蔣濟(jì)雄
(南車株洲電力機(jī)車有限公司技術(shù)中心,湖南株洲 412001)
軌道交通牽引機(jī)車作為我國交通運(yùn)輸業(yè)的中堅(jiān)力量,承擔(dān)著諸如旅客運(yùn)輸、貨物運(yùn)輸、能源運(yùn)輸、軍需戰(zhàn)略物資運(yùn)輸?shù)戎匾姑?,是目前所有運(yùn)輸方式中經(jīng)濟(jì)性、時(shí)效性、便捷性等最為有效的方式之一,其性能的好壞嚴(yán)重影響著我國國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。
振動作為一種普遍存在的現(xiàn)象在軌道交通牽引機(jī)車上同樣存在,通常有規(guī)律輕微的振動對機(jī)車及車內(nèi)司乘人員并不會產(chǎn)生太大影響,然而當(dāng)機(jī)車由于自身結(jié)構(gòu)、動力裝置、外界環(huán)境等因素變化而產(chǎn)生較大振動,甚至共振時(shí),不僅會使機(jī)車各零部件故障率增加,同時(shí)也會導(dǎo)致機(jī)破、臨修等事件概率的大幅上升,久而久之甚至?xí)<八境巳藛T的人身安全[1-2]。為此,國內(nèi)外廣大學(xué)者及工程技術(shù)人員都對機(jī)車振動現(xiàn)象進(jìn)行了廣泛的研究。根據(jù)我國軌道交通牽引機(jī)車的發(fā)展歷程可知,目前主要存在內(nèi)燃傳動電力機(jī)車(簡稱內(nèi)燃機(jī)車)、直流傳動電力機(jī)車(簡稱直流機(jī)車)和交流傳動電力機(jī)車(簡稱交流機(jī)車)三種形式,因此,本文將以該三種形式的分類對其振動的研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述與分析。
內(nèi)燃機(jī)車以內(nèi)燃機(jī)作為動力來源,輸出的能量通常作用到發(fā)電機(jī)上,發(fā)出的電能經(jīng)過一系列的變換最終提供給牽引電機(jī),用于驅(qū)動電機(jī)旋轉(zhuǎn),帶動輪對運(yùn)動,實(shí)現(xiàn)機(jī)車移動,如圖1所示。因此,內(nèi)燃傳動機(jī)車的振動也多與其內(nèi)燃機(jī)、發(fā)電機(jī)等存在一定聯(lián)系。
圖1 內(nèi)燃傳動機(jī)車
1995年,賈萍穩(wěn)[3]對東風(fēng) 7 型內(nèi)燃機(jī)車產(chǎn)生異常振動的原因進(jìn)行了分析,得出了旋轉(zhuǎn)件不平衡、旋轉(zhuǎn)軸扭轉(zhuǎn)振動、彈性支座剛度問題及個(gè)別零件的共振問題是導(dǎo)致東風(fēng)7型機(jī)車產(chǎn)生異常振動的主要原因。1995年,曹鳳萍[4]從柴油-發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)的角度分析了內(nèi)燃機(jī)車產(chǎn)生振動的因素。1998年,楊明成[5]針對東風(fēng)4B型內(nèi)燃機(jī)車振動故障日漸突出的情況,在對多臺故障機(jī)車進(jìn)行解剖排查的基礎(chǔ)上,指出由于輪對在加工組裝過程中某些工序存在質(zhì)量問題,導(dǎo)致車軸與車輪的偏心,引起機(jī)車振動。1999年,張明東等[6]對東方紅3型機(jī)車司機(jī)室的振動現(xiàn)象進(jìn)行了試驗(yàn)測試與分析,指出柴油機(jī)曲軸系存在的回轉(zhuǎn)質(zhì)量不平衡現(xiàn)象是導(dǎo)致機(jī)車異常振動的最主要原因。
