摘要：随着我国的经济在快速的发展，社会在不断的进步，针对某型高速动车组车地板高频振动过大的问题，研究车底牵引变流器振动及内部悬挂隔振的影响。对牵引变流器进行装车和车间振动试验，对其振动特性及安装在变压器与变流器柜体之间隔振器的隔振性能进行了理论和试验评估，提出了优化隔振器参数降低变流器振动的措施，并利用有限元和多体动力学软件对优化前、后的隔振效果进行了仿真对比计算。结果表明采用优化后的隔振器参数可大幅降低该牵引变流器的振动，且可避免共振风险。
关键词：高速动车组；变流器；隔振；仿真；优化
引言
牵引变流器作为高速动车组交流传动系统的关键设备，直接决定了动车组的使用性能、安全运行和运营能力。高速动车组的原型车从国外引进，无论从技术或价格上都严重影响高速动车组的长期稳定运营和维护，因此研制具有自主知识产权的高速动车组牵引变流器是提升自身设计能力、确保动车组正常运营的基础和保障，同时也是实现自主知识产权高速动车组研制的必经之路。中国铁道科学研究院机车车辆研究所已建成牵引变流器研发与试验平台，具备自主设计能力与条件，如牵引计算平台、电气性能仿真平台、软件开发平台、半实物仿真平台、变流器热仿真计算平台、箱体强度仿真平台、IGBT试验台、功率模块试验台和牵引传动系统综合试验平台，设计能力覆盖不同速度等级、不同功率等级的动车、机车、城际、地铁的牵引变流器。
1振动试验分析
1.1现场声学测试分析
某型高速动车组装车运行后，牵引变流器出现刺耳的啸叫声。该型牵引变流器主要由并联离心风机、风道、“空气-水”换热器、水循环驱动系统、变压器、逆变器等部件和箱体框架等组成。变流器的两侧为进风口，由于离心风机使动车组车体内部呈负压状态，空气从动车车体两侧裙板吸入，进入变流器两侧的“空气-水”换热器，换热升温后的空气进入离心风机，经风机驱动进入风道，对风道内的电气设备进行散热，热空气最终从箱体底部出风口排出箱外，带走热量；经过“空气-水”换热器降温后的循环冷却水由溶液泵驱动进入水冷散热器，为IGBT等器件散热。该变流器内的所有电气模块和风机均安装在箱体内，除进出风口外，其他部位均可视为密闭状态。考虑箱体结构的隔声作用，箱内噪声主要通过进风口和出风口传播。为了分析牵引变流器装车运行声学特性，开展了现场声学测试。
1.2车间振动试验
为进一步验证装车振动测试结论及了解该型牵引变流器振动特性，将变流器柜体顶部通过螺栓连接固定在夹具上进行了车间振动试验。1）测点布置与试验工况。牵引变流器内部振源主要包括变压器和冷却风机，其振动通过柜体顶部连接螺栓传递到车体，因此，将振动试验测点布置在柜体顶部靠近振源的连接螺栓安装座附近，且增加4个变压器与变流器柜体装配位置附近的测点。2）在这些工况中考虑了变压器、冷却风机两个振源对牵引变流器柜体振动的影响以及不同类型变压器的振动大小，其中变压器A为目前装配型号，变压器B为备选型号。
1.3测试结果及分析
由于各工况垂向振动加速度有效值都大于行车和枕木方向，因此本文主要研究垂向振动。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆工况1与工况2在3、4、5、6、7、8等6个测点处振动加速度有效值差别很小，但在其他10个测点处，工况2的加速度有效值要远大于工况1，这说明靠近变压器端柜体的振动能量主要来自于变压器，冷却风机的影响较小，这一点也可以从工况2、3结果的比较中得到验证；工况3与工况4的结果对比显示，变压器A引起变压器端柜体的振动要远大于变压器B，这说明目前装配的变压器振动过大，是引起车地板振动异常的主要原因。
2电气性能仿真
