郭建強(qiáng)，葛劍敏，張華麗

(1.同濟(jì)大學(xué)物理科學(xué)與工程學(xué)院 上海，200092)(2.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司 青島，266111)

高速列車受電弓區(qū)車內(nèi)噪聲研究與控制*

郭建強(qiáng)1,2，葛劍敏1，張華麗2

(1.同濟(jì)大學(xué)物理科學(xué)與工程學(xué)院 上海，200092)(2.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司 青島，266111)

針對(duì)高速列車受電弓區(qū)噪聲相對(duì)較高的問題，提出受電弓減振安裝方案，并在模擬實(shí)車環(huán)境下驗(yàn)證了其降噪效果和可靠性。首先，在某高速列車上進(jìn)行了線路運(yùn)行條件下受電弓區(qū)振動(dòng)和噪聲測(cè)試，分析發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)振動(dòng)是該區(qū)域噪聲傳播的重要方式，設(shè)計(jì)了一種獨(dú)特的錐形橢圓結(jié)構(gòu)減振座，用于受電弓彈性安裝；其次，搭建了模擬現(xiàn)車試驗(yàn)臺(tái)，驗(yàn)證減振座的降噪效果；最后，進(jìn)行了總計(jì)252萬(wàn)次的疲勞試驗(yàn)以驗(yàn)證減振座的可靠性。試驗(yàn)結(jié)果表明，該減振座能夠有效減小受電弓振動(dòng)對(duì)車體的激勵(lì)，從而降低該區(qū)域的噪聲，降噪效果約為4 dB(A)，其疲勞可靠性能夠滿足線路運(yùn)行要求。

高速列車； 受電弓噪聲； 減振座； 模擬現(xiàn)車試驗(yàn)臺(tái)

引 言

受電弓噪聲是高速列車的主要噪聲源之一，在350 km/h速度級(jí)下，其噪聲強(qiáng)度超過(guò)了輪軌噪聲，成為列車的最大噪聲源，對(duì)車輛運(yùn)行輻射噪聲和客室內(nèi)噪聲均有較大影響[1-3]。因此，受電弓噪聲控制成為高速動(dòng)車研制過(guò)程中不可回避的重點(diǎn)課題，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)受電系統(tǒng)噪聲進(jìn)行了研究。日本在受電弓弓體氣動(dòng)噪聲控制方面的研究較為領(lǐng)先，主要體現(xiàn)在弓體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化、流線型包覆、導(dǎo)流罩和弓頭氣流控制4個(gè)方面。文獻(xiàn)[4]介紹了FASTECH360試驗(yàn)列車對(duì)兩種受電弓結(jié)構(gòu)和多種導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)進(jìn)行的對(duì)比測(cè)試情況，提出的單臂受電弓至今仍為氣動(dòng)噪聲最為優(yōu)異的受電弓之一[4]。另外，日本在受電弓弓頭及其外形結(jié)構(gòu)的流線型包覆上做了許多努力，風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果顯示了這些努力的有效性[5]。在最新的研究資料中，日本對(duì)受電弓弓頭進(jìn)行氣流控制優(yōu)化，進(jìn)一步降低了弓頭的氣動(dòng)噪聲[6-7]。國(guó)內(nèi)在受電弓導(dǎo)流罩氣動(dòng)噪聲優(yōu)化方面也做了一些仿真研究，指出合理的導(dǎo)流罩設(shè)計(jì)可以大幅度降低噪聲，不合理的設(shè)計(jì)會(huì)使導(dǎo)流罩本身也成為聲源[8]。這些研究主要是從受電弓本身進(jìn)行氣動(dòng)性能優(yōu)化，重點(diǎn)關(guān)注車外輻射噪聲特性。

