我国轨道交通牵引机车振动研究现状分析

蒋济雄

（南车株洲电力机车有限公司技术中心，湖南株洲 412001）

0 引言

轨道交通牵引机车作为我国交通运输业的中坚力量，承担着诸如旅客运输、货物运输、能源运输、军需战略物资运输等重要使命，是目前所有运输方式中经济性、时效性、便捷性等最为有效的方式之一，其性能的好坏严重影响着我国国民经济的发展。

振动作为一种普遍存在的现象在轨道交通牵引机车上同样存在，通常有规律轻微的振动对机车及车内司乘人员并不会产生太大影响，然而当机车由于自身结构、动力装置、外界环境等因素变化而产生较大振动，甚至共振时，不仅会使机车各零部件故障率增加，同时也会导致机破、临修等事件概率的大幅上升，久而久之甚至会危及司乘人员的人身安全［1-2］。为此，国内外广大学者及工程技术人员都对机车振动现象进行了广泛的研究。根据我国轨道交通牵引机车的发展历程可知，目前主要存在内燃传动电力机车（简称内燃机车）、直流传动电力机车（简称直流机车）和交流传动电力机车（简称交流机车）三种形式，因此，本文将以该三种形式的分类对其振动的研究现状进行综述与分析。

1 内燃机车振动研究现状

内燃机车以内燃机作为动力来源，输出的能量通常作用到发电机上，发出的电能经过一系列的变换最终提供给牵引电机，用于驱动电机旋转，带动轮对运动，实现机车移动，如图1所示。因此，内燃传动机车的振动也多与其内燃机、发电机等存在一定联系。

图1 内燃传动机车

1995年，贾萍稳［3］对东风 7 型内燃机车产生异常振动的原因进行了分析，得出了旋转件不平衡、旋转轴扭转振动、弹性支座刚度问题及个别零件的共振问题是导致东风7型机车产生异常振动的主要原因。1995年，曹凤萍［4］从柴油-发电机组结构的角度分析了内燃机车产生振动的因素。1998年，杨明成［5］针对东风4B型内燃机车振动故障日渐突出的情况，在对多台故障机车进行解剖排查的基础上，指出由于轮对在加工组装过程中某些工序存在质量问题，导致车轴与车轮的偏心，引起机车振动。1999年，张明东等［6］对东方红3型机车司机室的振动现象进行了试验测试与分析，指出柴油机曲轴系存在的回转质量不平衡现象是导致机车异常振动的最主要原因。

2000年，曾斌［7］对东风4型内燃机车进行大量静态试验的基础上分析了引起振动的原因并给出了相应改进措施。2001年，赵庆华［8］对东风8B型机车振动原因进行了分析并提出了对应改进措施。2006年，罗世辉等［9］针对东风8B机车垂向振动异常的现象，在对机车实测振动频率成分与悬挂系统频率特性进行对比分析的基础上，得出了转向架随动式制动装置布置方式存在问题是导致机车振动异常的主要原因。同年，程海涛等［10］通过分析悬挂系统间振动传递、测点间的相干性等角度提出静压泵及车体局部振动是导致车体地板垂向振动大的原因。2007年，祝正宇［11］分别从柴油机-发电机组自身振动及其在机车上的安装精度两个方面对280型内燃机车振动原因进行了分析。2010年，汪秀平［12］在对多台东风5型机车进行测试的基础上得出减振器批次质量问题是导致机车异常振动的重要原因。2012年，邹家龙［13］从柴油机-发电机组自身振动、起动发电机振动、车轮直径误差引起振动、油压减振器故障等多角度列举分析引起东风8B内燃机车的振动因素。2013年，李春胜等［14］通过建立司机室隔振结构的6DOF动力学方程，进而分析其纵、横、垂向频响函数对和谐内燃3型机车的振动情况进行了研究。2014年，周虹伟、梁信栋［15］以天津机务段承做的东风4D型机车大中修为对象，在非运行状态下对机车异常振动情况进行了统计与分析。同年，郭欣［16］从减振系统、轮缘偏磨等角度对运用于青藏铁路的美国进口NJ2型内燃机车振动情况进行了研究。

图2 直流传动机车

2 直流机车振动研究现状

直流机车通常采用直流电机作为动力输出装置，而输入到机车的电能既可以是直流电也可以是交流电，因此直流传动机车有直-直型电力机车和交-直型电力机车两种，我国直流传动电力机车以韶山系列为代表，如图2所示。

