沈阳地铁电客车振动问题的研究与解决措施探讨

王鑫，魏红梅

（沈阳地铁集团有限公司，沈阳 110141）

随着全国城市轨道交通的飞速发展，人们的出行越来越便捷，地铁也逐步成为人们出行的首选交通工具。与此同时，地铁的舒适度也越来越受到人们的重视，振动和噪声是评估舒适度的重要标准。沈阳地铁1号线电客车整体舒适性良好，但在现场验收过程中发现某列车的客室地板存在异常振动问题，而后期沈阳地铁9号线电客车也出现了批量性振动问题。经对沈阳地铁1号线电客车进行振动测定，其振动加速度达到0.41 m/s2，如图1所示，而9号线电客车的振动加速度达到了1.229 m/s2，均大于GB/T 13441.1—2007《机械振动与冲击人体暴露于全身振动的评价》标准中规定的人体舒适参考值0.315 m/s2。文中通过从振动来源入手［1］，分析沈阳地铁1号线电客车振动问题，找出引起其振动的主要原因，并根据电客车变压器安装结构及沈阳地铁1号线、9号线的实际解决经验提出具体解决措施，以解决相关振动问题，提高电客车运行舒适性。

图1 通电时地板振动频谱

1 振动原因分析

1.1 振动来源

经现场判断，地板振动较大点其下方正对辅助变压器，通过进行现场实测，振动主要表现为100 Hz的电磁振动如图1所示，而变压器磁致伸缩效应引起的电磁振动频率也为100 Hz（一般表现为电源频率的2倍，并具有明显的谐波特征），因此客室地板的振动由辅助变压器振动引起的可能性较大。

对振动的可能性进行如下排查：

（1）使用1台全新变压器更换振动侧变压器，更换后振动依然存在。

（2）将整体变压器下车（脱离车体）后启动辅助系统，振动完全消失。

因此，地板振动来源于辅助变压器箱体。

1.2 振动原因

沈阳地铁1号线每列车含2台辅助变压器（分布在1/6车），异常振动问题仅发生在单独列车的单侧变压器地板上方。从实际情况分析，异常振动可能由2个方面引起：一是振动侧变压器本身振动较大引起异常振动（振源）；二是振动在传播过程中车身结构对变压器产生的电磁振动进行了放大，即在从变压器—吊耳—车体梁—波纹板—减振隔音材料—地板传输过程中存在共振/局部共振放大的可能性（传输途径）。

针对上述振动引起的可能性，通过将地板振动较大的变压器与其他列车地板振动较小变压器进行对调，发现振动并未随变压器转移，因此异常振动不是由变压器本身振动过大引起；针对第2种可能性，从传播途径中找到对100 Hz振动起放大作用的部件，并针对性地进行整改，总体思路为：在电客车断电条件下，通过使用满足力信号质量外部脉冲力获得所需频域内（100 Hz附近）的动态响应，来判断传输过程中存在共振/局部共振的具体部位。即通过敲击变压器吊耳、车体梁、波纹板和地板以施加一个脉冲激励，然后在各测点得到力—加速度相干系数曲线［2］，以此判断对振动起放大作用的部件。振动测试过程如下。

1.2.1 测试点选择

车上测试点选取地板振动最大点，车下测试点选择变压器吊耳、吊耳附近吊梁、波纹板、地板如图2所示。

图2 测试点图示

1.2.2 力信号质量判断

使用力锤敲击吊耳，力信号在500 Hz以及基本保持为直线，如图3所示，因此力信号质量满足要求。

图3 力信号频谱曲线

1.2.3振动测试

（1）锤击变压器吊耳

力锤敲击吊耳时，力锤激励与吊耳测点、车体梁测点、地板测点之间的力—加速度传递函数图形如图4所示，吊耳和车体梁对100 Hz附近的振动响应有明显的放大作用。

图4 力到吊耳、车体梁、地板测点的传递函数（锤击吊耳）

（2）锤击车体梁

力锤敲击车体梁时，力锤激励与吊耳、车体梁、地板测点之间的力—加速度传递函数图形如图5所示，吊耳、车体梁对100 Hz附近的振动响有明显的放大作用。

图5 力到吊耳、车体梁、地板测点的传递函数（锤击车体梁）

（3）锤击波纹板

力锤敲击波纹板时，力锤激励与变压器吊耳、车体梁、车地板测点之间的力—加速度传递函数图形如图6所示，在波纹板时施加激励时，传递到吊耳、车体梁、车地板的振动在100 Hz附近没有明显放大现象。

