高速列車頂板振動測試及控制

陳宗廣，郭鵬

（蘭州交通大學(xué)數(shù)理學(xué)院，蘭州 730070）

高速列車由于其體積龐大、運行速度高、外界作用力（軌道作用、空氣流作用、接觸網(wǎng)作用）多，使其振動強度大而且復(fù)雜。在高速運行時，各種作用激發(fā)的振動對乘客、環(huán)境和列車自身都有很大的影響。直接影響是：一方面通過車體傳遞到座椅和地板，作用于人體造成不適感；另一方面是降低各種零部件的使用壽命，甚至造成安全隱患。間接影響是：由各種振動所激發(fā)的噪聲，向車外傳播對鐵路沿線附近居民的生產(chǎn)、生活造成很大影響[1,2]。

決定列車振動強弱和頻譜特性的內(nèi)在因素是車體材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計，外在因素是列車運行環(huán)境和運行速度。而近幾年，隨著我國新型列車速度的不斷提高，使得振動和噪聲問題越發(fā)突出，成為高速列車發(fā)展的制約因素之一。為此，探索列車車體振動規(guī)律，提出各種改進措施以達到減振降噪目的，對高速列車制造工業(yè)和高速鐵路發(fā)展具有重要意義。

對所有減振降噪的工程問題來說，首要是分析振源和振動的傳遞途徑，進而有針對性的提出治理措施，列車振動問題也不例外。振動是由作用力引起的，從外界對車體作用力的來源分析，高速列車振動的振源主要有各種車載設(shè)備的振動、輪軌相互作用引起的振動、車身周圍相對運動的高速氣流脈動對車體的作用、接觸網(wǎng)對受電弓的作用。車載設(shè)備（牽引電機、空調(diào)、風機、變壓器、變流器等）的振動不光高速列車有，各種機械設(shè)備都會遇到這個問題，學(xué)者和工程技術(shù)人員對各個設(shè)備的振動噪聲問題都有詳盡深入的研究[3]。列車的輪對承載著整個車體重量，使得輪軌之間的作用力非常大。無論是低速還是高速列車，輪軌振動都是最主要的振源和聲源，國內(nèi)外在這個領(lǐng)域也做了大量的理論和實驗研究工作 [4，5]。

相比較而言，氣流脈動對車體的作用和受電弓區(qū)域的振動研究得比較少，還有很多工作需要進一步探索。列車運行時，接觸網(wǎng)的滑動摩擦、接觸網(wǎng)吊索的撞擊、氣流擾動諸多作用力都施加于受電弓上，引起受電弓振動，振動沿受電弓桿臂傳播到車頂，進而通過車體傳遞到內(nèi)裝飾頂板，頂板的振動會向客室內(nèi)輻射噪聲。本文的目的就是通過線上實車試驗，研究高速列車受電弓區(qū)域車頂部振動特性、振動從車體向頂板的傳遞規(guī)律以及頂板采取隔振措施的效果。

1 測點布置及測試內(nèi)容

列車車廂端部下方是轉(zhuǎn)向架，上方是受電弓（對有受電弓的車廂而言），是振源比較集中的位置，因而是整節(jié)車廂振動最強的區(qū)域。本研究主要關(guān)注受電弓區(qū)域車體的振動，受電弓桿臂上由于安全原因無法布置測點，因此加速度傳感器布置在受電弓下方的車體和頂板上。

圖1a.是振動測點在車頂布置的示意圖，圖1b.是車體頂部截面圖。如圖1所示，試驗在列車端部位置車頂內(nèi)壁和頂板內(nèi)壁上對應(yīng)位置各布置了11個加速度測點，受電弓和轉(zhuǎn)向架分別位于2號和8號測點中線的正上方和正下方。頂板上的2、8、9、10、11號測點在頂板的中線上，自由度大；1、4、5、6號測點在頂板安裝座附近，受安裝座約束作用，自由度?。?、7號測點在過渡區(qū)域。從8號點向11號點指向車廂中部，是遠離受電弓的方向，測點這樣設(shè)置的目的是為了測試受電弓振動向外傳播過程衰減的情況。

在如圖所示測點位置安裝振動加速度傳感器，線上實車運行試驗時，選擇試驗線路條件好（轉(zhuǎn)彎半徑大、坡度小、軌面平整度高）的路段，測試列車勻速運行時車頂部區(qū)域車體上和客室頂板上各測試點的振動加速度。試驗數(shù)據(jù)分析方法主要是用對比的方法，包括振動大小在不同測點位置的對比、有受電弓和無受電弓車的對比、車體和頂板的對比、隔振處理前后的對比。

