宋佩利 赵春祥 王秀慜 赵方
中车永济电机有限公司陕西省西安市 710018
摘要：短编动车组和长编动车组的辅助系统都使用与电源相同的辅助变流器，并且该辅助变流器的悬挂方法从带有V形衬里结构的侧梁上悬挂下来，辅助变流器使用风扇进行强制冷却。风扇的主要功能是消散PWM模块的热量。如果风扇发生故障，辅助变流器的输出功率将降低。如果PWM模块超过安全温度，则辅助变流器将停止工作。风扇支架的损坏可能会导致风扇组件脱落，从而对辅助变流器的可靠运行和操作安全性产生重大影响。
关键词：辅助变流器风扇；箱体裂纹；原因分析
选择动车组时，辅助变流器风扇和箱体裂纹经常发生，并影响操作安全性。通过数值模拟计算和实验测试分析了原因，并提出了改进措施并进行了验证。
一、辅助变流器概述
辅助变流器（辅助电源）通过减振元件连接至车身下部框架的侧梁，外侧裙板和底板连接至辅助转换器盒，以形成机舱的模块化结构。作为动车组辅助电源系统的关键组件，辅助变流器用于将牵引转换器中间电路中的DC链接转换为适用于辅助电气系统的三相AC电源，并通过AC总线将其转换为充电器和AC负载。
二、辅助变流器故障
最近的辅助变流器故障统计数据主要包括风扇支架断裂、箱形裂纹、风扇噪声、IGBT模块损坏和主电路板故障。如表1所示，存在许多故障，例如托架折断和包装箱中的裂纹，这些都会影响行车安全。辅助变流器箱体的裂纹在安装点区域内。从固定点到底板的边缘，有一些裂纹从固定点延伸到底板，也可以在从底板到导流板边缘的焊缝附近找到裂纹，辅助变流器风扇支架折断的位置靠近风扇支架的肋和固定孔。
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三、裂纹故障原因分析
根据辅助变流器风扇的安装环境而定，运行时的振动可能会导致破裂。在辅助变流器的主风扇底板上会产生三种振动源（为便于计算，请指定用于计算的坐标系）。X方向是车身的长度，Y方向是动车组的宽度，Z方向是垂直于地面的方向。首先，从车身传递到辅助变流器的振动。在测试台上模拟辅助变流器在车辆上的安装，执行冲击和振动测试，并测量箱体裂纹和风扇支架振动。结果表明，来自车身的振动被V形轴承吸收，并且振动非常小，可以排除。其次，辅助变流器的变压器振动。辅助变流器变压器的振动的数值模拟计算，风扇部分的变压器振动引起的激振力的计算为100N，最大应力为4.5MIPa（115.5H，123.5H）（X方向的载荷如图1所示）最后，辅助变流器主风扇的振动。计算主风扇运行时的响应曲线和应力分布，如图2所示。经计算，X方向上的34.5 Hk是主动应力的峰值，峰值应力达到22.7 MPa，Y方向上的39 Hk是主动应力的峰值，峰值应力达到20.1 MPa。计算表明，辅助变流器的变压器产生的最大应力仅为4.5 MIPa，小于风扇运行时产生的应力，表明变压器的影响可忽略不计。通过计算和分析，在这两个频率点运行的风扇的联合报告是造成裂纹的主要原因。
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四、主风扇的振动分析
由于风扇在运行过程中会产生大量的应力，因此改进了辅助变流器的主风扇结构，以减少风扇的振动并加强辅助转换器，以防止风扇支架和辅助变流器由于风扇的振动而破裂。风扇位置的机柜强度，风扇控制系统的变化可减少共振区域的运行时间，提高风扇运行频率，避免共振区域完全解决故障是必需的。要首先更改控制系统，需要确定与风扇的振动蜂的值相对应的控制电压。使用在风扇控制电压范围内测量风扇和风扇振动加速度的方法。传感器放置在风扇的四个安装点附近和风扇上。每个测量设备都在X，Y和Z方向上测量加速度。测试期间，主风扇的控制电压为90。内部温度从1V缓慢上升到10V，风扇速度也上升。图3显示了一个简短的EMU测量图，会看到控制电压在5到7V的范围内剧烈振动（图中黑色部分）。图4显示了长分支行集的测量图。可以看出，控制电压在8到9.2V的范围内振动很大，并且电动机在4.5到5.5V的范围内也有很高的振动点（图中黑色部分）。根据上述测试，确定需要对控制系统进行修改，以使风扇快速通过共振频率范围。