國(guó)內(nèi)在高速列車線路運(yùn)行試驗(yàn)中，對(duì)受電弓區(qū)車體振動(dòng)和噪聲傳遞規(guī)律進(jìn)行了測(cè)試分析，并對(duì)隔聲處理措施的效果進(jìn)行了試驗(yàn)評(píng)價(jià)[9-11]，但隔聲措施通常需要增加較大的重量，對(duì)于結(jié)構(gòu)彎曲振動(dòng)產(chǎn)生的噪聲控制效果不理想。因此，筆者從測(cè)試和分析受電弓區(qū)車內(nèi)噪聲與內(nèi)飾板振動(dòng)的關(guān)系入手，說(shuō)明受電弓區(qū)噪聲傳播方式，從減振的角度開發(fā)一種能夠有效控制受電弓區(qū)噪聲的輕量化結(jié)構(gòu)。

1 研究方法

1.1 總體思路

根據(jù)高速列車線路運(yùn)行噪聲測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的受電弓區(qū)車內(nèi)噪聲相比客室其他區(qū)域偏高的問題，提出了如圖1所示的總體研究思路。首先，進(jìn)行已有車輛的線路運(yùn)行噪聲和振動(dòng)測(cè)試，根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)分析受電弓區(qū)噪聲的頻譜特性及其傳播途徑；然后，有針對(duì)性地制定控制措施，在試驗(yàn)室條件下對(duì)控制措施的應(yīng)用效果進(jìn)行驗(yàn)證和優(yōu)化，以確定最終裝車方案。

圖1 總體研究思路Fig.1 The overall research approach

1.2 線路運(yùn)行噪聲和振動(dòng)測(cè)試方法

在車輛運(yùn)行工況下，采用多通道數(shù)據(jù)采集儀，同時(shí)測(cè)試車體外表面聲壓、車體振動(dòng)、內(nèi)飾板振動(dòng)和車內(nèi)聲壓分布。車體外表面噪聲采用B&K的表面?zhèn)髀暺鬟M(jìn)行測(cè)試，車體和內(nèi)飾板的振動(dòng)采用加速度傳感器測(cè)試，車內(nèi)聲壓分布采用可移動(dòng)式麥克風(fēng)陣列進(jìn)行測(cè)試，受電弓區(qū)安裝座的受力特性采用特殊設(shè)計(jì)的受力天平進(jìn)行測(cè)試。這些數(shù)據(jù)用于后續(xù)噪聲傳遞特性分析及試驗(yàn)驗(yàn)證。

1.3 應(yīng)用效果驗(yàn)證方法

為了使試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)車應(yīng)用效果更接近，根據(jù)實(shí)車尺寸結(jié)構(gòu)搭建了專用的模擬現(xiàn)車試驗(yàn)臺(tái)，如圖2所示。試驗(yàn)臺(tái)車頂為實(shí)車結(jié)構(gòu)(現(xiàn)車鋁合金車體)，縱向涵蓋整個(gè)受電裝置安裝范圍，并考慮車頂振動(dòng)模態(tài)特性，長(zhǎng)度定為5 m，四周墻壁為400 mm厚混凝土墻，車內(nèi)空間接近現(xiàn)車尺寸。在車頂受電弓安裝座上進(jìn)行激勵(lì)，測(cè)試采取減振安裝措施前后車體振級(jí)及車內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)的聲壓級(jí)變化。

圖2 模擬現(xiàn)車試驗(yàn)臺(tái)Fig.2 The real-car-simulating test bench

1.4 振級(jí)和聲壓級(jí)的歸一化處理

在模擬現(xiàn)車試驗(yàn)臺(tái)上采用激振器進(jìn)行激勵(lì)時(shí)，難以保證每次的激振力都完全一致。為避免激振力差異對(duì)結(jié)果的影響，對(duì)振動(dòng)和噪聲以力為基準(zhǔn)進(jìn)行歸一化處理，獲得單位力振級(jí)和單位力聲壓級(jí)。

每個(gè)倍頻程下的單位力振級(jí)為

(1)

