賈 潞，金 煒

（1 中國鐵路北京局集團有限公司，北京 100860；2 中國鐵道科學研究院集團公司 機車車輛研究所，北京 100081）

CR400BF 型動車組輔助供電系統(tǒng)由輔助變流器、充電機和蓄電池、應急逆變器等組成。分別在TC01、TC08 車（為 ACU-A 型）和 TP03、TP06 車（為 ACU-B 型）上設4 臺輔助變流器。輔助變流器將來自牽引變流器中間直流電轉(zhuǎn)換成三相交流電為輔助系統(tǒng)供電，在動車組過分相區(qū)時，可以通過牽引變流器中間電路將牽引電機發(fā)出的電轉(zhuǎn)換成三相交流電繼續(xù)供給輔助系統(tǒng)。

輔助變流器采用強迫風冷方式，主風扇是為PWMI 功率模塊、變壓器、電抗器等電氣部件散熱的核心裝置。輔助變流器工作時主風扇從外界向變流器內(nèi)部抽入冷空氣，冷空氣經(jīng)由安裝在機箱前部的進氣格柵進入變流器，經(jīng)過 PWMI 功率模塊的散熱器完成對功率模塊的散熱，通過風扇后進入到變流器臟室完成對變壓器、電抗器的冷卻，最后經(jīng)過變流器底部的排氣口排出。當主風扇出現(xiàn)故障時，輔助變流器的冷卻系統(tǒng)將無法正常運轉(zhuǎn)，電氣部件會報出超溫故障，從而影響輔助變流器的正常工作［1］。

1 主風扇結(jié)構(gòu)及故障情況

1.1 風扇結(jié)構(gòu)

主風扇的電機采用EC 無刷直流外轉(zhuǎn)子電機，葉輪為離心式結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)控制調(diào)速及智能反饋功能，具有質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、安裝維修方便等特點。風扇主要由下安裝板、立柱、上安裝板、電機、葉輪組成，如圖1 所示。

圖1 主風扇結(jié)構(gòu)

1.2 故障情況

某路局配屬的CR400BF 型動車組在檢修中發(fā)生3 起輔助變流器主風扇結(jié)構(gòu)故障，主要表現(xiàn)為風扇葉輪晃動，支架螺栓斷裂。具體故障信息見表1。故障風扇和折斷的螺栓如圖2 所示。

表1 主風扇故障概況表

圖2 故障主風扇（左）和折斷的螺栓（右）

2 故障原因分析

2.1 故障風扇拆解分析

拆解風扇后發(fā)現(xiàn)葉輪表面及扇葉立面聚集大量不均勻積灰，積灰情況如圖3 所示。

圖3 風扇葉輪（左）和葉輪積灰圖（右）

從3 臺風扇各選取2 個螺栓進行理化分析，依據(jù)GB 3098.6 檢驗其化學成分均符合A2-70 的要求，依據(jù)DIN 7500 標準進行最小破壞扭矩測試結(jié)果滿足許用值。選取3 個斷裂的螺栓進行斷口金相分析，螺栓的斷口裂紋源區(qū)均未見粗大夾雜物，斷口平緩，裂紋起源于螺紋牙底表面，裂紋源可見多條疲勞臺階。綜合分析排除螺栓本身質(zhì)量問題，螺栓斷裂屬于外部載荷造成的疲勞斷裂。

振動失效是旋轉(zhuǎn)機械主要的一種故障形式，而振動產(chǎn)生的原因通常來源于轉(zhuǎn)子不平衡［2］，因此對積灰葉輪的動平衡質(zhì)量進行測試，清理積灰后再次進行動平衡測試，測試結(jié)果見表2，測試數(shù)據(jù)表明清理積灰前動不平衡質(zhì)量超出了新風扇出廠驗收標準，特別是后端面的數(shù)據(jù)超標明顯，清理積灰后動平衡質(zhì)量顯著下降。

表2 動不平衡質(zhì)量記錄表

對拆解后風扇的軸承室內(nèi)徑尺寸進行測量，上軸承室尺寸平均值為?35.003 9 mm，下軸承室尺寸平均值為?35.148 2 mm。對應標準值?35（0，+0.007） mm，下軸承室測試結(jié)果大幅超出設計尺寸，是葉輪發(fā)生晃動的主要原因。

2.2 積灰原因分析

葉輪內(nèi)部氣體流場如圖4 所示，在葉片的立面非工作面上，會有氣體渦流以及分離現(xiàn)象出現(xiàn)，有大量的微細粉塵在其前緣和后緣區(qū)域發(fā)生碰撞，并沉積下來，如果粉塵粒子的黏性大（黏土類粉塵、濕度較大的氣體中的粉塵等），則其沉降下來的可能性更大［3-4］。由于分子間的相互作用導致它們的黏結(jié)或附著力不足以克服氣流對粉塵的沖擊，粉塵將黏結(jié)在葉輪上。

