APS主風(fēng)扇裂紋原因分析及改進(jìn)措施

侯志林，李進(jìn)伏，張健磊，劉東旭，王海生

（中車唐山機(jī)車車輛有限公司，河北 唐山 064000）

動(dòng)車組重型設(shè)備一般都懸吊安裝在車輛下部。在高速運(yùn)行以及緊急制動(dòng)時(shí)，懸吊設(shè)備會(huì)產(chǎn)生很大的動(dòng)態(tài)載荷并發(fā)生一定頻率的振動(dòng)，這種動(dòng)態(tài)載荷和振動(dòng)會(huì)對(duì)列車運(yùn)行的安全性、平穩(wěn)性、舒適性以及運(yùn)行壽命產(chǎn)生很大影響。本文對(duì)某型高速動(dòng)車組車下輔助變流器主風(fēng)扇附近的箱體裂紋問題進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，并提出了改進(jìn)方案。

1 APS結(jié)構(gòu)介紹和故障描述

輔助變流器（Auxiliary Power Supply，以下簡(jiǎn)稱APS）通過減振元件與車體底架邊梁連接，外側(cè)裙板和底板安裝在APS箱體上，形成設(shè)備艙模塊結(jié)構(gòu)。由于運(yùn)行里程的積累，APS主風(fēng)扇電機(jī)安裝座附近出現(xiàn)裂紋，裂紋位于安裝點(diǎn)處，從固定點(diǎn)周圍延伸到了底座邊緣。

2 原因分析及改進(jìn)措施

初步分析，裂紋屬疲勞損壞。因?yàn)锳PS風(fēng)扇箱體為2mm的板材結(jié)構(gòu)，風(fēng)扇吊掛在風(fēng)扇箱體上，共有4個(gè)連接點(diǎn)，風(fēng)扇箱體板長(zhǎng)期承受垂向載荷,在列車運(yùn)行過程中，會(huì)產(chǎn)生沖擊和振動(dòng)，同時(shí)在風(fēng)扇工作時(shí)風(fēng)扇電機(jī)產(chǎn)生自振，風(fēng)扇箱體由于長(zhǎng)期受振動(dòng)影響且板材結(jié)構(gòu)剛度較差，導(dǎo)致螺栓連接處發(fā)生疲勞或焊縫附近發(fā)生疲勞破壞。

引起APS主風(fēng)扇底座振動(dòng)的原因有以下可能。

（1）從車體傳至APS箱的振動(dòng)。沖擊與振動(dòng)結(jié)果顯示，來自車體的振動(dòng)會(huì)由軸承吸收，所以該原因可以排除。

（2）APS變壓器的振動(dòng)。計(jì)算顯示在120Hz頻率時(shí)的變壓器動(dòng)態(tài)載荷不會(huì)造成主風(fēng)扇區(qū)域明顯的應(yīng)力。

假設(shè)存在0.5m/s2的激發(fā)加速度，激發(fā)的載荷

該載荷對(duì)應(yīng)相關(guān)的應(yīng)力級(jí)：ca.4.0MPa/100×280=11.2MPa

在TRAFO中，當(dāng)頻率為110.5Hz時(shí)，在風(fēng)扇基座區(qū)域應(yīng)力增加。

激振力為100N。最大應(yīng)力為4.0MPa。最大應(yīng)力（變壓器引起的）與風(fēng)扇激勵(lì)頻率的關(guān)系圖如圖1。

圖1 最大應(yīng)力（變壓器引起的）與風(fēng)扇激勵(lì)頻率的關(guān)系

計(jì)算模擬顯示，變壓器可以排除為振動(dòng)源。

3 APS主風(fēng)扇的振動(dòng)

關(guān)于響應(yīng)曲線和應(yīng)力分布。當(dāng)頻率為34.5Hz時(shí)，在風(fēng)扇基座區(qū)域明顯應(yīng)力增加。激振力為1N。最大應(yīng)力為22.7MPa。請(qǐng)注意，以34.5Hz的頻率運(yùn)行1h，對(duì)應(yīng)載荷周期數(shù)N=60×60×34.5=1.24E5。最大應(yīng)力（主風(fēng)扇引起的）與風(fēng)扇激勵(lì)頻率在X和Y方向的關(guān)系圖如圖2。

當(dāng)頻率為39.0Hz時(shí)，在風(fēng)扇基座區(qū)域明顯應(yīng)力增加。激振力為1N。最大應(yīng)力為20.1MPa。請(qǐng)注意，以30.0Hz的頻率運(yùn)行1h，對(duì)應(yīng)載荷周期數(shù)N=60×60×39.0=1.40E5。

可以看到明顯的動(dòng)態(tài)應(yīng)力峰值在35Hz和39Hz，這些峰值可以與載荷周期較大的數(shù)進(jìn)行比較。例如，以34.5Hz的激勵(lì)頻率運(yùn)行1h對(duì)應(yīng)的載荷周期數(shù)如下：

N=60×60×34.5=1.24E5

圖2 最大應(yīng)力（主風(fēng)扇引起的）與風(fēng)扇激勵(lì)頻率在X和Y方向的關(guān)系

建議在CRH3動(dòng)車組的APS箱內(nèi)對(duì)主風(fēng)扇的孔進(jìn)行增強(qiáng)。另外，建議進(jìn)行軟件修改，以避免運(yùn)行中使用主風(fēng)扇相應(yīng)的應(yīng)力頻率。

下一步工作是在APS上對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。通過這種方式也是對(duì)主風(fēng)扇共振頻率進(jìn)行驗(yàn)證，共振頻率在以后將通過軟件來消除。

以下試驗(yàn)將在Krefeld工廠的雙APS上進(jìn)行。風(fēng)扇控制電壓在900s內(nèi)緩慢從1V爬升至10V。

定義了5個(gè)測(cè)量點(diǎn)，見圖3，每個(gè)測(cè)量裝置測(cè)量X、Y和Z方向的加速度。5個(gè)測(cè)量裝置的數(shù)據(jù)記錄了風(fēng)扇速度增加過程中的加速度。

4 結(jié)語

主風(fēng)扇共振頻率通過測(cè)量確認(rèn)。圖3顯示了增強(qiáng)型CRH3箱體的共振頻率。與相比（標(biāo)準(zhǔn)箱體），可以看出，螺絲上的共振峰值消除，同時(shí)，電機(jī)上的加速度明顯降低。另外，風(fēng)機(jī)速度控制將通過軟件修改進(jìn)行優(yōu)化。通過這種方法，主風(fēng)扇關(guān)鍵的頻率/速度將會(huì)快速通過，因而主風(fēng)扇不會(huì)在共振頻率上工作較長(zhǎng)時(shí)間。從而作為裂紋根源的振動(dòng)將得到消除。

圖3