高速动车组牵引变压器振动特征及对车体的影响*

陈 璨，郭力荣，李国顺，张义超，王成强

（1 中国铁道科学研究院集团有限公司 机车车辆研究所，北京100081；2 中车长春轨道客车股份有限公司，长春130062）

牵引变压器是高速动车组的关键设备，具有质量大，振动激励源复杂等特点，极易与车体产生耦合振动，降低车辆运行品质，影响牵引变压器的正常运转，甚至会导致设备连接部件的疲劳断裂，威胁车辆的运营安全［1-2］。此外，车体轻量化设计和运行速度的提高，致使车体及其悬吊设备承受的载荷日益复杂，恶化了牵引变压器等部件的工作条件［3］。因此，掌握高速列车运用过程中牵引变压器真实的振动特点及与车体的耦合振动关系是十分必要的。

贺小龙等建立了车辆刚柔耦合模型，对牵引变压器的悬挂参数进行了优化设计［4］。于金鹏等利用有限元模型研究了牵引变压器的振动响应容限［5］。高艳姿研究了牵引变压器双层隔振系统的振动功率流［6］。张远亮等研究了牵引变压器在负载开风机状态下的振动及传递特性［7］。值得注意的是，该研究仅分析了车辆静态时牵引变压器垂向的振动情况，忽略了牵引变压器工作时磁致伸缩引起的铁芯振动以及车体振动对牵引变压器的影响，不能较为完整、全面地反映牵引变压的振动特征。

文中基于高速列车线路试验，获取了动车组正常运行时牵引变压器及车体的振动加速度数据，并对其进行时频域分析，较为详细地研究牵引变压器在不同工作状态下的时频域响应特征及对车体的影响，更加完整真实地揭示高速动车组运用过程中牵引变压器的振动特点，为牵引变压器的设计和安全运用提供参考。

1 线路试验

选取在京广线正常运行的某型动车组为试验车辆，在其牵引变压器及车体底架安装三向加速度传感器。表1列出了试验项点，各测点的现场照片如图1所示。试验中采样频率为2000 Hz，确保测试数据能有效地反映牵引变压器和车体的振动情况。

图1 振动加速度安装位置

表1 测点描述

2 牵引变压器加速度时频域分析

选取某一运行区间的测试数据，对其去零漂、消除干扰及噪声毛刺后，获得牵引变压器箱体（测点1）的振动加速度。测试数据涵盖了高速动车组完整的加速、恒速以及减速过程。测试区间动车组最高运行速度为306 km/h。

动车组区间运行速度和牵引变压器垂向、横向振动加速度时间历程如图2所示。从图2中可以明显看出，与车体振动加速度情况不同，牵引变压器的横向振动加速度明显大于其垂向振动加速度。测试区间内，牵引变压器垂向振动加速度最大值为2.02 m/s2，有效值为0.25 m/s2；横向振动加速度最大值为11.05 m/s2，有效值为1.32 m/s2，是垂向振动加速度值的5倍。主要原因是试验车辆牵引变压器铁芯是横向布置，因此当牵引变压器工作时，在铁芯磁致伸缩效应和通电绕组引起的轴向电磁力作用下，牵引变压器器身与箱体发生横向振动。

图2 速度、牵引变压器加速度时间历程

牵引变压器垂向、横向振动加速度的时频分布如图3、图4所示。由图3和图4可知，牵引变压器振动基频为100 Hz，振动能量主要集中在100 Hz及倍频。主要原因是磁致伸缩效应和电磁力产生的激励频率为交流电频率（50 Hz）的2n（n=1，2，3...）倍［8］。

图3 牵引变压器垂向振动加速度时频分布

图4 牵引变压器横向振动加速度时频分布

由图3可知，垂向振动能量主要集中在0～50 Hz频段和100 Hz、200 Hz及300 Hz。0～50 Hz频段振动能量主要源自车体受轮轨激励引起的受迫振动和弹性振动；100～300 Hz频段振动能量主要反映是在电磁力作用下牵引变压器器身与箱体间的振动。与垂向振动相比，0～50 Hz频率范围内的横向振动能量较小，振动能量主要集中在100 Hz及其倍频，且频率分布更加分散，表明横向振动能量主要来自器身与箱体间的振动，受车体振动的影响较小。此外，400～500 Hz频率范围内牵引变压器箱体的振动能量出现了明显的衰减，尤其是垂向振动。

值得注意的是，在220～237 s、512～527 s时间范围内，牵引变压器的横向和垂向振动加速度值接近，且远小于工作时的振动加速度值，见图2。此外，在这两个时段没有明显的100 Hz及其倍频振动能量，见图3和图4。这是由于车辆通过分相区，牵引变压器断电待机，铁芯与绕组间的轴向电磁力逐渐减弱，器身与箱体间不再有剧烈的相互运动。此时，牵引变压器可视作一个悬吊于车体底架下无振动源的大质量块，仅受车体振动影响。

车辆通过分相区后，牵引变压器通电重新工作，由于激磁涌流的影响，导致牵引变压器振动加速度出现了明显的峰值。

3 典型工况的振动特征

由上述分析可知，牵引变压器振动情况与其工作状态密切相关，因此选取车辆在直线线路运行时牵引变压器断电待机和恒速负载工况下5 s的稳态测试数据分析牵引变压器的振动特点及对车体的影响。

3.1 待机工况

225～230s时间范围内，动车组通过分相区，牵引变压器断电待机，运行速度为250 km/h。待机工况下，牵引变压器和车体的振动加速度时间历程如图5所示，加速度统计值见表2。

