蔣濟(jì)雄，李希寧

（南車株洲電力機(jī)車有限公司　技術(shù)中心，湖南株洲412001）

深度國(guó)產(chǎn)化H XD1型交流傳動(dòng)電力機(jī)車車下設(shè)備振動(dòng)試驗(yàn)研究*

蔣濟(jì)雄，李希寧

（南車株洲電力機(jī)車有限公司技術(shù)中心，湖南株洲412001）

文章對(duì)最能反映機(jī)車振動(dòng)情況的車下設(shè)備進(jìn)行了在線試驗(yàn)研究，在對(duì)運(yùn)行線路進(jìn)行典型區(qū)段劃分的基礎(chǔ)上，采用動(dòng)態(tài)信號(hào)采集分析系統(tǒng)分別采集了各區(qū)間車下設(shè)備振動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)；基于對(duì)加速度信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行的時(shí)域分析、自相關(guān)分析及互相關(guān)分析，定性剖析了引起機(jī)車振動(dòng)的原因及主要影響因素，并提出了進(jìn)一步研究的方向，為后續(xù)機(jī)車的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了良好的數(shù)據(jù)與經(jīng)驗(yàn)支持。

車下設(shè)備振動(dòng)試驗(yàn)；時(shí)域分析；自相關(guān)分析；互相關(guān)分析；交流傳動(dòng)電力機(jī)車

交流傳動(dòng)電力機(jī)車以其功率大、過(guò)載能力強(qiáng)等一系列優(yōu)良性能得到了廣泛的應(yīng)用，然而，相比于直流傳動(dòng)電力機(jī)車，交流傳動(dòng)電力機(jī)車運(yùn)行過(guò)程中的振動(dòng)更加明顯。據(jù)研究表明，交流傳動(dòng)電力機(jī)車在運(yùn)行過(guò)程中不僅受自身動(dòng)力系統(tǒng)工作時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)影響，結(jié)構(gòu)間的相互作用產(chǎn)生的振動(dòng)影響，還承受著來(lái)自輪軌間的復(fù)雜耦合動(dòng)力學(xué)振動(dòng)影響［1-3］，因此，交流傳動(dòng)電力機(jī)車振動(dòng)是我們亟待解決而又難以解決的問(wèn)題。馬衛(wèi)華等對(duì)軌道隨機(jī)不平順與輪對(duì)縱向振動(dòng)之間的關(guān)系進(jìn)行了分析［4］。郝剛等針對(duì)車下設(shè)備連接參數(shù)與車體間振動(dòng)傳遞關(guān)系進(jìn)行了深入研究［5］。辛濤等對(duì)提速線路軌道的不平順波長(zhǎng)基于耦合動(dòng)力學(xué)理論，利用有限元方法對(duì)其進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真［6］。么鳴濤等基于振動(dòng)加速度信號(hào)對(duì)車輛運(yùn)行路面狀況進(jìn)行了深入分析［7］。寧迎智等基于小波分析的方法對(duì)機(jī)車車體振動(dòng)響應(yīng)分析進(jìn)行了研究［8］。為充分了解交流傳動(dòng)機(jī)車在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的振動(dòng)情況，我們對(duì)H XD1型電力機(jī)車進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)載重下在線振動(dòng)試驗(yàn)研究。

深度國(guó)產(chǎn)化H XD1型電力機(jī)車（以下簡(jiǎn)稱H XD1機(jī)車）是由南車株洲電力機(jī)車有限公司研發(fā)的大功率交流傳動(dòng)電力機(jī)車，它具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。該車配屬西安鐵路局安康機(jī)務(wù)段以來(lái)，主要承擔(dān)西康線貨物列車牽引任務(wù)。西康線北起西安新豐鎮(zhèn)，南至安康市安康東站，區(qū)間多為山區(qū)、隧道、彎道和連續(xù)長(zhǎng)大坡道。其中平均坡度在12‰以上的有9.5 km，平均坡度在11‰以上的達(dá)14.75 km；因此，西康線具有坡道長(zhǎng)、坡度大、緩沖區(qū)域短等復(fù)雜、困難鐵路運(yùn)輸線路的特點(diǎn)。

