1.概述
某型动车采用轴流牵引风机对牵引电机进行冷却，见图1，电机功率15kW、转速2920rpm、电压3AC 380V、频率50Hz；风筒采用铝合金材质；风机采用8个M10×30螺栓固定在安装座上，中间为6mm厚三元乙丙橡胶；上部风筒与顶盖间通过弹性橡胶密封条压接。但是在上线运行40万～50万公里后，部分牵引风机出现振动大的现象。2020年10月21日，05车在运行过程中报3位0002#牵引风机振动过大，在线监测数据显示振动值X轴：3.8mm/s、Y轴：14.5mm/s、Z轴：12.1mm/s。2020年10月30日，08车1位0014#牵引风机振动过大，在线监测数据显示振动值X轴：3mm/s、Y轴：20mm/s、Z轴：20mm/s，而牵引风机振动限值为7.1mm/s。
图1 轴流牵引风机
在线监测数据现场调查分析：（1）08车1位0014#牵引风机从2020年2月份开始振动值超出正常值，且振动值逐步增大；（2）05车3位0002#牵引风机从2020年6月5日开始振动值超过正常限值，见图2。
图2 05车3位0002#牵引风机振动数据
2 振动异常溯源分析
2.1 风机振动故障类型分析
风机常见的振动故障主要有受迫振动、结构共振、失速和喘振等，可以采用振动现象、频谱测试来进行识别。可从下图3 牵引风机运行过程的振动图来分析风机振动故障类型，包括牵引风机在起动、运行和停止阶段。
图3 牵引风机运行过程的振动图
1）风机在低速0.5～20Hz时没有振动，而且噪声没有明显增大和低沉，风机的风筒固有频率很高，达314Hz，而旋转失速频率一般在工作频率49.5Hz以下，因此不是失速和喘振；
2）风机在起动和停止时，靠近风机运行阶段附近具有特征频率，因此具有共振的可能性；
3）测试工作频率，转子不平衡力的频谱清晰、振动稳定、频谱干净，而且风机返厂后，振动恢复正常，因此存在受迫振动的可能性；
4）风机在49.5Hz工作频率清晰，且其他频率振动点很小；而气动对风机引起的共振频率较高，且主要表现在噪音上，对风机的振动影响较小；
由以上分析可知，风机振动产生的主要原因初步分析为风机机械共振或受迫振动，排除失速和喘振。
2.2 风机拆解及试验
将两台故障风机返厂进行分析，08车1位0014#牵引风机外观检查主风筒下法兰安装孔位置存在明显变形，垫片安装处存在凹陷的情况，平面度为2.4mm（标准要求不大于1mm），其他无异常， 叶片位置存在积灰，加重平衡块未见松动和脱落现象，防松标识完整。在试验台上对风机单独进行振动测试，风机上端 X轴：3.271mm/s，Y轴：4.434mm/s， Z轴：6.674mm/s；对叶轮进行清洗后检测不平衡量为7.42g，而该款叶轮的出厂标准为不大于0.47g。
05车3位0002#牵引风机外观检查主风筒下法兰安装孔位置存在明显变形，垫片安装处存在凹陷的情况，平面度为2.5mm（标准要求不大于1mm），其他无异常。在试验台上对风机单独进行振动测试，风机上端X轴：10mm/s，Y轴：1.6mm/s，Z轴：12.1mm/s；对叶轮进行清洗后检测不平衡量为5.76g。
同时对两台故障风机的电机进行检查和试验，均合格，无异常现象。
2.3 风机振动故障树分析
风机振动故障树见下图4。
图4 风机振动故障树
基于风机拆解及试验的相关信息，对两台风机振动异常分析如下：
1）05车3位0002# 牵引风机在车上、车下振动超标，叶轮拔掉重新组装后，风机的振动恢复正常，因此随着叶轮和转轴装配逐渐变化，造成转子平衡逐步破坏，引起风机振动。
a）对风机进行拆解，经检测叶轮无损坏变形，叶轮变形满足要求；
b）叶轮上有白色的海绵状异物和纤维，叶片上存在积灰，风机在车上和车下振动超标；积灰前后，叶轮动平衡由6.27g变为5.76g，变化不大；叶轮拔掉重新组装后，风机振动恢复正常值；
c）通过对风机仿真计算分析可知，风机工作在转速49.5Hz频率下，风机振动随着不平衡量的增大而增大；风机振动在20倍的不平衡量时，风机振动的计算和试验结果具有一致性，而且方向也一致；理论和试验分析复现了因叶轮组装偏差导致转子动平衡增大的引起风机振动问题。
风机在1倍动平衡下，风机的振动速度在46Hz存在明显的共振，但共振对风机工作频率振动影响不大，风机在工作频率振动满足要求。风机在10倍动平衡下的振动随着转速的升高，振动越来越大，因此转子动平衡破坏，造成了该风机受迫振动增大。
2）08车1位0014#牵引风机在车上振动超标、车下振动较小，因螺栓扭矩衰减，法兰安装刚度不足，造成风机受迫振动增大；
a）车上风机法兰螺栓连接扭矩：测量风机安装扭矩值（安装正常扭矩为45N.m），风机在运行一段时间后，由于密封垫的弹性逐步衰减，产生塑性变形，螺栓扭矩值有不同程度的下降；
b）扭矩值与风机振动的关系见下表1（密封垫连接故障风机）。从不同扭矩值分析，扭矩越大，故障风机的振动越小；扭矩越小，安装刚度不足，容易造成受迫振动，故障风机振动越大。
表1 扭矩值与风机振动的关系
c）扭矩值与风机约束频率的关系见下表2。密封垫螺栓扭矩越大，风机约束的固有频率也越大；密封垫螺栓扭矩越小，风机的约束固有频率也越小。因此，螺栓扭矩逐步衰减，使得风机约束频率逐步降低，风机的共振频率也越来越远。
表2 扭矩值与风机约束频率的关系
d）风机安装法兰凹陷对风机受迫振动影响分析：通过外观检查，风机法兰安装孔处存在凹陷变形现象，当螺栓扭矩下降后，增加4块6mm的钢质垫片，通过分析计算及试验，风机受迫振动明显改善。
3 改进措施
3.1 确认法兰连接螺栓扭矩值
针对在段动车牵引风机库内持续振动大于7.1mm/s，则在法兰螺栓连接处紧固螺栓扭矩至45N.m，使风机振动恢复正常；
3.2 在法兰连接螺栓处增加钢质垫片
在风筒法兰连接螺栓处等分增加4块6mm的钢质垫片，改进后的风机在运行和起动过程中的振动值降低明显，且低于振动限值7.1mm/s；
3.3 增加法兰厚度
针对新造风机，风筒上、下法兰由4mm增加至5.5mm，并加工安装面，可以使风机和密封垫的匹配性更好，有利于进一步降低振动。
这些改进措施实施后，该型牵引风机的振动得到了明显的改善，现场实测数据与在线监测装置数据相符合，且低于振动限值7.1mm/s，满足标准和使用要求。
参考文献：
[1] 李瑜,邓纪辰,苏义.带减振器的动车组牵引电机冷却风机振动故障诊断及解决方法研究[J].铁道机车与动车,2018,531(05):4-7+59.
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[3] 于欣杰.牵引变流器冷却风机积灰导致异常振动的分析及预防[J].电力机车与城轨车辆,2020,43(04):72-74.