图6 力到地板测点传递函数（锤击波纹板）

（4）锤击地板

力锤敲击车地板时，力锤激励与地板测点之间的力—加速度传递函数如图7所示，地板传递函数在100 Hz附近没有明显的波峰，排除地板共振的可能性。

图7 力到地板测点传递函数（锤击地板）

通过上述振动测量，发现吊耳、车体梁均对100 Hz附近的频率具有放大作用，波纹板及地板则在100 Hz频率附近对振动没有明显的放大作用，可排除地板和波纹板共振的可能性，因此地板振动很可能与变压器吊耳或者车体（吊耳与车体刚性连接）振动的放大有关，推测是由于工艺、装配和材料的差异性引起，这种差异性将使得部分局部模态频率发生变化，从而改变车体结构的动力学特性。主要原因为底架工件间焊接可能存在缺陷：由于底架波纹板与底架主横梁采用电阻焊方式进行焊接。在受到电流、电压、人工操作等多种因素影响，工件间焊接存在缺陷的可能性。

2 解决措施

为解决振动问题，可从变压器（振源侧）、传播路径（吊耳、车体梁、波纹板、减振隔音材料）2个方面入手，切断或减小振动振幅以解决振动问题［3］，措施如下。

2.1 振源侧

在变压器箱体内吊装螺栓与吊梁间增加减振垫以切断振动传递路径，此方法可有效解决该类振动问题，但需要将变压器吊装孔扩大，不满足变压器箱本身的互换性，一般该方案适用于批量整改。由于沈阳地铁1号线只针对个别列车振动问题，选用此方案对后续运营、维护工作的统一性会产生一定影响，故未采取该方法进行整改，而沈阳地铁9号线电客车普遍存在振动问题，且最大振动加速度值达到了1.229 m/s2，通过该措施整改后将垂向加速度值降低至0.05 m/s2以下，如图8所示，完全满足了GB/T 13441.1标准的规定值。

图8 9号线电客车振动整改前后振动测试值及整改图示

2.2 传播路径

2.2.1 吊耳

在含变压器箱体与车体吊装螺栓处安装隔振器/减振垫的方案，针对个别电客车进行的振动整改影响变压器的可互换性，可由地铁方权衡后决定。

2.2.2 车体梁

对变压器箱处横梁进行加强，或在变压器附近的波纹板和主横梁之间增加焊点，可一定程度地提高局部刚度及强度，此种方案减震效果较小，用于振动幅值微调。此种方案在沈阳地铁9号线单列使用如图9所示，但振动幅度调制较小，故未采用该方案进行批量整改。

图9 9号线电客车横梁加强前后图示

2.2.3 波纹板

通过对波纹板及车体梁等部位喷涂阻泥浆，可一定程度减小振动振幅，此种方案减震效果较小，用于振动微调。此种方案在沈阳地铁9号线单个试验列车使用，在安装变压器箱体对应车体下方的波纹板上喷涂阻泥浆如图10所示，但振动幅度调制较小，故未采用该方案进行批量整改。

图10 沈阳9号线电客车横梁加强前后图示

2.2.4 优化减振隔音材料

通过局部区域选用减振隔音性能较好的阻尼材料，并对所选区域进行连续铺设，从而增加减振隔音的效果。对不同减振材料进行试验验证后，选取对共振频率段减振效果较好的材质进行填充如图11所示。沈阳地铁1号线的单列电客车在使用该方案后，振动加速度降至0.273 m/s2，符合GB/T 13441.1标准的相关规定，且未对部件互换性产生影响。

图11 沈阳1号线亚罗弗减振材料填充方案

2.2.5 测定共振位置并进行局部加强

通过试验测试定位车体梁共振发生的具体位置并进行局部刚度加强，或通过安装质量块等措施予以解决，此方法所要求的技术难度较大、成本较高，且增加电客车运行时的能量消耗，一般较少采用该方案。

2.3 其他

根据所选减振方案，需对振动影响涉及部位如变压器、吊装螺栓、车体梁焊缝等部件进行受力校核与疲劳寿命的评估，以保证电客车在全寿命周期的运行安全。

3 结束语

通过从引起电客车地板振动问题的源头出发，排查出引起振动的主要原因是吊耳及车体梁对振动的放大作用，针对上述原因提出从切断振源、减小振幅2个途径解决振动问题，并根据电客车变压器安装结构及沈阳地铁1号线、9号线实际应用经验提出具体解决措施，以期对其他轨道客车出现的此类振动问题提供相应解决经验。