動(dòng)車(chē)組主斷路器轉(zhuǎn)換閥沖擊噪聲研究

張 超，王俊峰，姜 贊，劉鄭森，王俊勇

(1. 西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610031；2. 北京中車(chē)賽德鐵道電氣科技有限公司，北京 100176)

0 引言

目前，國(guó)產(chǎn)動(dòng)車(chē)組已達(dá)到世界領(lǐng)先的技術(shù)水平，而動(dòng)車(chē)組的運(yùn)行品質(zhì)則成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題。車(chē)廂內(nèi)的噪聲是影響旅客乘坐舒適性的重要因素，尤其對(duì)老人、孩子以及生病的旅客影響較大。動(dòng)車(chē)組的主斷路器安裝于車(chē)廂上方，列車(chē)過(guò)分相時(shí)主斷路器的斷開(kāi)、閉合會(huì)發(fā)出很大的瞬時(shí)沖擊噪聲[1]。本文研究發(fā)現(xiàn)，主斷路器閉合噪聲主要來(lái)自轉(zhuǎn)換閥閥芯撞擊閥體產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)輻射噪聲。因此，研究分析轉(zhuǎn)換閥的沖擊噪聲具有重要意義。

沖擊噪聲是由結(jié)構(gòu)零件受到?jīng)_擊載荷作用而產(chǎn)生的，具有持續(xù)時(shí)間短而聲壓峰值高的特點(diǎn)，并且對(duì)機(jī)械設(shè)備、人體健康造成很大的負(fù)面影響。很多學(xué)者對(duì)沖擊噪聲的機(jī)理與控制進(jìn)行了深入研究，并采用數(shù)值仿真方法計(jì)算沖擊噪聲[2，3]。降低沖擊噪聲的主要措施是緩和沖擊、衰減結(jié)構(gòu)表面振動(dòng)[4]。本文基于振動(dòng)與噪聲理論，研究轉(zhuǎn)換閥沖擊噪聲的成因、特性及降噪措施。

1 噪聲分析

主斷路器實(shí)質(zhì)是一個(gè)電氣開(kāi)關(guān)，其控制回路如圖1所示。閉合時(shí)，電磁閥控制轉(zhuǎn)換閥閉合，壓縮空氣進(jìn)入傳動(dòng)氣缸，推動(dòng)傳動(dòng)桿上移，使主觸頭閉合。此過(guò)程中的沖擊包括轉(zhuǎn)換閥內(nèi)閥芯對(duì)閥體的撞擊、氣流的沖擊以及主觸頭閉合時(shí)的撞擊。轉(zhuǎn)換閥結(jié)構(gòu)如圖2所示，主觸頭結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中，主觸頭處于真空包內(nèi)，撞擊產(chǎn)生的振動(dòng)無(wú)法向外輻射噪聲。因此，可以推斷產(chǎn)生噪聲的沖擊主要為轉(zhuǎn)換閥內(nèi)閥芯對(duì)閥體的撞擊，以及轉(zhuǎn)換閥表面的振動(dòng)向外輻射噪聲。

為驗(yàn)證這一推斷，分別測(cè)量主斷路器閉合及轉(zhuǎn)換閥閉合時(shí)產(chǎn)生的噪聲。試驗(yàn)裝置如圖4所示，使用AWA6228+型噪聲分析儀，測(cè)點(diǎn)距離聲源1 m。噪聲測(cè)量結(jié)果如圖5所示，其中，主斷路器閉合噪聲為101 dB，轉(zhuǎn)換閥沖擊噪聲為99 dB。因此，可以證明轉(zhuǎn)換閥的沖擊噪聲是主斷路器閉合的主要噪聲源。