2 列車頂部振動特性

2.1 不同位置振動加速度

圖1 測點布置示意圖

列車端部主要的振源是下部的轉(zhuǎn)向架和上部的受電弓，由圖2可以看出，有受電弓車廂頂部各點振動遠遠大于無受電弓車廂同一位置振動，說明在列車端部位置的頂部區(qū)域，對整個振動起主要作用的是受電弓振動。無受電弓車廂車頂振動來自輪軌振動通過轉(zhuǎn)向架和車體向上的傳遞以及氣流脈動作用，其各點振動大小分布比較均勻，在圖上呈直線狀。對于有受電弓的車廂，在車體上，從2號測點到11號測點，隨著測點位置遠離受電弓，振動加速度呈降低趨勢，但是變化值較小，說明振動在車體剛性結(jié)構(gòu)中的傳播衰減很慢。在頂板上，2號和8號測點離受電弓最近，而且自由度大，所以振動最強；1、4、5、6號測點因為受頂板安裝座約束作用振動較?。粡?號向11號測點方向，振動加速度呈衰減趨勢，由于頂板相比車體剛度小，振動衰減較快。未做隔振處理時，車頂板通過安裝座螺栓跟車體剛性連接在一起，車頂振動通過安裝座傳遞到頂板，由圖可以看出，各點的振動都被放大了，這是由于更龐大的車體結(jié)構(gòu)相比，頂板的整體性和質(zhì)量都很小。綜合上述各因素，受電弓區(qū)域的車頂和頂板振動都很強，是整個車廂振動治理的薄弱環(huán)節(jié)，需要對這個區(qū)域從車體結(jié)構(gòu)設(shè)計和頂板安裝方式等采取減振和隔振處理。

2.2 特征測點加速度頻譜分析

頻譜分析是研究振動特性的重要手段之一，可以為振源識別和振動在結(jié)構(gòu)中的傳播衰減情況提供重要的判斷方法。本試驗布置的振動測點較多，在11個測點中，2號測點是距離受電弓最近，而且受安裝座約束最小的位置。限于篇幅，本文只對2號測點處的振動加速度做頻譜分析。

圖2 不同位置振動加速度比較

圖3a.和圖3b.分別是車頂上和頂板上2號測點振動加速度頻譜曲線?？梢钥闯?，無受電弓車廂車頂和頂板振動頻譜成分比較單一，只在150 Hz附近和50 Hz以下有峰值，主要是低頻振動；峰值很突出的固定頻率振動可能跟輪對滾動周期和軌道接縫有關(guān)，有待進一步研究。有受電弓車廂車頂和頂板上的振動頻譜范圍很寬，從低頻到高頻都有很強的振動，這是由受電弓振動的復(fù)雜性決定的；振動從車頂傳遞到頂板后，由于頂板的剛度小，1 000 Hz以下的振動因其自身的阻尼作用基本衰減了，又由于頂板的質(zhì)量小、安裝座間距的跨度大，1 000 Hz以上的振動被放大了。

3 列車頂板振動控制

3.1 隔振措施

既然車頂部受電弓區(qū)域車體和頂板的振動都很強，有必要采取減振措施。減振的一般方法是從振源和振動傳遞路徑兩個方面入手。受電弓自身有其特殊性，來自接觸網(wǎng)的滑動摩擦作用和氣流擾動作用，受電弓隨車體的晃動這些都很難改變。目前車體設(shè)計主要是從力學(xué)和隔熱等方面做了考慮，例如雙層加筋板結(jié)構(gòu)和填充隔熱吸聲材料等，而這些設(shè)計對減振也是有利的。跟前面兩方面比較，容易實現(xiàn)而且效果明顯的減振措施就是對內(nèi)裝飾頂板采取隔振措施，可以降低頂板的振動以及振動向客室內(nèi)輻射的噪聲，從而改善客室環(huán)境。本試驗正是基于以上考慮，通過在頂板安裝座上加裝彈性墊來實現(xiàn)隔振效果。

3.2 隔振處理前后加速度對比

圖4是對頂板安裝采取隔振措施前后振動加速度的對比圖。由圖可以看出，對有受電弓的車，隔振處理后，頂板上各點的振動都有比較大的降低，顯然隔振措施取得了好的效果。對無受電弓車廂，由于車體本身的振動比較小，隔振后各點振動不但沒有明顯的降低，而且某些點振動還有少許放大，因此所有沒必要采取隔振措施，而且為了頂板安裝的穩(wěn)定性，應(yīng)繼續(xù)采用剛性連接安裝。

3.3 特征測點隔振處理前后頻譜比較

從前面試驗結(jié)果可以看出，車頂部振動是成分比較復(fù)雜的寬頻帶振動，而隔振措施對不同頻率振動的效果不同。仍然以2號測點為例，比較隔振處理前后，加速度頻譜的變化。圖5a.是有受電弓車廂頂板2號測點采取隔振措施前后振動加速度頻譜曲線對比圖。由頻譜圖和試驗數(shù)據(jù)得出，采取隔振措施后，對頻率峰值在150 Hz、200 Hz、260 Hz附近以及頻率在340 Hz以上的振動，都有很好的減振效果；對于50 Hz以下的低頻振動，隔振沒有效果。