2000年,曾斌[7]對東風(fēng)4型內(nèi)燃機(jī)車進(jìn)行大量靜態(tài)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上分析了引起振動的原因并給出了相應(yīng)改進(jìn)措施。2001年,趙慶華[8]對東風(fēng)8B型機(jī)車振動原因進(jìn)行了分析并提出了對應(yīng)改進(jìn)措施。2006年,羅世輝等[9]針對東風(fēng)8B機(jī)車垂向振動異常的現(xiàn)象,在對機(jī)車實(shí)測振動頻率成分與懸掛系統(tǒng)頻率特性進(jìn)行對比分析的基礎(chǔ)上,得出了轉(zhuǎn)向架隨動式制動裝置布置方式存在問題是導(dǎo)致機(jī)車振動異常的主要原因。同年,程海濤等[10]通過分析懸掛系統(tǒng)間振動傳遞、測點(diǎn)間的相干性等角度提出靜壓泵及車體局部振動是導(dǎo)致車體地板垂向振動大的原因。2007年,祝正宇[11]分別從柴油機(jī)-發(fā)電機(jī)組自身振動及其在機(jī)車上的安裝精度兩個(gè)方面對280型內(nèi)燃機(jī)車振動原因進(jìn)行了分析。2010年,汪秀平[12]在對多臺東風(fēng)5型機(jī)車進(jìn)行測試的基礎(chǔ)上得出減振器批次質(zhì)量問題是導(dǎo)致機(jī)車異常振動的重要原因。2012年,鄒家龍[13]從柴油機(jī)-發(fā)電機(jī)組自身振動、起動發(fā)電機(jī)振動、車輪直徑誤差引起振動、油壓減振器故障等多角度列舉分析引起東風(fēng)8B內(nèi)燃機(jī)車的振動因素。2013年,李春勝等[14]通過建立司機(jī)室隔振結(jié)構(gòu)的6DOF動力學(xué)方程,進(jìn)而分析其縱、橫、垂向頻響函數(shù)對和諧內(nèi)燃3型機(jī)車的振動情況進(jìn)行了研究。2014年,周虹偉、梁信棟[15]以天津機(jī)務(wù)段承做的東風(fēng)4D型機(jī)車大中修為對象,在非運(yùn)行狀態(tài)下對機(jī)車異常振動情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)與分析。同年,郭欣[16]從減振系統(tǒng)、輪緣偏磨等角度對運(yùn)用于青藏鐵路的美國進(jìn)口NJ2型內(nèi)燃機(jī)車振動情況進(jìn)行了研究。
圖2 直流傳動機(jī)車
直流機(jī)車通常采用直流電機(jī)作為動力輸出裝置,而輸入到機(jī)車的電能既可以是直流電也可以是交流電,因此直流傳動機(jī)車有直-直型電力機(jī)車和交-直型電力機(jī)車兩種,我國直流傳動電力機(jī)車以韶山系列為代表,如圖2所示。
1982年和1984年,彭文生[17-18]分別對韶山型直流電力機(jī)車牽引電機(jī)和電器設(shè)備的振動情況進(jìn)行了在線測量與研究。1999年,郭同生等[19]采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù),分析了韶山7型機(jī)車計(jì)算模型在不同外界激勵(lì)作用下的響應(yīng),研究了牽引電機(jī)的振動規(guī)律,反映了機(jī)車振動情況。2002年,楊改云等[20]以評價(jià)軌面不平順對車體結(jié)構(gòu)振動影響為目的,采用直接積分的瞬態(tài)特性分析和特征分析對韶山8型機(jī)車進(jìn)行了振動分析。2003年,廖凱等[21-22]基于小波分析的方法對韶山8型機(jī)車振動信號進(jìn)行了變換分析,所建立的振動狀態(tài)特征向量在表征機(jī)車振動故障狀態(tài)方面有明顯作用。同年,謝培甫等[23]采用另一種方法——模態(tài)機(jī)械阻抗綜合法,建立了多層隔振系統(tǒng)動力學(xué)模型,對韶山8型機(jī)車振動進(jìn)行了計(jì)算與辨識。2004年,王開云等[24]對韶山7型機(jī)車橫向晃動的原因進(jìn)行了理論計(jì)算與分析。2006年,袁偉等[25]針對韶山3型機(jī)車在運(yùn)行過程中磁場削弱時(shí)的這一特殊工況下的機(jī)車振動情況進(jìn)行了計(jì)算分析,從電路上減少了電流波動,降低了機(jī)車振動。同年,馬明智等對運(yùn)用于神朔線的韶山4改型機(jī)車走行部振動進(jìn)行了研究,認(rèn)為車輪踏面擦傷和異常磨耗是導(dǎo)致機(jī)車異常振動的主要原因。同時(shí),馬衛(wèi)華等[26]在理論計(jì)算與試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上得出一系橫向定位剛度不足是引起機(jī)車橫向異常振動的主要原因,對韶山9型機(jī)車的良好運(yùn)用提供了有力支持。
