基于高速列车噪声特性优化的牵引变压器滑槽吊装悬挂参数研究

周顺元，肖新标*,，张捷，赵明花,3，黄佳程

基于高速列车噪声特性优化的牵引变压器滑槽吊装悬挂参数研究

周顺元1，肖新标*,1，张捷2，赵明花1,3，黄佳程1

（1.西南交通大学 牵引动力国家重点实验室，四川 成都 610031；2.四川大学 高分子材料工程国家重点实验室，四川 成都 610065；3.国家高速列车技术创新中心，山东 青岛 266111）

滑槽吊装方式在高速列车轻量化设计中存在明显优势，基于有限元法，建立滑槽吊装下车体－设备耦合振动分析模型，其中车体部分考虑型材厚度采用壳单元建模，而吊装部分将减振器等效为考虑刚度和阻尼特性的弹簧单元，通过谐响应分析计算单位力下车体振动响应作为中间结果。基于间接边界元法建立车体声辐射仿真分析模型，且考虑牵引变压器实际负载工况下的工频谐波激励影响，利用映射后的车体法向振动速度计算牵引变压器上方车体的辐射声功率级，根据声辐射仿真结果进一步探究悬挂刚度和阻尼比对车体辐射声功率的影响。结果表明：滑槽吊装下车体辐射声功率级在350 Hz工频处最为突出，悬挂刚度对其影响较小，悬挂阻尼比影响较大，且车体辐射声功率级随着悬挂阻尼比的增加而增大。

高速列车；滑槽吊装；有限元；边界元；声辐射

目前高速列车的辅助设备主要采用动力分散技术，大部分直接吊挂在车体下端。设备的振动噪声是静置状态下车体辐射声的主要来源，尤其是牵引变压器这类具有大质量、自带激励源特性的车下设备。从越来越多的现场反馈来看，设备的振动噪声已经对列车静置舒适性产生明显影响。同时，滑槽吊装作为典型吊装方式，在整车轻量化设计中存在明显优势。因此，有必要研究滑槽吊装下车体声辐射特性。

许多学者对高速列车车体声辐射问题的研究主要集中在型材板件本身，大体可分为仿真分析和试验研究两个方面。谢素明等[1]利用声传递向量研究了车体结构模态和车内声学模态的耦合关系，分析了车体各部分的声学贡献。姚丹等[2]基于模态声传递向量（Model Acoustic Transfer Vector，MATV）法预测了高速列车车体铝型材在白噪声激励下的振动声辐射特性。Wang等[3]利用7 m缩减车体进行了随机振动试验，并通过有限元－间接边界元法进行仿真。郭建强等[4]通过局部台架试验和实车线路测试，基于OTPA（Operational Transfer Path Analysis，工况传递路径分析）发现车内噪声主要来自地板辐射。上述研究在噪声方面几乎没有涉及车体与车下设备的关系。

在高速列车车体振动方面，贺小龙等[5-6]建立了车辆－设备刚柔耦合模型，针对设备的悬挂参数研究了辅助设备对高速列车车体垂向振动的影响，对吊挂设备的悬挂参数进行了优化设计。陈亮等[7]建立了车体－设备的刚柔耦合动力学模型，发现牵引变压器的垂向连接刚度对车体的垂向振动响应影响很小。Sun等[8]通过建立考虑设备悬挂的垂向刚柔耦合动力学模型研究了设备吊挂的静挠度对乘坐舒适性的影响。以上有关振动方面的研究主要是针对动力学问题，涉及的频率范围很低，基本在100 Hz以下。

因此，考虑牵引变压器工频谐波激励和滑槽吊装下的设备－车体声辐射问题还有待深入研究。

本文通过牵引变压器台架试验获取实际工作状态下箱体的振动加速度，并作为仿真模型的激励输入。基于有限元法和间接边界元法分别建立滑槽吊装下的车体－设备耦合振动模型和车体声辐射预测模型。在模态验证的基础上，探究滑槽吊装悬挂参数对高速列车车体噪声特性的影响规律，为滑槽吊装优化设计提供参考。

1 原理与方法

本文以某型高速列车车体为研究对象，车身结构如图1所示。其中车身总长25 m、车宽3.3 m、车高3.7 m。

图1 高速列车车体结构示意图

对该高速列车拖车车体采用有限元离散结构进行建模分析计算，结构体系的运动方程为：

为充分考虑阻尼影响，基于完全法进行谐响应分析，故采用完整系统矩阵进行计算，直接求解特征方程，为：

式中：K为质量复矩阵；u为节点位移复向量；F为作用于系统的外激励复向量。

在求得位移响应的基础上，提取振动速度响应作为后续声学计算的边界条件，为：

在确定振动速度响应后，以此振动速度作为边界元法的边界映射条件，有：

基于速度响应和声压结果，有：

2 滑槽吊装耦合振动模型

2.1 耦合模型建立

滑槽吊装结构如图2所示。滑槽吊装下，地板的C型滑槽上安装有弹片座，设备通过橡胶堆减振器与弹片座固定安装。相较于其他吊装方式，牵引变压器采用滑槽吊装时不需要额外的安装框架，有利于轻量化设计，且滑槽吊装不会压缩设备舱内的空间。

图2 滑槽吊装示意图

对于耦合模型的建模，首先在三维尺寸上，车体型材的厚度尺寸相比于其他两维尺寸较小，考虑到网格质量和计算成本，可以通过分组赋予厚度属性，并利用SHELL 181壳单元对其进行等效建模。考虑到本文主要探究设备正上方车体的声辐射特性，因此为了提高建模效率，将车体车下挡板等对整车模态影响较小的结构进行简化。其中，材料阻尼比取0.0005。