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五、辅助变流器的改进和验证
基于以上原因的分析和计算，风扇机柜共振是风扇支架和机柜破裂的根本原因。为解决此问题且不影响车辆性能，请同时升级辅助变流器软件和硬件，更换风扇模型，增加减振垫，并验证方案。
（一）对辅助变流器进行软件和硬件同时升级的方案
已对控制系统进行了修改，以优化风扇速度，缩短风扇谐振的速度范围，并允许主风扇快速通过谐振频率范围，从而使主风扇在谐振频率下的运行时间最短。缩短了使用寿命，减少了由于裂纹引起的振动。改进了现有风扇支架，并加固了风扇底座，厚度为3毫米。为了确认变形的影响，修改了控制系统以增强风扇底座，然后进行了加速测试。测试结果如图5所示。从测量图中可以看到，辅助变流器加固箱后，电动机为5-7V。范围内仍然有清晰的报告。通过比较试验数据，可以提高强度，并在一定程度上解决了风扇支架的开裂问题，但仍然存在共振点，不能完全消除风扇和机箱的开裂故障。
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（二）更换风扇型号及增加减振垫
为了进一步解决该问题，重新选择了风扇以改善风扇叶片的空气动力学性能和电动机的结构性能。弹性阻尼垫已添加到风扇安装板上，执行加载行为测试以验证该方案。测试操作包括三个操作条件：正常操作、线汇合和隧道。首先，新旧风扇参数比较如表2所示。新风扇性能的改进：新风扇叶片的空气动力学性能得到了进一步优化。经过结构优化后，共振频率超出了速度范围，风扇重量减少了0.5kg，最大速度从3400r/min降低到3000r/min。其次，增大减震垫减震垫类型Stop Oho是一种钢制弹簧减震器，具有95％或更高的减震效果，使用寿命为10年，单次负载为15 kg。要查看新风扇的效果，请选择辅助变流器，用新风扇替换其中一个旧风扇，然后安装阻尼垫。同时，将底板替换为带有检测器的底板，并将测试传感器安装在风扇区域。测试周期为2周。经过两周的测试，车辆线路行驶了110,916公里，测试设备完好无损。新风扇没有异常噪音或物理损坏，辅助变流器风扇和盒子也没有裂纹。
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（三）建议
根据以上分析，建议先在风箱板上冲出裂纹的边缘，以制止裂纹，并改善和优化硬件和软件，以防止风箱裂纹继续蔓延。在硬件方面，在原始风扇提升端口上增加了一块加固板，对该板进行了机械加固，增加了四个通孔提升点，并且安全冗余度增加了一倍。即使原始的焊接吊架完全失效，风扇也将继续旋转并正常运行。同时，当控制电压从1V缓慢升至10V时，它会记录风扇的加速度（在90秒内）。在软件方面，风扇速度控制已经过优化，可以避免风扇励磁频率接近34H和39Hz并避免共振，使与相邻频率对应的风扇通过时，控制风扇速度以快速通过频带，并将主风扇速度从1900 rpm快速增加到2700 rpm，以减少风扇在此共振频率下的运行时间。
结语：综上所述，使用安装在动车组上的改进的新风扇进行的测试证明运行良好，并且风扇和机箱开裂的故障不再发生。这表明改进后的结构比以前更好，并且新结构已应用于后续的新建筑项目和5级修理车辆。通过振动试验分析原因后，有目的地对结构进行了改进，通过计算机有限元方法模拟计算确定了结构，创建了一个样本来验证振动试验的计算结果，并进一步验证了车辆。这对于改进和优化动车组辅助变流器的设计结构具有一定的指导意义，此方法还为其他组件的设计和改进提供了技术参考。
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