圖3 交流傳動機(jī)車
交流機(jī)車以采用交流電機(jī)作為動力輸出裝置為標(biāo)志,供電方式有直流供電、交流供電等,我國主要采用單相工頻交流供電方式。自我國開展引進(jìn)、消化、吸收、再創(chuàng)新的發(fā)展模式以來,逐步形成了以和諧系列為主的大功率交流傳動電力機(jī)車,如圖3所示。相比直流機(jī)車,交流機(jī)車電氣化設(shè)備多、結(jié)構(gòu)緊湊、控制系統(tǒng)復(fù)雜,在實(shí)際運(yùn)行過程中產(chǎn)生了更為明顯的振動現(xiàn)象。
2007年,馬衛(wèi)華等[27]對采用徑向轉(zhuǎn)向架方式的某交流機(jī)車的垂向振動問題進(jìn)行了分析,并認(rèn)為垂向振動加速度大是一種長期可能被鐵路機(jī)車車輛所忽略的一種動力學(xué)現(xiàn)象,即輪對縱向動力學(xué)。劉輝等[28]基于時(shí)間序列分析理論對振動信號進(jìn)行了分析,并采用AR模型進(jìn)行了建模與對振動信號的未來發(fā)展趨勢進(jìn)行預(yù)測。2008年,張?jiān)迫A[29]以提速后列車運(yùn)行時(shí)振動加劇為背景,建立了提速機(jī)車的動力學(xué)模型,并采用小波分析法對振動信號進(jìn)行了降噪處理。2009年,姚遠(yuǎn)等[30]針對機(jī)車打滑時(shí)產(chǎn)生的輪對縱向振動現(xiàn)象進(jìn)行了研究,認(rèn)為此時(shí)的振動為自激振動且振動頻率為傳動系統(tǒng)固有頻率的整數(shù)倍。同年,馬新娜等[31]提出將磁流變阻尼器作為高速交流機(jī)車懸掛系統(tǒng)的橫向減振器,并進(jìn)行模糊控制,該方法有限衰減了機(jī)車振動,提高了機(jī)車平穩(wěn)性。鄭瓊林[32]對大秦線HXD1機(jī)車的諧振現(xiàn)象進(jìn)行了原因分析與對策研究。2012年,孟建軍等[33]提出采用虛擬激勵(lì)法對軌道車輛垂向振動響應(yīng)進(jìn)行了研究,改進(jìn)了傳統(tǒng)隨機(jī)振動分析方法計(jì)算量大的缺點(diǎn)。2013年,劉鵬飛等[34]在考慮軌道彈性變形的基礎(chǔ)上得出不考慮軌道參振作用時(shí)會導(dǎo)致輪軌動態(tài)作用力及輪對振動加速度幅值較考慮軌道參振作用時(shí)的值偏大的結(jié)論。同年,劉文生等[35]建立了交流機(jī)車牽引裝置動力學(xué)仿真模型,得出牽引電機(jī)諧波轉(zhuǎn)矩會造成電機(jī)的點(diǎn)頭和垂向振動,引起機(jī)車異常振動。劉曉波等[36]對軌道列車振動與噪聲當(dāng)前研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述與分析。2014年,徐磊等[37]提出基于PCA-SVM方法的車體振動狀態(tài)分類預(yù)測模型用于從理論上分析軌道不平順對機(jī)車車輛振動的影響。
通過對上述的分析我們可以看出我國在機(jī)車振動方面的研究,三種類型機(jī)車有著不同的現(xiàn)狀。內(nèi)燃機(jī)車集動力輸入與輸出于一身且控制系統(tǒng)較簡單,其振動研究無論是在動力輸出系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、零部件質(zhì)量問題、靜態(tài)振動試驗(yàn)還是實(shí)際在線振動測試方面都有涉獵,且結(jié)合目前內(nèi)燃機(jī)車向高速、重載方向帶來的振動問題也展開了一定理論與實(shí)踐研究。