圖1 主斷路器控制回路

沖擊噪聲的動(dòng)力學(xué)過(guò)程是轉(zhuǎn)換閥的閥芯撞擊閥體，可利用有限元軟件對(duì)其進(jìn)行數(shù)值計(jì)算[5]。并且，碰撞問(wèn)題具有強(qiáng)烈的非線(xiàn)性特征，適合采用顯式動(dòng)力學(xué)方法。沖擊噪聲是由轉(zhuǎn)換閥振動(dòng)在空氣中傳播形成，可使用聲學(xué)邊界元法計(jì)算輻射聲場(chǎng)。并且，間接邊界元法可以同時(shí)計(jì)算結(jié)構(gòu)表面振動(dòng)引起的內(nèi)部和外部聲場(chǎng)，具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[6]。

1-閥桿；2-提升閥；3-彈簧；4-閥墊；5-活塞；6-底板；7-閥體；8-頂板圖2 轉(zhuǎn)換閥結(jié)構(gòu)

A-靜觸頭；B-外殼；C-屏蔽罩；D-波紋管圖3 主觸頭結(jié)構(gòu)

圖4 噪聲測(cè)量裝置

2 沖擊噪聲仿真

2.1 轉(zhuǎn)換閥動(dòng)態(tài)特性仿真

轉(zhuǎn)換閥沖擊噪聲仿真可分為以下三步：①使用AMESim軟件仿真轉(zhuǎn)換閥動(dòng)態(tài)特性，以求得轉(zhuǎn)換閥閉合時(shí)閥芯撞擊閥體的速度[7];②將閥芯撞擊閥體的速度作為邊界條件，使用ANSYS/LS-DYNA軟件模擬閥芯撞擊閥體的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，以求得轉(zhuǎn)換閥瞬態(tài)振動(dòng)響應(yīng)[8];③將轉(zhuǎn)換閥瞬態(tài)振動(dòng)響應(yīng)導(dǎo)入LMS Virtuall.Lab軟件，采用聲學(xué)邊界元法計(jì)算轉(zhuǎn)換閥表面振動(dòng)的輻射聲場(chǎng)，即為轉(zhuǎn)換閥的沖擊噪聲[9]。

在A(yíng)MESim軟件中，建立主斷路器控制回路模型，如圖6所示。模型主要包括電磁閥、轉(zhuǎn)換閥及傳動(dòng)氣缸三部分，關(guān)鍵參數(shù)如表1所示，仿真結(jié)果如圖7、圖8所示。根據(jù)圖7，主觸頭閉合時(shí)間為74 ms。按試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，主觸頭應(yīng)在100 ms以?xún)?nèi)閉合，試驗(yàn)中實(shí)際閉合時(shí)間在70 ms左右。因此仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)相符，得到的仿真結(jié)果可靠。根據(jù)圖8，轉(zhuǎn)換閥閉合時(shí)閥芯撞擊閥體的速度為2.32 m/s。

圖5 噪聲測(cè)量結(jié)果

圖6 主斷路器控制回路模型

表1 主斷路器控制回路關(guān)鍵參數(shù)

圖7 主觸頭動(dòng)作曲線(xiàn)

圖8 閥芯速度曲線(xiàn)

2.2 沖擊動(dòng)力學(xué)仿真

結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)與結(jié)構(gòu)模態(tài)密切相關(guān)，因此對(duì)轉(zhuǎn)換閥閥體進(jìn)行模態(tài)分析，得到的轉(zhuǎn)換閥前10階固有頻率如表2所示。

閥芯撞擊閥體的動(dòng)力學(xué)過(guò)程使用ANSYS/LS-DYNA軟件進(jìn)行仿真，仿真模型如圖9所示。轉(zhuǎn)換閥通過(guò)螺栓連接到試驗(yàn)臺(tái)基座上，給閥芯施加2.32 m/s的速度，使其撞擊閥體，求解轉(zhuǎn)換閥瞬態(tài)振動(dòng)響應(yīng)。以排氣口所在表面為例，觀(guān)察轉(zhuǎn)換閥瞬態(tài)振動(dòng)響應(yīng)，如圖10、圖11所示。