1　試驗(yàn)準(zhǔn)備

西康線全長(zhǎng)268 km，穿越秦嶺山脈，沿途經(jīng)過(guò)紡織城、西安南、營(yíng)鎮(zhèn)等26個(gè)站點(diǎn)，各站點(diǎn)間線路狀況不盡相同，為切實(shí)反映機(jī)車與不同線路間耦合作用的效果，我們?cè)谛仑S鎮(zhèn)—安康東間選擇3個(gè)區(qū)間進(jìn)行試驗(yàn)，分別采集3個(gè)區(qū)間機(jī)車車下設(shè)備的振動(dòng)加速度信號(hào)。

所選區(qū)間1處于公里標(biāo)K51～K58之間，位于西安南站—小峪站之間；區(qū)間2處于公里標(biāo)K63～K70之間，位于小峪站—南五臺(tái)站之間；區(qū)間3處于公里標(biāo)K82～K88之間，位于青岔站—營(yíng)鎮(zhèn)站之間。

車下設(shè)備一般主要包括牽引電機(jī)、軸箱體、牽引桿、牽引變壓器、構(gòu)架等，通過(guò)對(duì)牽引力、制動(dòng)力傳遞途徑的分析，我們選擇在牽引電機(jī)的傳動(dòng)端、非傳動(dòng)端、軸箱體、軸箱拉桿、電機(jī)吊桿、牽引桿及構(gòu)架等處，根據(jù)部件受力特點(diǎn)的不同，分別布置單向或三向（垂向、橫向、縱向）加速度傳感器，采用東華軟件公司研發(fā)的D H D A S動(dòng)態(tài)信號(hào)采集與分析系統(tǒng)進(jìn)行加速度信號(hào)采集及時(shí)域、頻域分析；詳細(xì)布置位置及傳感器信息如表1所示，部分實(shí)物布置如圖1所示。

2　試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果

深度國(guó)產(chǎn)化H XD1型電力機(jī)車是由兩節(jié)完全相同的四軸電力機(jī)車通過(guò)內(nèi)重聯(lián)方式連接在一起構(gòu)成的八軸大功率交流傳動(dòng)電力機(jī)車，具有起動(dòng)牽引力大、功率高、冗余性好、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)。其標(biāo)準(zhǔn)載重在4 000～4 500 t之間，持續(xù)速度65 km/h。

表1　加速度傳感器布置

圖1　測(cè)試傳感器分布圖

為充分發(fā)揮該機(jī)車牽引能力，參照IE C 61373—2010和T B/T 3058—2002鐵路應(yīng)用—機(jī)車車輛設(shè)備—沖擊和振動(dòng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中的功能性隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，共進(jìn)行3次試驗(yàn)，每次牽引噸位保持在4 000～4 500 t之間以真實(shí)反映其日常工作狀態(tài)，分別在所選3個(gè)區(qū)間進(jìn)行車下設(shè)備振動(dòng)加速度信號(hào)采集，采集情況如圖2所示。

圖2　信號(hào)采集圖片

2.1時(shí)域分析

車下設(shè)備是最開(kāi)始也是最直接承受來(lái)自輪軌間作用力、轉(zhuǎn)向架動(dòng)力學(xué)作用力等引起的振動(dòng)作用的部件，因此，車下設(shè)備的抗振能力要求也相應(yīng)的要高于車內(nèi)設(shè)備、車頂設(shè)備及其他設(shè)備。根據(jù)IEC 61373—2010和TB/T 3058—2002標(biāo)準(zhǔn)可知，車下設(shè)備的振動(dòng)分析屬于其分類的第2類轉(zhuǎn)向架安裝，或第3類車軸安裝；為此，對(duì)3個(gè)不同區(qū)間采集所得部件振動(dòng)加速度信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，所得結(jié)果分別如表2、表3和表4所示。

