重型轨道车电动空压机振动问题分析及改进

张兵奇

重型轨道车电动空压机
振动问题分析及改进

张兵奇

某重型轨道车空气制动系统的电动空压机批量装车使用时，少量电动空压机工作时出现异常振动。采用试验方法得到电动空压机的激励频率，结合有限元法求得电动空压机的共振频率。改变电动空压机的结构，并用有限元法对改进方案进行计算，合理避开了系统共振。通过实际验证，发现电动空压机异常振动消失，该问题彻底解决。

电动空压机；异常振动；共振；有限元计算

某重型轨道车空气制动系统中用到一款电动空压机，有个别空压机在启动打风时出现明显的异常振动，空压机及吊架振动剧烈。该轨道车空气制动系统的风源由3个空压机提供，其中2个为发动机自带空压机，发动机工作时自行运转，是空气制动系统的主空压机，在行车时为轨道车空气制动系统提供风源；电动空压机是辅助空压机，在轨道车发动机停机或发动机空压机故障时为空气制动系统提供风源，作为备用空压机使用。空气制动系统关系到行车安全，风源是制动系统的原动力，空压机的正常工作对行车安全有着十分重要的意义。

1 电动空压机的结构

该电动空压机是由电动机、空压机、三角皮带、空压机吊架及紧固螺栓等组成。电动机通过皮带驱动空压机，电动机及空压机用螺栓固定在空压机吊架上，空压机吊架通过螺栓与车架连接。电动机是三相异步电机，同步转速1 480 r/min。空压机为双缸活塞式空气压缩机，车架上的连接件为槽钢及钢板，电动空压机结构如图1所示。

图1 电动空压机简易装置图 （单位：mm）

2 电动空压机异常振动分析

2.1 电动空压机异常振动的描述及原因分析

电动空压机正常工作时，空压机及吊架振动明显，且噪声偏高；电动空压机无负载运行时，空压机及吊架振动幅度稍有减轻，且噪声有所降低；电动空压机的电动机单独运转时空压机及吊架无明显振动，但是在电动机停止转动过程中的高转速区段，空压机及吊架有明显振动。

根据以往经验，电动空压机异常振动通常有以下几个原因：①电动空压机系统的装配质量差，如传动皮带太松或太紧，空压机皮带盘与电动机皮带盘出现错位，导致传动过程中皮带产生过大的附加力；②空压机、电动机、空压机吊架等连接螺栓预紧力不足，连接件之间的小间隙产生异常振动；③空压机或电动机的旋转部件的动平衡不好，空压机工作时旋转部件的离心力过大，导致异常振动；④空压机吊架刚性不足引起的系统共振。通过对电动空压机的检查，排除了前2项原因，并得出如下判断：振动主要方向沿空压机吊架长度方向，振幅值3～5 mm，属于异常振动。

因主要振动是沿空压机吊架长度方向的单自由度振动，为了便于分析，使用单自由度系统受简谐激励的动力学模型。将电动机、空压机、空压机吊架看作1个振动系统，其总质量为m；空压机、电动机的等效激励频率为ω，激励振幅为F0，即等效激励力为F0sinωt；空压机吊架的等效刚度为k；空气及其他阻力作为阻尼c；根据参考文献[2]，则系统的运动微分方程为：

方程（2）的幅频图如图2所示。

图2 幅频图

因改变阻尼比ξ比较困难，减小空压机振动的常用方法是改变系统的频率比和减小激励振幅F0，即增加吊架钢度，使，尽量减小空压机的振动不平衡，使空压机吊架的振动幅度小于3 mm。

2.2 电动空压机共振频率测试

系统的共振频率和激励频率接近时才会出现共振，因此，可以根据激励频率推定系统的共振频率。只要得到共振时的激励频率，就能得到系统的共振频率。可用以下方法来得出共振时的激励频率。

电动空压机系统在取掉皮带后，空压机不工作，振动系统的激励来自电动机转子旋转，并与转子的转速相关。接通电源电动机空转时，系统无共振；电动机在减速后的高速区段系统出现共振：可以推定系统的共振频率低于电动机空转频率；该电动机为三相异步电动机，源频率为50 H z，其同步转速为1 480 r/min（即24.67 H z)，在电动机空载时其转速接近1 480 r/min，因此，可以推定系统的激励频率小于24.67 Hz。

电动机带动空压机运行时系统的激励来自电动机和空压机。空压机空载运行时电动机的转速比空压机打风时的转速高，而空压机空载时系统的振动幅度有所减小，进一步印证了空压机正常工作时出现共振。该电动空压机正常工作时电机的转速为1 450 r/min，由此可以推定该系统激励频率约为24.17 Hz(1 450/60)。得到系统共振的激励频率，也就得到系统的共振频率。

使用有限元法也可求出系统的共振频率。如果计算结果与以上结论一致，便可确认该电动空压机异常振动的原因，为彻底解决该问题提供帮助。

2.3 电动空压机的有限元分析

使用模态分析可以得到系统的各阶模态和相应振型，在设计时避免系统共振。模态分析有自由模态分析和约束模态分析。因该电动空压机的约束明确，故采用约束模态分析。

电动机实际质量为45 kg，三维建模时做成与实际体积近似的质量块；空压机按照质量65 kg三维建模时做成与实际体积近似的质量块；将吊架及吊架与车架的连接梁按照实际尺寸建模，并作适当的简化。