表2 轉(zhuǎn)換閥前10階固有頻率

圖9 轉(zhuǎn)換閥仿真模型

圖10 轉(zhuǎn)換閥表面振幅

圖11 轉(zhuǎn)換閥表面振動(dòng)加速度

閥芯對(duì)閥體的撞擊是瞬時(shí)沖擊，持續(xù)時(shí)間短而沖擊強(qiáng)度高。并且瞬時(shí)沖擊具有寬頻特性，而轉(zhuǎn)換閥的固有頻率也有較寬的頻率范圍，因此瞬時(shí)沖擊能夠激勵(lì)出轉(zhuǎn)換閥各階振動(dòng)。轉(zhuǎn)換閥的瞬態(tài)振動(dòng)響應(yīng)可分為兩部分：一是沖擊力作用下的強(qiáng)迫振動(dòng)，此部分振幅較大，但持續(xù)時(shí)間很短，沖擊力作用結(jié)束后即結(jié)束；二是沖擊力結(jié)束后的自由振動(dòng)，自由振動(dòng)的振幅較小，并且逐漸衰減，但持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。

2.3 輻射聲場(chǎng)仿真

將轉(zhuǎn)換閥瞬態(tài)振動(dòng)響應(yīng)導(dǎo)入LMS Virtual.Lab軟件計(jì)算輻射聲場(chǎng)。仿真計(jì)算采用瞬態(tài)邊界元法，模型如圖12所示，轉(zhuǎn)換閥位于場(chǎng)點(diǎn)網(wǎng)格中心，測(cè)點(diǎn)距轉(zhuǎn)換閥1 m。其中結(jié)構(gòu)網(wǎng)格采用有限元網(wǎng)格，聲學(xué)網(wǎng)格采用邊界元網(wǎng)格，場(chǎng)點(diǎn)網(wǎng)格尺寸為2 000 mm×2 000 mm。

圖12 聲學(xué)瞬態(tài)邊界元模型

仿真得到的測(cè)點(diǎn)聲壓響應(yīng)曲線(xiàn)如圖13所示。圖13(a)表示測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)(dB)，約3 ms時(shí)聲波到達(dá)測(cè)點(diǎn)，峰值聲壓級(jí)約為100 dB，與試驗(yàn)結(jié)果相符，振動(dòng)結(jié)束后聲壓級(jí)逐漸減小。圖13(b)表示測(cè)點(diǎn)聲壓(N/m2)，聲壓曲線(xiàn)能形象地表示聲振關(guān)系。與轉(zhuǎn)換閥瞬態(tài)振動(dòng)相對(duì)應(yīng)，沖擊噪聲也可以分為兩部分：一部分是加速度噪聲，在轉(zhuǎn)換閥受到?jīng)_擊的瞬間其加速度迅速發(fā)生變化而產(chǎn)生，在沖擊過(guò)程中此部分噪聲持續(xù)存在，加速度噪聲通常只決定噪聲的第一個(gè)峰值，其噪聲能量也較?。涣硪徊糠质亲曾Q噪聲，在沖擊結(jié)束后轉(zhuǎn)換閥繼續(xù)振動(dòng)所輻射的噪聲，自鳴噪聲占據(jù)了噪聲能量的絕大部分。

聲壓云圖如圖14所示。從聲壓云圖可以看出，沖擊噪聲具有明顯的方向性。一方面，轉(zhuǎn)換閥表面振動(dòng)為噪聲源，噪聲從轉(zhuǎn)換閥向四周傳播，并逐漸衰減；另一方面，在距噪聲源相同的距離上，碰撞方向上的聲壓級(jí)大于垂直于碰撞方向上的聲壓級(jí)。

圖13 測(cè)點(diǎn)聲壓響應(yīng)曲線(xiàn)

3 轉(zhuǎn)換閥降噪研究

3.1 橡膠閥墊

從轉(zhuǎn)換閥結(jié)構(gòu)可知，閥芯與閥體的碰撞面為閥墊表面與閥體內(nèi)表面。其中，閥墊材料為聚四氟乙烯，閥體材料為鋁合金。橡膠閥墊具有良好的密封、緩震與吸能作用[10]。因此，本文將聚四氟乙烯閥墊更換為減振性能良好的橡膠閥墊，以緩和閥芯對(duì)閥體的撞擊。