直流機(jī)車雖然逐漸在被交流傳動機(jī)車取代,但在相當(dāng)長一段時(shí)間內(nèi),其對我國國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展做出了不可忽略的貢獻(xiàn)。對于它的振動研究,無論是在車內(nèi)電器設(shè)備、牽引傳動裝置,還是轉(zhuǎn)向架甚至整車方面都有著廣泛研究,且經(jīng)過學(xué)者和工程技術(shù)人員的不斷努力,目前,直流機(jī)車在線運(yùn)行過程中的振動狀況已經(jīng)得到明顯改善。
交流傳動機(jī)車具有牽引功率大、過載能力強(qiáng)等一系列優(yōu)點(diǎn),是我國目前正大力發(fā)展的主流。交流機(jī)車車載電器設(shè)備多,牽引控制系統(tǒng)復(fù)雜,載重大,在運(yùn)行過程中,特別是山區(qū)復(fù)雜線路運(yùn)行時(shí)振動較直流機(jī)車要更加明顯。國內(nèi)學(xué)者在對機(jī)車整車動力學(xué)建模、走行部建模及控制系統(tǒng)優(yōu)化等方面都有較為深入的研究,對分析交流機(jī)車振動問題提供了一定的借鑒意義;但對于機(jī)車在不同載荷、不同線路、不同工況下運(yùn)行時(shí)的在線振動試驗(yàn)研究及大數(shù)據(jù)分析方面尚處于起步階段,而恰恰這方面的研究是對解決交流機(jī)車振動問題最直接且最為有效的方法。因此,后續(xù)對于機(jī)車振動的研究工作可以著重考慮從這個(gè)方向進(jìn)行開展。
[1] 陳迪來,劉建新,杜凱軍,等.局部平頂型不平順激擾下的輪軌動力分析[J].機(jī)車電傳動,2014,43(5):23-26.
[2] 魏沖鋒,羅世輝,孟政,等.不同截止頻率下軌道不平順對車輛垂向振動的影響[J].鐵道車輛,2011,49(12):5-8.
[3] 賈萍穩(wěn).東風(fēng)7型內(nèi)燃機(jī)車振動的分析[J].北方交通大學(xué)學(xué)報(bào),1995,19(2):188-190.
[4] 曹鳳萍.淺談解決柴油-發(fā)電機(jī)組振動問題的幾種方法[J].內(nèi)燃機(jī)車,1995,255(5):31-32.
[5] 楊明成.淺析東風(fēng)4B型機(jī)車振動與輪對偏心的關(guān)系[J].內(nèi)燃機(jī)車,1998,288(2):7-8,11.
[6] 張明東,陳鞋蘭.東方紅3型機(jī)車司機(jī)室振動問題的測試分析及對策[J].內(nèi)燃機(jī)車,1999,301(3):26-29.
[7] 曾斌.東風(fēng)4型機(jī)車振動問題的探討[J].內(nèi)燃機(jī)車,2000,319(9):16-23.
[8] 趙慶華.東風(fēng)8B內(nèi)燃機(jī)車振動的原因及改進(jìn)措施[J].機(jī)車車輛工藝,2001,37(4):41-42.
[9] 羅世輝,王坤全,馬衛(wèi)華.徑向轉(zhuǎn)向架DF8B機(jī)車垂向異常振動分析[J],中國鐵道科學(xué),2006,27(1):83-88.
[10] 程海濤,鄧愛建,方克娟,等.內(nèi)燃動車垂向振動較大的原因分析[J].振動與沖擊,2006,25(3):186-189,217.
[11] 祝正宇.280機(jī)車振動原因的簡要分析及解決方法[J].鐵道機(jī)車車輛工人,2007,15(9):1-4.
[12] 汪秀平.東風(fēng)5機(jī)車異常振動分析及處理[J].內(nèi)燃機(jī)與動力裝置,2010,116(2):43-46.
[13] 鄒家龍.淺談DF8B型機(jī)車振動的預(yù)防和處理[J].內(nèi)燃機(jī)車,2012,462(8):45-46.
[14] 李春勝,羅世輝,馬衛(wèi)華.基于頻率響應(yīng)函數(shù)的HXN3司機(jī)室隔振性能分析[J].振動與沖擊,2013,32(19):210-215.
