陳 璨，郭力榮，李國順，張義超，王成強(qiáng)

（1 中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車車輛研究所，北京100081；2 中車長春軌道客車股份有限公司，長春130062）

牽引變壓器是高速動(dòng)車組的關(guān)鍵設(shè)備，具有質(zhì)量大，振動(dòng)激勵(lì)源復(fù)雜等特點(diǎn)，極易與車體產(chǎn)生耦合振動(dòng)，降低車輛運(yùn)行品質(zhì)，影響牽引變壓器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，甚至?xí)?dǎo)致設(shè)備連接部件的疲勞斷裂，威脅車輛的運(yùn)營安全［1-2］。此外，車體輕量化設(shè)計(jì)和運(yùn)行速度的提高，致使車體及其懸吊設(shè)備承受的載荷日益復(fù)雜，惡化了牽引變壓器等部件的工作條件［3］。因此，掌握高速列車運(yùn)用過程中牽引變壓器真實(shí)的振動(dòng)特點(diǎn)及與車體的耦合振動(dòng)關(guān)系是十分必要的。

賀小龍等建立了車輛剛?cè)狁詈夏Ｐ停瑢恳儔浩鞯膽覓靺?shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)［4］。于金鵬等利用有限元模型研究了牽引變壓器的振動(dòng)響應(yīng)容限［5］。高艷姿研究了牽引變壓器雙層隔振系統(tǒng)的振動(dòng)功率流［6］。張遠(yuǎn)亮等研究了牽引變壓器在負(fù)載開風(fēng)機(jī)狀態(tài)下的振動(dòng)及傳遞特性［7］。值得注意的是，該研究僅分析了車輛靜態(tài)時(shí)牽引變壓器垂向的振動(dòng)情況，忽略了牽引變壓器工作時(shí)磁致伸縮引起的鐵芯振動(dòng)以及車體振動(dòng)對牽引變壓器的影響，不能較為完整、全面地反映牽引變壓的振動(dòng)特征。

文中基于高速列車線路試驗(yàn)，獲取了動(dòng)車組正常運(yùn)行時(shí)牽引變壓器及車體的振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)，并對其進(jìn)行時(shí)頻域分析，較為詳細(xì)地研究牽引變壓器在不同工作狀態(tài)下的時(shí)頻域響應(yīng)特征及對車體的影響，更加完整真實(shí)地揭示高速動(dòng)車組運(yùn)用過程中牽引變壓器的振動(dòng)特點(diǎn)，為牽引變壓器的設(shè)計(jì)和安全運(yùn)用提供參考。

1 線路試驗(yàn)

選取在京廣線正常運(yùn)行的某型動(dòng)車組為試驗(yàn)車輛，在其牽引變壓器及車體底架安裝三向加速度傳感器。表1列出了試驗(yàn)項(xiàng)點(diǎn)，各測點(diǎn)的現(xiàn)場照片如圖1所示。試驗(yàn)中采樣頻率為2000 Hz，確保測試數(shù)據(jù)能有效地反映牽引變壓器和車體的振動(dòng)情況。

圖1 振動(dòng)加速度安裝位置

表1 測點(diǎn)描述

2 牽引變壓器加速度時(shí)頻域分析

選取某一運(yùn)行區(qū)間的測試數(shù)據(jù)，對其去零漂、消除干擾及噪聲毛刺后，獲得牽引變壓器箱體（測點(diǎn)1）的振動(dòng)加速度。測試數(shù)據(jù)涵蓋了高速動(dòng)車組完整的加速、恒速以及減速過程。測試區(qū)間動(dòng)車組最高運(yùn)行速度為306 km/h。

