高速列车驱动装置对转向架气动噪声的影响

晋永荣 陈晓丽

（湖南铁道职业技术学院，湖南 株洲412000）

1 概述

噪声严重影响人的身心健康，国外研究表明，列车速度提高后，气动噪声现象更加明显。列车气动噪声幅值主要受列车车身截面突变的影响，而转向架是引起列车车身截面突变的主要因素。因此转向架的结构对列车气动噪声的影响日益受到关注，驱动装置作为转向架重要组成部分，其结构直接影响高速列车气动噪声幅值。

2 高速列车驱动装置

驱动装置是高速列车动力的产生装置，一般由牵引电机、联轴节、齿轮和齿轮箱等组成，高速列车驱动装置将电能转换成动能，并传递给轮轴系统，驱动列车向前运行。高速列车牵引电机采用不同的悬挂方式将导致齿轮、齿轮箱的不同，进而影响驱动装置的整体布局。我国CRH 系列动车组牵引电机采用的悬挂方式主要有2 种类型。如图1 所示，CRH2、CRH3 型动车组牵引电机采用架悬式，悬挂在转向架上，通过齿式联轴节向齿轮传递动力；如图2 所示，CRH5 型动车组采用的体悬式牵引电机，电机悬挂在车体底部，通过万向轴和锥形齿轮向转向架车轴传递动力。

图1 架悬式牵引电机示意图

图2 体悬式牵引电机示意图

此外，动车组上还有不带动力的拖车转向架，各型动车组拖车转向架结构大致类似，主要由轮轴系统、构架、悬挂系统和制动系统等组成，由于转向架上没有悬挂电机，车轴上也没有设置齿轮箱，因此具有足够的空间在车轴上设置制动盘，拖车转向架一般采用轴盘制动，制动盘安装在车轴上。

CRH2、CRH3 型动车组牵引电机悬挂在转向架上，使得转向架整布置紧凑、尺寸小、重量轻、空间利用率高。而CRH5 型动车组牵引电机悬挂在车体底部，通过万向轴向转向架传递动力，相较于牵引电机悬挂于转向架的动车组而言，转向架整体尺寸较大、空间利用率低；且由于车体空间限制，动力转向架靠近车体端部的一侧无法悬挂牵引电机，因此CRH5 型动车组动力转向架只有一根动轴，另一根为拖轴，转向架的空间对称性不好。此外，与体悬式牵引电机相比，架悬式牵引电机由于电机悬挂与车轴上，因此簧下质量较大；且由于受到转向架横向尺寸的限制，牵引电机长度缩短，不利于牵引电机功率的提高；整个传动系统的扭转刚度较小，如果弹性元件的刚度选择及匹配不恰当，将造成轮轨间的粘滑振动增大，容易诱发空转，影响动车组粘着利用率，限制动车组牵引力的增大，使动车组提速受到影响；与非动力转向架和体悬式牵引电机相比，架悬式牵引电机将使得转向架周围流场更加复杂。

3 转向架几何模型构建

如图3 所示，组成转向架的零部件众多、结构组成十分繁琐，其几何形状也非常复杂。按照真实的转向架结构进行几何模型的构建，将造成几何形状复杂，对计算域离散带来非常大的困难，也为后期计算带来较大的难度；相反，在保证转向架基本几何形状的基础上，在一定程度上对其进行合理的简化，可以大大降低转向架计算域离散的难度、提高计算速度，且不影响计算精度。

图3 动车组转向架

按照这一原则，在构建几何模型时，将对计算结果影响较小的悬吊件和减震、悬挂装置进行简化，保留集合尺寸较大的驱动装置、制动装置、轮轴系统和空气弹簧等部分悬挂方式。如图4 所示为牵引电机采取架悬式悬挂的动力转向架，图5 为牵引电机采取体悬式悬挂的动力转向架，图6 为非动力转向架。

图4 带有架悬式牵引电机转向架简化图

图5 带有体悬式牵引电机转向架简化图

图6 非动力转向架简化图

4 计算域离散

4.1 计算工况设置

如表1 所示，研究中选取的转向架类型包括三类：带有架悬式牵引电机的动力转向架、带有体悬式牵引电机的动力转向架和无动力转向架；研究中选取的列车速度有200km/h、250km/h、300km/h、380km/h、450km/h。对各类转向架在不同列车速度下的流场进行计算，首先分析同一类型转向架在不同列车速度下的气动噪声幅值进行分析，研究列车速度对于转向架气动噪声幅值的影响；再对不同转向架在不同列车速度下的气动噪声幅值进行分析，研究转向架驱动装置对列车气动噪声的影响。

