高速列车牵引实验机电耦合振动研究
项目名称：高速列车牵引实验机电耦合振动研究
项目委托方：中车青岛四方机车车辆股份有限公司
项目受托方：北京交通大学
项目介绍：
高速列车在运行过程中安全性、舒适性与快捷性，往往是旅客最关注的几个问题。牵引传动系统产生的各次谐波，在电机端体现为电机转矩脉动并通过整套轴系装置最终传递到车轮及转向架。从而有可能造成牵引电机与转向架的共振问题。转向架的振动对于旅客乘坐的安全性、舒适性以及对于快捷性的制约，使这个问题在各方面倍受瞩目。转向架振动作用通过车体传递给乘客，从而会影响车辆的乘坐舒适性；各种耦合振动会导致各部件的疲劳损坏，影响客车的使用寿命，甚至影响车辆的运行安全性；各种耦合振动还会引起噪声，影响乘坐舒适性等问题。因此，轨道车辆车体及转向架等部件的弹性振动对车辆的运行品质有着直接的影响。而进行两者耦合分析便显得尤为重要，同时机电耦合分析，一直也是这一领域的一大难题。
高速列车的牵引变压器安装于车体底架下，要具有承受振动、加速度和短路时机械强度的能力，同时牵引变压器工作时由于磁致伸缩效应，会产生一定频率的振动，这种振动如果处理不妥当，将会传递到车体上，有可能将形成共振现象，严重影响车内乘客的舒适性，同时也会产生较大的电磁噪声，对于环境产生一定的噪声污染，对乘客的干扰增强，因此，有必要开展牵引变压器电磁振动及其噪声的研究，用于指导变压器结构的改进设计和振动及噪声的抑制，提高车体悬挂设备的运行安全性和乘客的舒适性。
研究内容：
（1）传动系统耦合振动
本项目将主要从整套装置入手进行研究，主要研究内容将分为以下三个方面：
1、机械方面建立电机、齿轮箱、转向架的列车传动系统动力学模型，其中包括建立统一转速系统，并且建立集中质量模型；建立转向架和车体的多自由度模型，同时对于弹性部分进行建模单独分析；最后就轴系、转向架和车体进行自由振动频率和振动模态分析。
2、电机方面建立牵引传动系统模型，包含四象限变流器、牵引逆变器和电机，同时进行各部分谐波成分的分析，最终分析列车稳态和动态运行时的转矩脉动情况。
3、建立两者的耦合关系，并进行耦合振动分析。分析在牵引/制动运行、空/重载、新轮/磨耗轮、是否存在轮径差等状态下的机电耦合系统动力学性能；分析由于谐波转矩、转子振动、转速波动等输入变化对车辆运行性能的影响。
从机械和电气耦合角度进行分析和研究，采用simulink建立电气的牵引传动模型，并完成转矩脉动的分析，采用simpack建立轴系扭振模型，并完成自由振动分析，结合两者研究结果，开展在转矩脉动条件下的受迫振动分析。最终提出一整套合理的抑制策略。
（2）牵引变压器振动
本项目开展高速动车组用牵引变压器电磁振动及其相关影响因素的研究，分析铁心材料特性、谐波电流、铁心叠积方式等影响因素对变压器振动幅值、变压器振动区域分布趋势、变压器振动频率的影响程度。
1、通常变压器的铁心由硅钢片叠制而成，由于每一叠片都与整个绕组交链，所以所有叠片中的电磁场都相同，因此分析单片硅钢片的振动特性具有重要意义。本项目首先将电磁场理论与弹性力学理论相交叉，选取变压器铁心单片硅钢片为研究对象，建立描述电力变压器铁心电磁振动的数学模型，分析单片硅钢片的弯曲振动现象和规律；
2、以单片硅钢片计算结果为基础，考虑变压器铁心叠积方式、固定安装结构的条件下，建立变压器铁心的细分模型，研究铁心的振动形式和性质；
3、建立包含冷却油道在内的牵引变压器绕组模型，研究不同负载电流情况下的牵引变压器绕组的电磁振动状态；
4、综合考虑牵引变压器全域实体结构，建立牵引变压器铁心、绕组、冷却油道、机壳等全域模型，研究不同部件振动的综合传递过程，分析牵引变压器机壳振动状态及与悬挂部件的振动传递情况。
研究目标：
1、通过对于牵引传动系统中电气环节和机械环节的分析，建立机械、电气两者之间的耦合关系，分析电机转矩脉动对轴系振动的影响。
2、开展牵引变压器电磁振动及其噪声的研究，用于指导变压器结构的改进设计和振动及噪声的抑制，提高车体悬挂设备的运行安全性和乘客的舒适性。
研究成员：李翔飞、赵心颖
各成员研究方向：
李翔飞：高速列车牵引电机-转向架轴系扭振研究
赵心颖：高速列车牵引传动系统扭转振动及其自适应抑制研究
项目进展：
1、建立了异步牵引电机控制模型，完成了转矩脉动成因以及其影响因素分析；
2、建立了电机、齿轮箱、转向架的列车传动系统动力学仿真模型，对驱动系统振动模态进行了分析，并搭建了1.1kW机电耦合振动实验平台；
3、根据变压器相关数据建立了电磁力分析模型，研究了磁致伸缩引起的变压器铁芯振动机理；