高速列车顶板振动测试及控制

2014-02-24陈宗广郭鹏

噪声与振动控制 2014年2期

陈宗广，郭鹏

（兰州交通大学数理学院，兰州 730070）

高速列车由于其体积庞大、运行速度高、外界作用力（轨道作用、空气流作用、接触网作用）多，使其振动强度大而且复杂。在高速运行时，各种作用激发的振动对乘客、环境和列车自身都有很大的影响。直接影响是：一方面通过车体传递到座椅和地板，作用于人体造成不适感；另一方面是降低各种零部件的使用寿命，甚至造成安全隐患。间接影响是：由各种振动所激发的噪声，向车外传播对铁路沿线附近居民的生产、生活造成很大影响[1,2]。

决定列车振动强弱和频谱特性的内在因素是车体材料和结构设计，外在因素是列车运行环境和运行速度。而近几年，随着我国新型列车速度的不断提高，使得振动和噪声问题越发突出，成为高速列车发展的制约因素之一。为此，探索列车车体振动规律，提出各种改进措施以达到减振降噪目的，对高速列车制造工业和高速铁路发展具有重要意义。

对所有减振降噪的工程问题来说，首要是分析振源和振动的传递途径，进而有针对性的提出治理措施，列车振动问题也不例外。振动是由作用力引起的，从外界对车体作用力的来源分析，高速列车振动的振源主要有各种车载设备的振动、轮轨相互作用引起的振动、车身周围相对运动的高速气流脉动对车体的作用、接触网对受电弓的作用。车载设备（牵引电机、空调、风机、变压器、变流器等）的振动不光高速列车有，各种机械设备都会遇到这个问题，学者和工程技术人员对各个设备的振动噪声问题都有详尽深入的研究[3]。列车的轮对承载着整个车体重量，使得轮轨之间的作用力非常大。无论是低速还是高速列车，轮轨振动都是最主要的振源和声源，国内外在这个领域也做了大量的理论和实验研究工作 [4，5]。

相比较而言，气流脉动对车体的作用和受电弓区域的振动研究得比较少，还有很多工作需要进一步探索。列车运行时，接触网的滑动摩擦、接触网吊索的撞击、气流扰动诸多作用力都施加于受电弓上，引起受电弓振动，振动沿受电弓杆臂传播到车顶，进而通过车体传递到内装饰顶板，顶板的振动会向客室内辐射噪声。本文的目的就是通过线上实车试验，研究高速列车受电弓区域车顶部振动特性、振动从车体向顶板的传递规律以及顶板采取隔振措施的效果。

1 测点布置及测试内容

列车车厢端部下方是转向架，上方是受电弓（对有受电弓的车厢而言），是振源比较集中的位置，因而是整节车厢振动最强的区域。本研究主要关注受电弓区域车体的振动，受电弓杆臂上由于安全原因无法布置测点，因此加速度传感器布置在受电弓下方的车体和顶板上。

图1a.是振动测点在车顶布置的示意图，图1b.是车体顶部截面图。如图1所示，试验在列车端部位置车顶内壁和顶板内壁上对应位置各布置了11个加速度测点，受电弓和转向架分别位于2号和8号测点中线的正上方和正下方。顶板上的2、8、9、10、11号测点在顶板的中线上，自由度大；1、4、5、6号测点在顶板安装座附近，受安装座约束作用，自由度小；3、7号测点在过渡区域。从8号点向11号点指向车厢中部，是远离受电弓的方向，测点这样设置的目的是为了测试受电弓振动向外传播过程衰减的情况。

在如图所示测点位置安装振动加速度传感器，线上实车运行试验时，选择试验线路条件好（转弯半径大、坡度小、轨面平整度高）的路段，测试列车匀速运行时车顶部区域车体上和客室顶板上各测试点的振动加速度。试验数据分析方法主要是用对比的方法，包括振动大小在不同测点位置的对比、有受电弓和无受电弓车的对比、车体和顶板的对比、隔振处理前后的对比。

2 列车顶部振动特性

2.1 不同位置振动加速度

图1 测点布置示意图

列车端部主要的振源是下部的转向架和上部的受电弓，由图2可以看出，有受电弓车厢顶部各点振动远远大于无受电弓车厢同一位置振动，说明在列车端部位置的顶部区域，对整个振动起主要作用的是受电弓振动。无受电弓车厢车顶振动来自轮轨振动通过转向架和车体向上的传递以及气流脉动作用，其各点振动大小分布比较均匀，在图上呈直线状。对于有受电弓的车厢，在车体上，从2号测点到11号测点，随着测点位置远离受电弓，振动加速度呈降低趋势，但是变化值较小，说明振动在车体刚性结构中的传播衰减很慢。在顶板上，2号和8号测点离受电弓最近，而且自由度大，所以振动最强；1、4、5、6号测点因为受顶板安装座约束作用振动较小；从8号向11号测点方向，振动加速度呈衰减趋势，由于顶板相比车体刚度小，振动衰减较快。未做隔振处理时，车顶板通过安装座螺栓跟车体刚性连接在一起，车顶振动通过安装座传递到顶板，由图可以看出，各点的振动都被放大了，这是由于更庞大的车体结构相比，顶板的整体性和质量都很小。综合上述各因素，受电弓区域的车顶和顶板振动都很强，是整个车厢振动治理的薄弱环节，需要对这个区域从车体结构设计和顶板安装方式等采取减振和隔振处理。