圖4 葉輪內(nèi)部氣體流場

2.3 風扇結(jié)構(gòu)仿真分析

為充分驗證風扇的可靠性，基于有限元仿真分析軟件，對風扇進行強度分析。外部載荷采用IEC 61373：1999 1 類B 級要求，在模擬長壽命載荷作用下（縱、橫、垂3 向加速度共計加載15 h），風扇結(jié)構(gòu)及箱體相關結(jié)構(gòu)最大損傷值為0.094，未發(fā)生疲勞失效，滿足疲勞設計要求。風扇及箱體相關結(jié)構(gòu)疲勞仿真如圖5 所示。

圖5 縱向、橫向、垂向加速度激勵下風扇結(jié)構(gòu)及箱體相關結(jié)構(gòu)薄弱點

針對螺栓斷裂問題，對螺栓進行強度分析，3向激勵下累積損傷結(jié)果顯示最大值為0.405 8，螺栓在正常工作環(huán)境下不會出現(xiàn)疲勞斷裂，分析情況如圖6 所示。

圖6 螺栓部分仿真分析

仿真結(jié)果表明，風扇在正常的工作狀態(tài)下機械結(jié)構(gòu)具備足夠的安全裕量，可以滿足現(xiàn)場的使用需求，但是積灰導致的葉輪動平衡破壞使風扇處于非正常工作狀態(tài)，縮短了風扇的使用壽命。

2.4 現(xiàn)車普查

首批故障發(fā)生后，某局和相關單位制定了排查方案，首先對局內(nèi)配屬的CR400BF 型動車組該部位進行全面普查，后續(xù)擴展到全路該型號動車組。經(jīng)過普查，在北京局和上海局配屬的車組均發(fā)現(xiàn)了類似故障。其中64.8%的故障發(fā)生在北京局，發(fā)生故障的車組走行公里數(shù)集中在80 萬km~95 萬km，而上海局同樣運營里程的動車組風扇葉輪積灰程度要輕微，故障率低，也真實體現(xiàn)了我國北方和南方運營環(huán)境的差異。

2.5 故障原因小結(jié)

綜上分析表明，風扇葉輪在工作中積灰導致不平衡質(zhì)量增加，葉輪振動加劇。超出設計的振動導致軸承室內(nèi)徑尺寸增加，表現(xiàn)為葉輪晃動、風扇異響。在這一過程中，風扇支架螺釘承受了超出許用范圍的應力，個別螺釘出現(xiàn)折斷。

3 實車振動測試

由于北京局發(fā)生故障的動車組集中在天津動車運用所，這些動車組頻繁的運營在京津城際線路。為了實車驗證積灰對風扇振動的影響，并且確定故障發(fā)生是否與固定線路有關，北京局和相關單位研究了測試方案，于2020 年10 月選取一組CR400BF 型動車組開展了測試工作。在主風扇上、變流器箱體和車體上布置加速度傳感器進行實車振動測試。

3.1 振動加速度時域分析

在相同的京津城際線路上，進行了積灰風扇與未積灰風扇的對比振動測試，對典型振動測點數(shù)據(jù)進行整理見表3。積灰與未積灰風扇振動值對比如圖7 所示。

表3 振動測試數(shù)據(jù)示例表

圖7 積灰—未積灰風扇振動值對比

由表3、圖7 可知，測點1（風扇頭部）積灰風扇的振動RMS 值和幅值均顯著大于未積灰風扇，積灰風扇的縱、橫、垂3 個方向RMS 值分別是未積灰風扇的8.69、5.94、4.48 倍，積灰對風扇本體的影響很大，尤其是縱向。測點2（箱體內(nèi)部）積灰風扇的振動也大于未積灰風扇，積灰風扇的縱、橫、垂3 個方向RMS 值分別是未積灰風扇的2、2.67、2.75 倍。測點3（車體）積灰風扇的振動基本等于未積灰風扇，RMS 值和幅值沒有明顯變化。

可以概括為：積灰對風扇自身的振動具有顯著影響，對變流器有一定影響，對車體基本沒有影響。

3.2 風扇動應力分析

在未積灰風扇的上安裝板、風扇安裝座的焊縫（均為耐候鋼角接焊縫）處布置動應力測點，得到各測點在運營過程中的動應力值，采用Miner 線性疲勞累計損傷法則和NASA 針對變幅加載條件所推薦的S-N曲線形式計算疲勞等效應力［5-6］。測試結(jié)果表明風扇焊縫最大等效應力為20.5 MPa，小于耐候鋼角接焊縫要求的80 MPa 疲勞許用應力，還保留一定的安全裕量。動應力測試表明在正常狀態(tài)下風扇結(jié)構(gòu)可以滿足使用需求。