其中：aRMS,i為第i個(gè)倍頻程的實(shí)測(cè)振動(dòng)加速度(m/s2)；a0為參考振動(dòng)加速度值[12]，取值為10-6m/s2；fi為第i個(gè)倍頻程的實(shí)測(cè)力幅值(N)。

每個(gè)倍頻程下的單位力聲壓級(jí)為

(2)

其中：pe,i為第i個(gè)倍頻程的實(shí)測(cè)聲壓級(jí)(Pa)；p0為參考聲壓值，取值為2×10-5Pa；fi為第i個(gè)倍頻程的實(shí)測(cè)力幅值(N)。

2 受電弓噪聲與振動(dòng)特性

2.1 受電弓區(qū)噪聲源分析

如圖3所示，根據(jù)產(chǎn)生原理的不同，受電弓區(qū)的噪聲振動(dòng)源可分為4類:a.列車高速與氣流相互作用，在車體表面形成的氣動(dòng)壓力；b.高速氣流與車體表面摩擦產(chǎn)生的聲學(xué)壓力；c.受電弓在高速氣流和弓網(wǎng)接觸力作用下產(chǎn)生的振動(dòng)；d.受電系統(tǒng)與高速氣流相互作用產(chǎn)生高強(qiáng)度噪聲，對(duì)車體表面產(chǎn)生聲學(xué)壓力。其中:a和c屬于振動(dòng)激勵(lì)；b和d屬于噪聲激勵(lì)。由于在受電弓區(qū)，這兩種激勵(lì)均很大，因此受電弓區(qū)噪聲控制從隔聲和減振兩方面同時(shí)開展。

圖3 受電弓區(qū)噪聲源示意圖Fig.3 Schematic diagram of the noise sources of pantograph area

2.2 噪聲特性

線路運(yùn)行測(cè)試結(jié)果表明，在350 km/h速度級(jí)下受電弓區(qū)車外噪聲比非受電弓區(qū)高約6～8 dB(A)，噪聲頻譜呈現(xiàn)寬頻特性。

由于車體結(jié)構(gòu)高頻隔聲性能優(yōu)良，噪聲傳到車內(nèi)后，1 600 Hz以上快速衰減，在該頻段受電弓區(qū)和非受電弓區(qū)噪聲差別不大，但在1 kHz以下頻段，受電弓區(qū)車內(nèi)噪聲顯著高于非受電弓區(qū)，如圖4所示?？梢姡茈姽瓍^(qū)車內(nèi)噪聲控制應(yīng)重點(diǎn)針對(duì)1 kHz以下頻帶采取措施。

圖4 350 km/h車內(nèi)噪聲頻譜Fig.4 The internal noise spectrum at 350 km/h

2.3 振動(dòng)特性

噪聲傳播與結(jié)構(gòu)振動(dòng)密切相關(guān)。350 km/h速度級(jí)下內(nèi)飾板振動(dòng)測(cè)試結(jié)果表明，受電弓區(qū)內(nèi)飾頂板振級(jí)比普通車大10 dB以上，如圖5所示。為了便于與噪聲頻譜對(duì)比，圖5給出了1/3倍頻程下的振級(jí)頻譜?？梢钥闯?，受電弓區(qū)車體的中高頻振動(dòng)很大，但由于內(nèi)飾板采用了減振安裝結(jié)構(gòu)，這些中高頻的振動(dòng)得到有效控制。與非受電弓車相比，受電弓區(qū)內(nèi)飾頂板振動(dòng)較大的頻段在1 kHz以下，這與圖4的噪聲頻譜基本吻合，說(shuō)明受電弓區(qū)內(nèi)飾頂板振動(dòng)輻射噪聲對(duì)車內(nèi)噪聲有顯著貢獻(xiàn)。