2.2 特征测点加速度频谱分析

频谱分析是研究振动特性的重要手段之一，可以为振源识别和振动在结构中的传播衰减情况提供重要的判断方法。本试验布置的振动测点较多，在11个测点中，2号测点是距离受电弓最近，而且受安装座约束最小的位置。限于篇幅，本文只对2号测点处的振动加速度做频谱分析。

图2 不同位置振动加速度比较

图3a.和图3b.分别是车顶上和顶板上2号测点振动加速度频谱曲线。可以看出，无受电弓车厢车顶和顶板振动频谱成分比较单一，只在150 Hz附近和50 Hz以下有峰值，主要是低频振动；峰值很突出的固定频率振动可能跟轮对滚动周期和轨道接缝有关，有待进一步研究。有受电弓车厢车顶和顶板上的振动频谱范围很宽，从低频到高频都有很强的振动，这是由受电弓振动的复杂性决定的；振动从车顶传递到顶板后，由于顶板的刚度小，1 000 Hz以下的振动因其自身的阻尼作用基本衰减了，又由于顶板的质量小、安装座间距的跨度大，1 000 Hz以上的振动被放大了。

3 列车顶板振动控制

3.1 隔振措施

既然车顶部受电弓区域车体和顶板的振动都很强，有必要采取减振措施。减振的一般方法是从振源和振动传递路径两个方面入手。受电弓自身有其特殊性，来自接触网的滑动摩擦作用和气流扰动作用，受电弓随车体的晃动这些都很难改变。目前车体设计主要是从力学和隔热等方面做了考虑，例如双层加筋板结构和填充隔热吸声材料等，而这些设计对减振也是有利的。跟前面两方面比较，容易实现而且效果明显的减振措施就是对内装饰顶板采取隔振措施，可以降低顶板的振动以及振动向客室内辐射的噪声，从而改善客室环境。本试验正是基于以上考虑，通过在顶板安装座上加装弹性垫来实现隔振效果。

3.2 隔振处理前后加速度对比

图4是对顶板安装采取隔振措施前后振动加速度的对比图。由图可以看出，对有受电弓的车，隔振处理后，顶板上各点的振动都有比较大的降低，显然隔振措施取得了好的效果。对无受电弓车厢，由于车体本身的振动比较小，隔振后各点振动不但没有明显的降低，而且某些点振动还有少许放大，因此所有没必要采取隔振措施，而且为了顶板安装的稳定性，应继续采用刚性连接安装。

3.3 特征测点隔振处理前后频谱比较

从前面试验结果可以看出，车顶部振动是成分比较复杂的宽频带振动，而隔振措施对不同频率振动的效果不同。仍然以2号测点为例，比较隔振处理前后，加速度频谱的变化。图5a.是有受电弓车厢顶板2号测点采取隔振措施前后振动加速度频谱曲线对比图。由频谱图和试验数据得出，采取隔振措施后，对频率峰值在150 Hz、200 Hz、260 Hz附近以及频率在340 Hz以上的振动，都有很好的减振效果；对于50 Hz以下的低频振动，隔振没有效果。

图5b.是无受电弓车厢顶板2号测点采取隔振措施前后振动加速度频谱曲线对比图。在整个频率范围呢，隔振前后的振动加速度几乎没有变化，得出跟前面分析同样的结论，对无受电弓车厢，顶板安装方式不需要做隔振处理。

图3 2号测点加速度频谱曲线

图4 隔振前后顶板上不同位置振动加速度比较

图5 顶板上2号测点隔振前后加速度频谱比较

3.4 隔振效果分析

对于简单振动系统，评价隔振效果的物理量常用的是振动传递系数，其定义是传递力与扰动力之比，即

T越小，说明通过隔振元件传递的振动越小，隔振效果也越好。如果T=1，则表明干扰全部被传递，没有隔振效果；如果T<1，则说明扰动只被部分传递，起到了一定隔振效果；如果隔振系统设计失败，也可能出现T>1的情形，这时振动被放大。

本文研究的是高速列车车顶和顶板之间的振动传递问题，由于扰动力和传递力难以直接测量得到，因此无法用振动传递系数定量表达隔振效果。但上述简单隔振系统的分析对本文研究的复杂系统做定性分析也是适用的。如果把顶板作为研究对象，车顶振动就是外界扰动，隔振器就是顶板安装座上的弹性垫。分析得到影响隔振效果的因素有：来自车顶的扰动力频率、顶板的固有振动频率、车顶和弹性垫的阻尼系数、顶板质量、弹性垫的刚度。外界扰动频率对特定的问题一般都是已经确定的，系统的固有频率可以通过结构设计或者配重等措施改变，固有频率越低越有利于隔振。其它的参数不是越大越好或者越小越好好，各参数要综合考虑。

除了以上因素之外，顶板安装座的位置和数量对顶板的振动影响也很大。新型列车为了美观，安装座都在顶板边缘处，顶板跨度比较大，使得顶板中间位置运动自由度较大，对振动有放大作用。还有一个问题是本系统不是单频振动，做隔振处理时要针对很宽的频率范围考虑，增加了隔振的难度。

综上所述，如果想要获得好的隔振效果，要对以上各种影响隔振的参数进行测算和优化设计，例如选择隔振垫的阻尼系数和刚度、通过背板加筋和涂敷阻尼浆改变顶板质量和刚度、增加安装座等措施。

顶板振动受很多因素影响和制约，本文只对车顶的振动、振动从车顶向顶板的传递以及隔振措施做了初步探讨，更详尽的振动规律和减振措施有待做更深入的研究。