西安市軌道交通集團(tuán)有限公司運(yùn)營(yíng)分公司 朱佳宇

本文為查明CRH3輔助變流器箱體裂紋和風(fēng)扇故障，建立了CRH3動(dòng)車組動(dòng)車輔助變流器的箱體結(jié)構(gòu)有限元模型，確定了箱體的載荷工況和共振頻率，并對(duì)輔助變流器箱體進(jìn)行了疲勞壽命計(jì)算，結(jié)果表明CRH3動(dòng)車輔助變流器箱體存在共振現(xiàn)象，是造成輔助變流器風(fēng)扇損壞以及輔助變流器箱體裂紋的原因。最后提出改變風(fēng)扇速度控制和箱體風(fēng)扇底座加強(qiáng)的解決方案。

2005年中車唐山機(jī)車車輛有限公司以提供樣車和技術(shù)轉(zhuǎn)讓形式引進(jìn)西門子交通技術(shù)集團(tuán)ICE3平臺(tái)動(dòng)車組（CRH3），目前已有198列8編CRH380B，88列CRH380BL 16長(zhǎng)編，80列CRH3C下線運(yùn)營(yíng)。在運(yùn)營(yíng)過程中，輔助變流器故障逐漸增多，嚴(yán)重影響列車運(yùn)行秩序。本文利用有限元分析手段分析輔助變流器故障原因并提出解決措施。

1 輔助變流器故障統(tǒng)計(jì)

CRH3型動(dòng)車組2008年投入運(yùn)營(yíng)，隨著運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)，輔助變流器故障率也呈上升趨勢(shì)，如圖1所示，其故障類型主要是箱體裂紋和風(fēng)扇失效，如圖2所示，前期嘗試更改逆變控制算法、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制算法、安裝新型風(fēng)扇等措施，但未解決問題。

圖1 CRH3型動(dòng)車組輔助變流器風(fēng)扇故障率趨勢(shì)

圖2 箱體裂紋

2 輔助變流器箱體疲勞壽命及風(fēng)扇共振計(jì)算

2.1 輔助變流器箱體疲勞計(jì)算分析

風(fēng)扇高速旋轉(zhuǎn)過程中，由于結(jié)構(gòu)的動(dòng)不平衡等因素導(dǎo)致結(jié)構(gòu)承受周期性的疲勞載荷，雖

輔助變流器箱體裂紋和風(fēng)扇失是由于長(zhǎng)期受到較大交變載荷導(dǎo)致疲勞所致，原因可能是箱體和風(fēng)扇發(fā)生了共振，故而進(jìn)行共振計(jì)算，以驗(yàn)證判斷正確性。然結(jié)構(gòu)應(yīng)力較小，長(zhǎng)時(shí)間高速旋轉(zhuǎn)仍能產(chǎn)生較大的累積損傷，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)疲勞斷裂。同時(shí)風(fēng)扇在高低速切換時(shí)經(jīng)過箱體結(jié)構(gòu)的共振頻率，加速結(jié)構(gòu)的裂紋產(chǎn)生，降低實(shí)際使用壽命。針對(duì)輔助變流器風(fēng)扇裂紋問題，進(jìn)行疲勞壽命仿真計(jì)算，由于風(fēng)扇為有源設(shè)備，主要考慮風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。輔變流器風(fēng)扇吊裝結(jié)構(gòu)有限元模型如圖3所示，考慮風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)過程中的動(dòng)不平衡，分別在風(fēng)扇重心位置施加X向和Y向1N單位載荷，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行諧響應(yīng)分析。

圖3 輔變流器風(fēng)扇吊裝有限元模型

諧響應(yīng)計(jì)算結(jié)果如圖4和圖5所示，橫向載荷作用下，在42.5Hz處存在應(yīng)力峰值，最大應(yīng)力0.115MPa?？v向載荷作用下，在36Hz和42.5Hz處存在應(yīng)力峰值，最大應(yīng)力0.10MPa。

圖4 橫向單位載荷引起最大應(yīng)力隨頻率變化圖

圖5 縱向單位載荷引起最大應(yīng)力隨頻率變化圖

假設(shè)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子質(zhì)量為1kg，低轉(zhuǎn)速為1500轉(zhuǎn)/分鐘，高轉(zhuǎn)速為3000轉(zhuǎn)/分鐘，轉(zhuǎn)子偏心0.5mm，風(fēng)扇每天工作10h，高低速各5h。每年工作300天。參照IIW焊接結(jié)構(gòu)疲勞曲線，如圖6所示，選取FAT36等級(jí)。

圖6 箱體結(jié)構(gòu)S-N曲線

則有，低速偏心載荷為：

1N的橫向力產(chǎn)生0.066MPa，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化范圍為1.6MPa，疲勞壽命為3.951012轉(zhuǎn)，每年累計(jì)損傷3.410-5。

則有，高速偏心載荷為：

1N橫向力產(chǎn)生0.078MPa，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化范圍為7.7MPa，疲勞壽命為1.53×109轉(zhuǎn)，每年累計(jì)損傷0.176。低速損傷相對(duì)于高速損傷可以忽略不計(jì)，結(jié)構(gòu)壽命為5.68年，考慮風(fēng)扇高低速切換經(jīng)過結(jié)構(gòu)的共振頻率，實(shí)際使用壽命會(huì)更低。

2.2 風(fēng)扇共振點(diǎn)測(cè)試

共振是引起箱體和風(fēng)扇較大交變載荷激勵(lì)的原因，綜合考慮構(gòu)架的結(jié)構(gòu)、計(jì)算精度及計(jì)算量，選取構(gòu)架整體作為共振分析模型。采用十節(jié)點(diǎn)四面體單元Solid92進(jìn)行結(jié)構(gòu)離散，網(wǎng)格數(shù)量決定了計(jì)算結(jié)果的精度和規(guī)模，權(quán)衡兩者的關(guān)系，有限元模型最終離散77022個(gè)單元，157453個(gè)節(jié)點(diǎn)，如圖3所示。軸向彈簧和轉(zhuǎn)臂定位節(jié)點(diǎn)處采用40個(gè)Combinl4彈簧單元進(jìn)。分析結(jié)果如圖7所示，當(dāng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速達(dá)到1900RPM時(shí)，箱體與風(fēng)扇發(fā)生共振。

圖7 風(fēng)扇的共振點(diǎn)

3 解決措施

上述分析可知風(fēng)扇和箱體共振引起較大交變載荷激勵(lì)，從而導(dǎo)致輔助變流器疲勞失效。為了解決共振問題，采取2種解決措施。（1）對(duì)所有CRH3系列動(dòng)車組（CRH3C 80列，CRH380BL 70列）的輔助變流器進(jìn)行風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制算法升級(jí)，使主風(fēng)扇的臨界頻率/速度很快通過，主風(fēng)扇在諧振頻率下的工作時(shí)間減小到最短，消除共振影響。（2）箱體結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)（圖8），采用3mm厚不銹鋼板對(duì)風(fēng)扇底座進(jìn)行加強(qiáng)。

圖8 箱體補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)

有限元仿真分析表明：輔助變流器風(fēng)扇與箱體在列車運(yùn)行時(shí)發(fā)生共振，導(dǎo)致了箱體和風(fēng)扇疲勞失效。基于此提出解決方案，一是改善風(fēng)扇風(fēng)速控制算法，快速跨過共振頻率；二是對(duì)箱體風(fēng)扇底座結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)。實(shí)踐證明解決措施可行有效。