雷平振，王金平，李 偉，李繼偉，尚朋飛

(中車永濟(jì)電機(jī)有限公司電機(jī)基礎(chǔ)技術(shù)部，陜西 西安 710016)

國(guó)內(nèi)的電力機(jī)車在使用過程中運(yùn)行線路路況較為復(fù)雜，剎車、啟動(dòng)頻繁。有鑒于此，牽引電機(jī)在定型前，一般都依據(jù)相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(IEC61373—2000)在振動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上通過三向沖擊加載實(shí)驗(yàn)后才定型裝車。但某型電力機(jī)車的運(yùn)維數(shù)據(jù)顯示，部分機(jī)車牽引電機(jī)非傳動(dòng)端端蓋抱軸側(cè)螺栓發(fā)生了批量疲勞斷裂，螺栓的動(dòng)載荷主要來源于端蓋和機(jī)座的沖擊和振動(dòng)。為了掌握牽引電機(jī)在線路運(yùn)行時(shí)所受到的沖擊以及振動(dòng)狀況，本文對(duì)某型電力機(jī)車開展了整備狀態(tài)下的振動(dòng)加速度測(cè)試并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。

1 牽引電機(jī)線路測(cè)試實(shí)驗(yàn)說明

本文測(cè)試的線路為機(jī)車牽引電機(jī)發(fā)生螺栓批量故障的運(yùn)營(yíng)線路，該線路隧道較多，上坡道較長(zhǎng)，最小彎道半徑500 m，最大坡道12‰，最長(zhǎng)坡道2 500 m，測(cè)試時(shí)機(jī)車限速80 km/h。

機(jī)車牽引電機(jī)的安裝采用滾動(dòng)抱軸半懸掛方式，牽引電機(jī)一端通過鼻型結(jié)構(gòu)固定在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架橫梁的支架上；牽引電機(jī)另一側(cè)通過螺栓與抱軸固定連接，如圖1所示。實(shí)驗(yàn)時(shí)，在電機(jī)傳動(dòng)端軸承位、懸掛以及靠近抱軸側(cè)螺栓斷裂端蓋和機(jī)座上分別布置三向加速度傳感器，并且在端蓋固定螺栓的螺桿上粘貼應(yīng)變片。將機(jī)車行進(jìn)方向設(shè)為縱向，垂直于機(jī)車水平面設(shè)為垂向，垂直于垂向和縱向的方向設(shè)為橫向。數(shù)據(jù)采集設(shè)備采用NI公司的32通道數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行實(shí)時(shí)采集；傳感器采用PCB三向振動(dòng)加速度計(jì)，量程為500g，頻響大于7 000 Hz，實(shí)驗(yàn)時(shí)采樣頻率設(shè)置為10 kHz。

圖1 機(jī)車牽引電機(jī)安裝結(jié)構(gòu)

2 牽引電機(jī)沖擊數(shù)據(jù)分析

2.1 沖擊數(shù)據(jù)預(yù)處理

加速度數(shù)據(jù)在采集時(shí)受到采集系統(tǒng)和不確定因素影響，存在不真實(shí)數(shù)據(jù)。將沖擊加速度數(shù)據(jù)歸納成響應(yīng)譜前，首先應(yīng)對(duì)加速度數(shù)據(jù)的有效性進(jìn)行判斷，確認(rèn)是否存在異常數(shù)據(jù)。如果存在異常數(shù)據(jù)，判別異常數(shù)據(jù)是否可以修正，對(duì)于無法修正的數(shù)據(jù)予以剔除[1]。異常數(shù)據(jù)處理方法通常有以下2種。

1)零漂的處理。電機(jī)受到的沖擊量級(jí)較大，容易產(chǎn)生高頻飽和，造成信號(hào)的零漂，一般認(rèn)為信號(hào)失真，但是通過修正也可以使用。

2)信號(hào)削波。由于測(cè)量的信號(hào)超過量程，測(cè)量?jī)x器采集的電壓信號(hào)無法真實(shí)顯示，削波通常增加了信號(hào)的高頻成分，因此應(yīng)剔除削波信號(hào)。

Lalanne通過對(duì)SDOF系統(tǒng)的研究，提出直接用加速度時(shí)域信號(hào)計(jì)算疲勞損傷譜(FDS)的方法[2]。本文利用此方法對(duì)牽引電機(jī)的振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以此來更有效地處理數(shù)據(jù)。

