基于TRIZ理論的軌道車輛真空斷路器降噪材料研究

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(duì)象，基于TRIZ理論的軌道交通車輛先進(jìn)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(yùn)行中產(chǎn)生的噪聲問題，針對(duì)其容易產(chǎn)生真空滅弧室失效、機(jī)械操動(dòng)機(jī)構(gòu)卡澀、電弧重燃過電壓及控制電路失效等問題產(chǎn)生的噪聲污染。引入TRIZ理論，通過功能分析、因果分析及物場(chǎng)模型構(gòu)建，系統(tǒng)識(shí)別噪聲傳遞路徑與關(guān)鍵矛盾。

研究成果不僅實(shí)現(xiàn)了降噪目標(biāo)，還衍生出多項(xiàng)專利與技術(shù)成果，如《吸聲裝置》專利及新型降噪材料的開發(fā)，預(yù)計(jì)年產(chǎn)值達(dá)750萬元，市場(chǎng)規(guī)模擴(kuò)展至1.3億元。社會(huì)效益方面，項(xiàng)目提升了列車乘坐舒適性，降低了運(yùn)營風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)通過創(chuàng)新方法的應(yīng)用培養(yǎng)了一批具備TRIZ思維的技術(shù)人才，為企業(yè)技術(shù)能力提升和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)推廣奠定基礎(chǔ)。

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(shè)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(shí)，高壓箱體與斷路器表面結(jié)構(gòu)的聲反射作用，在斷路器結(jié)構(gòu)周邊形成混響聲場(chǎng)，使得斷路器開、合閘時(shí)產(chǎn)生的瞬時(shí)噪聲、氣動(dòng)噪聲，成為車內(nèi)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(jié)構(gòu)，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(nèi)裝頂板之間，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

真空斷路器工作時(shí)瞬時(shí)噪聲主要位于其下部，產(chǎn)生原因與工作原理有關(guān)，其驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)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(nèi)距地板1.6米測(cè)得的真空斷路器合閘時(shí)的1/3倍頻程噪聲頻譜特性，依此作為降噪設(shè)計(jì)和分析依據(jù)，其輻射能量主要分布在100Hz-2000hz之間，最大峰值出現(xiàn)在1000Hz。

1.2 噪聲問題處理

針對(duì)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(jié)構(gòu)減弱聲波振動(dòng)的傳遞。

在真空斷路器工作時(shí)，高速氣體從排氣孔噴射，產(chǎn)生較大氣動(dòng)噪聲。為解決該問題，設(shè)計(jì)一個(gè)多孔板結(jié)構(gòu)構(gòu)成的消聲器。

未進(jìn)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(xiàng)目的真空斷路器對(duì)噪聲大小、尺寸和結(jié)構(gòu)提出了較高的要求。根據(jù)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(dòng)噪聲問題。

二、問題分析

2.1 組件分析

首先對(duì)真空斷路器進(jìn)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(jìn)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(jìn)行接觸，由于慣性作用，兩個(gè)部件在接觸時(shí)會(huì)發(fā)生碰撞，產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲。而線圈的通電又由電磁閥控制，電磁閥的運(yùn)行需要?dú)饬魈峁﹦?dòng)力，因此在該工作過程中泄壓閥會(huì)有排氣動(dòng)作，進(jìn)而產(chǎn)生氣動(dòng)噪聲。

2.2 功能分析

在組件分析基礎(chǔ)上進(jìn)行關(guān)鍵功能的功能模型分析，真空斷路器中的開關(guān)和控制部件作為研究系統(tǒng)，外部的保護(hù)罩、框體、彈簧和外部環(huán)境因素作為超系統(tǒng)進(jìn)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(xiàng)目按以下三步進(jìn)行降噪設(shè)計(jì)，分別是：

1） 系統(tǒng)減振，盡量減少噪聲從真空斷路器保護(hù)罩以外范圍輻射；

2）解決保護(hù)罩開孔造成的噪聲問題；

3）開發(fā)保護(hù)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(dòng)會(huì)造成噪聲，為了解決系統(tǒng)減振能力不足的問題，采用物場(chǎng)分析法，參考76個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解中的S2.1.1串聯(lián)式復(fù)合物場(chǎng)和S2.2.1利用更易控制的場(chǎng)替代。