1982年和1984年，彭文生［17-18］分别对韶山型直流电力机车牵引电机和电器设备的振动情况进行了在线测量与研究。1999年，郭同生等［19］采用计算机仿真技术，分析了韶山7型机车计算模型在不同外界激励作用下的响应，研究了牵引电机的振动规律，反映了机车振动情况。2002年，杨改云等［20］以评价轨面不平顺对车体结构振动影响为目的，采用直接积分的瞬态特性分析和特征分析对韶山8型机车进行了振动分析。2003年，廖凯等［21-22］基于小波分析的方法对韶山8型机车振动信号进行了变换分析，所建立的振动状态特征向量在表征机车振动故障状态方面有明显作用。同年，谢培甫等［23］采用另一种方法——模态机械阻抗综合法，建立了多层隔振系统动力学模型，对韶山8型机车振动进行了计算与辨识。2004年，王开云等［24］对韶山7型机车横向晃动的原因进行了理论计算与分析。2006年，袁伟等［25］针对韶山3型机车在运行过程中磁场削弱时的这一特殊工况下的机车振动情况进行了计算分析，从电路上减少了电流波动，降低了机车振动。同年，马明智等对运用于神朔线的韶山4改型机车走行部振动进行了研究，认为车轮踏面擦伤和异常磨耗是导致机车异常振动的主要原因。同时，马卫华等［26］在理论计算与试验研究的基础上得出一系横向定位刚度不足是引起机车横向异常振动的主要原因，对韶山9型机车的良好运用提供了有力支持。

图3 交流传动机车

3 交流机车振动研究现状

交流机车以采用交流电机作为动力输出装置为标志，供电方式有直流供电、交流供电等，我国主要采用单相工频交流供电方式。自我国开展引进、消化、吸收、再创新的发展模式以来，逐步形成了以和谐系列为主的大功率交流传动电力机车，如图3所示。相比直流机车，交流机车电气化设备多、结构紧凑、控制系统复杂，在实际运行过程中产生了更为明显的振动现象。

2007年，马卫华等［27］对采用径向转向架方式的某交流机车的垂向振动问题进行了分析，并认为垂向振动加速度大是一种长期可能被铁路机车车辆所忽略的一种动力学现象，即轮对纵向动力学。刘辉等［28］基于时间序列分析理论对振动信号进行了分析，并采用AR模型进行了建模与对振动信号的未来发展趋势进行预测。2008年，张云华［29］以提速后列车运行时振动加剧为背景，建立了提速机车的动力学模型，并采用小波分析法对振动信号进行了降噪处理。2009年，姚远等［30］针对机车打滑时产生的轮对纵向振动现象进行了研究，认为此时的振动为自激振动且振动频率为传动系统固有频率的整数倍。同年，马新娜等［31］提出将磁流变阻尼器作为高速交流机车悬挂系统的横向减振器，并进行模糊控制，该方法有限衰减了机车振动，提高了机车平稳性。郑琼林［32］对大秦线HXD1机车的谐振现象进行了原因分析与对策研究。2012年，孟建军等［33］提出采用虚拟激励法对轨道车辆垂向振动响应进行了研究，改进了传统随机振动分析方法计算量大的缺点。2013年，刘鹏飞等［34］在考虑轨道弹性变形的基础上得出不考虑轨道参振作用时会导致轮轨动态作用力及轮对振动加速度幅值较考虑轨道参振作用时的值偏大的结论。同年，刘文生等［35］建立了交流机车牵引装置动力学仿真模型，得出牵引电机谐波转矩会造成电机的点头和垂向振动，引起机车异常振动。刘晓波等［36］对轨道列车振动与噪声当前研究现状进行了综述与分析。2014年，徐磊等［37］提出基于PCA-SVM方法的车体振动状态分类预测模型用于从理论上分析轨道不平顺对机车车辆振动的影响。

4 结论与展望

通过对上述的分析我们可以看出我国在机车振动方面的研究，三种类型机车有着不同的现状。内燃机车集动力输入与输出于一身且控制系统较简单，其振动研究无论是在动力输出系统、传动系统、零部件质量问题、静态振动试验还是实际在线振动测试方面都有涉猎，且结合目前内燃机车向高速、重载方向带来的振动问题也展开了一定理论与实践研究。

直流机车虽然逐渐在被交流传动机车取代，但在相当长一段时间内，其对我国国民经济的发展做出了不可忽略的贡献。对于它的振动研究，无论是在车内电器设备、牵引传动装置，还是转向架甚至整车方面都有着广泛研究，且经过学者和工程技术人员的不断努力，目前，直流机车在线运行过程中的振动状况已经得到明显改善。

交流传动机车具有牵引功率大、过载能力强等一系列优点，是我国目前正大力发展的主流。交流机车车载电器设备多，牵引控制系统复杂，载重大，在运行过程中，特别是山区复杂线路运行时振动较直流机车要更加明显。国内学者在对机车整车动力学建模、走行部建模及控制系统优化等方面都有较为深入的研究，对分析交流机车振动问题提供了一定的借鉴意义；但对于机车在不同载荷、不同线路、不同工况下运行时的在线振动试验研究及大数据分析方面尚处于起步阶段，而恰恰这方面的研究是对解决交流机车振动问题最直接且最为有效的方法。因此，后续对于机车振动的研究工作可以着重考虑从这个方向进行开展。

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