2.2 沖擊持續(xù)時(shí)間的確定

確定有效沖擊時(shí)間的方法有2種：一種是超過1/3峰值(Ap)所有時(shí)間歷程幅值對(duì)應(yīng)的最小時(shí)間長(zhǎng)度；另一種是加速度超過最大均方根10%的時(shí)間歷程所對(duì)應(yīng)的最小時(shí)間長(zhǎng)度。由于牽引電機(jī)在線運(yùn)行受到的沖擊會(huì)在出現(xiàn)一個(gè)短暫的峰值后恢復(fù)到正常振動(dòng)幅值，因此選取峰值與正常振動(dòng)的結(jié)點(diǎn)能更有效地反映沖擊的有效持續(xù)時(shí)間。對(duì)測(cè)試線路全程數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，選出最大的3次沖擊，并進(jìn)行沖擊響應(yīng)峰值和沖擊響應(yīng)持續(xù)時(shí)間的計(jì)算和統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

表1 沖擊響應(yīng)時(shí)間和峰值

用表1中沖擊響應(yīng)峰值對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)GB/T21563中2類沖擊試驗(yàn)峰值30g，可以看出牽引電機(jī)各測(cè)點(diǎn)沖擊響應(yīng)峰值都大于試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)值，同時(shí)端蓋的沖擊響應(yīng)峰值明顯高于其他3個(gè)測(cè)點(diǎn)，說明端蓋連接螺栓剛度較小。為了進(jìn)一步驗(yàn)證螺栓剛度，需要對(duì)4個(gè)測(cè)點(diǎn)沖擊響應(yīng)譜進(jìn)行歸納。

2.3 沖擊響應(yīng)譜的歸納

相比傳統(tǒng)經(jīng)典波形沖擊，沖擊響應(yīng)譜更能反映結(jié)構(gòu)損傷。本文對(duì)牽引電機(jī)的端蓋、機(jī)座、懸掛和軸承位4個(gè)測(cè)點(diǎn)在線路運(yùn)行過程中受到的沖擊響應(yīng)時(shí)域信號(hào)進(jìn)行篩選，選出沖擊響應(yīng)最大的3個(gè)沖擊響應(yīng)時(shí)域信號(hào)計(jì)算沖擊響應(yīng)譜,并對(duì)響應(yīng)譜進(jìn)行歸納和對(duì)比分析[3-4]，如圖2～圖6所示。

圖2 端蓋沖擊響應(yīng)歸納譜

圖3 軸承位沖擊響應(yīng)歸納譜

圖4 垂向沖擊響應(yīng)歸納譜

圖5 橫向沖擊響應(yīng)歸納譜

圖6 縱向沖擊響應(yīng)歸納譜

2.3.1單測(cè)點(diǎn)不同方向沖擊響應(yīng)歸納譜對(duì)比

如圖2所示，端蓋3個(gè)方向的加速度幅值都在1 722 Hz處有轉(zhuǎn)折，但是橫向的幅值相對(duì)于其他2個(gè)方向要大。原因在于端蓋采用過盈配合的方式安裝在機(jī)座上，使得橫向的剛度要弱于縱向和垂向的剛度。如圖3所示，軸承位垂向和縱向相對(duì)于橫向沖擊要大，并且在高頻也有較高沖擊。原因在于軸承是圓柱滾子軸承，沒有橫向約束。

2.3.2同一方向4個(gè)測(cè)點(diǎn)沖擊響應(yīng)歸納譜對(duì)比

如圖4所示，對(duì)比4個(gè)測(cè)點(diǎn)垂向沖擊，機(jī)座峰值相對(duì)其他3個(gè)測(cè)點(diǎn)都小，其中軸承有2個(gè)較明顯的峰值。如圖5所示，對(duì)比4個(gè)測(cè)點(diǎn)橫向沖擊，端蓋沖擊峰值相對(duì)其他3個(gè)測(cè)點(diǎn)都大，而非傳動(dòng)端螺栓承受橫向載荷，這是造成螺栓斷裂的主要原因。如圖6所示，相比4個(gè)測(cè)點(diǎn)縱向沖擊，軸承位在高頻沖擊明顯，所以在分析軸承時(shí)高頻信號(hào)不可忽略。

