高速列车车体受电弓平顶声振特性及降噪措施研究

高速列车车体受电弓平顶声振特性及降噪措施研究

惠美玲,郑诗航,沈体强

中车唐山机车车辆有限公司   河北省唐山市   063035

摘要：研究表明，受电弓区域由于其复杂的结构形状在高速运动下产生的强烈气动噪声与振动激励是该区域车内噪声的主要来源，其中振动激励包括受电弓对车体垂直方向的力激励与湍流边界层对顶板的脉动压力激励。受电弓区域车内声源识别结果表明车内噪声也主要由顶板方向贡献。因此对高速列车受电弓区域进行减振降噪研究对控制该区域车内噪声，改善整体车内声学环境尤为必要。基于此，本文章对高速列车车体受电弓平顶声振特性及降噪措施研究进行探讨，以供参考。

关键词：高速列车车体；受电弓；平顶声振特性；降噪措施

引言

高速列车车内噪声问题不容忽视。根据噪声传播途径，噪声控制方法一般采用声源处控制和传播途径控制。针对传播路径，可采用隔声、吸声等措施。高速列车采用新型的轮毂电机驱动橡胶轮胎。由于列车采用的低地板设计，故车轮区域大部分布置于客室内。胎地噪声和轮毂电机噪声声源将对车内噪声产生显著影响。为了更好地控制列车车内噪声水平，板件结构设计须满足相关声学规范的要求。

一、问题的提出

随着我国高速铁路的快速发展，高速列车的商业运营速度早已突破300km/h，“十四五”铁路发展规划中提到，高速列车将推动行驶速度向400km/h的技术研发。然而，噪声污染问题一直是限制高速列车运行速度的决定性因素。GB12525—1990《铁路边界噪声限值及其测量方法》规定了铁路边界限值定为昼间70dB、夜间60dB，以300km/h车速车型为例，声压级测试在距离路基30m、高度1.2m时的等效声级约为73dB。可见，当高铁速度超过300km/h时，噪声会超出昼间限值，解决噪声问题刻不容缓。高速列车速度在250km/h以上运行时，气动噪声超过轮轨噪声和牵引噪声成为主导噪声，并以正比于运行速度6次方的趋势急剧增大。列车速度为350km/h的实测数据显示，受电弓是列车的重要噪声源，其产生的气动噪声包括两部分，即受电弓主体杆件的涡脱落噪声和空腔内部的湍流噪声。目前，国内外学者对受电弓空腔部位气动噪声的关注远少于主体杆件，因此，结合空腔部位对受电弓整体噪声进行研究，才能更好地分析受电弓气动噪声的产生机理，找到行之有效的降噪方法。

二、轨道交通噪声的传递路径分析

轨道交通作为人们出行的重要方式，乘坐舒适性越来越引起人们的重视，尤其是随着运行速度的提高，车内的噪声问题越来越突。然而由于高速列车结构复杂，传递路径多样，应用试验来确定所有的路径具有较大难度。例如，轨道噪声通过双层地板传递至车内，仅地板结构就有4条能量传递路径，(1)双层墙传递路径；(2)非共振区传递路径；(3)共振传递路径；(4)结构传递路径。结合统计能量分析(Statisticenergyanalysis,SEA)模型可以将不同路径的噪声分离出来进而针对主要贡献路径进行声学设计，提高工作效率。

三、高速列车车体受电弓平顶声振特性及降噪措施

（一）振动源强效果影响

当研究复盖层二次结构的降噪效果时，首先很明显，震源具有较强的减振效果，振动源的受力是评价轨道周围环境影响的基本数据类型之一。如果振动源太低，则振动源可能被低估，而振动源太强，也就是说，在铁路实际运行过程中失去振动源，必须根据列车的实际运行情况、轨道条件和运动速度条件正确地选择，以此来进一步验证轨道减振方法对保护装置另一侧振动源的影响，以其效果作为研究对象，比较没有引入轨道减振措施的通道，从而， 在第15轨道通道位置进行了更改后，列车运行速度降低的直接效果分别控制在4.5km/h、14.5km/h和24.5km/h两个不同的轨道建筑上，测量其对周围建筑的基本影响，并将结果记录为影响对比的振动源。

（二）安装隔振器

内置隔热板的安装方法是:首先卸下外套筒上的盖，然后将其压入夹中；使用支架将隔热板放置在外套筒中，使其接触到浮动板的支撑底座；在支撑板和外套筒之间留有足够的间隙；然后旋转弹簧组，使三角形顶部板的三个角垂直对齐凸柱外壁，然后将钢板放置在下支架和上支座板之间。 在将绝缘体安装到相应的钢板上后，直到空间不足以容纳密集带为止，请将安全板连接到内圆柱，以防止平板移动；使用螺钉固定安全板，以确保在安装绝缘体后传输可靠性检查绝缘体中的间隙。 如果填充不够牢固，则在安装和检查隔振器模块之前，可能会导致隔振器在挡板准确定位后产生受力状态，并且不能将其删除或修改为支撑调制器。

（三）隔振阻尼垫

在受电弓平顶结构中安装2mm厚硬质橡胶减振垫以对结构路径进行隔振。减振垫的安装位置位于受电弓与安装基座的连接处、吊装结构与车体型材的连接处，吊装结构与内饰顶板的连接处，如图1中红色放大框中的红色粗线所示，受电弓与每个安装基座连接处都安装了减振垫；同时每个吊装结构与车体型材和内饰板的连接处也都安装了减振垫。安装前后客室声腔的输入功率如图1所示。

图1隔振优化前后振动响应及对客室声腔输入功率

（四）空腔射流对受电弓的影响

射流空腔的后壁升力系数、后壁阻力系数和绝缘子阻力系数明显小于原空腔，弓头的升力系数未受到射流影响，空腔与受电弓整体、纯受电弓、纯空腔3种不同声源下的峰值频率均出现在200Hz以下的低频范围内。其中，射流对纯受电弓的降噪效果较为明显，实现声压值在1kHz几乎全频域的降低。纯空腔声源的总声压级均小于原空腔，可实现整体约0.5dB的降低，纯受电弓在射流影响下，顶部和侧部的总声压级分别实现了约2.6、1.3dB的降低，整体最多可降噪6.2dB。每降低1dB的噪声，高铁可以提速约30km/h。在实际应用中降噪水平可能不会那么理想，但还是可以看出本文的研究成果可以带来一定的噪声污染治理效果。

结束语

随着运行速度的逐渐提高，高速动车组气动噪声问题越来越明显。国外研究表明，当动车组运行速度高于250km/h时，气动噪声将成为列车运行噪声的主要成分，控制气动噪声的幅值也成为了高速动车组降噪的主要任务。当前，高速动车组降噪主要从主动降噪和被动降噪两方面开展，其中被动降噪是通过改变列车外部环境来控制噪声幅值，运行轨道状况是动车组外部环境的主要方面之一，认识轨道对于高速动车组噪声的影响，通过优化轨道状况，控制气动噪声幅值，进而有效降低高速列车气动噪声，对于提高铁路沿线居民生活幸福指数和旅客乘坐舒适性有着重要的意义。

参考文献

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