3.3 振動加速度頻域分析

對積灰風扇與非積灰風扇振動數(shù)據(jù)進行頻域分析，由風扇頭部垂向振動頻域分析（如圖8 所示）和STFT-能量分析［7］（如圖9 所示）可知，風扇在59 Hz 附近積灰風扇與未積灰風扇均出現(xiàn)激振點，59 Hz 為風扇自轉(zhuǎn)頻率，但積灰風扇的振動幅度遠大于未積灰風扇的振動幅度，同時在118、177 Hz等頻率處積灰風扇出現(xiàn)了明顯的倍頻激振，而未積灰風扇沒有出現(xiàn)倍頻激振現(xiàn)象。說明風扇在未積灰狀態(tài)下振動受風扇自轉(zhuǎn)的影響不明顯，當葉輪因積灰動平衡被破壞后，風扇振動受風扇自轉(zhuǎn)頻率及其倍頻的影響非常大，能量集中。

圖8 風扇頭部垂向頻域分布圖

圖9 風扇頭部垂向STFT-能量圖

3.4 不同線路振動情況分析

對未積灰風扇先后進行了京津城際、京滬高鐵、京廣高鐵、津秦客專4 條線路的振動測試，取風扇頭部、變流器箱體內(nèi)部、車體試驗數(shù)據(jù)進行分析，匯總不同線路的振動數(shù)據(jù)（RMS 值）統(tǒng)計如圖10 所示，可以看到各個測點的振動值，沒有因運營線路不同而表現(xiàn)出明顯差異，即風扇在正常工作狀態(tài)下運營線路對主風扇故障的影響較小。

圖10 不同線路條件下風扇振動對比圖

實車振動測試結(jié)果表明，風扇葉輪的積灰能夠顯著增大風扇的振動，風扇的振動能量主要來源于自轉(zhuǎn)振動，不同線路對風扇的振動影響較小。線路實車振動測試證明風扇葉輪晃動及螺栓斷裂故障是葉輪表面積灰導致的。

4 風扇優(yōu)化建議

通過上述分析和測試，排除了線路因素對主風扇故障的影響，需要從風扇自身研究加以改進。現(xiàn)階段能夠采取的措施主要有：

第一，定期清理風扇葉輪積灰。在動車所結(jié)合二級修或者動車組每年的春季、秋季質(zhì)量整修，對主風扇葉輪表面的灰塵進行清理，減少附著，達到消除不良振動的目的。由于早期發(fā)生故障的風扇運用里程在80 萬km~95 萬km 居多，并考慮到CR400BF 型動車組的高級修周期間隔在由132 萬km向165 萬km 逐步驗證中，建議在80 萬km 專項修或每年進行一次清理。當然，由于我國幅員遼闊不同地域清潔的周期可由各鐵路局摸索進行差異化安排。在風扇本身制造工藝及其運行環(huán)境改善之前，這是減少故障行之有效的方法。其不足是會增加動車所的檢修工作量，并帶來底板拆裝的次生風險。

第二，在風扇葉輪表面增加涂層。在分解過程中發(fā)現(xiàn)，風扇葉輪表面的粗糙度較大，加之有弧度和一些加工過程中造成的不平滑，客觀上也造成了容易聚集灰塵。經(jīng)調(diào)查，風扇葉輪使用的是5754-O 態(tài)型鋁合金材質(zhì)，葉輪表面粗糙度Ra1.6。在葉輪表面進行噴涂處理后，表面光滑度得到大幅提高，表面粗糙度降至Ra0.4，可以有效減少灰塵積聚。但在實際運營和檢修過程中，涂層表面被破壞后（如劃傷、局部剝落）有可能產(chǎn)生灰塵的聚集點，局部加快灰塵聚集。

第三，細化輔助變流器進氣格柵濾網(wǎng)。如前所述，空氣是從安裝在輔助變流器箱體前部的格柵導入的，可以細化格柵內(nèi)部過濾網(wǎng)，對進入的空氣中的灰塵過濾，目前在CR300BF 型動車組對進氣格柵濾網(wǎng)進行了優(yōu)化，針對CR400BF 型動車組的結(jié)構(gòu)變更需要申請裝車運營考核。改動后，優(yōu)點是改善風扇艙室的工作環(huán)境，降低風扇葉輪表面的積灰量。缺點是需要定期清潔格柵濾網(wǎng)，較清潔葉輪灰塵而言工作難度小，但工作頻次較高。

5 結(jié) 論

文中對CR400BF 型動車組輔助變流器在運營過程中出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)故障進行了分析，確定了故障原因，并有針對地提出了優(yōu)化建議。下一步工作主要是對相關措施開展運用考核、批量驗證，將有效的措施推廣。最終目標是通過改進風扇本身制造工藝、改進風扇工作環(huán)境和提高運用維修水平，力爭將其清灰周期延長到145 萬km~165 萬km，實現(xiàn)結(jié)合高級修進行清潔。