受電弓隔振裝置可行性分析

曹 榮，張方濤

（南車青島四方股份公司，山東 青島 266000）

受電弓隔振裝置可行性分析

曹 榮，張方濤

（南車青島四方股份公司，山東 青島 266000）

本文主要針對(duì)安裝有受電弓的軌道車輛，在高速運(yùn)行時(shí)受電弓對(duì)車體的激勵(lì)振動(dòng)造成車外和客室內(nèi)部噪音值較高的問題，提出增加安裝受電弓隔振裝置的方案，以消弱受電弓對(duì)車體鋼結(jié)構(gòu)的激勵(lì)振動(dòng)，達(dá)到降低噪音的目的。同時(shí)，對(duì)此方案在阻尼隔振性能和結(jié)構(gòu)可靠性能兩方面進(jìn)行分析。

受電弓；隔振裝置；降低噪音

1 前言

受電弓作為軌道車輛主要受電設(shè)備之一，在電力機(jī)車、地鐵車輛以及動(dòng)車組上得到了廣泛的應(yīng)用。但在實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)，在受電弓安裝位置下方的客室內(nèi)部噪音明顯高于平均值。而且隨著軌道車輛運(yùn)行速度的提高，受電弓對(duì)車體的激勵(lì)振動(dòng)也進(jìn)一步增加。那么，除了增加隔音棉、隔音墊等輔助性措施以外，是否可以從根本上減弱或消除該處對(duì)車體的激勵(lì)振動(dòng)呢？

2 噪聲與振動(dòng)分析

通過線路測(cè)試，獲得了車外振動(dòng)與噪聲分布及頻譜特性，車外聲壓分布圖見下圖1：

圖1 車外聲壓分布圖

如圖1所示，在車輛高速運(yùn)行時(shí)，受電弓區(qū)域的聲壓是整列車聲壓的峰值。而可采用的有效降噪隔振的措施，除了加強(qiáng)車體的隔聲降噪性能外，則是增加安裝受電弓隔振裝置，切斷受電弓與車體鋼結(jié)構(gòu)的剛性連接，從而起到降低受電弓對(duì)車體鋼結(jié)構(gòu)的激勵(lì)振動(dòng)的作用。

3 受電弓隔振裝置用隔振材料

在車輛高速運(yùn)行過程中，受電弓承受強(qiáng)烈的風(fēng)阻，產(chǎn)生的振動(dòng)則通過受電弓弓體傳遞到受電弓安裝座上。普通的減震材料其抗老化性和減震效果均無法滿足受電弓隔振的要求。因此我們選擇了一種特殊的阻尼隔振材料：壓電阻尼隔振材料。

3.1 成分及特性

由高阻尼聚合物基體、壓電粒子和導(dǎo)電粒子復(fù)合而成。該材料作為隔振材料，具備優(yōu)良的隔音特性，同時(shí)其機(jī)械強(qiáng)度又遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通的隔振、隔音材料。

3.2 隔振原理

在外力作用下，通過材料內(nèi)的壓電相、導(dǎo)電項(xiàng)和聚合物基體之間的相互作用，利用壓電效應(yīng)（機(jī)械能-電能轉(zhuǎn)換）、導(dǎo)電作用（電能-熱能轉(zhuǎn)換）及聚合物粘彈性阻尼作用，最終達(dá)到隔振降低噪聲作用。隔振原理圖見圖2。

圖2 壓電阻尼隔振材料隔振原理

3.4 應(yīng)用案例

3.4.1 簡(jiǎn)介

潛艇螺旋漿主驅(qū)動(dòng)電機(jī)軸，安裝于金屬內(nèi)筒內(nèi)部，通過軸承與之連接。如下圖3所示。

圖3 材料應(yīng)用案例示意圖

3.4.2 模型試驗(yàn)結(jié)果

1）噪聲降低了8-10dB。

2）試件結(jié)構(gòu)剛度大于8GPa。

3）軸向剪切力大于70噸。

4 受電弓隔振裝置

4.1 受電弓隔振裝置設(shè)計(jì)

如圖4所示為受電弓隔振裝置設(shè)計(jì)圖，金屬零件均為不銹鋼材質(zhì)，內(nèi)部填充物為壓電阻尼隔振材料，此材料通過材料灌注孔灌裝并固化。固化后，材料灌注孔等材料裸露部位將采取措施封閉，使壓電阻尼隔振材料與外部環(huán)境隔絕，以增強(qiáng)其穩(wěn)定性。

