類似產品開展振動頻譜測試和研究工作,具有一定指導意義。

3 振動測試方案及數據分析

3.1 測試方案

圖3 Brü el & Kjr 振動噪聲傳感器原理

3.2 傳感器布置

風機共布置3 個三向振動傳感器, 其中一個三向傳感器布置在風機發(fā)電機表面,另外2 個三向分別布置在風機外殼上面。輔助逆變器共布置6 個振動傳感器, 包含3 個三向振動傳感器和3 個單向振動傳感器，見圖4-5，表1。

表1 輔助逆變器振動沖擊試驗測試點分布表

圖4 輔助逆變器風機

圖5 輔助逆變器安裝固定座

3.3 測試數據分析

3.3.1 頻域分析

3.3.1.1 風機的振動數據分析

由圖6 可以看出: 風機的垂向振動大于縱向和橫向振動,垂向主要振動頻率包括75Hz、166Hz、237Hz、320Hz、680Hz、846Hz等,其中846Hz 的垂向振動有效值達到10.485m/s2(由圖中縱坐標由對數坐標轉換成線性坐標得到),遠大于其它頻率點。

風機在自由狀態(tài)下, 葉片的低頻振動固有頻率在141Hz、192Hz、245-254Hz、315-318Hz(見圖7)、367-371Hz 附近,與圖6主要振動頻率沒有完全的重合,但在320Hz 與315-318Hz 固有頻率接近, 考慮到風機實際安裝狀態(tài)下固有頻率發(fā)生改變的情況,存在共振發(fā)生的可能性。該風機的額定轉速為2600rpm,葉片數為9 片,因此風機轉頻為43.3Hz,葉片通過頻率為390Hz,這兩個頻率及其倍頻的振動都較小。

圖6 風機的振動頻譜(0-1000Hz)分析

圖7 風機在自由狀態(tài)下,葉片的低頻振動固有頻率

圖8 為400Hz 以下三個風機的振動頻譜, 通過分析得出,在400Hz 以下,三個風機的振動頻譜較為接近,主要振動頻率包括77Hz,106Hz,166Hz,237Hz 及320Hz 等。

圖8 400Hz 以下,三個風機的振動頻譜

從頻譜結果來看,在振動頻譜上幾乎一致,輔助逆變器風機的振動峰值在240Hz 附近,為風機的葉片通過頻率。

3.3.1.2 輔助逆變器固定安裝座振動數據分析

圖9 為輔助變流安裝座(吊耳)振動頻譜,由該圖可以得出,振動頻率在1KHz 以內,主要包括2Hz(可能由車體本身振動引起)、320Hz 及341Hz,320Hz、341Hz 柜體吊耳在高頻時包含明顯的電磁振動特征。以上振動頻率在圖6 風機垂向振動中也有一定的體現,846Hz 在吊耳也有一定體現,說明846Hz 振動對整個輔助變流器都有一定影響。

圖9 輔助變流安裝座振動頻譜

圖10 為柜體吊耳橫向振動頻譜對比,從圖中可以看出,輔變柜體吊耳在320Hz 和341Hz 的振動有效值較大, 在高頻處輔變吊耳的電磁振動特征明顯。

圖10 柜體吊耳橫向振動頻譜對比

3.3.2 時域分析

在0-3200Hz 頻段范圍內,在某條線路進行三次試驗的振動加速度RMS 值,如表2 所示。

表2 0-3200Hz 頻段不同測點的振動加速度RMS 值

3.4 結論分析

高頻1kz 以上在輔助逆變器的固定安裝座的吊耳電磁振動特征明顯,但未傳遞到風機。在846Hz 左右,風機存在較大的垂向振動幅值(達到10m/s2以上)。根據現場實測頻譜特征,846Hz異常振動特征與與變壓器等電磁振動特征不符合, 來自輔助變流器內部其他振源可能性很小,可能與風機湍流脈動沖擊有關。該風機葉片在141Hz、192Hz、254Hz、315～318Hz、367～371Hz 等附近可能存在固有頻率,與此次測試得到的320Hz 振動較接近。

4 結構優(yōu)化

本文針對中低速磁浮輔助變流器的風機異響、開裂問題進行了分析,對風機采取以下改進措施:改進風機與柜體連接結構,整體鑄造成型扇葉;進一步優(yōu)化現有風機結構強度,改善風機軸承的強度,提高風機的運行可靠性;在輸入直流電抗器上加裝減震墊,隔離輸入直流電抗器工作時產生的中高頻振動,減小阻隔其振動對風機的影響。上述結構優(yōu)化措施已在某磁浮線路上的車輛上進行裝車驗證,歷經半年以上的運營,風機未出現失效情況。

參考文件

[1]鄧亞士,魏慶朝,時瑾.高速磁浮橋上軌道梁振動特性初步研究[J].振動工程學報,2008,21（3）:248-254.

[2]IEC61373-2010,Railway applications rolling stock equipments hock and vibration tests[S].

[3]GB/T21563-2008,軌道交通機車車輛設備沖擊和振動試驗[S].

[4]張文春,吳極.鐵路平穩(wěn)性指標[J].科技創(chuàng)新與應用,2020（32）:78-82.

[5]TB/T2542-2000,鐵路機車車輛部件振動試驗方法[S].

[6]TB/T2988-2000,鐵路機車車輛部件沖擊試驗方法[S].

[7]陳高華,王鵬,余鋒,張巧壽,夏樹杰.機車車輛設備振動沖擊試驗系統(tǒng)的技術研究[J].機車電傳動,2012（2）:55-58.