動(dòng)車組區(qū)間運(yùn)行速度和牽引變壓器垂向、橫向振動(dòng)加速度時(shí)間歷程如圖2所示。從圖2中可以明顯看出，與車體振動(dòng)加速度情況不同，牽引變壓器的橫向振動(dòng)加速度明顯大于其垂向振動(dòng)加速度。測試區(qū)間內(nèi)，牽引變壓器垂向振動(dòng)加速度最大值為2.02 m/s2，有效值為0.25 m/s2；橫向振動(dòng)加速度最大值為11.05 m/s2，有效值為1.32 m/s2，是垂向振動(dòng)加速度值的5倍。主要原因是試驗(yàn)車輛牽引變壓器鐵芯是橫向布置，因此當(dāng)牽引變壓器工作時(shí)，在鐵芯磁致伸縮效應(yīng)和通電繞組引起的軸向電磁力作用下，牽引變壓器器身與箱體發(fā)生橫向振動(dòng)。

圖2 速度、牽引變壓器加速度時(shí)間歷程

牽引變壓器垂向、橫向振動(dòng)加速度的時(shí)頻分布如圖3、圖4所示。由圖3和圖4可知，牽引變壓器振動(dòng)基頻為100 Hz，振動(dòng)能量主要集中在100 Hz及倍頻。主要原因是磁致伸縮效應(yīng)和電磁力產(chǎn)生的激勵(lì)頻率為交流電頻率（50 Hz）的2n（n=1，2，3...）倍［8］。

圖3 牽引變壓器垂向振動(dòng)加速度時(shí)頻分布

圖4 牽引變壓器橫向振動(dòng)加速度時(shí)頻分布

由圖3可知，垂向振動(dòng)能量主要集中在0～50 Hz頻段和100 Hz、200 Hz及300 Hz。0～50 Hz頻段振動(dòng)能量主要源自車體受輪軌激勵(lì)引起的受迫振動(dòng)和彈性振動(dòng)；100～300 Hz頻段振動(dòng)能量主要反映是在電磁力作用下牽引變壓器器身與箱體間的振動(dòng)。與垂向振動(dòng)相比，0～50 Hz頻率范圍內(nèi)的橫向振動(dòng)能量較小，振動(dòng)能量主要集中在100 Hz及其倍頻，且頻率分布更加分散，表明橫向振動(dòng)能量主要來自器身與箱體間的振動(dòng)，受車體振動(dòng)的影響較小。此外，400～500 Hz頻率范圍內(nèi)牽引變壓器箱體的振動(dòng)能量出現(xiàn)了明顯的衰減，尤其是垂向振動(dòng)。

值得注意的是，在220～237 s、512～527 s時(shí)間范圍內(nèi)，牽引變壓器的橫向和垂向振動(dòng)加速度值接近，且遠(yuǎn)小于工作時(shí)的振動(dòng)加速度值，見圖2。此外，在這兩個(gè)時(shí)段沒有明顯的100 Hz及其倍頻振動(dòng)能量，見圖3和圖4。這是由于車輛通過分相區(qū)，牽引變壓器斷電待機(jī)，鐵芯與繞組間的軸向電磁力逐漸減弱，器身與箱體間不再有劇烈的相互運(yùn)動(dòng)。此時(shí)，牽引變壓器可視作一個(gè)懸吊于車體底架下無振動(dòng)源的大質(zhì)量塊，僅受車體振動(dòng)影響。

車輛通過分相區(qū)后，牽引變壓器通電重新工作，由于激磁涌流的影響，導(dǎo)致牽引變壓器振動(dòng)加速度出現(xiàn)了明顯的峰值。

3 典型工況的振動(dòng)特征

由上述分析可知，牽引變壓器振動(dòng)情況與其工作狀態(tài)密切相關(guān)，因此選取車輛在直線線路運(yùn)行時(shí)牽引變壓器斷電待機(jī)和恒速負(fù)載工況下5 s的穩(wěn)態(tài)測試數(shù)據(jù)分析牽引變壓器的振動(dòng)特點(diǎn)及對車體的影響。

3.1 待機(jī)工況

225～230s時(shí)間范圍內(nèi)，動(dòng)車組通過分相區(qū)，牽引變壓器斷電待機(jī)，運(yùn)行速度為250 km/h。待機(jī)工況下，牽引變壓器和車體的振動(dòng)加速度時(shí)間歷程如圖5所示，加速度統(tǒng)計(jì)值見表2。