图5 待机工况下振动加速度时间历程

表2 待机工况下加速度统计值

对比车体与牵引变压器的振动情况可知，待机时车体横向振动加速度与牵引变压器横向振动加速度十分接近。由于牵引变压器箱体与车体间隔振系统的作用，车体垂向振动加速度小于牵引变压器垂向振动加速度。需要注意的是，待机时牵引变压器横向振动加速度值仍大于垂向振动加速度值。这是由于断电后铁芯和绕组间仍有残留的轴向电磁力，导致器身与箱体间仍存在轻微的振动。

待机工况下牵引变压器和车体振动加速度功率谱密度如图6所示。从图6中可以看出，待机时车体和牵引变压器振动能量主要集中在0～50 Hz频率范围内，垂向振动主频为0.8 Hz，横向振动主频为0.6 Hz，均与车体垂向、横向振动主频一致，并且振动能量接近。

图6 待机工况下加速度功率谱密度

文中利用相干系数和相关系数讨论车体与牵引变压器振动加速度间的关联关系［9］，如图7、图8所示。在0～2 Hz频率范围内，车体与牵引变压器加速度的相干系数均大于0.9，相干成分在频率范围所占比重较大，如图7所示。

图7 待机工况下车体与牵引变压器加速度相干系数

图8 待机工况下车体与牵引变压器加速度相关系数

由图8可知，在垂向上车体与牵引变压器振动加速度表现出负相关关系，在横向上车体与牵引变压器振动加速度表现出正相关关系。此外，二者的相关系数存在明显的周期性，垂向相关系数的周期频率为0.8 Hz，横向相关系数的周期频率为0.6 Hz，均与图6中相应方向振动加速度的主频一致。由相关系数的性质可知，周期信号的相关函数是周期性，且其周期与原信号相同。基于图6、图7和图8的分析可知，车体与牵引变压器振动加速度在低频段存在明显的相关关系，且低频振动能量占比非常大。考虑低于1 Hz的振动通常是车体受迫振动响应，由此可以认为待机时牵引变压器振动主要受车体振动影响。

此外，牵引变压器在7.5～12.6 Hz频段内有较大的振动能量，反映了牵引变压器箱体的弹性振动。需要注意的是，牵引变压器横向振动有100 Hz的振动能量，表明断电后器身与箱体间仍有电磁力引起的横向振动，但振动能量较小。

3.2 负载工况

430～435 s时间范围内，动车组恒速运行，运行速度为300 km/h，牵引变压器持续稳定工作。

负载工况下牵引变压器和车体的振动加速度时间历程如图9所示。从图9中可以看出，负载工况下牵引变压器振动加速度值明显大于车体振动加速度值，尤其是横向振动。负载工况下，牵引变压器垂向振动加速度是待机工况加速度值的2倍；横向振动加速度是待机工况加速度值的8倍，见表3。由此可见，牵引变压器工作时磁致伸缩效应和电磁力引起的铁芯与箱体间的振动是主要能量来源。

表3 负载工况下加速度统计值

图9 负载工况下振动加速度时间历程

与牵引变压器振动变化情况不同，负载工况下车体振动加速度值没有明显增大，表明牵引变压器与车体间的隔振系统有效衰减了来自牵引变压器的振动能量。需注意的是，车体横向振动仍有较大增幅。

由于电磁力与供电频率有关，负载工况下牵引变压器垂向、横向振动能量主要集中在100 Hz及其倍频，如图3、图4所示，限于篇幅，在此不再讨论。

负载工况下车体振动加速度功率谱密度如图10所示。车体垂向振动能量分布与待机工况振动能量分布类似，主要反映了车体的受迫振动和弹性振动。与垂向振动不同，车体横向振动中不仅有轮轨激励引起的受迫振动能量，也有明显的100 Hz振动能量。负载工况下车体与牵引变压器振动加速度相干系数如图11所示。从图11中可以看出，在0～2 Hz范围内，二者的相干系数与待机工况的相干系数接近，均大于0.9，由3.1节分析可知，该频段牵引变压器振动能量主要来自车体振动。需注意的是，在100 Hz处相干系数接近1，且在100 Hz出现了明显的振动能量，这与牵引变压器振动能量分布频带一致，由此可以认为经过隔振系统衰减后，仍有部分牵引变压器振动能量传递至车体，致使车体存在明显的100 Hz高频振动能量。

图10 负载工况下车体加速度功率谱密度

图11 负载工况下车体与牵引变压器加速度相干系数

4 结论

通过深入分析高速列车线路试验中动车组牵引变压器及车体的振动加速度数据，研究了动车组牵引变压器振动特征及对车体的影响。研究结果表明：

（1）牵引变压器振动基频为100 Hz，振动能量主要集中在100 Hz及其倍频。由于铁芯横向放置，牵引变压器横向振动比垂向振动更加剧烈，且振动能量在频域内分布更为分散，受车体振动影响较小。

（2）牵引变压器待机条件下，牵引变压器振动情况与车体振动情况接近，振动能量主要来自车体振动，但箱体法平面仍有残留电磁力引起振动能量。

（3）牵引变压器负载条件下，振动加速度值比待机工况加速度值扩大了2～8倍，器身与箱体间的振动成为主要能量来源。

（4）隔振系统能有效衰减牵引变压器传递至车体的振动能量，尤其是垂向振动，但仍有100 Hz高频横向振动传递至车体。