表1 计算工况设置

4.2 网格统计

尽管对转向架结构进行了简化，但其几何形状仍然比较复杂，如果直接采用结构化网格对其进行离散，将造成离散难度的增大，因此对计算域的离散采用非结构化网格，采用的网格类型主要有Tetra、Hexa、Penta、Pyra 四类。为突出转向架不同类型驱动装置对气动噪声的影响，确保计算结果的精确度，在驱动装置周围加密度区。网格详细数据如表2 所示。

表2 网格数量统计

5 计算方法

转向架周围的流场是完全的三维、粘性、可压缩、非定常湍流流场。采用流体力学质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程和理想气体状态方程构建转向架周围流程的控制方程。各式如下：

采用低雷诺数k-ε 模型对转向架近壁面进行处理。

湍流模型采用高雷诺数k-ε 模型，湍流脉动动能k 和湍流脉动动能耗散率ε 的控制方程如下：

时间离散采用一阶迎风格式，扩散项采用中心差分格式进行离散，对流项采用混合差分格式进行离散，格式如下：

上式中的Dnj为法向扩散，Dcj为交叉扩散，控制方程如下所示：

6 计算结果分析

按照表1 中所示的工况设置，对三类转向架各自在不同速度等级下运行时的气动噪声幅值进行计算，结果所示如图7 所示。

图7 转向架气动噪音幅值

6.1 气动噪声幅值与列车运行速度之间的变化规律

三类转向架气动噪声幅值都随运行提高的增大而逐渐增大，当列车速度由200km/h 逐渐提高到450km/h 的过程中，无动力转向架气动噪声幅值也经历了5.3dB、12.5dB、15.1dB、20.4dB、23.6dB，采用架悬式牵引电机的动力转向架，当列车速度由200km/h 逐渐提高到450km/h 的过程中，转向架气动噪声幅值依次为5.53dB、12.77dB、15.31dB、21dB、24.1dB，采用体悬式牵引电机的动力转向架，当列车速度由200km/h 逐渐提高到450km/h 的过程中，转向架气动噪声幅值也依次为6.12dB、13.02dB、15.65dB、22.6dB、24.9dB，可见转向架气动噪声幅值随列车运行速度的提高而逐渐增大。

6.2 气动噪声幅值增长趋势与列车运行速度之间的变化规律

三类转向架气动噪声增长趋势相同，都呈现出逐渐增幅逐渐减慢的趋势。当列车速度分别由200km/h 提高到250km/h、由250km/h 提高到300km/h、由300km/h 提高到380km/h、由380km/h 提高到450km/h 的过程中，无动力转向架气动噪声幅值的增长值依次为7.2dB、2.6dB、5.3dB、3.2dB，而采用架悬式牵引电机的动力转向架气动噪声幅值的增长值依次为7.24dB、2.53dB、5.7dB、3.1dB，采用体悬式牵引电机的动力转向架气动噪声幅值的增长值依次为6.9dB、2.63dB、6.95dB、2.3dB。可见三类转向架气动噪声随列车运行速度增长的趋势相同，且都呈现出增长速度逐渐减缓的趋势。

6.3 驱动装置对转向架气动噪声的影响

动力转向架气动噪声幅值高于无动力转向架，采用体悬式牵引电机的动力转向架噪声幅值高于采用架悬式牵引电机的动力转向架，且这一差值随列车速度的提高而更加突出。当列车运行速度为200km/h，是采用体悬式牵引电机的动力转向架噪声幅值为6.12dB，采用架悬式牵引电机的动力转向架噪声幅值为5.53dB，无动力转向架噪声幅值为5.3dB，差值最大值为0.23dB 和0.59dB，当列车运行速度提高到250km/h，这一最大差值略减小为0.27dB 和0.25dB，当列车速度再依次增大时，这一差值也逐渐增大，最大时达到0.6dB 和1.6dB。而可见，随着列车速度的逐渐提高，动力转向架与非动力转向架之间的气动噪声差值将更加明显，采用体悬式牵引电机的转向架相比于采用架悬式牵引电机的转向架，气动噪声将更加明显。当前，我国高速列车运行最高速度为350km/h，国内正在研发更高速度的高速列车，当列车运行速度进一步提高后，动力转向架的气动噪声幅值将更加明显，架悬式牵引电机在气动降噪方面的优势也将进一步凸显。

7 结论

噪声影响人的身心健康，随着列车运行速度的不断提高，气动噪声在列车运行噪声中的占比逐渐增大，列车速度进一步提高后，减小气动噪声的幅值将成为列车降噪的主要任务。国外研究表明，影响高速列车气动噪声主要原因是车体截面的突变，而造成这一突变的原因是受电弓、转向架等部件。因此，研究高速列车驱动装置对转向架气动噪声的影响，认识气动噪声产生的特征和变化规律，为高速列车主动降噪提供参数依据，进而有效控制高速列车气动噪声幅值，有着十分重要的意义。