高速列车外风挡振动问题研究

李苏宣 王建

摘   要：高速列车外风挡抖动是近年来出现的新课题，由其导致的内风挡异常抖动和高噪音也成为高速列车领域研究的热点和重点，本文从高速列车外风挡变形、振动的成因着手进行深入研究，利用实验监测手段、对其振动特性、气动性能特性进行了层层深入剖析，最终找到问题的根源、触发条件，在此基础上进行结构改进;并对改进结构进行模态测试和仿真分析验证，进而得到更好的改进结构，为外风挡制造、研究及运用过程中的问题解决提供清晰明确的指导方案。

关键词：高速列车  外风挡  内风挡  振动  振动特性  气动性能特性

中图分类号：G225                                  文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2020）03（a）-0104-02

高速列车外风档能够光滑连接相邻两节车厢，防止风沙、雨雪进入车内，对列车的运行平稳性、气动性能和旅客的舒适性指标影响尤为重要。外风挡一般分为半包式和全包式两大类，由于高速动车速度的提升、运行时间和里程的大幅增加，在试运阶段出现变形、振动、噪声高等问题。

针对外风挡变形问题，通过研究认为外风挡胶囊外侧与内侧形成较大气压差，容易造成风挡胶囊向内侧翻转并与其周围零部件相互干涉造成变形，可通过提高外风挡弹性和挺性、降低变形性（包括拉断永久变形和压缩永久变形）或改进外风挡结构和外风挡内部增加支撑件予以改善[2]。但没有对具体发生变形的过程进行深入研究。由此可见，现有研究对高速列车外风挡的结构变形、振动成因还处于起步阶段，对其振动特性、气动性能特性的深入研究丞待开展。

本文以某时速350km/h高速动车组全包外风挡为研究对象，建立测试系统对风挡压力、压差和变形情况进行测试，找到振动噪声的成因及关键部位，进而根据测试结果确定改进方案，最后通过气动性能仿真分析和振动模态测试对改进方案进行理论验证。

1  测试方案

为了解外风挡振动噪声产生的原因和部位，制定了四种结构调整方案，即方案a：车肩部 R800 处风挡开口（1&2车）;方案b：车端减震器处风挡封堵（5&6车）;方案c：车底部位风挡拆除（6&7车）;方案d：车顶和车底部位风挡拆除（7&8车）。在运行情况下对压力、压差和胶囊变形测试和监控，并且选定方案d进行内风挡的振动测试，研究外风挡对其干扰和影响。

1.1 压力、压差和胶囊变形测试监控

（1）四种风挡分别分布在同一列车的不同车辆连接处，每个风挡内外侧及空腔内布置压力传感器，用于测量风挡位置的压力及压差;在内外风挡中间的空间区域布置视频摄像头2个，丝线和黑白条若干，用于观测风挡腔内区域流场分布、及胶囊振动及变形情况。

（2）选某一区间内往返测试，列车运行速度在250～350km/h之间变化。

2  外风挡振动监控结果

外风挡起振速度在350km/h左右;外风挡胶囊两侧车间减震器上部到肩部 R800段振动剧烈;肩部 R800处到列车顶部段振动迅速减小，胶囊R800处和车间减震器端部振动较为剧烈，应力集中严重，属于易损坏区域。

通过对监测的压力数据和监控视频结果进行分析，当列车高速运行时，外风挡外侧受到较大负压作用，外风挡内部的压力大于外部压力，造成胶囊存在外翻趋势; 随着列车运行速度提高，胶囊收到的向外的压差均值逐渐变大，压差脉动幅度变大;当列车速度接近 350 km/h 时，车体间相对位移和车体振动造成后胶囊受流面积增大，造成后胶囊外翻，进而增加了前后胶囊间隙，车外气流通过间隙进入内外风挡之间的空腔内，产生的气动力F进一步加剧了后胶囊的外翻，内外风挡空腔内的周期性涡脱形成脉动气流造成后胶囊受力不稳定，产生振动， 内外风挡空腔内的压力的脉动频率接近胶囊固有频率时，胶囊振动加剧。

3  改进方案及验证

3.1 改进方案

由振动测试监控结果可知，外风挡产生缝隙以及风挡刚度是风挡振动的主要原因 ，内外风挡间的气流及压力差导致内风挡的抖动和高噪音，采用加宽加厚加预紧力的外风挡结构，胶囊的根部厚度由15mm增厚至17mm，胶囊整体宽度由140mm加宽至240mm，并增加了两胶囊间的预紧力 ，并对外风挡的原始和改进后的两种方案的关键部位进行了振动模态测试和风挡仿真分析计算。

3.2 振动模态测试

试验的激励采用锤击法，选取外风挡侧向部分结构为主要测试对象，选择外风挡胶囊下部增加弹性橡胶撑垫方案1和加宽加厚加预紧力的加改方案两种方案2，对比验证外风挡胶囊刚度的性能。

测试结果表明：方案1的胶囊与橡胶支撑垫内衬间难以很好地接触，因而橡胶支撑垫提高胶囊整体刚度的效果很有限。更为重要的是两胶囊之间（尤其在外风挡近车间减振器开口附近）仍存在明显间隙，因而外风挡仍然容易被外界气动激励所激发，出现外风挡下部（车间减振器开口附近）振动幅度较为明显的颤振响应。方案2外風挡的振动性能提高显著;此外，加改后外风挡胶囊之间的气动封闭性明显提高，大幅降低列车高速运行时气动激励，应能有效抑制外风挡侧向部分的振动。

3.3 风挡仿真分析

通过建立非线性接触有限元模型，并考虑了线路测试载荷以及通过建立非线性接触有限元模型，并考虑了线路测试载荷以及风挡是否有压缩量的情况下，对风挡开展了仿真分析。发现在风挡无压缩量和压缩量为 40mm两种工况下，施加不同形式的气压载荷，方案2的风挡缝隙明显小于方案1，并且方案2在变形后没有发生外鼓现象，参见图1。

4  结语

本文通过对抖动问题外风挡进行压力气流组织监测分析，发现问题成因及各改进方案的优缺点，针对问题成因，结合模态试验测试和仿真分析结果，确定了加改方案，得出如下结论：（1）列车高速运行时，外风挡外侧受到较大负压作用，外风挡内部的压力大于外部压力，是造成胶囊外翻的外在原因;（2）胶囊整体刚度不足是导致胶囊变形的内在原因;（3）胶囊变形后，进入内外风挡空腔内的周期性涡脱形成脉动气流造成后胶囊受力不稳定，产生振动，内外风挡空腔内的压力的脉动频率接近胶囊固有频率时，胶囊振动加剧，导致胶囊撕裂。（4）内外风挡之间空腔内的压力脉动是导致内风挡受迫脉动发生，出现剧烈抖动和高噪声的根源。

参考文献

[1] 王金田.高速列车车间连接处车内噪声特性研究[J].噪声与振动控制，2014（12）：101.

[2] 张坤.高速列车外风挡研究进展[J].特种橡胶制品，2018（2）：62.