高速列車外風(fēng)擋振動(dòng)問題研究

李蘇宣 王建

摘? ?要：高速列車外風(fēng)擋抖動(dòng)是近年來出現(xiàn)的新課題，由其導(dǎo)致的內(nèi)風(fēng)擋異常抖動(dòng)和高噪音也成為高速列車領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)，本文從高速列車外風(fēng)擋變形、振動(dòng)的成因著手進(jìn)行深入研究，利用實(shí)驗(yàn)監(jiān)測手段、對(duì)其振動(dòng)特性、氣動(dòng)性能特性進(jìn)行了層層深入剖析，最終找到問題的根源、觸發(fā)條件，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn);并對(duì)改進(jìn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)測試和仿真分析驗(yàn)證，進(jìn)而得到更好的改進(jìn)結(jié)構(gòu)，為外風(fēng)擋制造、研究及運(yùn)用過程中的問題解決提供清晰明確的指導(dǎo)方案。

關(guān)鍵詞：高速列車? 外風(fēng)擋? 內(nèi)風(fēng)擋? 振動(dòng)? 振動(dòng)特性? 氣動(dòng)性能特性

中圖分類號(hào)：G225? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2020）03（a）-0104-02

高速列車外風(fēng)檔能夠光滑連接相鄰兩節(jié)車廂，防止風(fēng)沙、雨雪進(jìn)入車內(nèi)，對(duì)列車的運(yùn)行平穩(wěn)性、氣動(dòng)性能和旅客的舒適性指標(biāo)影響尤為重要。外風(fēng)擋一般分為半包式和全包式兩大類，由于高速動(dòng)車速度的提升、運(yùn)行時(shí)間和里程的大幅增加，在試運(yùn)階段出現(xiàn)變形、振動(dòng)、噪聲高等問題。

針對(duì)外風(fēng)擋變形問題，通過研究認(rèn)為外風(fēng)擋膠囊外側(cè)與內(nèi)側(cè)形成較大氣壓差，容易造成風(fēng)擋膠囊向內(nèi)側(cè)翻轉(zhuǎn)并與其周圍零部件相互干涉造成變形，可通過提高外風(fēng)擋彈性和挺性、降低變形性（包括拉斷永久變形和壓縮永久變形）或改進(jìn)外風(fēng)擋結(jié)構(gòu)和外風(fēng)擋內(nèi)部增加支撐件予以改善[2]。但沒有對(duì)具體發(fā)生變形的過程進(jìn)行深入研究。由此可見，現(xiàn)有研究對(duì)高速列車外風(fēng)擋的結(jié)構(gòu)變形、振動(dòng)成因還處于起步階段，對(duì)其振動(dòng)特性、氣動(dòng)性能特性的深入研究丞待開展。

本文以某時(shí)速350km/h高速動(dòng)車組全包外風(fēng)擋為研究對(duì)象，建立測試系統(tǒng)對(duì)風(fēng)擋壓力、壓差和變形情況進(jìn)行測試，找到振動(dòng)噪聲的成因及關(guān)鍵部位，進(jìn)而根據(jù)測試結(jié)果確定改進(jìn)方案，最后通過氣動(dòng)性能仿真分析和振動(dòng)模態(tài)測試對(duì)改進(jìn)方案進(jìn)行理論驗(yàn)證。

1? 測試方案

為了解外風(fēng)擋振動(dòng)噪聲產(chǎn)生的原因和部位，制定了四種結(jié)構(gòu)調(diào)整方案，即方案a：車肩部 R800 處風(fēng)擋開口（1&2車）;方案b：車端減震器處風(fēng)擋封堵（5&6車）;方案c：車底部位風(fēng)擋拆除（6&7車）;方案d：車頂和車底部位風(fēng)擋拆除（7&8車）。在運(yùn)行情況下對(duì)壓力、壓差和膠囊變形測試和監(jiān)控，并且選定方案d進(jìn)行內(nèi)風(fēng)擋的振動(dòng)測試，研究外風(fēng)擋對(duì)其干擾和影響。

1.1 壓力、壓差和膠囊變形測試監(jiān)控

（1）四種風(fēng)擋分別分布在同一列車的不同車輛連接處，每個(gè)風(fēng)擋內(nèi)外側(cè)及空腔內(nèi)布置壓力傳感器，用于測量風(fēng)擋位置的壓力及壓差;在內(nèi)外風(fēng)擋中間的空間區(qū)域布置視頻攝像頭2個(gè)，絲線和黑白條若干，用于觀測風(fēng)擋腔內(nèi)區(qū)域流場分布、及膠囊振動(dòng)及變形情況。

（2）選某一區(qū)間內(nèi)往返測試，列車運(yùn)行速度在250～350km/h之間變化。

2? 外風(fēng)擋振動(dòng)監(jiān)控結(jié)果

外風(fēng)擋起振速度在350km/h左右;外風(fēng)擋膠囊兩側(cè)車間減震器上部到肩部 R800段振動(dòng)劇烈;肩部 R800處到列車頂部段振動(dòng)迅速減小，膠囊R800處和車間減震器端部振動(dòng)較為劇烈，應(yīng)力集中嚴(yán)重，屬于易損壞區(qū)域。