如圖中所示，受電弓向下傳遞振動(dòng)的金屬路徑在隔振裝置內(nèi)部被壓電阻尼隔振材料完全隔斷，以避免剛性連接。

圖4 受電弓隔振裝置圖

4.2 受電弓隔振裝置安裝布置

如圖5所示，受電弓絕緣座安裝在隔振裝置上，從而實(shí)現(xiàn)了受電弓與車體的非剛性連接。

圖5 受電弓隔振裝置安裝布置圖

5 可行性分析

5.1 概述

針對(duì)受電弓隔振裝置，主要考察其阻尼隔振性能和結(jié)構(gòu)可靠性能。

5.2 阻尼隔振性能分析

5.2.1 阻尼隔振性能驗(yàn)證試驗(yàn)如下表1所示：

表1 阻尼隔振性能驗(yàn)證試驗(yàn)項(xiàng)目

5.3 結(jié)構(gòu)可靠性能分析

5.3.1 壓電阻尼隔振材料性能試驗(yàn)

序號(hào)測(cè)試項(xiàng)目測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)1固化度GB/T 2576-2005 2拉伸強(qiáng)度GB/T 2568-1995 3壓縮強(qiáng)度、壓縮模量GB/T 2569-1995 4拉伸剪切強(qiáng)度GB-7124-1986 5吸水率GB/T 1462-1988 6沖擊韌性GB/T 2571-1995 7硬度GB/T 3854-2005 8熱性能GB/T 1634.1-2004

5.3.2 受電弓隔振裝置結(jié)構(gòu)可靠性能試驗(yàn)

序號(hào)測(cè)試項(xiàng)目測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)1構(gòu)件疲勞性能測(cè)試1）抗壓性能的疲勞試驗(yàn)采用英國(guó)INSTRON1341電液伺服材料實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，用壓—壓模式對(duì)結(jié)構(gòu)徑向壓應(yīng)力加載，頻率15Hz，周期107。試驗(yàn)機(jī)通過壓頭對(duì)試樣施加靜載荷，試驗(yàn)機(jī)通過下壓頭對(duì)試樣施加動(dòng)載。2）剪切性能的疲勞試驗(yàn)用壓—壓模式對(duì)整環(huán)結(jié)構(gòu)軸向壓應(yīng)力加載，頻率15Hz，周期107。試驗(yàn)機(jī)通過壓頭對(duì)試樣施加靜載荷，試驗(yàn)機(jī)通過下壓頭對(duì)試樣施加動(dòng)載。2抗壓性能測(cè)試/結(jié)構(gòu)剛度從經(jīng)過疲勞的試件和未經(jīng)疲勞的試件上各切取3件試樣進(jìn)行抗壓縮試驗(yàn)。以2mm/min的位移加載速率對(duì)試樣施加載荷直至試樣破壞，試驗(yàn)過程中試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)采集數(shù)據(jù)。獲得過程中的作用力及載荷—位移數(shù)據(jù)。通過作用力與形變比值計(jì)算出該作用力下試件的結(jié)構(gòu)剛度值。3水壓性能測(cè)試對(duì)構(gòu)件進(jìn)行水壓試驗(yàn)，考察水壓條件下構(gòu)件各層材料的變形率、吸水率及構(gòu)件整體變形情況。水壓試驗(yàn)在密封壓力筒內(nèi)進(jìn)行，對(duì)施加0.0—0.5Mpa壓力范圍下時(shí)的應(yīng)變值進(jìn)行測(cè)試，獲得應(yīng)力-應(yīng)變曲線，進(jìn)而考察構(gòu)件在壓力條件下的吸水性能及變形情況。4抗振動(dòng)沖擊試驗(yàn)IEC 61373-1999

5.3.3 結(jié)構(gòu)可靠性能試驗(yàn)項(xiàng)目說明

1）壓電阻尼隔振材料性能試驗(yàn)主要考察驗(yàn)證的是此材料本身的耐環(huán)境穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的相關(guān)物理參數(shù)。

2）受電弓隔振裝置結(jié)構(gòu)可靠性能試驗(yàn)主要從抗壓疲勞及剪切疲勞兩種方式進(jìn)行試驗(yàn)，研究此結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能，為受電弓隔振裝置可行性應(yīng)用提供參照。

［1］南車青島四方股份公司受電弓安裝圖紙［Z］.

［2］南車青島四方股份公司內(nèi)部文件.新一代動(dòng)車組設(shè)計(jì)進(jìn)展-減振降噪部分［Z］.

［3］趙良省.噪聲與振動(dòng)控制技術(shù)［M］.

［4］本文相關(guān)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)［S］.