地铁车辆小级位牵引振动原因分析及优化论文_王强能

摘要：针对地铁车辆在小级位牵引时存在异常振动现象，进行了不同工况、不同速度下列车运行状态及振动情况测试，找到了产生振动的原因，揭示了这一现象的产生机理，为消除这种异常振动冲击现象提供了依据。

关键词：地铁车辆；小级位牵引；振动

1背景：针对天津地铁2号线增购车，车辆在低速段（2km/h-3km/h），出现上下方向（垂向）振动现象，对此问题进 行了不同工况下的试验及测试，并采集了相关试验数进行分析，找出了共振原因，并通过优化软件解决了低速振动的问题

2原因分析

针对天津地铁2号线列车振动问题，初步分析引起振动的可能原因如下：

2.1牵引与保持制动缓解配合不当

长沙地铁出现过列车牵引与保持制动配合不当，造成车辆振动问题，主要表现为牵引加速过程中存在前后方向的振动问题。天津地铁2号线增购车车辆编组形式为：2、3、5车为动车，1、4、6、为拖车。通过TCMS强制缓解保持制动，分别进行2、3、5车的单独牵引制动实验，车速在2-3km/h时牵引动车车体均出现较明显震感，拖车无震感。后续试验关闭2、3车的VVVF开关，只在5车进行。试验情况如下：

（1）小级位牵引到3km/h转惰行；提速到10km/h后进行10%级位制动到3km/h左右时转惰行直至停车，惰行过 程中5车也出现振动的情况。

（2）速度超过3km/h到较高速度后牵引制动惰行均无振动的情况出现。

（3）紧急制动时，全车无振动。

（4）电制动不切除时，2km/h-3km/h时制动和惰行均有振动，如切除电制动，只采用空气制动，则车辆2km/h-3km/h无振动。

（5）动车断开高速断路器开关，切除牵系统后，车辆在2km/h-3km/h时无振动。

（6）拖车无振动。

初步结论：2号线增购车辆，振动发生在牵引和电制动未切除情况下，车辆运行到2km/h-3km/h时，振动与牵引系统工作有直接关系，因此排除牵引与保持制动缓解配合不当此可能性。具体引发振动的设备初步怀疑是电机，VVVF也不完全排除，需进一步做试验加以排除。

2.2 VVVF输出三相交流电存在谐波

《工业与民用供配电设计手册》中关于谐波影响描述：旋转电机定子中正序和负序谐波电流，分别形成正向和反向旋转磁场，使旋转电机产生固定数的振动力矩和转速的周期变化，从而是电动机效率降低，发热增加。谐波原因引起车辆振动，列车会在不同速度下产生不同程度振动，根据在不同速度下试验振动情况，2号线列车仅在速度为2公里左右时产生明显振动，排除谐波引起振动可能性。

2.3 电机加工误差

电机加工存在误差，转轴中心与质心不一致，电机转动过程中，会产生振动，速度越高，振动越明显。2号线列车只在低速区段存在振动现象，排除此可能性。

2.4 直接转矩控制低速区控制不当

直接转矩控制低速区控制不当，会产生脉动。直接转矩低速区范围主要指30%额定转速以下。2号线增购车在40公里左右为额定转速，30%约12公里左右，与此现象不一致，排除此可能性。

2.5 电机与转向架或车体共振

经现场技术人员反复测试，当列车速度为2公里时，电机与转向架或车体产生共振，导致车上测试人员感觉到明显的上下振动问题。经过振动测试，确定速度2公里时电机与转向架发生共振。试验检测点及测试主要数据如下：表1 试验检测点

图1 测试波形

从图1看出，共振频率为15HZ，转向架的驱动侧和非驱动侧垂向加速度存在10多倍的差距；在试验过程中，发现在1km低速段的振动，在电机的振动加速度被转向架放大，并且发生振动的仅为垂直方向；在其他速度区域，电机的振动加速度和转向架的振动加速度相当，并且转向架上的四个点之间不存在明显的差异。

3解决方案

通过分析和测试，确定振动现象由电机和转向架共振引起，在电机从停止到80km的转动过程中，经过15Hz频率时候，电机和转向架出现共振的问题，基于此问题在理论测算和往复试验的基础上，通过更改软件尽快避开此共振点，错开电机与转向架以及车体的共振频率，从而解决低速振动的问题，具体解决方案如下：

3.1 MCU（DSP）扫描周期减小10%，脉冲分配板软件对应调整。电机输出与目标输出误差减小，全速度周期内电机自身振动均减小，振源（电机）共振幅值减小，电机与转向架共振减弱。

现场试验时，通过更新脉冲分配板软件，有效解决了牵引和制动工况下的共振问题，而惰行工况下，不封锁电机励磁时约在1km/h左右有轻微振动，相较之前也已大幅改善。图2为电机控制模型：

图2 电机控制模型

3.2 惰行工况下，速度低于2公里时，封锁电机励磁，消除励磁电流产生的转矩影响。

为进一步进行优化，采取在低速惰行时，封锁励磁的方式进行试验，试验结果显示，原来低速下列车振动的问题已得到完全解决。

惰行工况下低速封锁电机励磁：封锁励磁属于电机正常控制方式，当列车停止运行或出现需要逆变器停止工作时都采取封锁电机励磁的方式，属于常用控制手段方式，并不会对牵引系统本身以及电机造成任何影响，车速低于2km/h惰行工况下对列车运行无影响。

图3 电机励磁电流对速度的影响

结语：综上所述，通过快速避开共振点，以及消磁的方法解决天津地铁2号线的低速共振的问题。此方法对牵引系统的调整对车辆部件可靠性、车辆安全方面、牵引制动性能无影响，列车低速振动得到了有效解决。

参考文献：

[1]中国航空规划设计研究总院有限公司组编[M] 工业与民用供配电设计手册 中国电力出版社 2016

[2]李德建, 等. 列车-轨道时变系统横向振动能量随机分析理论[J].振动工程学报, 2000, 13( 2): 307— 313.

论文作者:王强能

论文发表刊物:《科学与技术》2019年17期

论文发表时间:2020/1/15

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