圖5b.是無受電弓車廂頂板2號測點采取隔振措施前后振動加速度頻譜曲線對比圖。在整個頻率范圍呢，隔振前后的振動加速度幾乎沒有變化，得出跟前面分析同樣的結(jié)論，對無受電弓車廂，頂板安裝方式不需要做隔振處理。

圖3 2號測點加速度頻譜曲線

圖4 隔振前后頂板上不同位置振動加速度比較

圖5 頂板上2號測點隔振前后加速度頻譜比較

3.4 隔振效果分析

對于簡單振動系統(tǒng)，評價隔振效果的物理量常用的是振動傳遞系數(shù)，其定義是傳遞力與擾動力之比，即

T越小，說明通過隔振元件傳遞的振動越小，隔振效果也越好。如果T=1，則表明干擾全部被傳遞，沒有隔振效果；如果T<1，則說明擾動只被部分傳遞，起到了一定隔振效果；如果隔振系統(tǒng)設(shè)計失敗，也可能出現(xiàn)T>1的情形，這時振動被放大。

本文研究的是高速列車車頂和頂板之間的振動傳遞問題，由于擾動力和傳遞力難以直接測量得到，因此無法用振動傳遞系數(shù)定量表達隔振效果。但上述簡單隔振系統(tǒng)的分析對本文研究的復(fù)雜系統(tǒng)做定性分析也是適用的。如果把頂板作為研究對象，車頂振動就是外界擾動，隔振器就是頂板安裝座上的彈性墊。分析得到影響隔振效果的因素有：來自車頂?shù)臄_動力頻率、頂板的固有振動頻率、車頂和彈性墊的阻尼系數(shù)、頂板質(zhì)量、彈性墊的剛度。外界擾動頻率對特定的問題一般都是已經(jīng)確定的，系統(tǒng)的固有頻率可以通過結(jié)構(gòu)設(shè)計或者配重等措施改變，固有頻率越低越有利于隔振。其它的參數(shù)不是越大越好或者越小越好好，各參數(shù)要綜合考慮。

除了以上因素之外，頂板安裝座的位置和數(shù)量對頂板的振動影響也很大。新型列車為了美觀，安裝座都在頂板邊緣處，頂板跨度比較大，使得頂板中間位置運動自由度較大，對振動有放大作用。還有一個問題是本系統(tǒng)不是單頻振動，做隔振處理時要針對很寬的頻率范圍考慮，增加了隔振的難度。

綜上所述，如果想要獲得好的隔振效果，要對以上各種影響隔振的參數(shù)進行測算和優(yōu)化設(shè)計，例如選擇隔振墊的阻尼系數(shù)和剛度、通過背板加筋和涂敷阻尼漿改變頂板質(zhì)量和剛度、增加安裝座等措施。

頂板振動受很多因素影響和制約，本文只對車頂?shù)恼駝?、振動從車頂向頂板的傳遞以及隔振措施做了初步探討，更詳盡的振動規(guī)律和減振措施有待做更深入的研究。

4 結(jié)語

（1）在列車頂部受電弓區(qū)域，車體和頂板振動主要是由受電弓引起的，此處的振動加速度遠遠大于沒有受電弓車廂同一位置的振動，而且是一種寬頻帶振動。因此受電弓是車體振動的強振源區(qū)，是振動噪聲治理的重要部分；

（2）未做隔振處理時，有受電弓車廂車頂振動通過安裝座傳遞到頂板上，由于頂板相比車體質(zhì)量小，頻率在1 000 Hz以下的振動都被放大了，頂板的這種振動會向客室內(nèi)輻射低頻噪聲。對頂板做隔振處理后，每個測點的振動都有大幅的降低，而且在整個頻譜段內(nèi)都有好的減振效果；

（3）對無受電弓的車廂，頂部振動加速度跟前面相比很小，各測點比較均勻，而且加速度的頻譜成分比較單一。這是因為輪軌的振動通過轉(zhuǎn)向架減振措施再傳到車頂已經(jīng)很??；氣流脈動作用對剛度很好的車體來說產(chǎn)生的振動有限。試驗也發(fā)現(xiàn)對這個區(qū)域的頂板做隔振處理，沒有減振效果。

[1]楊弘.優(yōu)化車輛聲學(xué)設(shè)計—控制高速列車振動和噪聲[R].長春：長春軌道客車股份有限公司，2006.

[2]周家漢.高速鐵路列車運行振動傳播規(guī)律研究[R].北京：中國科學(xué)院力學(xué)研究所，2010.

[4]翟婉明.車輛—軌道耦合動力學(xué)[M].北京：中國鐵道出版社，2002.

[5]Thompson D J.Railway noise and vibration mechanisms,modeling and means of control[M].Elsevier,Oxford,UK,2009.

[6]盛美萍，王敏進，孫進才.噪聲與振動控制技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：科學(xué)出版社，2007.