張兵奇

重型軌道車電動空壓機(jī)
振動問題分析及改進(jìn)

張兵奇

某重型軌道車空氣制動系統(tǒng)的電動空壓機(jī)批量裝車使用時，少量電動空壓機(jī)工作時出現(xiàn)異常振動。采用試驗(yàn)方法得到電動空壓機(jī)的激勵頻率，結(jié)合有限元法求得電動空壓機(jī)的共振頻率。改變電動空壓機(jī)的結(jié)構(gòu)，并用有限元法對改進(jìn)方案進(jìn)行計(jì)算，合理避開了系統(tǒng)共振。通過實(shí)際驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)電動空壓機(jī)異常振動消失，該問題徹底解決。

電動空壓機(jī)；異常振動；共振；有限元計(jì)算

某重型軌道車空氣制動系統(tǒng)中用到一款電動空壓機(jī)，有個別空壓機(jī)在啟動打風(fēng)時出現(xiàn)明顯的異常振動，空壓機(jī)及吊架振動劇烈。該軌道車空氣制動系統(tǒng)的風(fēng)源由3個空壓機(jī)提供，其中2個為發(fā)動機(jī)自帶空壓機(jī)，發(fā)動機(jī)工作時自行運(yùn)轉(zhuǎn)，是空氣制動系統(tǒng)的主空壓機(jī)，在行車時為軌道車空氣制動系統(tǒng)提供風(fēng)源；電動空壓機(jī)是輔助空壓機(jī)，在軌道車發(fā)動機(jī)停機(jī)或發(fā)動機(jī)空壓機(jī)故障時為空氣制動系統(tǒng)提供風(fēng)源，作為備用空壓機(jī)使用?？諝庵苿酉到y(tǒng)關(guān)系到行車安全，風(fēng)源是制動系統(tǒng)的原動力，空壓機(jī)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(jī)的結(jié)構(gòu)

該電動空壓機(jī)是由電動機(jī)、空壓機(jī)、三角皮帶、空壓機(jī)吊架及緊固螺栓等組成。電動機(jī)通過皮帶驅(qū)動空壓機(jī)，電動機(jī)及空壓機(jī)用螺栓固定在空壓機(jī)吊架上，空壓機(jī)吊架通過螺栓與車架連接。電動機(jī)是三相異步電機(jī)，同步轉(zhuǎn)速1 480 r/min?？諌簷C(jī)為雙缸活塞式空氣壓縮機(jī)，車架上的連接件為槽鋼及鋼板，電動空壓機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電動空壓機(jī)簡易裝置圖 （單位：mm）

2 電動空壓機(jī)異常振動分析

2.1 電動空壓機(jī)異常振動的描述及原因分析

電動空壓機(jī)正常工作時，空壓機(jī)及吊架振動明顯，且噪聲偏高；電動空壓機(jī)無負(fù)載運(yùn)行時，空壓機(jī)及吊架振動幅度稍有減輕，且噪聲有所降低；電動空壓機(jī)的電動機(jī)單獨(dú)運(yùn)轉(zhuǎn)時空壓機(jī)及吊架無明顯振動，但是在電動機(jī)停止轉(zhuǎn)動過程中的高轉(zhuǎn)速區(qū)段，空壓機(jī)及吊架有明顯振動。

根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，電動空壓機(jī)異常振動通常有以下幾個原因：①電動空壓機(jī)系統(tǒng)的裝配質(zhì)量差，如傳動皮帶太松或太緊，空壓機(jī)皮帶盤與電動機(jī)皮帶盤出現(xiàn)錯位，導(dǎo)致傳動過程中皮帶產(chǎn)生過大的附加力；②空壓機(jī)、電動機(jī)、空壓機(jī)吊架等連接螺栓預(yù)緊力不足，連接件之間的小間隙產(chǎn)生異常振動；③空壓機(jī)或電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)部件的動平衡不好，空壓機(jī)工作時旋轉(zhuǎn)部件的離心力過大，導(dǎo)致異常振動；④空壓機(jī)吊架剛性不足引起的系統(tǒng)共振。通過對電動空壓機(jī)的檢查，排除了前2項(xiàng)原因，并得出如下判斷：振動主要方向沿空壓機(jī)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(jī)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(tǒng)受簡諧激勵的動力學(xué)模型。將電動機(jī)、空壓機(jī)、空壓機(jī)吊架看作1個振動系統(tǒng)，其總質(zhì)量為m；空壓機(jī)、電動機(jī)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(jī)吊架的等效剛度為k；空氣及其他阻力作為阻尼c；根據(jù)參考文獻(xiàn)[2]，則系統(tǒng)的運(yùn)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(jī)振動的常用方法是改變系統(tǒng)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(jī)的振動不平衡，使空壓機(jī)吊架的振動幅度小于3 mm。