[15] 梁信棟.東風(fēng)4D型內(nèi)燃機(jī)車異常振動分析及處理[D].北京:中國鐵道科學(xué)研究院,2014.
[16] 郭欣.NJ2型內(nèi)燃機(jī)車振動原因淺析[J].鐵道機(jī)車與動車,2014,484(6):24-28.
[17] 彭文生.鐵路機(jī)車牽引電動機(jī)的振動[J].機(jī)車電傳動,1982,11(3):8-13.
[18] 彭文生.韶山型電力機(jī)車電器設(shè)備的振動[J].機(jī)車電傳動,1984,13(2):2-11.
[19] 郭同生,張志宏.韶山7型電力機(jī)車牽引電機(jī)垂向振動加速度研究[J].石家莊鐵道學(xué)院學(xué)報(bào),1999,12(12):63-66.
[20] 楊改云,郭長江.電力機(jī)車振動模型的建立及振動分析[J].鄭州輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2002,17(4):51-53.
[21] 廖凱,張家棟.基于小波分析的機(jī)車轉(zhuǎn)向架振動信號的降噪和故障診斷[J].鐵道機(jī)車車輛,2003,23(4):15-17.
[22] 廖凱,張家棟,霍凱.小波變換在機(jī)車振動信號分析中的應(yīng)用[J].鐵道學(xué)報(bào),2003,25(4):115-118.
[23] 謝培甫,劉永明.用模態(tài)機(jī)械阻抗綜合法分析機(jī)車振動[J].噪聲與振動控制,2003,23(5):35-36,29.
[24] 王開云,孟宏.SS7E型電力機(jī)車橫向晃動問題的理論分析[J].機(jī)車電傳動,2004,33(6):45-49.
[25] 袁偉,石文生,臧俊.SS3B型機(jī)車運(yùn)行中磁場削弱時(shí)機(jī)車振動原因分析與改進(jìn)[J].鐵道機(jī)車車輛,2006,26(6):50-51.
[26] 馬衛(wèi)華,羅世輝,王自力.提速機(jī)車橫向振動問題分析[J].鐵道學(xué)報(bào),2006,28(3):32-37.
[27] 馬衛(wèi)華,羅世輝,王自力.徑向轉(zhuǎn)向架機(jī)車垂向振動問題分析[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2007,43(4):65-69.
[28] 劉輝,潘迪夫,李燕飛.基于時(shí)間序列分析的機(jī)車振動信號建模和預(yù)測[J].鐵道機(jī)車車輛,2007,27(4):34-37.
[29] 張?jiān)迫A.高速機(jī)車的振動及噪音分析[J].長江大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2008,5(3):81-84.
[30] 姚遠(yuǎn),張紅軍,羅赟,等.機(jī)車打滑時(shí)輪對縱向振動研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2009,45(7):199-203.
[31] 馬新娜,楊紹普,邸書靈.基于磁流變阻尼器的高速機(jī)車橫向半主動振動控制研究[J].振動與沖擊,2009,28(7):126-132.
[32] 鄭瓊林.交流傳動HXD1電力機(jī)車諧振原因分析與對策[J].變頻器世界,2009,7(5):40-45.
[33] 孟建柱,楊澤青,蒲光華,等.基于虛擬激勵(lì)法的軌道車輛垂向振動響應(yīng)分析[J].中國鐵道科學(xué),2012,33(2):89-95.
[34] 劉鵬飛,翟婉明,王開云,等.考慮軌道彈性時(shí)機(jī)車輪對的縱向振動研究[J].工程力學(xué),2013,30(12):248-254.
[35] 劉文生,李文.牽引電機(jī)傳動裝置振動特性仿真分析[J].鐵道學(xué)報(bào),2013,35(8):44-47.
[36] 劉曉波,劉劍,LE Van-quynh.軌道列車振動與噪聲研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J].電力機(jī)車與城軌車輛,2013,36(6):12-19.
[37] 徐磊,陳憲麥.軌道不平順作用下鐵路列車車體振動狀態(tài)的PCA-SVM 預(yù)測分析[J].鐵道學(xué)報(bào),2014,36(7):16-23.