表2　K50～K58區(qū)間1振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果分析

從表2與表3中分析所得試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，機(jī)車在區(qū)間1和區(qū)間2運(yùn)行過(guò)程中，Ⅰ軸電機(jī)非傳動(dòng)端底部、Ⅰ軸電機(jī)吊桿、Ⅰ軸軸箱體、Ⅳ軸軸箱體及Ⅰ轉(zhuǎn)向架構(gòu)架處的振動(dòng)加速度均方根值均小于其對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值，只有Ⅱ轉(zhuǎn)向架構(gòu)架處縱向加速度均方根值少許超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)值；同時(shí)，從表4可以看出，在區(qū)間3運(yùn)行過(guò)程中，所有2類轉(zhuǎn)向架安裝設(shè)備的振動(dòng)加速度值均大幅超出標(biāo)準(zhǔn)值，3類車軸安裝設(shè)備雖未超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)值，但相比較于前兩個(gè)區(qū)間的數(shù)值，振動(dòng)強(qiáng)度大幅上升。而3個(gè)區(qū)間數(shù)據(jù)的采集條件除外部線路狀況的變化外，其余均未發(fā)生變化，因此，從一定程度上可以看出，機(jī)車在區(qū)間3運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)明顯高于其他兩種情況，同時(shí)也一定程度上說(shuō)明區(qū)間3的道路不平順度要高于其余兩個(gè)區(qū)間。

表3　K62～70區(qū)間2振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果分析

表4　K82～K88區(qū)間3振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果分析

2.2自相關(guān)分析

相關(guān)性分析是指對(duì)兩個(gè)或者多個(gè)具備相關(guān)性的變量元素進(jìn)行分析，從而衡量變量間的相關(guān)密切程度，是一種基于概率的統(tǒng)計(jì)學(xué)分析方法，它對(duì)于從大量無(wú)規(guī)律的表象數(shù)據(jù)中探索出引起事物發(fā)生變化的主要因素有著積極的作用。其中，自相關(guān)分析是描述同一個(gè)隨機(jī)信號(hào)在任意兩個(gè)不同時(shí)刻取值之間的相關(guān)程度。

基于上述在3個(gè)運(yùn)行區(qū)間采集到的各部件振動(dòng)加速度信號(hào)，對(duì)在3個(gè)區(qū)間上振動(dòng)信號(hào)的均方根值發(fā)生了明顯變化的電機(jī)非傳動(dòng)端底部和電機(jī)吊桿兩處振動(dòng)加速度信號(hào)分別進(jìn)行自相關(guān)分析。即對(duì)兩處部件的垂向、橫向、縱向三向振動(dòng)加速度信號(hào)分別在3個(gè)區(qū)間上進(jìn)行自相關(guān)處理，得出其自相關(guān)系數(shù)。研究同一牽引機(jī)車、同一噸位、同一采集設(shè)備狀態(tài)下的同一部件在不同區(qū)段運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)相關(guān)性，進(jìn)一步探究不同區(qū)段線路不平順狀況對(duì)機(jī)車振動(dòng)的影響。分析結(jié)果分別如表5～表10所示。

