摘" 要：本文以25kV交流軌道車輛高壓供電系統(tǒng)的真空斷路器為研究對象，基于TRIZ理論的軌道交通車輛先進降噪材料開發(fā)研究，聚焦于解決真空斷路器在軌道交通車輛運行中產生的噪聲問題，針對其容易產生真空滅弧室失效、機械操動機構卡澀、電弧重燃過電壓及控制電路失效等問題產生的噪聲污染。引入TRIZ理論，通過功能分析、因果分析及物場模型構建，系統(tǒng)識別噪聲傳遞路徑與關鍵矛盾。

研究成果不僅實現了降噪目標，還衍生出多項專利與技術成果，如《吸聲裝置》專利及新型降噪材料的開發(fā)，預計年產值達750萬元，市場規(guī)模擴展至1.3億元。社會效益方面，項目提升了列車乘坐舒適性，降低了運營風險，同時通過創(chuàng)新方法的應用培養(yǎng)了一批具備TRIZ思維的技術人才，為企業(yè)技術能力提升和行業(yè)標準推廣奠定基礎。

一、需求分析

真空斷路器作為 25kV 交流軌道車輛高壓供電系統(tǒng)的核心設備，安裝于列車頂部，致使該區(qū)域噪聲源高度集中，噪聲傳遞路徑短且透聲面積大。同時，高壓箱體與斷路器表面結構的聲反射作用，在斷路器結構周邊形成混響聲場，使得斷路器開、合閘時產生的瞬時噪聲、氣動噪聲，成為車內噪聲傳播的主要來源，直接影響乘客的乘坐舒適性。此外，真空斷路器的組件采用金屬薄板結構，存在隔聲薄弱環(huán)節(jié)，1000Hz 以下的中低頻噪聲尤為突出，加之減振降噪空間有限，給整車噪聲控制工作帶來較大挑戰(zhàn)。

1.1 噪聲問題分析

真空斷路器通過矩形法蘭盤安裝于車體頂板上，其上部位于車體頂板之上，而下部處于車體頂板與內裝頂板之間，結構如圖1所示。

真空斷路器工作時瞬時噪聲主要位于其下部，產生原因與工作原理有關，其驅動機構運動是真空斷路器噪聲的主要來源，如表1所示。

在未采取隔振降噪措施的情況下，于客車室內距地板1.6米測得的真空斷路器合閘時的1/3倍頻程噪聲頻譜特性，依此作為降噪設計和分析依據，其輻射能量主要分布在100Hz-2000hz之間，最大峰值出現在1000Hz。

1.2 噪聲問題處理

針對真空斷路器的噪聲問題，通過隔聲罩降噪處理盡量降低真空斷路器的噪聲水平，撞擊噪聲通過空氣傳播到車體，隔聲罩在中間阻隔噪聲的傳播，其多層結構減弱聲波振動的傳遞。

在真空斷路器工作時，高速氣體從排氣孔噴射，產生較大氣動噪聲。為解決該問題，設計一個多孔板結構構成的消聲器。

未進行隔聲處理的真空斷路器噪聲為92.6dB，加入消聲器后真空斷路器噪聲降低了約5dB。

1.3 TRIZ創(chuàng)新方法需求

本項目的真空斷路器對噪聲大小、尺寸和結構提出了較高的要求。根據功能分析及客戶需求，主要需要解決以下問題：

1） 真空斷路器輻射噪聲問題；

2）真空斷路器泄露噪聲問題；

3）真空斷路器振動噪聲問題。

二、問題分析

2.1 組件分析

首先對真空斷路器進行組件分析，真空斷路器主要由彈簧、底座、活塞、線圈、電磁閥和泄壓閥組成。真空斷路器是通過活塞與通電線圈之間的電磁力進行開閘和合閘，以此來接通和斷開電源。其中開合閘是活塞與底座進行接觸，由于慣性作用，兩個部件在接觸時會發(fā)生碰撞，產生振動和噪聲。而線圈的通電又由電磁閥控制，電磁閥的運行需要氣流提供動力，因此在該工作過程中泄壓閥會有排氣動作，進而產生氣動噪聲。

2.2 功能分析

在組件分析基礎上進行關鍵功能的功能模型分析，真空斷路器中的開關和控制部件作為研究系統(tǒng)，外部的保護罩、框體、彈簧和外部環(huán)境因素作為超系統(tǒng)進行分析，得到不足、過剩、有害作用，更好的解釋系統(tǒng)中部件之間的相互作用。