根據(jù)2.1.1，設(shè)計(jì)了方案1和2，在設(shè)備的連接處加入阻尼減振，或者使用剛?cè)峤Y(jié)合的活塞。根據(jù)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(dòng)。

3.2 解決開孔泄露問題

保護(hù)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(chǎn)生的。采用物場(chǎng)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(shè)計(jì)了一種減速降噪的裝置，消除高速氣流對(duì)空氣的有害作用，并進(jìn)行了相關(guān)的研究驗(yàn)證。

另一方面，保護(hù)罩開孔會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部噪聲的泄漏，但不開孔會(huì)影響泄壓閥排氣，且氣流對(duì)保護(hù)罩也會(huì)產(chǎn)生一定損害。參考物理矛盾，采用時(shí)間分離法解決保護(hù)罩開孔和不開孔的矛盾。

根據(jù)時(shí)間分離方法，設(shè)計(jì)出兩種方案。方案5是利用橡膠片，構(gòu)成具有延時(shí)開關(guān)功能的密封裝置，氣流在保護(hù)罩內(nèi)緩沖，當(dāng)壓力達(dá)到閾值時(shí)，開關(guān)打開泄壓。方案6是采用機(jī)械控制的開關(guān)，在真空斷路器不產(chǎn)生噪聲時(shí)打開泄壓。

3.3 提高系統(tǒng)的吸聲能力

為了不讓內(nèi)部噪聲傳遞到外部，需要提高保護(hù)罩的低頻吸聲能力，因?yàn)檎婵諗嗦菲髟肼曋饕诘皖l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(shè)備中。參考物場(chǎng)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(lián)式復(fù)合場(chǎng)，使用防火涂層隔離吸聲棉和火源。方案8通過在吸聲棉內(nèi)混合新型防火材料，如氣凝膠，構(gòu)成新型材料，使其同時(shí)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(huì)導(dǎo)致其體積過大。參考技術(shù)矛盾，根據(jù)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(shè)計(jì)成迷宮型，延長(zhǎng)長(zhǎng)度。參考抽取原理，抽取穿孔板的有用部分，即孔壁，結(jié)合曲面化原理，設(shè)計(jì)曲線導(dǎo)管與面板相接，變相延長(zhǎng)面板厚度。根據(jù)重量補(bǔ)償原理，在保護(hù)罩內(nèi)采用主動(dòng)降噪設(shè)備，利用反向消聲降低噪聲。

同時(shí)，微穿孔板的另外一個(gè)問題是吸聲頻率單一，有效頻段窄。為了提升結(jié)構(gòu)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(gè)部分，針對(duì)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(píng)價(jià)

通過以上創(chuàng)新方法得到12個(gè)方案，從成本、維護(hù)和有用功能三個(gè)維度對(duì)以上方案進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果如表2對(duì)方案所示。理想度進(jìn)行分析得到：方案1、2、5、9、12理想度較高，最終選取這5個(gè)方案，構(gòu)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(duì)真空斷路器的進(jìn)行功能分析及振動(dòng)噪聲機(jī)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(jù)表2的振動(dòng)噪聲控制技術(shù)方案，采用3D打印等加工方式制作樣件，經(jīng)過多次試驗(yàn)驗(yàn)證和優(yōu)化，最終方案使得真空斷路器噪聲降至80dB以內(nèi)，達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。

五、效益推廣

5.1 社會(huì)效益

本項(xiàng)目是創(chuàng)新方法產(chǎn)品應(yīng)用的典范，實(shí)現(xiàn)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(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)后續(xù)的平臺(tái)化應(yīng)用和推廣具有較大的意義，同時(shí)將為企業(yè)帶來經(jīng)濟(jì)效益和品牌影響。

5.2 專利成果

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

并且依據(jù)上述研究，已經(jīng)針對(duì)軌道車輛整車噪聲控制場(chǎng)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(chǎng)景應(yīng)用需求。目前真空斷路器消聲保護(hù)罩已完成大部分測(cè)試驗(yàn)證，投產(chǎn)后預(yù)計(jì)年需求量1.5萬套，產(chǎn)值750萬。延伸出的先進(jìn)降噪材料正在進(jìn)行工藝改進(jìn)和驗(yàn)證，預(yù)計(jì)市場(chǎng)規(guī)模1.3億元。