3 端蓋固定螺栓應(yīng)力應(yīng)變分析

在端蓋固定螺栓發(fā)生斷裂的位置更換粘貼有應(yīng)變片的同類型螺栓，采用相同力矩進(jìn)行緊固。對(duì)機(jī)車牽引電機(jī)在線運(yùn)行過程中螺栓的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行全程采集，采樣頻率為1 000 Hz。對(duì)采集應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行40 Hz帶通濾波處理后對(duì)螺栓的應(yīng)力與端蓋的沖擊進(jìn)行對(duì)比分析，可以發(fā)現(xiàn)端蓋出現(xiàn)沖擊的時(shí)刻是螺栓應(yīng)力出現(xiàn)峰值的時(shí)刻，如圖7所示。為此，采用雨流法對(duì)應(yīng)力譜進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖8所示。

圖7 螺栓應(yīng)力與端蓋沖擊關(guān)聯(lián)性

圖8 端蓋固定螺栓應(yīng)力譜分布

應(yīng)力譜中，25.99～38.98 MPa的應(yīng)力幅出現(xiàn)46次，大于38.98 MPa的應(yīng)力幅出現(xiàn)3次，最大應(yīng)力幅為51.46 MPa。為了進(jìn)一步分析應(yīng)力幅對(duì)螺栓斷裂的影響，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 13682《螺紋緊固件軸向載荷疲勞試驗(yàn)方法》進(jìn)行螺栓疲勞試驗(yàn)。挑選 20 件 M12 螺栓，施加不同的應(yīng)力幅，觀察螺栓狀態(tài)，試驗(yàn)次數(shù)上限為5×105。

試驗(yàn)結(jié)果表明，螺栓的疲勞強(qiáng)度不大于 42.1 MPa；42.1～60.2 MPa 時(shí)，隨著應(yīng)力幅增大，螺栓存在松動(dòng)和斷裂的風(fēng)險(xiǎn)；應(yīng)力幅超過 60.2 MPa 時(shí)，螺栓的可靠性大幅降低，如圖9所示。

圖9 螺栓疲勞試驗(yàn)(應(yīng)力比0.06)

為了提高螺栓強(qiáng)度，將M12 8.8級(jí)螺栓更換為M12 10.9級(jí)螺栓，并通過試驗(yàn)對(duì)比疲勞壽命，見表2。

表2 螺栓疲勞對(duì)比驗(yàn)證試驗(yàn)(應(yīng)力比為0.01)

試驗(yàn)結(jié)果表明，提高螺栓的強(qiáng)度可以顯著提高螺栓在沖擊振動(dòng)環(huán)境下的可靠性。

4 牽引電機(jī)振動(dòng)數(shù)據(jù)分析

4.1 振動(dòng)數(shù)據(jù)預(yù)處理

為了分析機(jī)車牽引電機(jī)機(jī)座、端蓋、懸掛、軸承位4個(gè)關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)在整條線路的振動(dòng)情況，需要用采集的數(shù)據(jù)計(jì)算4個(gè)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)量級(jí)。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)全程實(shí)時(shí)采集，由于外部原因，數(shù)據(jù)在采集的過程中會(huì)引入一些無效數(shù)據(jù)，因此為了提高數(shù)據(jù)的有效性，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，剔除無效數(shù)據(jù)。無效數(shù)據(jù)包括兩部分，一部分是怠車振動(dòng)數(shù)據(jù)；另一部分是異常數(shù)據(jù)。怠車振動(dòng)數(shù)據(jù)結(jié)合機(jī)車運(yùn)行的工況數(shù)據(jù)，應(yīng)查找與停車及低速運(yùn)行對(duì)應(yīng)的振動(dòng)數(shù)據(jù)予以剔除。在對(duì)全域數(shù)據(jù)進(jìn)行物理檢驗(yàn)、目測(cè)檢驗(yàn)、平穩(wěn)性檢驗(yàn)和正態(tài)檢驗(yàn)后，最終獲取可以計(jì)算的有效數(shù)據(jù)[5]。