通過對(duì)監(jiān)測的壓力數(shù)據(jù)和監(jiān)控視頻結(jié)果進(jìn)行分析，當(dāng)列車高速運(yùn)行時(shí)，外風(fēng)擋外側(cè)受到較大負(fù)壓作用，外風(fēng)擋內(nèi)部的壓力大于外部壓力，造成膠囊存在外翻趨勢; 隨著列車運(yùn)行速度提高，膠囊收到的向外的壓差均值逐漸變大，壓差脈動(dòng)幅度變大;當(dāng)列車速度接近 350 km/h 時(shí)，車體間相對(duì)位移和車體振動(dòng)造成后膠囊受流面積增大，造成后膠囊外翻，進(jìn)而增加了前后膠囊間隙，車外氣流通過間隙進(jìn)入內(nèi)外風(fēng)擋之間的空腔內(nèi)，產(chǎn)生的氣動(dòng)力F進(jìn)一步加劇了后膠囊的外翻，內(nèi)外風(fēng)擋空腔內(nèi)的周期性渦脫形成脈動(dòng)氣流造成后膠囊受力不穩(wěn)定，產(chǎn)生振動(dòng)， 內(nèi)外風(fēng)擋空腔內(nèi)的壓力的脈動(dòng)頻率接近膠囊固有頻率時(shí)，膠囊振動(dòng)加劇。

3? 改進(jìn)方案及驗(yàn)證

3.1 改進(jìn)方案

由振動(dòng)測試監(jiān)控結(jié)果可知，外風(fēng)擋產(chǎn)生縫隙以及風(fēng)擋剛度是風(fēng)擋振動(dòng)的主要原因 ，內(nèi)外風(fēng)擋間的氣流及壓力差導(dǎo)致內(nèi)風(fēng)擋的抖動(dòng)和高噪音，采用加寬加厚加預(yù)緊力的外風(fēng)擋結(jié)構(gòu)，膠囊的根部厚度由15mm增厚至17mm，膠囊整體寬度由140mm加寬至240mm，并增加了兩膠囊間的預(yù)緊力 ，并對(duì)外風(fēng)擋的原始和改進(jìn)后的兩種方案的關(guān)鍵部位進(jìn)行了振動(dòng)模態(tài)測試和風(fēng)擋仿真分析計(jì)算。

3.2 振動(dòng)模態(tài)測試

試驗(yàn)的激勵(lì)采用錘擊法，選取外風(fēng)擋側(cè)向部分結(jié)構(gòu)為主要測試對(duì)象，選擇外風(fēng)擋膠囊下部增加彈性橡膠撐墊方案1和加寬加厚加預(yù)緊力的加改方案兩種方案2，對(duì)比驗(yàn)證外風(fēng)擋膠囊剛度的性能。

測試結(jié)果表明：方案1的膠囊與橡膠支撐墊內(nèi)襯間難以很好地接觸，因而橡膠支撐墊提高膠囊整體剛度的效果很有限。更為重要的是兩膠囊之間（尤其在外風(fēng)擋近車間減振器開口附近）仍存在明顯間隙，因而外風(fēng)擋仍然容易被外界氣動(dòng)激勵(lì)所激發(fā)，出現(xiàn)外風(fēng)擋下部（車間減振器開口附近）振動(dòng)幅度較為明顯的顫振響應(yīng)。方案2外風(fēng)擋的振動(dòng)性能提高顯著;此外，加改后外風(fēng)擋膠囊之間的氣動(dòng)封閉性明顯提高，大幅降低列車高速運(yùn)行時(shí)氣動(dòng)激勵(lì)，應(yīng)能有效抑制外風(fēng)擋側(cè)向部分的振動(dòng)。

3.3 風(fēng)擋仿真分析

通過建立非線性接觸有限元模型，并考慮了線路測試載荷以及通過建立非線性接觸有限元模型，并考慮了線路測試載荷以及風(fēng)擋是否有壓縮量的情況下，對(duì)風(fēng)擋開展了仿真分析。發(fā)現(xiàn)在風(fēng)擋無壓縮量和壓縮量為 40mm兩種工況下，施加不同形式的氣壓載荷，方案2的風(fēng)擋縫隙明顯小于方案1，并且方案2在變形后沒有發(fā)生外鼓現(xiàn)象，參見圖1。

4? 結(jié)語

本文通過對(duì)抖動(dòng)問題外風(fēng)擋進(jìn)行壓力氣流組織監(jiān)測分析，發(fā)現(xiàn)問題成因及各改進(jìn)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，針對(duì)問題成因，結(jié)合模態(tài)試驗(yàn)測試和仿真分析結(jié)果，確定了加改方案，得出如下結(jié)論：（1）列車高速運(yùn)行時(shí)，外風(fēng)擋外側(cè)受到較大負(fù)壓作用，外風(fēng)擋內(nèi)部的壓力大于外部壓力，是造成膠囊外翻的外在原因;（2）膠囊整體剛度不足是導(dǎo)致膠囊變形的內(nèi)在原因;（3）膠囊變形后，進(jìn)入內(nèi)外風(fēng)擋空腔內(nèi)的周期性渦脫形成脈動(dòng)氣流造成后膠囊受力不穩(wěn)定，產(chǎn)生振動(dòng)，內(nèi)外風(fēng)擋空腔內(nèi)的壓力的脈動(dòng)頻率接近膠囊固有頻率時(shí)，膠囊振動(dòng)加劇，導(dǎo)致膠囊撕裂。（4）內(nèi)外風(fēng)擋之間空腔內(nèi)的壓力脈動(dòng)是導(dǎo)致內(nèi)風(fēng)擋受迫脈動(dòng)發(fā)生，出現(xiàn)劇烈抖動(dòng)和高噪聲的根源。

參考文獻(xiàn)

[1] 王金田.高速列車車間連接處車內(nèi)噪聲特性研究[J].噪聲與振動(dòng)控制，2014（12）：101.

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