我國軌道交通牽引機車振動研究現狀分析

蔣濟雄

（南車株洲電力機車有限公司技術中心，湖南株洲 412001）

0 引言

軌道交通牽引機車作為我國交通運輸業的中堅力量，承擔著諸如旅客運輸、貨物運輸、能源運輸、軍需戰略物資運輸等重要使命，是目前所有運輸方式中經濟性、時效性、便捷性等最為有效的方式之一，其性能的好壞嚴重影響著我國國民經濟的發展。

振動作為一種普遍存在的現象在軌道交通牽引機車上同樣存在，通常有規律輕微的振動對機車及車內司乘人員并不會產生太大影響，然而當機車由于自身結構、動力裝置、外界環境等因素變化而產生較大振動，甚至共振時，不僅會使機車各零部件故障率增加，同時也會導致機破、臨修等事件概率的大幅上升，久而久之甚至會危及司乘人員的人身安全［1-2］。為此，國內外廣大學者及工程技術人員都對機車振動現象進行了廣泛的研究。根據我國軌道交通牽引機車的發展歷程可知，目前主要存在內燃傳動電力機車（簡稱內燃機車）、直流傳動電力機車（簡稱直流機車）和交流傳動電力機車（簡稱交流機車）三種形式，因此，本文將以該三種形式的分類對其振動的研究現狀進行綜述與分析。

1 內燃機車振動研究現狀

內燃機車以內燃機作為動力來源，輸出的能量通常作用到發電機上，發出的電能經過一系列的變換最終提供給牽引電機，用于驅動電機旋轉，帶動輪對運動，實現機車移動，如圖1所示。因此，內燃傳動機車的振動也多與其內燃機、發電機等存在一定聯系。

圖1 內燃傳動機車

1995年，賈萍穩［3］對東風 7 型內燃機車產生異常振動的原因進行了分析，得出了旋轉件不平衡、旋轉軸扭轉振動、彈性支座剛度問題及個別零件的共振問題是導致東風7型機車產生異常振動的主要原因。1995年，曹鳳萍［4］從柴油-發電機組結構的角度分析了內燃機車產生振動的因素。1998年，楊明成［5］針對東風4B型內燃機車振動故障日漸突出的情況，在對多臺故障機車進行解剖排查的基礎上，指出由于輪對在加工組裝過程中某些工序存在質量問題，導致車軸與車輪的偏心，引起機車振動。1999年，張明東等［6］對東方紅3型機車司機室的振動現象進行了試驗測試與分析，指出柴油機曲軸系存在的回轉質量不平衡現象是導致機車異常振動的最主要原因。

2000年，曾斌［7］對東風4型內燃機車進行大量靜態試驗的基礎上分析了引起振動的原因并給出了相應改進措施。2001年，趙慶華［8］對東風8B型機車振動原因進行了分析并提出了對應改進措施。2006年，羅世輝等［9］針對東風8B機車垂向振動異常的現象，在對機車實測振動頻率成分與懸掛系統頻率特性進行對比分析的基礎上，得出了轉向架隨動式制動裝置布置方式存在問題是導致機車振動異常的主要原因。同年，程海濤等［10］通過分析懸掛系統間振動傳遞、測點間的相干性等角度提出靜壓泵及車體局部振動是導致車體地板垂向振動大的原因。2007年，祝正宇［11］分別從柴油機-發電機組自身振動及其在機車上的安裝精度兩個方面對280型內燃機車振動原因進行了分析。2010年，汪秀平［12］在對多臺東風5型機車進行測試的基礎上得出減振器批次質量問題是導致機車異常振動的重要原因。2012年，鄒家龍［13］從柴油機-發電機組自身振動、起動發電機振動、車輪直徑誤差引起振動、油壓減振器故障等多角度列舉分析引起東風8B內燃機車的振動因素。2013年，李春勝等［14］通過建立司機室隔振結構的6DOF動力學方程，進而分析其縱、橫、垂向頻響函數對和諧內燃3型機車的振動情況進行了研究。2014年，周虹偉、梁信棟［15］以天津機務段承做的東風4D型機車大中修為對象，在非運行狀態下對機車異常振動情況進行了統計與分析。同年，郭欣［16］從減振系統、輪緣偏磨等角度對運用于青藏鐵路的美國進口NJ2型內燃機車振動情況進行了研究。

圖2 直流傳動機車

2 直流機車振動研究現狀

直流機車通常采用直流電機作為動力輸出裝置，而輸入到機車的電能既可以是直流電也可以是交流電，因此直流傳動機車有直-直型電力機車和交-直型電力機車兩種，我國直流傳動電力機車以韶山系列為代表，如圖2所示。

