高速动车组受电弓区域车顶结构降噪优化试验数据分析与仿真.pdf
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1、高速动车组受电弓区域车顶结构降噪优化试验数据分析与仿真余永革,王成涛,高阳,马常付,吴洪霞(中车长春轨道客车股份有限公司工程研究中心,长春130062)摘要:当前我国高速动车组列车运行速度超过 350km/h,受电弓区域车顶结构产生的噪声已成为车厢内最大噪声源,影响乘客乘坐体验。文章采用试验数据分析与仿真方法,对 CRH380B 型和CR400BF 型动车组受电弓区域车顶结构进行全路径降噪优化措施试验研究,包括顶板型材阻尼处理优化、车顶内饰板声辐射控制与结构优化、车体顶板组合结构吸声/隔声材料优化处理、顶板结构全路径结构传声控制优化;在考虑受电弓区域和转向架区域联合声振激励的前提下,采用 FE
2、-SEA 法,基于优化后车顶结构的细节特征,建立整车车厢内噪声仿真模型,定量评估车顶结构各项降噪优化措施对车厢内噪声的改善效果。仿真结果表明:车顶结构降噪优化设计可使 CRH380B 型动车组受电弓区域下方车厢内噪声降低3dB,使 CR400BF 型动车组进一步降低 1dB 以上。关键词:高速动车组;受电弓;车顶结构;减振降噪;试验数据分析;计算机仿真;车厢内声学特性中图分类号:U266.2:TP39文献标识码:ADOI:10.3969/j.issn.1005-8451.2023.10.11Experimental data analysis and simulation on noise r
3、eduction optimizationof roof structure beneath pantograph of high-speed multiple electric unitsYUYongge,WANGChengtao,GaoYang,MAChangfu,WUHongxia(EngineeringResearchCenter,CRRCChangchunRailwayVehiclesCo.Ltd.,Changchun130062,China)Abstract:At present,the runningspeed of Chinesehigh-speed Electric Mult
4、ipleUnits(EMUs)trains exceeds350km/handthenoisegeneratedbytheroofstructurebeneaththepantographhasbecomethelargestnoisesourceinsidethecarriage,affectingpassengersridingexperience.Thearticleadoptsexperimentaldataanalysisandsimulationmethods to conduct experimental research on full path noise reduction
5、 optimization measures for the roofstructurebeneaththepantographofCRH380BandCR400BFEMUstrain,includingoptimizationofdampingtreatmentforroofprofiles,controlandstructuraloptimizationofsoundradiationfromroofinteriorpanels,optimizationofsoundabsorption/insulationmaterialsforthecombinedstructureoftheroof
6、,andoptimizationofsoundtransmissioncontrolfor the full path structure of the roof structure.In considerationof the combination ofthe sound and vibrationexcitationfromthepantographandthebogieandbasedonthedetailedcharacteristicsoftheoptimizedroofstructure,theFE-SEAmethodisadoptedtoestablishanoisechara
7、cteristicssimulationmodeloftheentirevehiclecompartmentbelowthepantographforquantitativeevaluationoftheimprovementeffectsofnoisereductionoptimizationmeasuresoftheroofstructureonthenoiseinsidethecarriage.Thesimulationresultsshowthatthenoisereductionoptimizationoftheroofstructuredeterminedinthischapter
8、reducesthenoiseinsidethecarriagebelowthepantographoftheCRH380Bhigh-speedtrainby3dB,andfurtherreducesthenoiseoftheCR400BFhigh-speedtrainbymorethan1dB.Keywords:high-speed multiple electric units;pantograph;roof structure;vibration and noise reduction;experimentaldataanalysis;computersimulation;acousti
9、ccharacteristicsofcarriageinterior受电弓的安装破坏了车顶的平顺化外形,受电弓区域车顶结构在高速气流作用下会产生剧烈振动,进而向车内客室辐射噪声;同时,由于受电弓卧进车顶,导致客室空间变小,车顶变薄,车外噪声向车内传递的距离变短,降噪结构设计相对其它区域更加困难。收稿日期:2023-05-20基金项目:中国铁路总公司科技研究开发计划课题(2015J009-A)作者简介:余永革,正高级工程师;王成涛,正高级工程师。第32卷 第10期Vol.32 No.10方法与应用Method and Application文章编号:1005-8451(2023)10-0051-