牵引变流器电气部件选型及器件工作特性分析是变流器设计的重要组成部分。为了对变流器电气特性进行研究，搭建了变流器电气性能仿真平台。该平台可以仿真不同车型牵引变流器的电气性能，对于校验并优化主电路电气参数、器件自主选型具有现实的指导意义。高速动车组牵引变流器设计中分别对四象限整流器和逆变器2个子系统独立建模，然后将二者组合成一个完整的牵引变流器系统进行仿真分析，并对牵引变流器中选择的电气元件（如IGBT、接触器、谐振电容）结合不同工况进行参数选型与参数校验，同时根据仿真结果验证并调整控制方案。
3隔振器参数优化仿真分析
前面的分析已经表明，当前隔振器对变压器的隔振效果有限，优化隔振器参数是降低该型变流器振动的重要措施之一。根据变压器质量、转动惯量、安装空间等参数，并在参考相关标准的基础上，本节将首先对减振刚度参数在1000～500000kN/m范围内进行仿真计算，其中选择1000、5000、10000、50000、100000、500000kN/m等六组参数进行对比分析；在此基础上，根据变流器内部实际允许变形及安装空间等要求，结合厂家提供的隔振器可选型号，选出一款减振效果最优且安装可实现的隔振器(垂向动刚度为1233kN/m)，并将之与原隔振器从变流器系统隔振效果的角度进行仿真对比，验证隔振器参数优化后的隔振效果，评估隔振器的系统匹配性能，排除共振等风险，为隔振器选型优化提供支持。1)有限元模型考虑到变压器振动主要是影响靠近变压器端的柜体，建模时忽略远离变流器端柜体，并对内部一些结构和部件进行简化处理，这样在不影响计算可靠性的前提下减少了工作量和计算成本。模型中板梁结构采用面单元，部分设备采用体单元，隔振器用三个方向的弹簧阻尼单元模拟，橡胶材料阻尼比假定为0.08，柜体顶部螺栓连接处采用刚性约束。在变压器安装位置附近选择7个节点以提取结果进行对比，其中测点1为辅助变压器，测点2至测点5分别为四个隔振器安装位置附近的梁，测点6、7分别为两侧支撑横梁。2)为评估改进方案的降噪效果，本文利用声学数值方法进行仿真计算。对于涉及气动噪声的复杂声学问题，常采用“有限元”和“边界元”结合的方法进行仿真预测。即通过“有限元”法计算空气流场内的压力脉动情况，气动噪声计算采用FW-H方程（FW-H方程是普遍通用的Lighthill声比拟方法）；通过仿真计算求解该方程，可以得到叶轮出口的面声源和蜗壳流道内的体声源；然后通过“边界元”法计算面声源和体声源的声辐射，得到噪声值和频谱。将计算得到的风机内部的面声源和体声源采用声学软件进行转换，作为声辐射仿真的输入量。
结语
本文通过装车和车间振动试验，了解了某型高速动车组牵引变流器的振动特性及引起车辆地板振动过大的原因，且利用理论和试验的手段评估了安装在变压器与变流器柜体之间隔振器的隔振性能；在此基础上提出了对隔振器进行参数优化，并利用有限元和多体动力学软件对优化前与优化后的模型进行了仿真计算对比分析。得到如下结论:(1)该型动车组牵引变流器的振动主要是由内部变压器的磁致伸缩力引起；(2)当前变流器内部变压器振动过大，且安装的隔振器对变压器振动的隔振效果十分有限，这是引起动车组车地板振动过大的主要原因；(3)仿真结果表明，通过优化当前隔振器参数可大幅度降低该型牵引变流器的振动，且不会出现共振等风险，仿真结果可用于指导隔振器选型优化工作；(4)随着动车组速度的不断提升，牵引变流器等电气设备功率越来越大，其带来的振动噪声问题也将越来越严重，因此，应给予足够的重视。
参考文献
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[2]唐苹森，周雷军，曾慧，等.CＲH5动车组变压器冷却风机减振分析[J].大连交通大学学报，2013，34(3):65－68.
论文作者:杨林
论文发表刊物:《基层建设》2019年第17期
论文发表时间:2019/9/12
标签：变流器论文; 变压器论文; 车组论文; 隔振论文; 工况论文; 声源论文; 风机论文; 《基层建设》2019年第17期论文;