CRH2B型動車組客室地板異常振動分析

呂雄偉 上海鐵路局上海動車客車段

1 CRH2B型動車組牽引電機簡介

CRH2B型動車組采用三菱（MB-5120-A）三相鼠籠型感應電機，額定輸出功率為300 kW，額定線路間電壓為2 000 V，冷卻方式為強制風冷，極數為4極，絕緣類別為等級200（定子繞組），額定轉速為4 140 rpm，最高使用轉速為6 120 rpm，高速試驗轉速為7 040 rpm（持續2 min），動力傳送方式為平行萬向節齒輪形撓曲軸接頭方式，驅動側軸承為NU214C4P6（絕緣軸承滾輪導向保持器方式），反驅動側軸承為6311C4P6（絕緣軸承）[1]。

2 CRH2B型動車組客室地板異常振動分析

2.1 故障概述

2011年7月8日，配屬上海鐵路局的CRH2114B動車組在線路上運行時，隨車機械師反饋11車二位轉向架上方地板處（距離渡板中心位置3.05 m）有明顯振動感，11車二位轉向架上方的車內走廊處地板存在較大垂向振動，速度為240～250 km/h時垂向振動明顯。

2.2 故障跟蹤測試與處理

（1）2011年 7月 11日，在南京南-武漢-南京南-武漢-上海虹橋區間，對11車一位端和二位端的轉向架軸箱體、構架軸箱彈簧筒上平面、枕梁空氣彈簧安裝面縱向兩側、車內地板面的舒適性、平穩性進行測試。測試結果顯示平穩性、舒適性良好，但車內地板振動明顯。

（2）2011年 7月 16日，在南京南-金華西-上海虹橋區間，對11車一位端和二位端牽引電機、齒輪箱、牽引電機吊座和牽引銷的振動水平進行了測試。

（3）2011年7月30日，在更換了二位轉向架兩條輪對(含齒輪箱)后，在滬寧、滬杭線路上對車輛振動水平進行了測試，車內振動無明顯改善。

（4）2011年8月，更換了二位轉向架電機，并調換了一、二位轉向架后進行了測試，車內地板振動顯著改善。

2.3 故障原因分析

根據四次試驗測試數據，分別從異常振動的振動源、振動放大環節等進行調查分析。

2.3.1 第一次試驗結果

根據第一次試驗，11車二位端客室地板異常振動的頻譜特征[2]體現出兩個明顯特征：

（ 1）150～400 Hz范圍內存在較寬的主頻能量峰值（如圖1）。

（2）存在與旋轉機械有關的倍頻成分。根據當前輪徑、傳動比、車輛運行速度換算，該倍頻成分與電機轉子、齒輪箱等旋轉件的旋轉頻率成倍數關系。

圖1中客室地板0～80 Hz頻帶范圍內能量水平較小，人體振動舒適度考慮頻帶范圍為0.4～80 Hz，因此二位端客室地板人體振動舒適度等級為優。但由于人腳能感受到的頻率高達400 Hz，因此11車二位端客室地板人體感受到的振動明顯。

圖1 客室地板異常振動頻譜

2.3.2 第二、三次試驗結果

在隨后第二次試驗中增加了電機、齒輪箱測點。為排除齒輪箱的因素，在第二次試驗后更換了二位轉向架的兩條輪對。

更換二位轉向架輪對后進行第三次試驗，結果表明齒輪箱振動有效值降低一倍，客室地板振動有效值、頻譜等特征未發生變化。

如表1所示，更換輪對齒輪箱后，客室地板的振動有效值未發生改變，據此可排除齒輪箱對客室地板異常振動的影響。另外，電機的頻譜、振動有效值等特征未發生改變。

表1客室地板測點垂向振動有效值（電機工作）/g

對比電機振動頻譜和客室振動頻譜（如圖2），發現11車二位端客室地板振動特征與電機振動特征存在關聯。

圖2 電機縱向振動與客室地板垂向振動頻譜

2.3.3 第四次試驗結果

為進一步排查電機對客室振動的影響，第三次試驗后，更換二位轉向架電機，并將二位轉向架與一位轉向架對調，進行了第四次試驗。

試驗結果表明，對調后的二位轉向架電機(原一位轉向架)，與原二位轉向架電機相比，振動有效值降低一倍；主峰頻率特征發生變化（如圖3），對應頻率范圍150～400 Hz內的振動能量顯著降低，對應電機轉速的倍頻顯著降低。

圖3 電機振動頻譜

第三次、第四次試驗對比，11車二位端客室地板的振動有效值降低 (如表2)，對應的主要振動能量(頻率范圍150～400 Hz范圍)顯著降低(如圖 4)，但主峰頻率特征（即150～400 Hz范圍內的寬帶譜峰）未發生改變。

綜合二位端相鄰測點的振動有效值差異(如表2)，試驗數據表明二位端客室過道中間測點存在頻率范圍150～400 Hz內客室地板的寬頻峰值，體現出該位置地板的固有結構特征。11車一位端客室振動水平與之前試驗相當。

表2客室地板測點垂向振動有效值（電機工作）/g

圖4 客室地板振動頻譜

綜合四次試驗表明，11車二位端轉向架上方過道地板處異常振動，原因是電機機械振動特征發生變化，振動激勵頻率與該地板局部結構的固有特性耦合，引起共振導致異常振動現象。通過降低電機振動水平(更換二位轉向架電機，一位轉向架與二位轉向架對調)，降低了振動源的激勵振動能量，該異常振動處的地板振動頻譜特征未發生變化，但振動水平(加速度有效值)顯著降低。

2.4 電機對比試驗

對電機進行了檢測對比，檢測結果如下。

（1）振動試驗：選取一臺已完成三級檢修的同型號電機做相同試驗進行數據對比。試驗結果如表3所示。

表3 振動試驗結果

表3數據說明在額定轉速及高轉速下，電機2OO8-O579振動值與正常電機均有一定偏差。

（2）轉子動平衡試驗：電機分解后對轉子進行了兩次動平衡試驗。第一次傳動端剩余不平衡量為2.56 g，非傳動端為1.67 g；第二次傳動端剩余不平衡量為2.67 g，非傳動端為1.57 g。轉子剩余不平衡量設計值為1.3 g，試驗結果均高于正常值。

從振動試驗和轉子動平衡試驗可以看出，電機的振動水平與轉子剩余不平衡量均高于正常值。因此認為，電機的異常振動激勵了端部客室地板的振動。

3 結論

客室地板的振動是局部地板與牽引電機異常振動的耦合共振，主峰頻率特征集中在150～400 Hz范圍內。牽引電機異常振動導致了客室地板的異常振動，更換牽引電機可以顯著降低振動水平。