圖5 350 km/h振級(jí)頻譜Fig.5 The vibration level at 350 km/h

2.4 受電弓安裝座受力特性

在受電弓底座和車頂安裝座之間安裝力傳感器，可以直接獲得線路運(yùn)行狀態(tài)下車體受到的力激勵(lì)。在350 km/h速度下車體安裝座的受力如圖6所示。從3個(gè)方向力時(shí)域圖可以看出，垂向力(Fz)遠(yuǎn)大于橫向力(Fx)和縱向力(Fy)，因此后續(xù)試驗(yàn)中僅考慮了垂向力激勵(lì)的影響。

圖6 受電弓安裝座受力Fig.6 The forces acting on pantograph mounting

3 解決方案

從兩個(gè)方面采取措施對(duì)受電弓區(qū)車內(nèi)噪聲控制：a.提高車體結(jié)構(gòu)的隔聲性能；b.降低該區(qū)域車體結(jié)構(gòu)的振動(dòng)。由于該動(dòng)車組受電弓區(qū)已采取了多種隔聲措施，再繼續(xù)進(jìn)行隔聲處理往往需要增加較多重量，不符合高速列車輕量化設(shè)計(jì)要求，因此筆者主要從減振方面進(jìn)行降噪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)較小的重量代價(jià)達(dá)到降低車內(nèi)噪聲的目的。

分析可知，受電弓振動(dòng)通過(guò)弓體與車體之間的安裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行傳遞，該動(dòng)車受電弓與車體之間為剛性連接，如圖7(a)所示，弓體振動(dòng)沒有經(jīng)過(guò)衰減，直接傳遞到車體上。若在兩者之間增加減振結(jié)構(gòu)，則可大大減小傳遞到車體上的振動(dòng)激勵(lì)。綜合考慮安全性、氣動(dòng)性能和可維護(hù)性三方面的因素，設(shè)計(jì)了一種獨(dú)特的錐形橢圓結(jié)構(gòu)[13]，如圖7(b)所示。

圖7 受電弓安裝結(jié)構(gòu)Fig.7 The mounting structure of pantograph

減振安裝結(jié)構(gòu)采用橡膠做為主要減振元件，設(shè)計(jì)硬度為shore A 65°，內(nèi)套和外套為鋁合金材料，材料的接合面與水平面成55°角，三部分通過(guò)硫化工藝成型。該結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn)[14]：a.55°的錐形夾角使得在減振材料破壞的極端惡劣情況下，受電弓也不至于脫落，保證了行車的安全性；b.橢圓形結(jié)構(gòu)能夠有效降低氣動(dòng)噪聲，使安裝結(jié)構(gòu)具有優(yōu)良的氣動(dòng)性能；c.錐形結(jié)構(gòu)是復(fù)合型減振器的特征，保證減振器在承受垂向和橫向載荷時(shí)的優(yōu)良性能；d.減振座與車體剛性支撐座和受電弓之間均通過(guò)螺栓連接，便于拆卸和維護(hù)。

4 降噪效果驗(yàn)證

4.1 減振效果

減振效果用振級(jí)衰減表征，減振前后的振級(jí)差如圖8所示。從試驗(yàn)結(jié)果看出，減振安裝結(jié)構(gòu)總體減振效果較為理想，在300 Hz以上頻段最為顯著。噪聲的衰減規(guī)律與振級(jí)類似，在160 Hz，350 Hz～630 Hz及1250 Hz以上頻段降效果顯著。減振安裝結(jié)構(gòu)的應(yīng)用有助于減小受電弓振動(dòng)對(duì)車體的激勵(lì)，從而達(dá)到降低車內(nèi)噪聲的目的。

