基于高速列車噪聲特性優化的牽引變壓器滑槽吊裝懸掛參數研究

周順元，肖新標*,，張捷，趙明花,3，黃佳程

基于高速列車噪聲特性優化的牽引變壓器滑槽吊裝懸掛參數研究

周順元1，肖新標*,1，張捷2，趙明花1,3，黃佳程1

（1.西南交通大學 牽引動力國家重點實驗室，四川 成都 610031；2.四川大學 高分子材料工程國家重點實驗室，四川 成都 610065；3.國家高速列車技術創新中心，山東 青島 266111）

滑槽吊裝方式在高速列車輕量化設計中存在明顯優勢，基于有限元法，建立滑槽吊裝下車體－設備耦合振動分析模型，其中車體部分考慮型材厚度采用殼單元建模，而吊裝部分將減振器等效為考慮剛度和阻尼特性的彈簧單元，通過諧響應分析計算單位力下車體振動響應作為中間結果。基于間接邊界元法建立車體聲輻射仿真分析模型，且考慮牽引變壓器實際負載工況下的工頻諧波激勵影響，利用映射后的車體法向振動速度計算牽引變壓器上方車體的輻射聲功率級，根據聲輻射仿真結果進一步探究懸掛剛度和阻尼比對車體輻射聲功率的影響。結果表明：滑槽吊裝下車體輻射聲功率級在350 Hz工頻處最為突出，懸掛剛度對其影響較小，懸掛阻尼比影響較大，且車體輻射聲功率級隨著懸掛阻尼比的增加而增大。

高速列車；滑槽吊裝；有限元；邊界元；聲輻射

目前高速列車的輔助設備主要采用動力分散技術，大部分直接吊掛在車體下端。設備的振動噪聲是靜置狀態下車體輻射聲的主要來源，尤其是牽引變壓器這類具有大質量、自帶激勵源特性的車下設備。從越來越多的現場反饋來看，設備的振動噪聲已經對列車靜置舒適性產生明顯影響。同時，滑槽吊裝作為典型吊裝方式，在整車輕量化設計中存在明顯優勢。因此，有必要研究滑槽吊裝下車體聲輻射特性。

許多學者對高速列車車體聲輻射問題的研究主要集中在型材板件本身，大體可分為仿真分析和試驗研究兩個方面。謝素明等[1]利用聲傳遞向量研究了車體結構模態和車內聲學模態的耦合關系，分析了車體各部分的聲學貢獻。姚丹等[2]基于模態聲傳遞向量（Model Acoustic Transfer Vector，MATV）法預測了高速列車車體鋁型材在白噪聲激勵下的振動聲輻射特性。Wang等[3]利用7 m縮減車體進行了隨機振動試驗，并通過有限元－間接邊界元法進行仿真。郭建強等[4]通過局部臺架試驗和實車線路測試，基于OTPA（Operational Transfer Path Analysis，工況傳遞路徑分析）發現車內噪聲主要來自地板輻射。上述研究在噪聲方面幾乎沒有涉及車體與車下設備的關系。

在高速列車車體振動方面，賀小龍等[5-6]建立了車輛－設備剛柔耦合模型，針對設備的懸掛參數研究了輔助設備對高速列車車體垂向振動的影響，對吊掛設備的懸掛參數進行了優化設計。陳亮等[7]建立了車體－設備的剛柔耦合動力學模型，發現牽引變壓器的垂向連接剛度對車體的垂向振動響應影響很小。Sun等[8]通過建立考慮設備懸掛的垂向剛柔耦合動力學模型研究了設備吊掛的靜撓度對乘坐舒適性的影響。以上有關振動方面的研究主要是針對動力學問題，涉及的頻率范圍很低，基本在100 Hz以下。

因此，考慮牽引變壓器工頻諧波激勵和滑槽吊裝下的設備－車體聲輻射問題還有待深入研究。

本文通過牽引變壓器臺架試驗獲取實際工作狀態下箱體的振動加速度，并作為仿真模型的激勵輸入。基于有限元法和間接邊界元法分別建立滑槽吊裝下的車體－設備耦合振動模型和車體聲輻射預測模型。在模態驗證的基礎上，探究滑槽吊裝懸掛參數對高速列車車體噪聲特性的影響規律，為滑槽吊裝優化設計提供參考。

