高速列車外風擋振動問題研究

李蘇宣 王建

摘? ?要：高速列車外風擋抖動是近年來出現的新課題，由其導致的內風擋異常抖動和高噪音也成為高速列車領域研究的熱點和重點，本文從高速列車外風擋變形、振動的成因著手進行深入研究，利用實驗監測手段、對其振動特性、氣動性能特性進行了層層深入剖析，最終找到問題的根源、觸發條件，在此基礎上進行結構改進;并對改進結構進行模態測試和仿真分析驗證，進而得到更好的改進結構，為外風擋制造、研究及運用過程中的問題解決提供清晰明確的指導方案。

關鍵詞：高速列車? 外風擋? 內風擋? 振動? 振動特性? 氣動性能特性

中圖分類號：G225? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）03（a）-0104-02

高速列車外風檔能夠光滑連接相鄰兩節車廂，防止風沙、雨雪進入車內，對列車的運行平穩性、氣動性能和旅客的舒適性指標影響尤為重要。外風擋一般分為半包式和全包式兩大類，由于高速動車速度的提升、運行時間和里程的大幅增加，在試運階段出現變形、振動、噪聲高等問題。

針對外風擋變形問題，通過研究認為外風擋膠囊外側與內側形成較大氣壓差，容易造成風擋膠囊向內側翻轉并與其周圍零部件相互干涉造成變形，可通過提高外風擋彈性和挺性、降低變形性（包括拉斷永久變形和壓縮永久變形）或改進外風擋結構和外風擋內部增加支撐件予以改善[2]。但沒有對具體發生變形的過程進行深入研究。由此可見，現有研究對高速列車外風擋的結構變形、振動成因還處于起步階段，對其振動特性、氣動性能特性的深入研究丞待開展。

本文以某時速350km/h高速動車組全包外風擋為研究對象，建立測試系統對風擋壓力、壓差和變形情況進行測試，找到振動噪聲的成因及關鍵部位，進而根據測試結果確定改進方案，最后通過氣動性能仿真分析和振動模態測試對改進方案進行理論驗證。

1? 測試方案

為了解外風擋振動噪聲產生的原因和部位，制定了四種結構調整方案，即方案a：車肩部 R800 處風擋開口（1&2車）;方案b：車端減震器處風擋封堵（5&6車）;方案c：車底部位風擋拆除（6&7車）;方案d：車頂和車底部位風擋拆除（7&8車）。在運行情況下對壓力、壓差和膠囊變形測試和監控，并且選定方案d進行內風擋的振動測試，研究外風擋對其干擾和影響。

1.1 壓力、壓差和膠囊變形測試監控

（1）四種風擋分別分布在同一列車的不同車輛連接處，每個風擋內外側及空腔內布置壓力傳感器，用于測量風擋位置的壓力及壓差;在內外風擋中間的空間區域布置視頻攝像頭2個，絲線和黑白條若干，用于觀測風擋腔內區域流場分布、及膠囊振動及變形情況。

（2）選某一區間內往返測試，列車運行速度在250～350km/h之間變化。

2? 外風擋振動監控結果

外風擋起振速度在350km/h左右;外風擋膠囊兩側車間減震器上部到肩部 R800段振動劇烈;肩部 R800處到列車頂部段振動迅速減小，膠囊R800處和車間減震器端部振動較為劇烈，應力集中嚴重，屬于易損壞區域。

通過對監測的壓力數據和監控視頻結果進行分析，當列車高速運行時，外風擋外側受到較大負壓作用，外風擋內部的壓力大于外部壓力，造成膠囊存在外翻趨勢; 隨著列車運行速度提高，膠囊收到的向外的壓差均值逐漸變大，壓差脈動幅度變大;當列車速度接近 350 km/h 時，車體間相對位移和車體振動造成后膠囊受流面積增大，造成后膠囊外翻，進而增加了前后膠囊間隙，車外氣流通過間隙進入內外風擋之間的空腔內，產生的氣動力F進一步加劇了后膠囊的外翻，內外風擋空腔內的周期性渦脫形成脈動氣流造成后膠囊受力不穩定，產生振動， 內外風擋空腔內的壓力的脈動頻率接近膠囊固有頻率時，膠囊振動加劇。

3? 改進方案及驗證

3.1 改進方案

由振動測試監控結果可知，外風擋產生縫隙以及風擋剛度是風擋振動的主要原因 ，內外風擋間的氣流及壓力差導致內風擋的抖動和高噪音，采用加寬加厚加預緊力的外風擋結構，膠囊的根部厚度由15mm增厚至17mm，膠囊整體寬度由140mm加寬至240mm，并增加了兩膠囊間的預緊力 ，并對外風擋的原始和改進后的兩種方案的關鍵部位進行了振動模態測試和風擋仿真分析計算。

3.2 振動模態測試

試驗的激勵采用錘擊法，選取外風擋側向部分結構為主要測試對象，選擇外風擋膠囊下部增加彈性橡膠撐墊方案1和加寬加厚加預緊力的加改方案兩種方案2，對比驗證外風擋膠囊剛度的性能。

測試結果表明：方案1的膠囊與橡膠支撐墊內襯間難以很好地接觸，因而橡膠支撐墊提高膠囊整體剛度的效果很有限。更為重要的是兩膠囊之間（尤其在外風擋近車間減振器開口附近）仍存在明顯間隙，因而外風擋仍然容易被外界氣動激勵所激發，出現外風擋下部（車間減振器開口附近）振動幅度較為明顯的顫振響應。方案2外風擋的振動性能提高顯著;此外，加改后外風擋膠囊之間的氣動封閉性明顯提高，大幅降低列車高速運行時氣動激勵，應能有效抑制外風擋側向部分的振動。

3.3 風擋仿真分析

通過建立非線性接觸有限元模型，并考慮了線路測試載荷以及通過建立非線性接觸有限元模型，并考慮了線路測試載荷以及風擋是否有壓縮量的情況下，對風擋開展了仿真分析。發現在風擋無壓縮量和壓縮量為 40mm兩種工況下，施加不同形式的氣壓載荷，方案2的風擋縫隙明顯小于方案1，并且方案2在變形后沒有發生外鼓現象，參見圖1。

4? 結語

本文通過對抖動問題外風擋進行壓力氣流組織監測分析，發現問題成因及各改進方案的優缺點，針對問題成因，結合模態試驗測試和仿真分析結果，確定了加改方案，得出如下結論：（1）列車高速運行時，外風擋外側受到較大負壓作用，外風擋內部的壓力大于外部壓力，是造成膠囊外翻的外在原因;（2）膠囊整體剛度不足是導致膠囊變形的內在原因;（3）膠囊變形后，進入內外風擋空腔內的周期性渦脫形成脈動氣流造成后膠囊受力不穩定，產生振動，內外風擋空腔內的壓力的脈動頻率接近膠囊固有頻率時，膠囊振動加劇，導致膠囊撕裂。（4）內外風擋之間空腔內的壓力脈動是導致內風擋受迫脈動發生，出現劇烈抖動和高噪聲的根源。

參考文獻

[1] 王金田.高速列車車間連接處車內噪聲特性研究[J].噪聲與振動控制，2014（12）：101.

[2] 張坤.高速列車外風擋研究進展[J].特種橡膠制品，2018（2）：62.