圖5 待機(jī)工況下振動(dòng)加速度時(shí)間歷程

表2 待機(jī)工況下加速度統(tǒng)計(jì)值

對比車體與牽引變壓器的振動(dòng)情況可知，待機(jī)時(shí)車體橫向振動(dòng)加速度與牽引變壓器橫向振動(dòng)加速度十分接近。由于牽引變壓器箱體與車體間隔振系統(tǒng)的作用，車體垂向振動(dòng)加速度小于牽引變壓器垂向振動(dòng)加速度。需要注意的是，待機(jī)時(shí)牽引變壓器橫向振動(dòng)加速度值仍大于垂向振動(dòng)加速度值。這是由于斷電后鐵芯和繞組間仍有殘留的軸向電磁力，導(dǎo)致器身與箱體間仍存在輕微的振動(dòng)。

待機(jī)工況下牽引變壓器和車體振動(dòng)加速度功率譜密度如圖6所示。從圖6中可以看出，待機(jī)時(shí)車體和牽引變壓器振動(dòng)能量主要集中在0～50 Hz頻率范圍內(nèi)，垂向振動(dòng)主頻為0.8 Hz，橫向振動(dòng)主頻為0.6 Hz，均與車體垂向、橫向振動(dòng)主頻一致，并且振動(dòng)能量接近。

圖6 待機(jī)工況下加速度功率譜密度

文中利用相干系數(shù)和相關(guān)系數(shù)討論車體與牽引變壓器振動(dòng)加速度間的關(guān)聯(lián)關(guān)系［9］，如圖7、圖8所示。在0～2 Hz頻率范圍內(nèi)，車體與牽引變壓器加速度的相干系數(shù)均大于0.9，相干成分在頻率范圍所占比重較大，如圖7所示。

圖7 待機(jī)工況下車體與牽引變壓器加速度相干系數(shù)

圖8 待機(jī)工況下車體與牽引變壓器加速度相關(guān)系數(shù)

由圖8可知，在垂向上車體與牽引變壓器振動(dòng)加速度表現(xiàn)出負(fù)相關(guān)關(guān)系，在橫向上車體與牽引變壓器振動(dòng)加速度表現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系。此外，二者的相關(guān)系數(shù)存在明顯的周期性，垂向相關(guān)系數(shù)的周期頻率為0.8 Hz，橫向相關(guān)系數(shù)的周期頻率為0.6 Hz，均與圖6中相應(yīng)方向振動(dòng)加速度的主頻一致。由相關(guān)系數(shù)的性質(zhì)可知，周期信號的相關(guān)函數(shù)是周期性，且其周期與原信號相同。基于圖6、圖7和圖8的分析可知，車體與牽引變壓器振動(dòng)加速度在低頻段存在明顯的相關(guān)關(guān)系，且低頻振動(dòng)能量占比非常大?？紤]低于1 Hz的振動(dòng)通常是車體受迫振動(dòng)響應(yīng)，由此可以認(rèn)為待機(jī)時(shí)牽引變壓器振動(dòng)主要受車體振動(dòng)影響。

此外，牽引變壓器在7.5～12.6 Hz頻段內(nèi)有較大的振動(dòng)能量，反映了牽引變壓器箱體的彈性振動(dòng)。需要注意的是，牽引變壓器橫向振動(dòng)有100 Hz的振動(dòng)能量，表明斷電后器身與箱體間仍有電磁力引起的橫向振動(dòng)，但振動(dòng)能量較小。

3.2 負(fù)載工況

430～435 s時(shí)間范圍內(nèi)，動(dòng)車組恒速運(yùn)行，運(yùn)行速度為300 km/h，牽引變壓器持續(xù)穩(wěn)定工作。