2.2 電動空壓機(jī)共振頻率測試

系統(tǒng)的共振頻率和激勵頻率接近時才會出現(xiàn)共振，因此，可以根據(jù)激勵頻率推定系統(tǒng)的共振頻率。只要得到共振時的激勵頻率，就能得到系統(tǒng)的共振頻率?？捎靡韵路椒▉淼贸龉舱駮r的激勵頻率。

電動空壓機(jī)系統(tǒng)在取掉皮帶后，空壓機(jī)不工作，振動系統(tǒng)的激勵來自電動機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，并與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速相關(guān)。接通電源電動機(jī)空轉(zhuǎn)時，系統(tǒng)無共振；電動機(jī)在減速后的高速區(qū)段系統(tǒng)出現(xiàn)共振：可以推定系統(tǒng)的共振頻率低于電動機(jī)空轉(zhuǎn)頻率；該電動機(jī)為三相異步電動機(jī)，源頻率為50 H z，其同步轉(zhuǎn)速為1 480 r/min（即24.67 H z)，在電動機(jī)空載時其轉(zhuǎn)速接近1 480 r/min，因此，可以推定系統(tǒng)的激勵頻率小于24.67 Hz。

電動機(jī)帶動空壓機(jī)運(yùn)行時系統(tǒng)的激勵來自電動機(jī)和空壓機(jī)。空壓機(jī)空載運(yùn)行時電動機(jī)的轉(zhuǎn)速比空壓機(jī)打風(fēng)時的轉(zhuǎn)速高，而空壓機(jī)空載時系統(tǒng)的振動幅度有所減小，進(jìn)一步印證了空壓機(jī)正常工作時出現(xiàn)共振。該電動空壓機(jī)正常工作時電機(jī)的轉(zhuǎn)速為1 450 r/min，由此可以推定該系統(tǒng)激勵頻率約為24.17 Hz(1 450/60)。得到系統(tǒng)共振的激勵頻率，也就得到系統(tǒng)的共振頻率。

使用有限元法也可求出系統(tǒng)的共振頻率。如果計(jì)算結(jié)果與以上結(jié)論一致，便可確認(rèn)該電動空壓機(jī)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(jī)的有限元分析

使用模態(tài)分析可以得到系統(tǒng)的各階模態(tài)和相應(yīng)振型，在設(shè)計(jì)時避免系統(tǒng)共振。模態(tài)分析有自由模態(tài)分析和約束模態(tài)分析。因該電動空壓機(jī)的約束明確，故采用約束模態(tài)分析。

電動機(jī)實(shí)際質(zhì)量為45 kg，三維建模時做成與實(shí)際體積近似的質(zhì)量塊；空壓機(jī)按照質(zhì)量65 kg三維建模時做成與實(shí)際體積近似的質(zhì)量塊；將吊架及吊架與車架的連接梁按照實(shí)際尺寸建模，并作適當(dāng)?shù)暮喕?/p>

網(wǎng)格劃分，結(jié)構(gòu)分析對網(wǎng)格質(zhì)量要求不是很高，通常采用自動網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格質(zhì)量使用Skewness指標(biāo)。通常Skewness的平均值：對六面體、三角形和四邊形，應(yīng)小于0.8；對四面體應(yīng)小于0.9。使用ANASYS進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其簡圖如圖3所示。

圖3 電動空壓機(jī)裝置三維模型網(wǎng)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(jìn)行模態(tài)分析，其邊界條件簡圖如圖4所示。

圖4 電動空壓機(jī)裝置邊界條件簡圖

使用ANASYS進(jìn)行模態(tài)分析，其6階模態(tài)和相應(yīng)振型如表1所示。

從表1可知：電動空壓機(jī)的1階模態(tài)的頻率為21.027 Hz，振型為橫向振動。1階模態(tài)屬于主振動，其振型與電動空壓機(jī)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(jī)6階模態(tài)及其振型圖