1 原理與方法

本文以某型高速列車車體為研究對象，車身結構如圖1所示。其中車身總長25 m、車寬3.3 m、車高3.7 m。

圖1 高速列車車體結構示意圖

對該高速列車拖車車體采用有限元離散結構進行建模分析計算，結構體系的運動方程為：

為充分考慮阻尼影響，基于完全法進行諧響應分析，故采用完整系統矩陣進行計算，直接求解特征方程，為：

式中：K為質量復矩陣；u為節點位移復向量；F為作用于系統的外激勵復向量。

在求得位移響應的基礎上，提取振動速度響應作為后續聲學計算的邊界條件，為：

在確定振動速度響應后，以此振動速度作為邊界元法的邊界映射條件，有：

基于速度響應和聲壓結果，有：

2 滑槽吊裝耦合振動模型

2.1 耦合模型建立

滑槽吊裝結構如圖2所示。滑槽吊裝下，地板的C型滑槽上安裝有彈片座，設備通過橡膠堆減振器與彈片座固定安裝。相較于其他吊裝方式，牽引變壓器采用滑槽吊裝時不需要額外的安裝框架，有利于輕量化設計，且滑槽吊裝不會壓縮設備艙內的空間。

圖2 滑槽吊裝示意圖

對于耦合模型的建模，首先在三維尺寸上，車體型材的厚度尺寸相比于其他兩維尺寸較小，考慮到網格質量和計算成本，可以通過分組賦予厚度屬性，并利用SHELL 181殼單元對其進行等效建模。考慮到本文主要探究設備正上方車體的聲輻射特性，因此為了提高建模效率，將車體車下擋板等對整車模態影響較小的結構進行簡化。其中，材料阻尼比取0.0005。

其次，滑槽吊裝中的彈片座等安裝固定結構采用SOLID 185單元進行建模，而橡膠堆減振器采用COMBINE 14彈簧單元進行等效。本文假設各位置的吊掛剛度、阻尼比保持一致。彈性單元阻尼比取0.1，剛度參數可計算為[9-10]：

本文取：

最后，牽引變壓器在其實際尺寸的基礎上利用等質量的剛性塊進行等效，采用SOLID 185實體單元進行建模。

耦合模型中，對設備吊裝點的橫向、縱向進行約束，僅考慮牽引變壓器垂向吊掛影響，且在轉向架空簧位置施加簡支約束。整個有限元模型采用共節點耦合連接。

滑槽吊裝下車體－輔助設備耦合有限元模型及其吊裝局部如圖3所示。吊裝有限元模型中主要的材料和結構參數如表1所示。

表1 模型參數

2.2 車體有限元模型的驗證

在不考慮設備吊裝的情況下，針對高速列車鋁型材車身進行模態提取，以驗證模型準確性。不考慮剛體模態，前三階車體模態依次為一階菱形模態、一階垂彎模態和一階扭轉模態，其有限元模型振型云圖如圖4所示。

圖3 車體－設備耦合有限元模型

圖4 車體模態振型圖

將本文建立的車體有限元模型模態振型與某型號高速列車車體的模態實測數據[11]進行對比驗證，如表2所示。可以看出，本文計算所得模態與文獻[11]結果基本一致，其差異是由結構及材料參數的區別造成的。

表2 前三階整車模態驗證

高速列車車體在20 Hz之前的低頻段主要表現為車體整體模態，可以清晰獲取車體主要模態振型。進一步提取車體中高頻模態，發現模態數量急劇增加，且主要反映為車體局部模態振型。