負(fù)載工況下牽引變壓器和車體的振動(dòng)加速度時(shí)間歷程如圖9所示。從圖9中可以看出，負(fù)載工況下牽引變壓器振動(dòng)加速度值明顯大于車體振動(dòng)加速度值，尤其是橫向振動(dòng)。負(fù)載工況下，牽引變壓器垂向振動(dòng)加速度是待機(jī)工況加速度值的2倍；橫向振動(dòng)加速度是待機(jī)工況加速度值的8倍，見表3。由此可見，牽引變壓器工作時(shí)磁致伸縮效應(yīng)和電磁力引起的鐵芯與箱體間的振動(dòng)是主要能量來源。

表3 負(fù)載工況下加速度統(tǒng)計(jì)值

圖9 負(fù)載工況下振動(dòng)加速度時(shí)間歷程

與牽引變壓器振動(dòng)變化情況不同，負(fù)載工況下車體振動(dòng)加速度值沒有明顯增大，表明牽引變壓器與車體間的隔振系統(tǒng)有效衰減了來自牽引變壓器的振動(dòng)能量。需注意的是，車體橫向振動(dòng)仍有較大增幅。

由于電磁力與供電頻率有關(guān)，負(fù)載工況下牽引變壓器垂向、橫向振動(dòng)能量主要集中在100 Hz及其倍頻，如圖3、圖4所示，限于篇幅，在此不再討論。

負(fù)載工況下車體振動(dòng)加速度功率譜密度如圖10所示。車體垂向振動(dòng)能量分布與待機(jī)工況振動(dòng)能量分布類似，主要反映了車體的受迫振動(dòng)和彈性振動(dòng)。與垂向振動(dòng)不同，車體橫向振動(dòng)中不僅有輪軌激勵(lì)引起的受迫振動(dòng)能量，也有明顯的100 Hz振動(dòng)能量。負(fù)載工況下車體與牽引變壓器振動(dòng)加速度相干系數(shù)如圖11所示。從圖11中可以看出，在0～2 Hz范圍內(nèi)，二者的相干系數(shù)與待機(jī)工況的相干系數(shù)接近，均大于0.9，由3.1節(jié)分析可知，該頻段牽引變壓器振動(dòng)能量主要來自車體振動(dòng)。需注意的是，在100 Hz處相干系數(shù)接近1，且在100 Hz出現(xiàn)了明顯的振動(dòng)能量，這與牽引變壓器振動(dòng)能量分布頻帶一致，由此可以認(rèn)為經(jīng)過隔振系統(tǒng)衰減后，仍有部分牽引變壓器振動(dòng)能量傳遞至車體，致使車體存在明顯的100 Hz高頻振動(dòng)能量。

圖10 負(fù)載工況下車體加速度功率譜密度

圖11 負(fù)載工況下車體與牽引變壓器加速度相干系數(shù)

4 結(jié)論

通過深入分析高速列車線路試驗(yàn)中動(dòng)車組牽引變壓器及車體的振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)，研究了動(dòng)車組牽引變壓器振動(dòng)特征及對車體的影響。研究結(jié)果表明：

（1）牽引變壓器振動(dòng)基頻為100 Hz，振動(dòng)能量主要集中在100 Hz及其倍頻。由于鐵芯橫向放置，牽引變壓器橫向振動(dòng)比垂向振動(dòng)更加劇烈，且振動(dòng)能量在頻域內(nèi)分布更為分散，受車體振動(dòng)影響較小。

（2）牽引變壓器待機(jī)條件下，牽引變壓器振動(dòng)情況與車體振動(dòng)情況接近，振動(dòng)能量主要來自車體振動(dòng)，但箱體法平面仍有殘留電磁力引起振動(dòng)能量。

（3）牽引變壓器負(fù)載條件下，振動(dòng)加速度值比待機(jī)工況加速度值擴(kuò)大了2～8倍，器身與箱體間的振動(dòng)成為主要能量來源。

（4）隔振系統(tǒng)能有效衰減牽引變壓器傳遞至車體的振動(dòng)能量，尤其是垂向振動(dòng)，但仍有100 Hz高頻橫向振動(dòng)傳遞至車體。