表5　電機(jī)非傳動(dòng)端底部垂向加速度信號(hào)自相關(guān)分析

表6　電機(jī)非傳動(dòng)端底部橫向加速度信號(hào)自相關(guān)分析

表7　電機(jī)非傳動(dòng)端底部縱向加速度信號(hào)自相關(guān)分析

表8　電機(jī)吊桿垂向加速度信號(hào)自相關(guān)分析

表9　電機(jī)吊桿橫向加速度信號(hào)自相關(guān)分析

表10　電機(jī)吊桿縱向加速度信號(hào)自相關(guān)分析

從表5～表10的相關(guān)分析結(jié)果可以看出，表中的斜對(duì)角線數(shù)值均為1，即同一信號(hào)與其自身完全相關(guān)，除此之外可以看出，無(wú)論是電機(jī)非傳動(dòng)端底部的垂向、橫向、縱向，或是電機(jī)吊桿處的垂向、橫向、縱向加速度信號(hào)在區(qū)間1與區(qū)間2上的相關(guān)性要明顯大于區(qū)間1與區(qū)間3、區(qū)間2與區(qū)間3之間的相關(guān)性，從另一個(gè)角度來(lái)說(shuō)，即區(qū)間1與區(qū)間2的線路平順度狀況相似，而區(qū)間3的線路狀況與前兩者存在較大差異。結(jié)合2.1節(jié)中機(jī)車在區(qū)間3運(yùn)行時(shí)車下設(shè)備的振動(dòng)加速度值普遍明顯高于在區(qū)間1、區(qū)間2運(yùn)行時(shí)振動(dòng)的分析結(jié)果可以間接得出，區(qū)間3線路狀況要明顯劣于區(qū)間1與區(qū)間2的線路狀況，且對(duì)運(yùn)行中機(jī)車振動(dòng)具有較為明顯影響。

2.3互相關(guān)分析

互相關(guān)分析是描述兩個(gè)不同隨機(jī)信號(hào)在任意兩個(gè)不同時(shí)刻的取值之間的相關(guān)程度。這里，為了進(jìn)一步分析導(dǎo)致機(jī)車產(chǎn)生振動(dòng)的原因，對(duì)Ⅰ轉(zhuǎn)向架構(gòu)架和Ⅱ轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的3個(gè)方向的振動(dòng)加速度分別在3個(gè)區(qū)間內(nèi)進(jìn)行互相關(guān)分析，即分別在區(qū)間1～區(qū)間3內(nèi)對(duì)Ⅰ轉(zhuǎn)向架構(gòu)架和Ⅱ轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的振動(dòng)加速度信號(hào)進(jìn)行互相關(guān)分析，探究在某一瞬間的同一時(shí)刻，前后構(gòu)架間所處線路條件的差異。分析結(jié)果分別如表11～表13所示。

表11　區(qū)間1構(gòu)架處振動(dòng)信號(hào)互相關(guān)分析

表12　區(qū)間2構(gòu)架處振動(dòng)信號(hào)互相關(guān)分析

表13　區(qū)間3構(gòu)架處振動(dòng)信號(hào)互相關(guān)分析

從表11可以看出，在區(qū)間1上運(yùn)行時(shí)，Ⅰ轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的垂向、橫向、縱向振動(dòng)加速度信號(hào)與Ⅱ轉(zhuǎn)向架構(gòu)架上對(duì)應(yīng)振動(dòng)加速度信號(hào)的互相關(guān)系數(shù)值比較接近，數(shù)學(xué)期望值為0.199 73，最大誤差9.28%。同理，從表12也可以看出，Ⅰ轉(zhuǎn)向架構(gòu)架與Ⅱ轉(zhuǎn)向架構(gòu)架對(duì)應(yīng)振動(dòng)加速度信號(hào)的互相關(guān)系數(shù)較為接近，數(shù)學(xué)期望值為0.099 14，最大誤差12.29%。因此，可以從一定程度上說(shuō)明區(qū)間1與區(qū)間2上無(wú)論是高低不平順還是方向不平順等現(xiàn)象均不明顯，且存在明顯一致性，即這兩個(gè)區(qū)間的線路狀況較好。而從表13中可以看出，在垂向方向，Ⅰ轉(zhuǎn)向架構(gòu)架與Ⅱ轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的相關(guān)系數(shù)遠(yuǎn)小于其他兩個(gè)方向之間的相關(guān)系數(shù)，最大誤差達(dá)到91.44%，這說(shuō)明區(qū)間3上高低不平順現(xiàn)象明顯，且是引起機(jī)車振動(dòng)的最為重要的因素之一。

3　結(jié)束語(yǔ)