网格划分，结构分析对网格质量要求不是很高，通常采用自动网格划分。网格质量使用Skewness指标。通常Skewness的平均值：对六面体、三角形和四边形，应小于0.8；对四面体应小于0.9。使用ANASYS进行网格划分，其简图如图3所示。

图3 电动空压机装置三维模型网格划分简图

以吊架与车架主梁连接部分的刚性约束作为边界条件，使用ANASYS进行模态分析，其边界条件简图如图4所示。

图4 电动空压机装置边界条件简图

使用ANASYS进行模态分析，其6阶模态和相应振型如表1所示。

从表1可知：电动空压机的1阶模态的频率为21.027 Hz，振型为横向振动。1阶模态属于主振动，其振型与电动空压机的异常方向一致，可用作异常振动的原因分析。

表1 电动空压机6阶模态及其振型图

2.4 电动空压机异常振动的综合分析

通过电动空压机振动问题排查及试验分析得知：电动空压机在电动机转动时因旋转部件的转动不平衡产生周期性的作用力，这个作用力频率接近24 Hz，将此看作激励频率；通过有限元计算得知，电动空压机的1阶模态频率为21.03 Hz，将此看作系统固有频率。激励频率与系统固有频率比值为1.14（24/21.03），这个值大于0.707（1/21/2）且小于1.414（21/2），频率比接近1；电动空压机异常振动方向为横向振动，与有限元计算的1阶模态振型一致。基于以上两点可得出结论：电动空压机振动原因为系统共振。

3 电动空压机异常振动的解决方法

系统共振问题可从改变系统的输入频率与固有频率的比值入手，也可通过增加阻尼或隔离振源的方法入手。对电动空压机来说，改变系统固有频率的方法最简单，成本最低。通过改变空压机吊架及连接的刚度，使激励频率与系统固有频率比值大于1.414或小于0.707，便可解决共振问题。

通过刚度分析得知：此空压机的吊架与轨道车主梁的连接刚度较小。提高空压机吊架与主梁的连接刚度可提高空压机装置的固有频率；为安全起见，将空压机的吊架一并加强。提高空压机吊架与主梁的连接刚度方法是：①将主梁上的空压机安装横梁加强，如图5所示，在空压机横梁上增加盖板，使其截面由“[”形变为“□”形，增加抗扭刚度；②在轨道车主梁上的空压机安装竖梁上增加筋板(图5中筋板4)，增加其抗弯刚度。提高空压机吊架的方法是在空压机吊架上增加筋板(图5中筋板1、2、3)。

图5 改进后的电动空压机装置（单位：mm）

为验证改进方案的有效性，再次进行模态分析。按照变更后的结构建立三维模型，将三维模型输入ANSYS进行模态分析。其网格划分简图如图6所示，其ANSYS分析的6阶模态及其振型图如表2所示。

图6 改进后的电动空压机三维模型网格划分简图

表2 改进后的电动空压机6阶模态及其振型图

因其1、2、3、4阶模态的振型为局部振动，与空压机振动无关，不能作为分析依据。5阶模态为系统固有频率，振型与空压机振动一致，可作为分析依据。此时激励频率与系统固有频率比值为0.24（24/99.479），且小于0.707（1/1.414）的频率比，满足防止共振的设计要求。

上述改进方案经过实际验证，没有出现异常振动，效果良好，解决了该电动空压机异常振动的问题。

4 结论

通过对轨道车电动空压机异常振动的分析，并用有限元模拟分析进行了对比，验证了异常振动的原因。通过改变电动空压机的结构和强度，从而改变其固有频率，防止出现共振现象。经过仿真模拟获知，改进后的电动空压机的固有频率远离其激励频率，因此，确定了解决异常振动的方案。最后经过实际验证，改进后的结构没有出现明显的振动现象。因此，整个分析、试验、论证及最后设计改进是成功的，该方法可以有效地解决同类问题，同时对新产品的设计、优化以及研发具有重要的指导意义。

[1] W Soedel. DESIGN AND MECHANICS OF COMPRESSOR VALVE [M]. 陕西西安：西安交通大学出版社，1986.

[2] 程耀东，李培玉. 机械振动学（线性系统）[M]. 浙江杭州：浙江大学出版社，1988.

[3] 尤详胜. 往复式空气压缩机振动故障诊断[J]. 压缩机技术，2006(4)：19-23.

[4] 段进，倪栋，王国业. ANSYS10.0结构分析从入门到精通[M]. 北京：兵器工业出版社，2006.

责任编辑 冒一平

Analysis and Improvement of Vibration of Electric Air Compressor for Heavy Rail Vehicle

Zhang Bingqi

Abnormal vibration of a few electric air compressors in the air brake system occurs on a heavy rail vehicle. The testing method is used to get excitation frequency in the electric compressor. By using finite element method, the resonance frequency of electric air compressor is obtained. The structure of electric air compressor is changed, and by using finite element method the improved scheme is calculated and system-wide resonance is properly avoided. Through the actual verification, it is found that the abnormal vibration of the electric air compressor disappears, and the problem is solved completely.

electric air compressor, abnormal vibration, resonance, finite element calculation

U260.35+1

2015-03-31

张兵奇：宝鸡南车时代工程机械有限公司，工程师，陕西宝鸡 721000