王鑫，魏紅梅

（沈陽地鐵集團(tuán)有限公司，沈陽 110141）

隨著全國城市軌道交通的飛速發(fā)展，人們的出行越來越便捷，地鐵也逐步成為人們出行的首選交通工具。與此同時，地鐵的舒適度也越來越受到人們的重視，振動和噪聲是評估舒適度的重要標(biāo)準(zhǔn)。沈陽地鐵1號線電客車整體舒適性良好，但在現(xiàn)場驗收過程中發(fā)現(xiàn)某列車的客室地板存在異常振動問題，而后期沈陽地鐵9號線電客車也出現(xiàn)了批量性振動問題。經(jīng)對沈陽地鐵1號線電客車進(jìn)行振動測定，其振動加速度達(dá)到0.41 m/s2，如圖1所示，而9號線電客車的振動加速度達(dá)到了1.229 m/s2，均大于GB/T 13441.1—2007《機(jī)械振動與沖擊人體暴露于全身振動的評價》標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的人體舒適參考值0.315 m/s2。文中通過從振動來源入手［1］，分析沈陽地鐵1號線電客車振動問題，找出引起其振動的主要原因，并根據(jù)電客車變壓器安裝結(jié)構(gòu)及沈陽地鐵1號線、9號線的實際解決經(jīng)驗提出具體解決措施，以解決相關(guān)振動問題，提高電客車運行舒適性。

圖1 通電時地板振動頻譜

1 振動原因分析

1.1 振動來源

經(jīng)現(xiàn)場判斷，地板振動較大點其下方正對輔助變壓器，通過進(jìn)行現(xiàn)場實測，振動主要表現(xiàn)為100 Hz的電磁振動如圖1所示，而變壓器磁致伸縮效應(yīng)引起的電磁振動頻率也為100 Hz（一般表現(xiàn)為電源頻率的2倍，并具有明顯的諧波特征），因此客室地板的振動由輔助變壓器振動引起的可能性較大。

對振動的可能性進(jìn)行如下排查：

（1）使用1臺全新變壓器更換振動側(cè)變壓器，更換后振動依然存在。

（2）將整體變壓器下車（脫離車體）后啟動輔助系統(tǒng)，振動完全消失。

因此，地板振動來源于輔助變壓器箱體。

1.2 振動原因

沈陽地鐵1號線每列車含2臺輔助變壓器（分布在1/6車），異常振動問題僅發(fā)生在單獨列車的單側(cè)變壓器地板上方。從實際情況分析，異常振動可能由2個方面引起：一是振動側(cè)變壓器本身振動較大引起異常振動（振源）；二是振動在傳播過程中車身結(jié)構(gòu)對變壓器產(chǎn)生的電磁振動進(jìn)行了放大，即在從變壓器—吊耳—車體梁—波紋板—減振隔音材料—地板傳輸過程中存在共振/局部共振放大的可能性（傳輸途徑）。

針對上述振動引起的可能性，通過將地板振動較大的變壓器與其他列車地板振動較小變壓器進(jìn)行對調(diào)，發(fā)現(xiàn)振動并未隨變壓器轉(zhuǎn)移，因此異常振動不是由變壓器本身振動過大引起；針對第2種可能性，從傳播途徑中找到對100 Hz振動起放大作用的部件，并針對性地進(jìn)行整改，總體思路為：在電客車斷電條件下，通過使用滿足力信號質(zhì)量外部脈沖力獲得所需頻域內(nèi)（100 Hz附近）的動態(tài)響應(yīng)，來判斷傳輸過程中存在共振/局部共振的具體部位。即通過敲擊變壓器吊耳、車體梁、波紋板和地板以施加一個脈沖激勵，然后在各測點得到力—加速度相干系數(shù)曲線［2］，以此判斷對振動起放大作用的部件。振動測試過程如下。

1.2.1 測試點選擇

車上測試點選取地板振動最大點，車下測試點選擇變壓器吊耳、吊耳附近吊梁、波紋板、地板如圖2所示。

圖2 測試點圖示

1.2.2 力信號質(zhì)量判斷

使用力錘敲擊吊耳，力信號在500 Hz以及基本保持為直線，如圖3所示，因此力信號質(zhì)量滿足要求。

圖3 力信號頻譜曲線

1.2.3振動測試

（1）錘擊變壓器吊耳

力錘敲擊吊耳時，力錘激勵與吊耳測點、車體梁測點、地板測點之間的力—加速度傳遞函數(shù)圖形如圖4所示，吊耳和車體梁對100 Hz附近的振動響應(yīng)有明顯的放大作用。

圖4 力到吊耳、車體梁、地板測點的傳遞函數(shù)（錘擊吊耳）

（2）錘擊車體梁

力錘敲擊車體梁時，力錘激勵與吊耳、車體梁、地板測點之間的力—加速度傳遞函數(shù)圖形如圖5所示，吊耳、車體梁對100 Hz附近的振動響有明顯的放大作用。

圖5 力到吊耳、車體梁、地板測點的傳遞函數(shù)（錘擊車體梁）

（3）錘擊波紋板

力錘敲擊波紋板時，力錘激勵與變壓器吊耳、車體梁、車地板測點之間的力—加速度傳遞函數(shù)圖形如圖6所示，在波紋板時施加激勵時，傳遞到吊耳、車體梁、車地板的振動在100 Hz附近沒有明顯放大現(xiàn)象。