1982年和1984年，彭文生［17-18］分別對韶山型直流電力機車牽引電機和電器設備的振動情況進行了在線測量與研究。1999年，郭同生等［19］采用計算機仿真技術，分析了韶山7型機車計算模型在不同外界激勵作用下的響應，研究了牽引電機的振動規律，反映了機車振動情況。2002年，楊改云等［20］以評價軌面不平順對車體結構振動影響為目的，采用直接積分的瞬態特性分析和特征分析對韶山8型機車進行了振動分析。2003年，廖凱等［21-22］基于小波分析的方法對韶山8型機車振動信號進行了變換分析，所建立的振動狀態特征向量在表征機車振動故障狀態方面有明顯作用。同年，謝培甫等［23］采用另一種方法——模態機械阻抗綜合法，建立了多層隔振系統動力學模型，對韶山8型機車振動進行了計算與辨識。2004年，王開云等［24］對韶山7型機車橫向晃動的原因進行了理論計算與分析。2006年，袁偉等［25］針對韶山3型機車在運行過程中磁場削弱時的這一特殊工況下的機車振動情況進行了計算分析，從電路上減少了電流波動，降低了機車振動。同年，馬明智等對運用于神朔線的韶山4改型機車走行部振動進行了研究，認為車輪踏面擦傷和異常磨耗是導致機車異常振動的主要原因。同時，馬衛華等［26］在理論計算與試驗研究的基礎上得出一系橫向定位剛度不足是引起機車橫向異常振動的主要原因，對韶山9型機車的良好運用提供了有力支持。

圖3 交流傳動機車

3 交流機車振動研究現狀

交流機車以采用交流電機作為動力輸出裝置為標志，供電方式有直流供電、交流供電等，我國主要采用單相工頻交流供電方式。自我國開展引進、消化、吸收、再創新的發展模式以來，逐步形成了以和諧系列為主的大功率交流傳動電力機車，如圖3所示。相比直流機車，交流機車電氣化設備多、結構緊湊、控制系統復雜，在實際運行過程中產生了更為明顯的振動現象。

2007年，馬衛華等［27］對采用徑向轉向架方式的某交流機車的垂向振動問題進行了分析，并認為垂向振動加速度大是一種長期可能被鐵路機車車輛所忽略的一種動力學現象，即輪對縱向動力學。劉輝等［28］基于時間序列分析理論對振動信號進行了分析，并采用AR模型進行了建模與對振動信號的未來發展趨勢進行預測。2008年，張云華［29］以提速后列車運行時振動加劇為背景，建立了提速機車的動力學模型，并采用小波分析法對振動信號進行了降噪處理。2009年，姚遠等［30］針對機車打滑時產生的輪對縱向振動現象進行了研究，認為此時的振動為自激振動且振動頻率為傳動系統固有頻率的整數倍。同年，馬新娜等［31］提出將磁流變阻尼器作為高速交流機車懸掛系統的橫向減振器，并進行模糊控制，該方法有限衰減了機車振動，提高了機車平穩性。鄭瓊林［32］對大秦線HXD1機車的諧振現象進行了原因分析與對策研究。2012年，孟建軍等［33］提出采用虛擬激勵法對軌道車輛垂向振動響應進行了研究，改進了傳統隨機振動分析方法計算量大的缺點。2013年，劉鵬飛等［34］在考慮軌道彈性變形的基礎上得出不考慮軌道參振作用時會導致輪軌動態作用力及輪對振動加速度幅值較考慮軌道參振作用時的值偏大的結論。同年，劉文生等［35］建立了交流機車牽引裝置動力學仿真模型，得出牽引電機諧波轉矩會造成電機的點頭和垂向振動，引起機車異常振動。劉曉波等［36］對軌道列車振動與噪聲當前研究現狀進行了綜述與分析。2014年，徐磊等［37］提出基于PCA-SVM方法的車體振動狀態分類預測模型用于從理論上分析軌道不平順對機車車輛振動的影響。

4 結論與展望

通過對上述的分析我們可以看出我國在機車振動方面的研究，三種類型機車有著不同的現狀。內燃機車集動力輸入與輸出于一身且控制系統較簡單，其振動研究無論是在動力輸出系統、傳動系統、零部件質量問題、靜態振動試驗還是實際在線振動測試方面都有涉獵，且結合目前內燃機車向高速、重載方向帶來的振動問題也展開了一定理論與實踐研究。

直流機車雖然逐漸在被交流傳動機車取代，但在相當長一段時間內，其對我國國民經濟的發展做出了不可忽略的貢獻。對于它的振動研究，無論是在車內電器設備、牽引傳動裝置，還是轉向架甚至整車方面都有著廣泛研究，且經過學者和工程技術人員的不斷努力，目前，直流機車在線運行過程中的振動狀況已經得到明顯改善。

交流傳動機車具有牽引功率大、過載能力強等一系列優點，是我國目前正大力發展的主流。交流機車車載電器設備多，牽引控制系統復雜，載重大，在運行過程中，特別是山區復雜線路運行時振動較直流機車要更加明顯。國內學者在對機車整車動力學建模、走行部建模及控制系統優化等方面都有較為深入的研究，對分析交流機車振動問題提供了一定的借鑒意義；但對于機車在不同載荷、不同線路、不同工況下運行時的在線振動試驗研究及大數據分析方面尚處于起步階段，而恰恰這方面的研究是對解決交流機車振動問題最直接且最為有效的方法。因此，后續對于機車振動的研究工作可以著重考慮從這個方向進行開展。

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