圖8 減振結(jié)構(gòu)應(yīng)用效果Fig.8 The application effect of the absorber

4.2 對(duì)車內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)的貢獻(xiàn)度分析

減振降噪結(jié)構(gòu)應(yīng)用的最終目的是降低車內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)噪聲。根據(jù)ISO 3381《鐵路應(yīng)用 聲學(xué) 軌道車輛內(nèi)部的噪聲測(cè)量》規(guī)定，車內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)為距客室地板表面1.2 m高度的測(cè)點(diǎn)。為了驗(yàn)證車內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)噪聲隨激振力的變化關(guān)系，采用不同幅值的力進(jìn)行激勵(lì)，獲得的“力-聲壓級(jí)”曲線如圖9所示。車內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)聲壓級(jí)與激振力的對(duì)數(shù)成線性關(guān)系，線性回歸得到的兩條直線近似平行，節(jié)距相差約為4 dB，即減振結(jié)構(gòu)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)的總體貢獻(xiàn)度約為4 dB。

圖9 標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)聲壓級(jí)與激振力的關(guān)系Fig.9 The relationship of the sound pressure level at the standard point and the exciting force

5 疲勞強(qiáng)度驗(yàn)證

疲勞試驗(yàn)按照TB/T 2843-2007 《機(jī)車車輛用橡膠彈性元件通用技術(shù)條件》附錄E和TB/T 2841-2010 《鐵道車輛空氣彈簧》的相關(guān)方法進(jìn)行。試驗(yàn)載荷來(lái)源于線路實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分別為明線載荷和隧道載荷。其中，隧道載荷動(dòng)態(tài)幅值為明線載荷的2.5倍。根據(jù)最大主應(yīng)力仿真計(jì)算結(jié)果，y方向的作用力貢獻(xiàn)不大，所以試驗(yàn)時(shí)只加載x和z兩個(gè)方向的載荷。試驗(yàn)過(guò)程中明線載荷與隧道載荷交替進(jìn)行，明線200萬(wàn)次，隧道52萬(wàn)次，各分4個(gè)階段進(jìn)行試驗(yàn)，每個(gè)階段結(jié)束后測(cè)試動(dòng)靜剛度值并計(jì)算剛度變化率。

試驗(yàn)后減振安裝座的動(dòng)靜剛度變化率如表1所示。TB/T 2843-2007對(duì)疲勞試驗(yàn)后靜態(tài)性能的變化范圍要求為正常標(biāo)準(zhǔn)在±20%、加嚴(yán)標(biāo)準(zhǔn)為±15%。根據(jù)表1的數(shù)據(jù)，減振安裝座靜剛度變化最大為8.3%，滿足加嚴(yán)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

某高速列車的線路測(cè)試數(shù)據(jù)表明，受電弓區(qū)車內(nèi)噪聲高于其他區(qū)域，而結(jié)構(gòu)振動(dòng)是該區(qū)域噪聲傳播的重要方式。在原有隔聲結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，筆者設(shè)計(jì)了一種受電弓減振安裝座，通過(guò)減小受電弓振動(dòng)對(duì)車體的激勵(lì)，降低車內(nèi)噪聲。模擬現(xiàn)車試驗(yàn)臺(tái)的測(cè)試結(jié)果表明，相對(duì)于剛性安裝結(jié)構(gòu)，該減振座具有良好的減振性能，有助于降低受電弓對(duì)車體的振動(dòng)激勵(lì)，使車內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)噪聲降低約4 dB。高速列車受電弓安裝對(duì)安全性要求較高，筆者設(shè)計(jì)的減振安裝座不僅從結(jié)構(gòu)上保證了安全性，而且經(jīng)過(guò)疲勞試驗(yàn)驗(yàn)證，能夠滿足線路運(yùn)行條件對(duì)可靠性的要求。

表1 疲勞試驗(yàn)后減振安裝座動(dòng)靜剛度變化率Tab.1 The rate of stiffness change after fatigue test

[1] Thompson D J.Railway noise and vibration mechanisms,modelling and means[M].The Netherlands:Elsevier Ltd.,2009:280-312.

[2] Mellet C,Létourneaux F,Poissonb F,et al.High speed train noise emission:latest investigation of the aerodynamic/rolling noise contribution[J].Journal of Sound and Vibration,2006,293:535-546.

