CRH3辅助变流器箱体裂纹故障仿真分析

西安市轨道交通集团有限公司运营分公司 朱佳宇

本文为查明CRH3辅助变流器箱体裂纹和风扇故障，建立了CRH3动车组动车辅助变流器的箱体结构有限元模型，确定了箱体的载荷工况和共振频率，并对辅助变流器箱体进行了疲劳寿命计算，结果表明CRH3动车辅助变流器箱体存在共振现象，是造成辅助变流器风扇损坏以及辅助变流器箱体裂纹的原因。最后提出改变风扇速度控制和箱体风扇底座加强的解决方案。

2005年中车唐山机车车辆有限公司以提供样车和技术转让形式引进西门子交通技术集团ICE3平台动车组（CRH3），目前已有198列8编CRH380B，88列CRH380BL 16长编，80列CRH3C下线运营。在运营过程中，辅助变流器故障逐渐增多，严重影响列车运行秩序。本文利用有限元分析手段分析辅助变流器故障原因并提出解决措施。

1 辅助变流器故障统计

CRH3型动车组2008年投入运营，随着运行时间的增长，辅助变流器故障率也呈上升趋势，如图1所示，其故障类型主要是箱体裂纹和风扇失效，如图2所示，前期尝试更改逆变控制算法、风扇转速控制算法、安装新型风扇等措施，但未解决问题。

图1 CRH3型动车组辅助变流器风扇故障率趋势

图2 箱体裂纹

2 辅助变流器箱体疲劳寿命及风扇共振计算

2.1 辅助变流器箱体疲劳计算分析

风扇高速旋转过程中，由于结构的动不平衡等因素导致结构承受周期性的疲劳载荷，虽

辅助变流器箱体裂纹和风扇失是由于长期受到较大交变载荷导致疲劳所致，原因可能是箱体和风扇发生了共振，故而进行共振计算，以验证判断正确性。然结构应力较小，长时间高速旋转仍能产生较大的累积损伤，从而导致结构疲劳断裂。同时风扇在高低速切换时经过箱体结构的共振频率，加速结构的裂纹产生，降低实际使用寿命。针对辅助变流器风扇裂纹问题，进行疲劳寿命仿真计算，由于风扇为有源设备，主要考虑风扇转动对结构的影响。辅变流器风扇吊装结构有限元模型如图3所示，考虑风扇转动过程中的动不平衡，分别在风扇重心位置施加X向和Y向1N单位载荷，对结构进行谐响应分析。

图3 辅变流器风扇吊装有限元模型

谐响应计算结果如图4和图5所示，横向载荷作用下，在42.5Hz处存在应力峰值，最大应力0.115MPa。纵向载荷作用下，在36Hz和42.5Hz处存在应力峰值，最大应力0.10MPa。

图4 横向单位载荷引起最大应力随频率变化图

图5 纵向单位载荷引起最大应力随频率变化图

假设风扇转子质量为1kg，低转速为1500转/分钟，高转速为3000转/分钟，转子偏心0.5mm，风扇每天工作10h，高低速各5h。每年工作300天。参照IIW焊接结构疲劳曲线，如图6所示，选取FAT36等级。

图6 箱体结构S-N曲线

则有，低速偏心载荷为：

1N的横向力产生0.066MPa，结构的应力变化范围为1.6MPa，疲劳寿命为3.951012转，每年累计损伤3.410-5。

则有，高速偏心载荷为：

1N横向力产生0.078MPa，结构的应力变化范围为7.7MPa，疲劳寿命为1.53×109转，每年累计损伤0.176。低速损伤相对于高速损伤可以忽略不计，结构寿命为5.68年，考虑风扇高低速切换经过结构的共振频率，实际使用寿命会更低。

2.2 风扇共振点测试

共振是引起箱体和风扇较大交变载荷激励的原因，综合考虑构架的结构、计算精度及计算量，选取构架整体作为共振分析模型。采用十节点四面体单元Solid92进行结构离散，网格数量决定了计算结果的精度和规模，权衡两者的关系，有限元模型最终离散77022个单元，157453个节点，如图3所示。轴向弹簧和转臂定位节点处采用40个Combinl4弹簧单元进。分析结果如图7所示，当风扇转速达到1900RPM时，箱体与风扇发生共振。

图7 风扇的共振点

3 解决措施

上述分析可知风扇和箱体共振引起较大交变载荷激励，从而导致辅助变流器疲劳失效。为了解决共振问题，采取2种解决措施。（1）对所有CRH3系列动车组（CRH3C 80列，CRH380BL 70列）的辅助变流器进行风扇转速控制算法升级，使主风扇的临界频率/速度很快通过，主风扇在谐振频率下的工作时间减小到最短，消除共振影响。（2）箱体结构补强（图8），采用3mm厚不锈钢板对风扇底座进行加强。

图8 箱体补强结构

有限元仿真分析表明：辅助变流器风扇与箱体在列车运行时发生共振，导致了箱体和风扇疲劳失效。基于此提出解决方案，一是改善风扇风速控制算法，快速跨过共振频率；二是对箱体风扇底座结构进行加强。实践证明解决措施可行有效。