圖6 力到地板測點傳遞函數(shù)（錘擊波紋板）

（4）錘擊地板

力錘敲擊車地板時，力錘激勵與地板測點之間的力—加速度傳遞函數(shù)如圖7所示，地板傳遞函數(shù)在100 Hz附近沒有明顯的波峰，排除地板共振的可能性。

圖7 力到地板測點傳遞函數(shù)（錘擊地板）

通過上述振動測量，發(fā)現(xiàn)吊耳、車體梁均對100 Hz附近的頻率具有放大作用，波紋板及地板則在100 Hz頻率附近對振動沒有明顯的放大作用，可排除地板和波紋板共振的可能性，因此地板振動很可能與變壓器吊耳或者車體（吊耳與車體剛性連接）振動的放大有關(guān)，推測是由于工藝、裝配和材料的差異性引起，這種差異性將使得部分局部模態(tài)頻率發(fā)生變化，從而改變車體結(jié)構(gòu)的動力學(xué)特性。主要原因為底架工件間焊接可能存在缺陷：由于底架波紋板與底架主橫梁采用電阻焊方式進(jìn)行焊接。在受到電流、電壓、人工操作等多種因素影響，工件間焊接存在缺陷的可能性。

2 解決措施

為解決振動問題，可從變壓器（振源側(cè)）、傳播路徑（吊耳、車體梁、波紋板、減振隔音材料）2個方面入手，切斷或減小振動振幅以解決振動問題［3］，措施如下。

2.1 振源側(cè)

在變壓器箱體內(nèi)吊裝螺栓與吊梁間增加減振墊以切斷振動傳遞路徑，此方法可有效解決該類振動問題，但需要將變壓器吊裝孔擴(kuò)大，不滿足變壓器箱本身的互換性，一般該方案適用于批量整改。由于沈陽地鐵1號線只針對個別列車振動問題，選用此方案對后續(xù)運營、維護(hù)工作的統(tǒng)一性會產(chǎn)生一定影響，故未采取該方法進(jìn)行整改，而沈陽地鐵9號線電客車普遍存在振動問題，且最大振動加速度值達(dá)到了1.229 m/s2，通過該措施整改后將垂向加速度值降低至0.05 m/s2以下，如圖8所示，完全滿足了GB/T 13441.1標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定值。

圖8 9號線電客車振動整改前后振動測試值及整改圖示

2.2 傳播路徑

2.2.1 吊耳

在含變壓器箱體與車體吊裝螺栓處安裝隔振器/減振墊的方案，針對個別電客車進(jìn)行的振動整改影響變壓器的可互換性，可由地鐵方權(quán)衡后決定。

2.2.2 車體梁

對變壓器箱處橫梁進(jìn)行加強(qiáng)，或在變壓器附近的波紋板和主橫梁之間增加焊點，可一定程度地提高局部剛度及強(qiáng)度，此種方案減震效果較小，用于振動幅值微調(diào)。此種方案在沈陽地鐵9號線單列使用如圖9所示，但振動幅度調(diào)制較小，故未采用該方案進(jìn)行批量整改。

圖9 9號線電客車橫梁加強(qiáng)前后圖示

2.2.3 波紋板

通過對波紋板及車體梁等部位噴涂阻泥漿，可一定程度減小振動振幅，此種方案減震效果較小，用于振動微調(diào)。此種方案在沈陽地鐵9號線單個試驗列車使用，在安裝變壓器箱體對應(yīng)車體下方的波紋板上噴涂阻泥漿如圖10所示，但振動幅度調(diào)制較小，故未采用該方案進(jìn)行批量整改。

圖10 沈陽9號線電客車橫梁加強(qiáng)前后圖示

2.2.4 優(yōu)化減振隔音材料

通過局部區(qū)域選用減振隔音性能較好的阻尼材料，并對所選區(qū)域進(jìn)行連續(xù)鋪設(shè)，從而增加減振隔音的效果。對不同減振材料進(jìn)行試驗驗證后，選取對共振頻率段減振效果較好的材質(zhì)進(jìn)行填充如圖11所示。沈陽地鐵1號線的單列電客車在使用該方案后，振動加速度降至0.273 m/s2，符合GB/T 13441.1標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定，且未對部件互換性產(chǎn)生影響。

圖11 沈陽1號線亞羅弗減振材料填充方案

2.2.5 測定共振位置并進(jìn)行局部加強(qiáng)

通過試驗測試定位車體梁共振發(fā)生的具體位置并進(jìn)行局部剛度加強(qiáng)，或通過安裝質(zhì)量塊等措施予以解決，此方法所要求的技術(shù)難度較大、成本較高，且增加電客車運行時的能量消耗，一般較少采用該方案。

2.3 其他

根據(jù)所選減振方案，需對振動影響涉及部位如變壓器、吊裝螺栓、車體梁焊縫等部件進(jìn)行受力校核與疲勞壽命的評估，以保證電客車在全壽命周期的運行安全。

3 結(jié)束語

通過從引起電客車地板振動問題的源頭出發(fā)，排查出引起振動的主要原因是吊耳及車體梁對振動的放大作用，針對上述原因提出從切斷振源、減小振幅2個途徑解決振動問題，并根據(jù)電客車變壓器安裝結(jié)構(gòu)及沈陽地鐵1號線、9號線實際應(yīng)用經(jīng)驗提出具體解決措施，以期對其他軌道客車出現(xiàn)的此類振動問題提供相應(yīng)解決經(jīng)驗。