2.3 牽引變壓器臺架試驗

通過臺架試驗獲取牽引變壓器箱體的垂向加速度頻譜，根據該測試數據將實測加速度響應轉換為慣性力激勵。

針對某型號變壓器進行臺架試驗。在牽引變壓器上安裝加速度傳感器，測點位于變壓器箱體中間位置，如圖5所示。為充分考慮牽引變壓器實際負載工況，將牽引輔助變流器的整流系統調整為兩重四項限均開啟的狀態，在此工況下，牽引變壓器正常開啟。

圖5 牽引變壓器臺架試驗

測試獲得所需頻帶內變壓器的振動加速度如圖6所示。可以看出，牽引變壓器振動響應峰值主要集中在50 Hz、100 Hz及其他工頻諧波頻率位置，其中350 Hz處的振動加速度峰值最為明顯。通過查看頻譜各頻率處的振動響應發現，各工頻峰值的加速度響應主要集中在工頻頻率±2.5 Hz的頻帶范圍內，因此在后續疊加牽引變壓器工頻諧波激勵以計算實際的車體輻射聲功率級時需要重點關注工頻±2.5 Hz的頻帶范圍。相比之下，非工頻頻帶的振動響應值較小，對牽引變壓器振動響應的貢獻量較低，故在后續研究中不作為主要關注頻帶。

圖6 實測變壓器振動響應

3 車體聲輻射研究

3.1 間接邊界元模型

考慮到計算量的大小，重點針對變壓器上方3 m區域進行聲輻射探究。如圖7所示，在現有結構模型的基礎上，采用列車型材結構里側表面作為聲學網格位置，計算該結構面振動速度所產生的輻射聲功率。為保證結構精度，需保證單元均勻分布，且每個聲學波長范圍[12]中必須包含至少6個聲學單元。聲學邊界元模型的網格尺寸共有9241個節點、9328個單元，以四面體單元為主要組成單元。計算頻率范圍20～500 Hz，計算步長2.5 Hz。基于ISO 3744[13]進行聲功率級的計算。

3.2 車體輻射聲功率

利用第2節的耦合振動分析模型在ANSYS中進行諧響應分析作為中間過渡結果，將所得單位力下實體結構網格的振動速度響應作為聲學邊界條件，計算滑槽吊裝下牽引變壓器上方縱向3 m車體的輻射聲功率級，如圖8所示。

從聲能量角度出發，結合圖8可知，滑槽吊裝下車體輻射聲功率峰值主要集中在100 Hz及200～450 Hz頻帶內的工頻諧波位置，其中350 Hz處的聲功率級最大，為全頻段的最大貢獻頻率點，這與圖6牽引變壓器測試所得的箱體振動響應峰值對應。考慮牽引變壓器實際激勵后車體聲輻射顯著頻率主要集中在高頻區域這一特性，說明車體結構模態在中高頻頻段的局部振型對高速列車車體的振動聲輻射影響較小，而牽引變壓器的工頻諧波激勵特性對車體中高頻輻射聲功率級影響較大。

圖7 ISO場點網格模型

圖8 聲功率級對比

3.3 懸掛參數優化

考慮到滑槽吊裝在輕量化設計上的優勢，需要對其聲輻射特性進行優化以推廣實際的工程應用。由于牽引變壓器僅通過一級橡膠堆減振器與車體連接，因此合理選擇懸掛參數對于車體的聲輻射優化有重要意義。對懸掛剛度與阻尼比進行參數調查，如表3所示。其中1和1為上述計算中所用懸掛剛度和阻尼比參數。

表3 參數調查工況

對滑槽吊裝下不同工況的車體聲輻射進行仿真。懸掛剛度和阻尼比工況下工頻±2.5 Hz頻帶內聲功率級及20～500 Hz全頻帶總值的對比情況如圖9和圖10所示。可以看出，懸掛剛度和阻尼比對滑槽吊裝下車體輻射聲功率級存在不同的影響，因此需要單獨對其進行說明。