10、08RCA2023.10 总第 319 期51大量仿真和实验研究结果表明,受电弓及其安装设备和车体表面的气动噪声,以及气动压力与空气流动导致的受电弓及车体结构的振动是该区域的主要噪声源。文献 1 通过 CIT500 高速试验列车车外噪声源图谱的试验研究,文献 1 通过 CIT500 高速试验列车车外噪声源图谱的试验研究,发现受电弓区域噪声与运行速度 6 次方成正比,以气动噪声为主。文献 2 研究发现高速列车气动噪声源主要集中在转向架、受电弓、列车头尾部、风挡、空调等部位,通过对高速动车组在 330km/h 速度级的实车试验表明,受电弓对高速列车辐射噪声的贡献超过10%。文献 3 研究车外噪声传
11、入车内的机理,发现安装受电弓后车体表面形状发生突变,会使周围空气受到扰动而产生噪声,通过优化受电弓结构及车体隔声结构能够降低车内噪声。文献 4 采用三维可压缩黏性流体模型模拟和波数滤波方法,从受电弓底板区域压力场分离得到对流压力和声学压力,基于统计能量分析方法,建立简化的受电弓区域车内噪声预测模型,分析对流压力和声学压力这 2 种激励对车内噪声的影响,研究表明气动噪声形成的气动声学压力具有更高的透射效率,对车内噪声的影响不可忽视。文献 5 进行高速列车上线运行测试,发现受电弓区域的振动是该区域噪声的主要传播方式,分析了与内饰板振动及对车内噪声的影响;文献 6 通过试验分析发现,受电弓是引起气动
12、噪声的主要原因,通过提高隔声措施及减少气动噪声振动传递可以降低车内噪声。概而言之,控制受电弓下方车厢内噪声主要有降低空气路径噪声传播和抑制受电弓区域车顶结构振动 2 种途径。本文研究采用试验数据分析与仿真方法,对CRH380B 型动车组受电弓区域车顶结构进行隔声降噪优化,降噪优化方案在 CRH400BF 型动车组上实施,经过试验验证后,进一步在 CRH400BF 型动车组开展受电弓区域车顶结构声学性能仿真分析及优化;在考虑受电弓区域和转向架区域联合声振激励的前提下,采用 FE-SEA 法,基于优化后该区域车顶结构的细节特征,建立受电弓下方车厢内噪声仿真模型,定量评估车顶结构降噪优化措施对车厢内
13、噪声的改善效果。1 降噪优化前受电弓区域车顶结构及降噪优化技术路线CRH380B 型高速动车组受电弓区域车顶结构如图 1 所示,各结构部件层依次为:受电弓安装基座、铝板、车外隔音毡、车体型材、车内隔音材、减震垫、吊梁、车内顶板。图1CRH380B 型高速动车组受电弓区域车顶结构示意本文对 CRH380B 型动车组受电弓区域车顶结构进行隔声优化试验研究,基于结构高频振动和声辐射原理,从“受电弓安装基座车体型材弹性吊装内饰顶板”全路径,依次建立受电弓区域车顶结构声振特性试验分析模型,计算分析受电弓区域车顶结构各个结构组件的声振特性,系统开展受电弓区域车顶结构的声学优化措施试验研究,包括顶板型材阻尼
14、处理优化、车体顶板组合结构吸声与隔声优化处理、受电弓车体型材到内饰顶板、内饰顶板声辐射控制与结构优化、顶板结构全路径结构传声控制优化。2 受电弓区域车顶结构降噪优化试验分析2.1 CRH380B 受电弓区域顶板隔声材料选材优化试验分析鉴于 CRH380B 型动车组受电弓区域顶板处隔声性能较弱,计权隔声量约 47.4dB,需要对其隔声方方法与应用2023年10月RCA522023.10 总第 319 期案进行优化,以提高其隔声量,抑制空气路径上的噪声传播。参照文献 7 提高层状复合结构的隔声性能的研究方法,采用试验方法,通过调整隔声材料的选材,获得 3 种具有较好隔声性能的受电弓区域顶板隔声材料
15、选材改进方案,顶板隔声材料选材改进前后的隔声性能测试结果对比分析如图 2 所示。选择其中效果最佳的选材改进方案(即改进方案 3)作为标准动车组受电弓区域顶板隔声材料选材优化措施,计权隔声量为 50.7dB,相比优化前提高了 3.3dB。10203040506070 CRH380B 隔声方案 R_w=47.4dB1002004008001 6003 150频率/Hz隔声量dB 隔声量dB 频率/Hz1002004008001 6003 150(a)优化前的隔声性能测试结果(b)优化后隔声性能测试结果图2顶板隔声材料选材改进前后隔声性能测试结果对比2.2 CRH400BF 型动车组受电弓区域顶板型
16、材阻尼处理优化仿真分析高速列车车体铝型材在气动压力、弓网激励等多场激励下产生振动,向车内辐射噪声,是受电弓区域结构声的主要声源。为此,对型材进行阻尼处理,通过抑制型材的振动,降低声辐射,可以有效降低受电弓区域车内噪声。采用仿真技术,建立受电弓区域顶板铝型材阻尼处理声振模型,开展阻尼处理方案的研究。从阻尼处理位置及方式入手,调查约束阻尼和自由阻尼以及其各自的铺设位置对受电弓区域顶板型材结构的声振优化效果,从隔声、声辐射和质量 3 个方面进行评价。在确定阻尼处理方式后,对阻尼处理的各项参数进行调查,包括阻尼层(约束层)厚度、阻尼层(约束层)选材等,以确定最佳的阻尼处理方案。在 CRH400BF 型
17、动车组上,通过对受电弓区域车顶铝型材的阻尼处理位置、阻尼处理方式以及阻尼处理中各参数进行调查,计算不同工况下型材的隔声量、声辐射及质量,最终确定受电弓区域顶板型材的阻尼处理方式为:在顶板型材的上板面粘贴约束阻尼,约束层为铝板。顶板型材在阻尼处理优化前后的隔声性能对比分析如图 3 所示所示;优化后顶板型材的计权隔声量 RW 提高至 2.6dB,辐射声功率级降低至-14dBA,与原始阻尼处理(即下板面喷涂阻尼浆)下的顶板型材相比,其计权隔声量提高了 0.3dB,辐射声功率级降低了 4.3dBA。1001602504006301 000 1 600 2 500 4 000-10-5051015值差量
18、声隔Bd/R1/3倍频程中心频率/Hz 优化阻尼方案 R_w=2.6dB 原始阻尼方案 R_w=2.3dB1001602504006301 000 1 600 2 500 4 000-25-20-15-10-505101520253035级率功声ABd/1/3倍频程中心频率/Hz 优化阻尼方案SPL=-14dBA 原始阻尼方案SPL=-9.7dBA(a)各工况与原始结构隔声差值曲线(b)各工况与原始结构声功率差值曲线图3受电弓区域顶板型材原始阻尼方案与优化阻尼方案的隔声效果对比分析第32卷 第10期余永革等:高速动车组受电弓区域车顶结构降噪优化试验数据分析与仿真方法与应用RCA2023.10
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