4.2 功率譜密度計(jì)算

對(duì)每一通道實(shí)時(shí)采集振動(dòng)加速度時(shí)域數(shù)據(jù)，并將預(yù)處理后的有效數(shù)據(jù)拆分成若干個(gè)小段，最后采用改進(jìn)周期圖法計(jì)算拆分后數(shù)據(jù)的功率譜密度。改進(jìn)周期圖法計(jì)算流程是將一段數(shù)據(jù)分段并乘以漢寧窗，計(jì)算每段的功率譜密度，然后計(jì)算漸近無偏估計(jì)的平均。通過上述方法即可計(jì)算出每一通道有效數(shù)據(jù)的功率譜密度[6-7]。

4.3 均方根計(jì)算

假設(shè)在牽引電機(jī)測(cè)量位置測(cè)得牽引電機(jī)的運(yùn)行振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)包含n1個(gè)測(cè)量值，對(duì)應(yīng)的加速度均方根r·m·s可用式(1)計(jì)算。

(1)

應(yīng)用n2個(gè)加速度均方根測(cè)量值計(jì)算出該測(cè)試點(diǎn)基于實(shí)測(cè)路譜數(shù)據(jù)的隨機(jī)振動(dòng)加速度平均運(yùn)行量級(jí)AS和標(biāo)準(zhǔn)偏差STD：

(2)

(3)

式中：r·m·s(q)為一段時(shí)間的均方根值。

由于實(shí)驗(yàn)所涉及的是2類、3類設(shè)備，因此隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)的加速度均方根按式(4)計(jì)算[8]：

r·m·s=AS+STD

(4)

4.4 全程實(shí)時(shí)運(yùn)行振動(dòng)量級(jí)統(tǒng)計(jì)

機(jī)車牽引電機(jī)的實(shí)時(shí)振動(dòng)數(shù)據(jù)通過預(yù)處理、功率譜密度計(jì)算、加速度均方根計(jì)算并與GB/T 21563 標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果見表3。

表3 各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)量級(jí)

對(duì)牽引電機(jī)端蓋、機(jī)座、懸掛和軸承位的實(shí)測(cè)振動(dòng)試驗(yàn)量級(jí)值與標(biāo)準(zhǔn)GB/T 21563振動(dòng)試驗(yàn)量級(jí)值進(jìn)行對(duì)比，振動(dòng)試驗(yàn)量級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值是垂向>橫向>縱向，而實(shí)測(cè)值是垂向>縱向>橫向；垂向和縱向?qū)崪y(cè)值大于標(biāo)準(zhǔn)值，除了懸掛測(cè)點(diǎn)橫向大于標(biāo)準(zhǔn)值，其他3個(gè)測(cè)點(diǎn)橫向?qū)崪y(cè)值小于標(biāo)準(zhǔn)值。標(biāo)準(zhǔn)GB/T 21563是等同翻譯標(biāo)準(zhǔn)IEC61373《軌道交通機(jī)車車輛設(shè)備沖擊和振動(dòng)試驗(yàn)》，該標(biāo)準(zhǔn)用于評(píng)估安裝在機(jī)車車輛主體結(jié)構(gòu)上的設(shè)備，不適用于對(duì)組成主結(jié)構(gòu)的設(shè)備本身進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)于這種抱軸式安裝的牽引電機(jī)是主體結(jié)構(gòu)還是主體結(jié)構(gòu)上的設(shè)備存在爭(zhēng)議，通過實(shí)時(shí)測(cè)試并使用GB/T 21563 計(jì)算方法分析，結(jié)果顯示與標(biāo)準(zhǔn)確實(shí)存在差異。

5 結(jié)論

通過對(duì)機(jī)車牽引電機(jī)端蓋、機(jī)座、懸掛、軸承位4個(gè)測(cè)點(diǎn)的在線運(yùn)行振動(dòng)測(cè)試并對(duì)沖擊和振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以得到以下結(jié)論：

1)牽引電機(jī)受到外界沖擊較大并且牽引電機(jī)非傳動(dòng)端端蓋螺栓剛度偏弱，將螺栓由8.8等級(jí)更換為10.9等級(jí)后螺栓再?zèng)]有發(fā)生類似故障。

2)牽引電機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)量級(jí)值與標(biāo)準(zhǔn)值存在差異，牽引電機(jī)作為多結(jié)構(gòu)、多耦合的部件，在多種工況環(huán)境下運(yùn)行會(huì)受到復(fù)雜的振動(dòng)沖擊，而目前對(duì)于這一方面的研究較少，因此有必要對(duì)其開展詳細(xì)研究。