由圖9可知，隨著剛度的增加，350 Hz仍為對總值貢獻最大的頻段，但總值和各工頻對應的聲功率級變化不明顯。這主要是由于中高頻段并非系統剛度控制區，對懸掛剛度變化不敏感，而剛度變化所導致的聲功率級變化最直觀的體現在50 Hz之前的低頻段，但考慮到其并非聲功率級總值的主要貢獻頻帶，因此懸掛剛度變化對滑槽吊裝下車體輻射聲功率級影響較小。

由圖10可知，聲功率級對懸掛阻尼比的變化較為敏感，其中350 Hz仍是貢獻最大的工頻頻段。聲功率級總值及各工頻頻帶聲功率級隨著阻尼比的提高而明顯增大，這是由于中高頻位于系統隔振區域，隨著阻尼比的提高，系統動力放大系數相應提升，進而導致車體振動響應水平提高，故車體輻射聲功率級隨之增大。考慮到實際橡膠堆減振器的生產中，阻尼比受限于材料特性而存在上下限，因此需要結合實際情況選擇阻尼比較小的橡膠堆減振器以降低車體滑槽吊裝下的輻射聲功率級。

圖9 懸掛剛度工況調查

圖10 懸掛阻尼比工況調查

3 結論與討論

本文通過建立高速列車車體－設備耦合振動分析模型及車體聲輻射模型，計算分析了滑槽吊裝方式下車體聲輻射特性，并基于該特性的相關分析進一步對懸掛參數進行工況調查，得到以下結論：

（1）滑槽吊裝下，高速列車車體輻射聲功率級的突出頻帶主要集中在中高頻的工頻諧波處，尤其是350 Hz。這說明牽引變壓器作為有源設備，其內源激勵在研究車體－設備中高頻耦合振動聲輻射特性中起到重要影響。

（2）懸掛剛度對滑槽吊裝下車體輻射聲功率級影響較小，而懸掛阻尼比對其影響較大，聲功率級隨著阻尼比的提高而增大，應根據實際生產情況選擇阻尼比較小的橡膠堆減振器。

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Research on Chute Hoisting Suspension Parameters of Traction Transformer Based on Noise Characteristic Optimization of High-Speed Train

ZHOU Shunyuan1，XIAO Xinbiao1，ZHANG Jie2，ZHAO Minghua1,3，HUANG Jiacheng1

( 1.State Key Laboratory of Traction Power, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 2.State Key Laboratory of Polymer Materials Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, China; 3.National Innovation Center of High Speed Train, Qingdao 266111, China )

The chute hoisting method has obvious advantages in the lightweight design of high-speed train. On the basis of the finite element method, the coupled vibration analysis model of the vehicle body and equipment under the chute hoisting is established. In the part of the vehicle body, the shell element is used for modeling considering the thickness of the profile, and in the hoisting part, the shock absorber is equivalent to the spring element considering the stiffness and damping characteristics. The vibration response of the vehicle body under unit force is calculated by harmonic response analysis as the intermediate result. The vehicle body acoustic radiation simulation analysis model is established based on the indirect boundary element method, and considering the influence of the power frequency harmonic excitation under the actual load condition of the traction transformer, the mapped normal vibration velocity of the vehicle body is used to calculate the radiant sound power level of the vehicle body above the traction transformer, and the influence of the suspension stiffness and damping ratio on the vehicle body radiant sound power is further explored according to the simulation results of acoustic radiation. The results show that the radiant sound power level of the vehicle body is most prominent at the power frequency of 350 Hz when the chute is hoisted, and the influence of the suspension stiffness is small, while the influence of the suspension damping ratio is large, and the radiant sound power level of the vehicle body increases with the increase of the suspension damping ratio.

high-speed train；chute hoisting；FEM；BEM；acoustic radiation

U270.1+6

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2023.12.006

1006-0316 (2023) 12-0034-07

2023-03-07

國家自然科學基金（U1934203）

周順元（1997－），男，江蘇常州人，碩士研究生，主要研究方向為軌道列車減振降噪，E-mail：1318197663@qq.com。

通訊作者：肖新標（1978－），男，廣東陽春人，博士，副研究員、博士生導師，主要研究方向為鐵路噪聲與振動，E-mail：xiao@swjtu.edu.cn。