2.3 解決思路

綜上所述，本項目按以下三步進行降噪設計，分別是：

1） 系統(tǒng)減振，盡量減少噪聲從真空斷路器保護罩以外范圍輻射；

2）解決保護罩開孔造成的噪聲問題；

3）開發(fā)保護罩低頻吸聲功能。

三、問題求解

3.1 提高系統(tǒng)減振能力

系統(tǒng)的大幅振動會造成噪聲，為了解決系統(tǒng)減振能力不足的問題，采用物場分析法，參考76個標準解中的S2.1.1串聯式復合物場和S2.2.1利用更易控制的場替代。

根據2.1.1，設計了方案1和2，在設備的連接處加入阻尼減振，或者使用剛柔結合的活塞。根據2.2.1，我們將活塞與線圈的碰撞接觸改為摩擦接觸，減小沖擊振動。

3.2 解決開孔泄露問題

保護罩開口造成的噪聲，主要是泄壓閥排出的高速氣流與外部空氣剪切產生的。采用物場分析，參考S1.2.1，引入S3消除有害作用。

參考高鐵隧道的緩沖方案，設計了一種減速降噪的裝置，消除高速氣流對空氣的有害作用，并進行了相關的研究驗證。

另一方面，保護罩開孔會導致內部噪聲的泄漏，但不開孔會影響泄壓閥排氣，且氣流對保護罩也會產生一定損害。參考物理矛盾，采用時間分離法解決保護罩開孔和不開孔的矛盾。

根據時間分離方法，設計出兩種方案。方案5是利用橡膠片，構成具有延時開關功能的密封裝置，氣流在保護罩內緩沖，當壓力達到閾值時，開關打開泄壓。方案6是采用機械控制的開關，在真空斷路器不產生噪聲時打開泄壓。

3.3 提高系統(tǒng)的吸聲能力

為了不讓內部噪聲傳遞到外部，需要提高保護罩的低頻吸聲能力，因為真空斷路器噪聲主要在低頻段。常用的解決方法主要是采用多孔吸聲材料，但吸聲棉防火性能差，不適用于車載設備中。參考物場分析的S2.1.1和S2.2.6，解決吸聲棉防火問題。

方案7參考串聯式復合場，使用防火涂層隔離吸聲棉和火源。方案8通過在吸聲棉內混合新型防火材料，如氣凝膠，構成新型材料，使其同時具有吸聲和防火性能。

另一種常用方法是采用微穿孔面板，但其需要較大的面板或空腔厚度才能有效吸收低頻噪聲，而這會導致其體積過大。參考技術矛盾，根據矛盾矩陣得到四種創(chuàng)新原理。

參考曲面化原理，將后部空腔設計成迷宮型，延長長度。參考抽取原理，抽取穿孔板的有用部分，即孔壁，結合曲面化原理，設計曲線導管與面板相接，變相延長面板厚度。根據重量補償原理，在保護罩內采用主動降噪設備，利用反向消聲降低噪聲。

同時，微穿孔板的另外一個問題是吸聲頻率單一，有效頻段窄。為了提升結構的通用性，就需要大面積的穿孔板。

參考分割原理，將面板分割為多個部分，針對不同部位的輻射噪聲，排列組合不同的吸聲面板和空腔。

四、方案匯總和評價

通過以上創(chuàng)新方法得到12個方案，從成本、維護和有用功能三個維度對以上方案進行評價，結果如表2對方案所示。理想度進行分析得到：方案1、2、5、9、12理想度較高，最終選取這5個方案，構成最終的降噪方案。

為控制軌道車輛真空斷路器的噪聲控制，針對真空斷路器的進行功能分析及振動噪聲機理的因果分析后，提出了一種真空斷路器隔聲罩，以及排氣消聲器裝置。依據表2的振動噪聲控制技術方案，采用3D打印等加工方式制作樣件，經過多次試驗驗證和優(yōu)化，最終方案使得真空斷路器噪聲降至80dB以內，達到設計目標。

五、效益推廣

5.1 社會效益

本項目是創(chuàng)新方法產品應用的典范，實現了真空斷路器隔聲罩的開發(fā)，其創(chuàng)新性開發(fā)的意義，真空斷路器隔聲罩適用于各種形式的列車，降噪效果好、穩(wěn)定性強等優(yōu)點，對后續(xù)的平臺化應用和推廣具有較大的意義，同時將為企業(yè)帶來經濟效益和品牌影響。

5.2 專利成果

目前申請并受理專利5項，其中專利《吸聲裝置》獲“中國科技創(chuàng)新發(fā)明成果”——金翅獎。

并且依據上述研究，已經針對軌道車輛整車噪聲控制場景開發(fā)出三種新型降噪材料，可適用于不同的軌道交通場景應用需求。目前真空斷路器消聲保護罩已完成大部分測試驗證，投產后預計年需求量1.5萬套，產值750萬。延伸出的先進降噪材料正在進行工藝改進和驗證，預計市場規(guī)模1.3億元。