侯志林,李進伏,張健磊,劉東旭,王海生
(中車唐山機車車輛有限公司,河北 唐山 064000)
動車組重型設(shè)備一般都懸吊安裝在車輛下部。在高速運行以及緊急制動時,懸吊設(shè)備會產(chǎn)生很大的動態(tài)載荷并發(fā)生一定頻率的振動,這種動態(tài)載荷和振動會對列車運行的安全性、平穩(wěn)性、舒適性以及運行壽命產(chǎn)生很大影響。本文對某型高速動車組車下輔助變流器主風(fēng)扇附近的箱體裂紋問題進行了系統(tǒng)的研究,并提出了改進方案。
輔助變流器(Auxiliary Power Supply,以下簡稱APS)通過減振元件與車體底架邊梁連接,外側(cè)裙板和底板安裝在APS箱體上,形成設(shè)備艙模塊結(jié)構(gòu)。由于運行里程的積累,APS主風(fēng)扇電機安裝座附近出現(xiàn)裂紋,裂紋位于安裝點處,從固定點周圍延伸到了底座邊緣。
初步分析,裂紋屬疲勞損壞。因為APS風(fēng)扇箱體為2mm的板材結(jié)構(gòu),風(fēng)扇吊掛在風(fēng)扇箱體上,共有4個連接點,風(fēng)扇箱體板長期承受垂向載荷,在列車運行過程中,會產(chǎn)生沖擊和振動,同時在風(fēng)扇工作時風(fēng)扇電機產(chǎn)生自振,風(fēng)扇箱體由于長期受振動影響且板材結(jié)構(gòu)剛度較差,導(dǎo)致螺栓連接處發(fā)生疲勞或焊縫附近發(fā)生疲勞破壞。
引起APS主風(fēng)扇底座振動的原因有以下可能。
(1)從車體傳至APS箱的振動。沖擊與振動結(jié)果顯示,來自車體的振動會由軸承吸收,所以該原因可以排除。
(2)APS變壓器的振動。計算顯示在120Hz頻率時的變壓器動態(tài)載荷不會造成主風(fēng)扇區(qū)域明顯的應(yīng)力。
假設(shè)存在0.5m/s2的激發(fā)加速度,激發(fā)的載荷
該載荷對應(yīng)相關(guān)的應(yīng)力級:ca.4.0MPa/100×280=11.2MPa
在TRAFO中,當頻率為110.5Hz時,在風(fēng)扇基座區(qū)域應(yīng)力增加。
激振力為100N。最大應(yīng)力為4.0MPa。最大應(yīng)力(變壓器引起的)與風(fēng)扇激勵頻率的關(guān)系圖如圖1。
圖1 最大應(yīng)力(變壓器引起的)與風(fēng)扇激勵頻率的關(guān)系
計算模擬顯示,變壓器可以排除為振動源。
關(guān)于響應(yīng)曲線和應(yīng)力分布。當頻率為34.5Hz時,在風(fēng)扇基座區(qū)域明顯應(yīng)力增加。激振力為1N。最大應(yīng)力為22.7MPa。請注意,以34.5Hz的頻率運行1h,對應(yīng)載荷周期數(shù)N=60×60×34.5=1.24E5。最大應(yīng)力(主風(fēng)扇引起的)與風(fēng)扇激勵頻率在X和Y方向的關(guān)系圖如圖2。
當頻率為39.0Hz時,在風(fēng)扇基座區(qū)域明顯應(yīng)力增加。激振力為1N。最大應(yīng)力為20.1MPa。請注意,以30.0Hz的頻率運行1h,對應(yīng)載荷周期數(shù)N=60×60×39.0=1.40E5。
可以看到明顯的動態(tài)應(yīng)力峰值在35Hz和39Hz,這些峰值可以與載荷周期較大的數(shù)進行比較。例如,以34.5Hz的激勵頻率運行1h對應(yīng)的載荷周期數(shù)如下:
N=60×60×34.5=1.24E5
圖2 最大應(yīng)力(主風(fēng)扇引起的)與風(fēng)扇激勵頻率在X和Y方向的關(guān)系
建議在CRH3動車組的APS箱內(nèi)對主風(fēng)扇的孔進行增強。另外,建議進行軟件修改,以避免運行中使用主風(fēng)扇相應(yīng)的應(yīng)力頻率。
下一步工作是在APS上對模擬結(jié)果進行驗證。通過這種方式也是對主風(fēng)扇共振頻率進行驗證,共振頻率在以后將通過軟件來消除。
以下試驗將在Krefeld工廠的雙APS上進行。風(fēng)扇控制電壓在900s內(nèi)緩慢從1V爬升至10V。
定義了5個測量點,見圖3,每個測量裝置測量X、Y和Z方向的加速度。5個測量裝置的數(shù)據(jù)記錄了風(fēng)扇速度增加過程中的加速度。
主風(fēng)扇共振頻率通過測量確認。圖3顯示了增強型CRH3箱體的共振頻率。與相比(標準箱體),可以看出,螺絲上的共振峰值消除,同時,電機上的加速度明顯降低。另外,風(fēng)機速度控制將通過軟件修改進行優(yōu)化。通過這種方法,主風(fēng)扇關(guān)鍵的頻率/速度將會快速通過,因而主風(fēng)扇不會在共振頻率上工作較長時間。從而作為裂紋根源的振動將得到消除。
圖3