采用模擬標(biāo)準(zhǔn)載重牽引模式對(duì)深度國(guó)產(chǎn)化H XD1型電力機(jī)車在西康線進(jìn)行了在線振動(dòng)試驗(yàn)研究，在對(duì)線路劃分3個(gè)區(qū)間進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)上，對(duì)最能反映機(jī)車振動(dòng)情況的車下設(shè)備的振動(dòng)加速度信號(hào)進(jìn)行了時(shí)域分析，得出了機(jī)車在區(qū)間3上振動(dòng)明顯高于在其他兩個(gè)區(qū)間的振動(dòng)，間接說(shuō)明了區(qū)間3線路狀況劣于區(qū)間1與區(qū)間2線路狀況的結(jié)論。接著，分別采用自相關(guān)分析與互相關(guān)分析的方法對(duì)電機(jī)非傳動(dòng)端、電機(jī)吊桿、Ⅰ轉(zhuǎn)向架構(gòu)架和Ⅱ轉(zhuǎn)向架構(gòu)架處振動(dòng)加速度信號(hào)進(jìn)行了分析，進(jìn)一步說(shuō)明了區(qū)間3線路狀況的不理想，尤其是線路垂向高低不平順，是導(dǎo)致機(jī)車在該區(qū)間振動(dòng)較大的主要原因之一。同時(shí)，為了給后續(xù)研發(fā)過(guò)程提供數(shù)據(jù)支持，應(yīng)進(jìn)一步分析引起機(jī)車振動(dòng)各因素的影響權(quán)值并對(duì)線路軌道狀態(tài)定量化測(cè)試等方面進(jìn)行深入研究。

［1］ 蔣海波，羅世輝，董仲美.Black man-Tukey法的軌道不平順數(shù)值模擬［J］.中國(guó)測(cè)試技術(shù)，2006，32（4）：97-100.

［2］ 劉曉波，劉 劍，L E Van-quynh.軌道列車振動(dòng)與噪聲研究現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.電力機(jī)車與城軌車輛，2013，36（6）：12-18，22.

［3］ 房 建，雷曉燕，練松良，等.提速線路軌道不平順不利波長(zhǎng)的研究［J］.鐵道工程學(xué)報(bào)，2010，146（11）：27-31.

［4］ 馬衛(wèi)華，羅世輝.軌道不平順對(duì)輪對(duì)縱向振動(dòng)影響分析［J］.鐵道機(jī)車車輛，2005，25（6）：16-20.

［5］ 郝 剛，郭志成，張立民.車下設(shè)備連接參數(shù)對(duì)車體振動(dòng)特性影響研究［J］.鐵道機(jī)車車輛，2013，33（1）：63-66.

［6］ 辛 濤，高 亮，曲建軍.提速線路軌道不平順波長(zhǎng)的動(dòng)力仿真［J］.北京交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，34（6）：21-25.

［7］ 么鳴濤，管繼富，顧 亮.基于車輛振動(dòng)加速度響應(yīng)的路面識(shí)別研究［J］.拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車，2011，38（1）：28-31.

［8］ 寧迎智，周小林，徐慶元，等.基于小波的軌道不平順和車體振動(dòng)響應(yīng)分析［J］.鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2014，34（3）：28-32.

Experimental Study on the Vibration of Bottom Equip ments of Deep Localization H XD1 A C Drive Electric Locomotive

JIA N G Jixiong，LI Xining
（Technology Center，CSR Zhuzhou Electric Loco m otive Co.，Ltd.，Zhuzhou 412001 H unan，China）

This paper proposes to study on the vibration of botto m equip ments，w hich could reflect vibration，belongs to deep localization H XD1 A C drive electric loco m otive.Based on the representative parts＇division of the running line，all kinds of vibration data about botto m equip ments running on different parts is collected with dynamic signal collection and analysis system.A nd then，with the help of the time do main analysis，auto-correlation analysis and cross-correlation analysis of acceleration signal，main factor w hich induce locom otive vibration is analyzed.Furtherm ore，the next research direction is proposed and it will be quite helpful to the following development of electric loco m otive.

botto m equip ment vibration experiment；time do main analysis；auto-correlation analysis；cross-correlation analysis；A C drive electric loco m otive

U264.0

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2015.05.07

1008-7842（2015）05-0033-05

*中國(guó)南車股份有限公司科技開(kāi)發(fā)項(xiàng)目（2012 N C K027）；南車株洲電力機(jī)車有限公司科技開(kāi)發(fā)項(xiàng)目（2011 KJ24）

蔣濟(jì)雄（1985—）男，工程師（2015-04-12）