中低速磁浮列车辅助逆变器风机失效研究

李 林 郑田田

（中车株洲电力机车有限公司 磁浮系统研究所，湖南 株洲 412001）

中低速磁浮列车利用悬浮电磁铁的电磁吸力使列车悬浮于轨道上,通过直线电机牵引列车前进。磁浮列车经过不同轨道基频和不平顺所产生的车辆振动问题,通常采取空簧等一系列减振器来减弱;同时建立车辆- 悬浮控制系统- 轨道共振模型,研究控制核心算法抑制车辆在道岔、共振等问题[1],为中低速度磁浮列车实现平稳安静运行提供技术保障。

目前中低速磁浮产品的振动与冲击试验都是依据IEC 61373、GB/T 21563 为标准[2-3]进行,标准规定了机车设备不同等级的振动频率范围、大小、加载方式等。在多次现场测试中,我们发现该标准不完全符合中低速磁浮列车及其线路的实际需求,因而迫切需要获取产品实际运行振动环境用于指导和优化产品设计,提高可靠性。

本文针对辅助逆变器风机异响、开裂等失效问题,展开研究,并对其结构进行优化。

1 失效现象及初步分析

某磁浮线路的辅助变流器散热风机 (型号: 轴流风机S2D200-BH18-08)发生异音故障,经拆解后确认为风机扇叶处裂纹导致。此风机为地铁辅助逆变器批量装车验证的风机,未有类似的问题。现场更换辅助变流器散热风机,试验功能及各方面指标参数正常，见图1。

图1 辅助逆变器及风机

扇叶出现裂纹最可能的原因是风机安装固有频率偏低、扇叶刚度偏弱,风机与柜体之间连接结构刚度偏弱,叠加风机自身重量,在运行中引起了共振。风机的叶片与本体之间是采用焊接连接也是可能导致扇叶开裂原因之一。

2 振动原因分析

2.1 振动激励源分析

电磁悬浮是依靠电磁铁与轨道之间的电磁吸力使列车悬浮于轨道之上,保证列车无接触运行。悬浮控制器采集悬浮传感器输出的悬浮间隙与加速度信号,通过控制板(DSP- 数字信号处理器)进行控制算法处理,得出悬浮电磁铁需要的电流,再与实际反馈电流进行比较,输出PWM脉冲给IGBT 驱动电路,从而控制主电路中IGBT 的开通和关断。若PWM开关频率大于100Hz,会造成车辆产生高频低幅的振动激励, 易产生车辆- 悬浮控制系统- 轨道共振，见图2。

图2 车辆- 悬浮控制系统- 轨道共振原理

2.2 振动相关标准分析

目前中低速磁浮产品的振动与冲击试验都是参考国内外轨道交通行业相关的标准。IEC 61373、GB/T 2156 中描述了相应的振动冲击指标要求[2-3],规定共振试验、振动性能试验和振动耐久性试验频率范围不超过150Hz[4]。ISO 2631 中规定轨道的振动频率范围为1HZ～80Hz。TB/T 2360 中规定车辆的振动计算频率为1HZ～80Hz。TB/T2360、ISO2631 和UIC513 横向振动加权基本相同[5-6],但垂直分量均有别,均只关心0-100HZ 低频分量[7]。

通过测试获取主要产品的运行振动环境特性,后续可为同类型产品的选型、设计、优化等提供技术支持,并有助于甄别和解决辅助逆变器风机异响、开裂等类似问题。通过建立现场运行数据库,可用于指导现场振动故障,监测产品结构健康水平,提高产品实际运行质量。对轨道交通类似产品开展振动频谱测试和研究工作,具有一定指导意义。

3 振动测试方案及数据分析

3.1 测试方案

图3 Brü el & Kjr 振动噪声传感器原理

3.2 传感器布置

风机共布置3 个三向振动传感器, 其中一个三向传感器布置在风机发电机表面,另外2 个三向分别布置在风机外壳上面。辅助逆变器共布置6 个振动传感器, 包含3 个三向振动传感器和3 个单向振动传感器，见图4-5，表1。

表1 辅助逆变器振动冲击试验测试点分布表

图4 辅助逆变器风机

图5 辅助逆变器安装固定座

3.3 测试数据分析

3.3.1 频域分析

3.3.1.1 风机的振动数据分析

由图6 可以看出: 风机的垂向振动大于纵向和横向振动,垂向主要振动频率包括75Hz、166Hz、237Hz、320Hz、680Hz、846Hz等,其中846Hz 的垂向振动有效值达到10.485m/s2(由图中纵坐标由对数坐标转换成线性坐标得到),远大于其它频率点。