本文選取了硅橡膠、丁腈橡膠、氟橡膠及聚氨酯橡膠四種材質(zhì)的橡膠閥墊，如圖15所示(由左至右的材質(zhì)依次為：硅橡膠，丁腈橡膠，氟橡膠，聚氨酯橡膠)。用4種橡膠閥墊依次替換聚四氟乙烯閥墊進(jìn)行試驗(yàn)，得到的結(jié)果如圖16、圖17所示。

從試驗(yàn)結(jié)果可知，橡膠閥墊可有效降低沖擊噪聲，并且降噪效果與閥墊的硬度和厚度相關(guān)。由圖16可知，橡膠閥墊的硬度越低，降噪效果越好。原因在于，橡膠閥墊通過(guò)變形吸收沖擊能量，緩和閥芯對(duì)閥體的撞擊，而硬度低的閥墊受到撞擊時(shí)變形更大，吸收的沖擊能量更多，降噪效果更好。由圖17可知，橡膠閥墊的厚度越厚，降噪效果越好，并且硬度越低的閥墊，厚度對(duì)降噪效果的影響越明顯。原因在于，硬度高的閥墊受到?jīng)_擊時(shí)變形不大，因此繼續(xù)增加閥墊厚度并不能顯著降低噪聲。

圖14 聲壓云圖

圖15 四種橡膠材料的閥墊 圖16 閥墊硬度-降噪值關(guān)系 圖17 閥墊厚度-降噪值關(guān)系

3.2 阻尼隔震貼片

增加結(jié)構(gòu)阻尼可以快速衰減沖擊結(jié)束后的振動(dòng)，進(jìn)而降低沖擊噪聲。因此，本文采用附加阻尼結(jié)構(gòu)，在轉(zhuǎn)換閥表面粘貼一層阻尼材料。阻尼材料選用丁基橡膠粘彈性阻尼材料，包括丁基膠與鋁片兩層，如圖18所示。

圖18 丁基膠阻尼片

將丁基膠阻尼片粘貼到轉(zhuǎn)換閥表面，如圖19所示，噪聲試驗(yàn)結(jié)果如圖20所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，阻尼片的降噪效果約為8 dB，增加阻尼片層數(shù)未取得顯著的降噪效果。丁基膠阻尼片的降噪效果源于對(duì)轉(zhuǎn)換閥表面振動(dòng)的衰減，轉(zhuǎn)換閥表面振動(dòng)時(shí)，丁基膠的粘彈性特性會(huì)損耗振動(dòng)與噪聲的能量；鋁片能夠約束丁基膠的變形，增大能量的損耗。這樣的雙層結(jié)構(gòu)比單層阻尼材料有更好的減振降噪性能。

4 結(jié)論

本文研究了動(dòng)車(chē)組主斷路器轉(zhuǎn)換閥沖擊噪聲的成因、特性及降噪措施，得到以下結(jié)論：

(1) 運(yùn)用理論分析與試驗(yàn)方法，證明轉(zhuǎn)換閥閉合的沖擊噪聲是主斷路器閉合的主要噪聲源，噪聲值達(dá)99 dB。

(2) 采用顯式動(dòng)力學(xué)與聲學(xué)邊界元方法，建立了轉(zhuǎn)換閥沖擊噪聲仿真數(shù)學(xué)模型，研究結(jié)果表明，轉(zhuǎn)換閥瞬態(tài)振動(dòng)響應(yīng)以自由振動(dòng)為主，沖擊噪聲具有明顯的方向性。

(3) 采用橡膠閥墊、阻尼隔震貼片進(jìn)行降噪處理，試驗(yàn)證明最高可取得14 dB的降噪效果。

圖19 貼阻尼片的轉(zhuǎn)換閥

圖20 阻尼片降噪效果