2.4 電動空壓機(jī)異常振動的綜合分析

通過電動空壓機(jī)振動問題排查及試驗(yàn)分析得知：電動空壓機(jī)在電動機(jī)轉(zhuǎn)動時因旋轉(zhuǎn)部件的轉(zhuǎn)動不平衡產(chǎn)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(jì)算得知，電動空壓機(jī)的1階模態(tài)頻率為21.03 Hz，將此看作系統(tǒng)固有頻率。激勵頻率與系統(tǒng)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(jī)異常振動方向?yàn)闄M向振動，與有限元計(jì)算的1階模態(tài)振型一致。基于以上兩點(diǎn)可得出結(jié)論：電動空壓機(jī)振動原因?yàn)橄到y(tǒng)共振。

3 電動空壓機(jī)異常振動的解決方法

系統(tǒng)共振問題可從改變系統(tǒng)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(jī)來說，改變系統(tǒng)固有頻率的方法最簡單，成本最低。通過改變空壓機(jī)吊架及連接的剛度，使激勵頻率與系統(tǒng)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(jī)的吊架與軌道車主梁的連接剛度較小。提高空壓機(jī)吊架與主梁的連接剛度可提高空壓機(jī)裝置的固有頻率；為安全起見，將空壓機(jī)的吊架一并加強(qiáng)。提高空壓機(jī)吊架與主梁的連接剛度方法是：①將主梁上的空壓機(jī)安裝橫梁加強(qiáng)，如圖5所示，在空壓機(jī)橫梁上增加蓋板，使其截面由“[”形變?yōu)椤啊酢毙?，增加抗扭剛度；②在軌道車主梁上的空壓機(jī)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(jī)吊架的方法是在空壓機(jī)吊架上增加筋板(圖5中筋板1、2、3)。

圖5 改進(jìn)后的電動空壓機(jī)裝置（單位：mm）

為驗(yàn)證改進(jìn)方案的有效性，再次進(jìn)行模態(tài)分析。按照變更后的結(jié)構(gòu)建立三維模型，將三維模型輸入ANSYS進(jìn)行模態(tài)分析。其網(wǎng)格劃分簡圖如圖6所示，其ANSYS分析的6階模態(tài)及其振型圖如表2所示。

圖6 改進(jìn)后的電動空壓機(jī)三維模型網(wǎng)格劃分簡圖

表2 改進(jìn)后的電動空壓機(jī)6階模態(tài)及其振型圖

因其1、2、3、4階模態(tài)的振型為局部振動，與空壓機(jī)振動無關(guān)，不能作為分析依據(jù)。5階模態(tài)為系統(tǒng)固有頻率，振型與空壓機(jī)振動一致，可作為分析依據(jù)。此時激勵頻率與系統(tǒng)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(shè)計(jì)要求。

上述改進(jìn)方案經(jīng)過實(shí)際驗(yàn)證，沒有出現(xiàn)異常振動，效果良好，解決了該電動空壓機(jī)異常振動的問題。

4 結(jié)論

通過對軌道車電動空壓機(jī)異常振動的分析，并用有限元模擬分析進(jìn)行了對比，驗(yàn)證了異常振動的原因。通過改變電動空壓機(jī)的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度，從而改變其固有頻率，防止出現(xiàn)共振現(xiàn)象。經(jīng)過仿真模擬獲知，改進(jìn)后的電動空壓機(jī)的固有頻率遠(yuǎn)離其激勵頻率，因此，確定了解決異常振動的方案。最后經(jīng)過實(shí)際驗(yàn)證，改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)沒有出現(xiàn)明顯的振動現(xiàn)象。因此，整個分析、試驗(yàn)、論證及最后設(shè)計(jì)改進(jìn)是成功的，該方法可以有效地解決同類問題，同時對新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、優(yōu)化以及研發(fā)具有重要的指導(dǎo)意義。

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

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

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

[4] 段進(jìn)，倪棟，王國業(yè). ANSYS10.0結(jié)構(gòu)分析從入門到精通[M]. 北京：兵器工業(yè)出版社，2006.

責(zé)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(jī)械有限公司，工程師，陜西寶雞 721000