风机在自由状态下, 叶片的低频振动固有频率在141Hz、192Hz、245-254Hz、315-318Hz(见图7)、367-371Hz 附近,与图6主要振动频率没有完全的重合,但在320Hz 与315-318Hz 固有频率接近, 考虑到风机实际安装状态下固有频率发生改变的情况,存在共振发生的可能性。该风机的额定转速为2600rpm,叶片数为9 片,因此风机转频为43.3Hz,叶片通过频率为390Hz,这两个频率及其倍频的振动都较小。

图6 风机的振动频谱(0-1000Hz)分析

图7 风机在自由状态下,叶片的低频振动固有频率

图8 为400Hz 以下三个风机的振动频谱, 通过分析得出,在400Hz 以下,三个风机的振动频谱较为接近,主要振动频率包括77Hz,106Hz,166Hz,237Hz 及320Hz 等。

图8 400Hz 以下,三个风机的振动频谱

从频谱结果来看,在振动频谱上几乎一致,辅助逆变器风机的振动峰值在240Hz 附近,为风机的叶片通过频率。

3.3.1.2 辅助逆变器固定安装座振动数据分析

图9 为辅助变流安装座(吊耳)振动频谱,由该图可以得出,振动频率在1KHz 以内,主要包括2Hz(可能由车体本身振动引起)、320Hz 及341Hz,320Hz、341Hz 柜体吊耳在高频时包含明显的电磁振动特征。以上振动频率在图6 风机垂向振动中也有一定的体现,846Hz 在吊耳也有一定体现,说明846Hz 振动对整个辅助变流器都有一定影响。

图9 辅助变流安装座振动频谱

图10 为柜体吊耳横向振动频谱对比,从图中可以看出,辅变柜体吊耳在320Hz 和341Hz 的振动有效值较大, 在高频处辅变吊耳的电磁振动特征明显。

图10 柜体吊耳横向振动频谱对比

3.3.2 时域分析

在0-3200Hz 频段范围内,在某条线路进行三次试验的振动加速度RMS 值,如表2 所示。

表2 0-3200Hz 频段不同测点的振动加速度RMS 值

3.4 结论分析

高频1kz 以上在辅助逆变器的固定安装座的吊耳电磁振动特征明显,但未传递到风机。在846Hz 左右,风机存在较大的垂向振动幅值(达到10m/s2以上)。根据现场实测频谱特征,846Hz异常振动特征与与变压器等电磁振动特征不符合, 来自辅助变流器内部其他振源可能性很小,可能与风机湍流脉动冲击有关。该风机叶片在141Hz、192Hz、254Hz、315～318Hz、367～371Hz 等附近可能存在固有频率,与此次测试得到的320Hz 振动较接近。

4 结构优化

本文针对中低速磁浮辅助变流器的风机异响、开裂问题进行了分析,对风机采取以下改进措施:改进风机与柜体连接结构,整体铸造成型扇叶;进一步优化现有风机结构强度,改善风机轴承的强度,提高风机的运行可靠性;在输入直流电抗器上加装减震垫,隔离输入直流电抗器工作时产生的中高频振动,减小阻隔其振动对风机的影响。上述结构优化措施已在某磁浮线路上的车辆上进行装车验证,历经半年以上的运营,风机未出现失效情况。

参考文件

[1]邓亚士,魏庆朝,时瑾.高速磁浮桥上轨道梁振动特性初步研究[J].振动工程学报,2008,21（3）:248-254.

[2]IEC61373-2010,Railway applications rolling stock equipments hock and vibration tests[S].

[3]GB/T21563-2008,轨道交通机车车辆设备冲击和振动试验[S].

[4]张文春,吴极.铁路平稳性指标[J].科技创新与应用,2020（32）:78-82.

[5]TB/T2542-2000,铁路机车车辆部件振动试验方法[S].

[6]TB/T2988-2000,铁路机车车辆部件冲击试验方法[S].

[7]陈高华,王鹏,余锋,张巧寿,夏树杰.机车车辆设备振动冲击试验系统的技术研究[J].机车电传动,2012（2）:55-58.