[3] 張曙光.京滬高速鐵路系統(tǒng)優(yōu)化研究[M].北京：中國(guó)鐵道出版社,2009:108-109.

[4] Kurita T,Hara M,Yamada H.Reduction of pantograph noise of high-speed trains[J].Journal of Mechanical Systems for Transporttation and Logistics,2010,3(1):63-74.

[5] Ikeda M,Mitsumoji T,Sueki T,et al.Aerodynamic noise reduction of a pantograph by shape-smoothing of panhead and its support and by the surface covering with porous material[C]∥Notes on Numerical Fluid Mechanics and Multidisciplinary Design.[S.l.]:Springer,2012,118:419-426.

[6] Mitsumoji T,Sueki T,Yamazaki1 N,et al.Aerodynamic noise reduction of a pantograph panhead by applying a flow control method[C]∥Notes on Numerical Fluid Mechanics and Multidisciplinary Design.[S.l.]:Springer,2015,126:515-522.

[7] Tsukanishi M,Toyooka M,Mori T,et al.Development to decrease noise in place along railway-tracks of sanyo shinkansen[C]∥Notes on Numerical Fluid Mechanics and Multidisciplinary Design.[S.l.]:Springer,2012,118:383-388.

[8] 楊帆，鄭百林，賀鵬飛.高速列車集電部氣動(dòng)噪聲數(shù)值模擬[J].計(jì)算機(jī)輔助工程,2010,19(1)：44-47.

Yang Fan,Zheng Bailin,He Pengfei.Numerical simulation on aerodynamic noise of power collection equipment for high-speed trains[J].Computer Aided Engineering,2010,19(1)：44-47.(in Chinese)

[9] 陳宗廣，郭建強(qiáng)，王東鎮(zhèn)，等.高速列車受電弓處車體振動(dòng)研究[C]∥第十屆全國(guó)振動(dòng)理論及應(yīng)用學(xué)術(shù)會(huì)議論文集:上冊(cè).南京：南京航空航天大學(xué),2011:268-270.

[10]廖欣，梁君海，孫召進(jìn)，等.受電弓對(duì)高速列車噪聲的影響[J].聲學(xué)技術(shù),2011,30(4):171-174.

Liao Xin,Liang Junhai,Sun Zhaojin,et al.Pantograph′s impact on the noise of high-speed train[J].Technical Acoustics,2011,30(4)：171-174.(in Chinese)

[11]Guo Jianqiang,Ge Jianmin,Sun Zhaojin,et al.The mechanism of the noise transmission in the carbody of high-speed trains[J].Applied Mechanics and Materials,2015,724:250-255.

[12]全國(guó)聲學(xué)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)聲學(xué)基礎(chǔ)分委員會(huì).GB3238—82 聲學(xué)量的級(jí)及其基準(zhǔn)值[S].北京：技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)出版社,1983.

[13]林君山，孫召進(jìn)，宋曉文，等.車頂受電系統(tǒng)減振連接裝置及其方法:中國(guó),103129400A[P].2013-06-05.

[14]孫召進(jìn)，郭建強(qiáng)，李斌.軌道車輛受電弓減振安裝座設(shè)計(jì)與試驗(yàn)驗(yàn)證[J].中國(guó)鐵路，2014，3：45-48.

Sun Zhaojin,Guo Jianqiang,Li Bin.Design and experimental verification of pantograph vibration damper for railway vehicle[J].Chinese Railways,2014,3:45-48.(in Chinese)

10.16450/j.cnki.issn.1004-6801.2017.04.004

* 國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(“九七三”計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2011CB711105)

2015-04-27；

2015-09-06

U270.1+6； TH140

郭建強(qiáng)，男，1980年6月生，博士。主要研究方向?yàn)楦咚倭熊囌駝?dòng)噪聲控制。曾發(fā)表《The mechanism of the noise transmission in the carbody of high-speed trains》(《Applied Mechanics and Materials》2015,Vol.724)等論文。 E-mail:hfutguo@163.com