其次，滑槽吊装中的弹片座等安装固定结构采用SOLID 185单元进行建模，而橡胶堆减振器采用COMBINE 14弹簧单元进行等效。本文假设各位置的吊挂刚度、阻尼比保持一致。弹性单元阻尼比取0.1，刚度参数可计算为[9-10]：

本文取：

最后，牵引变压器在其实际尺寸的基础上利用等质量的刚性块进行等效，采用SOLID 185实体单元进行建模。

耦合模型中，对设备吊装点的横向、纵向进行约束，仅考虑牵引变压器垂向吊挂影响，且在转向架空簧位置施加简支约束。整个有限元模型采用共节点耦合连接。

滑槽吊装下车体－辅助设备耦合有限元模型及其吊装局部如图3所示。吊装有限元模型中主要的材料和结构参数如表1所示。

表1 模型参数

2.2 车体有限元模型的验证

在不考虑设备吊装的情况下，针对高速列车铝型材车身进行模态提取，以验证模型准确性。不考虑刚体模态，前三阶车体模态依次为一阶菱形模态、一阶垂弯模态和一阶扭转模态，其有限元模型振型云图如图4所示。

图3 车体－设备耦合有限元模型

图4 车体模态振型图

将本文建立的车体有限元模型模态振型与某型号高速列车车体的模态实测数据[11]进行对比验证，如表2所示。可以看出，本文计算所得模态与文献[11]结果基本一致，其差异是由结构及材料参数的区别造成的。

表2 前三阶整车模态验证

高速列车车体在20 Hz之前的低频段主要表现为车体整体模态，可以清晰获取车体主要模态振型。进一步提取车体中高频模态，发现模态数量急剧增加，且主要反映为车体局部模态振型。

2.3 牵引变压器台架试验

通过台架试验获取牵引变压器箱体的垂向加速度频谱，根据该测试数据将实测加速度响应转换为惯性力激励。

针对某型号变压器进行台架试验。在牵引变压器上安装加速度传感器，测点位于变压器箱体中间位置，如图5所示。为充分考虑牵引变压器实际负载工况，将牵引辅助变流器的整流系统调整为两重四项限均开启的状态，在此工况下，牵引变压器正常开启。

图5 牵引变压器台架试验

测试获得所需频带内变压器的振动加速度如图6所示。可以看出，牵引变压器振动响应峰值主要集中在50 Hz、100 Hz及其他工频谐波频率位置，其中350 Hz处的振动加速度峰值最为明显。通过查看频谱各频率处的振动响应发现，各工频峰值的加速度响应主要集中在工频频率±2.5 Hz的频带范围内，因此在后续叠加牵引变压器工频谐波激励以计算实际的车体辐射声功率级时需要重点关注工频±2.5 Hz的频带范围。相比之下，非工频频带的振动响应值较小，对牵引变压器振动响应的贡献量较低，故在后续研究中不作为主要关注频带。

图6 实测变压器振动响应

3 车体声辐射研究

3.1 间接边界元模型

考虑到计算量的大小，重点针对变压器上方3 m区域进行声辐射探究。如图7所示，在现有结构模型的基础上，采用列车型材结构里侧表面作为声学网格位置，计算该结构面振动速度所产生的辐射声功率。为保证结构精度，需保证单元均匀分布，且每个声学波长范围[12]中必须包含至少6个声学单元。声学边界元模型的网格尺寸共有9241个节点、9328个单元，以四面体单元为主要组成单元。计算频率范围20～500 Hz，计算步长2.5 Hz。基于ISO 3744[13]进行声功率级的计算。

3.2 车体辐射声功率

利用第2节的耦合振动分析模型在ANSYS中进行谐响应分析作为中间过渡结果，将所得单位力下实体结构网格的振动速度响应作为声学边界条件，计算滑槽吊装下牵引变压器上方纵向3 m车体的辐射声功率级，如图8所示。

从声能量角度出发，结合图8可知，滑槽吊装下车体辐射声功率峰值主要集中在100 Hz及200～450 Hz频带内的工频谐波位置，其中350 Hz处的声功率级最大，为全频段的最大贡献频率点，这与图6牵引变压器测试所得的箱体振动响应峰值对应。考虑牵引变压器实际激励后车体声辐射显著频率主要集中在高频区域这一特性，说明车体结构模态在中高频频段的局部振型对高速列车车体的振动声辐射影响较小，而牵引变压器的工频谐波激励特性对车体中高频辐射声功率级影响较大。

图7 ISO场点网格模型

图8 声功率级对比

3.3 悬挂参数优化

考虑到滑槽吊装在轻量化设计上的优势，需要对其声辐射特性进行优化以推广实际的工程应用。由于牵引变压器仅通过一级橡胶堆减振器与车体连接，因此合理选择悬挂参数对于车体的声辐射优化有重要意义。对悬挂刚度与阻尼比进行参数调查，如表3所示。其中1和1为上述计算中所用悬挂刚度和阻尼比参数。

表3 参数调查工况

对滑槽吊装下不同工况的车体声辐射进行仿真。悬挂刚度和阻尼比工况下工频±2.5 Hz频带内声功率级及20～500 Hz全频带总值的对比情况如图9和图10所示。可以看出，悬挂刚度和阻尼比对滑槽吊装下车体辐射声功率级存在不同的影响，因此需要单独对其进行说明。

由图9可知，随着刚度的增加，350 Hz仍为对总值贡献最大的频段，但总值和各工频对应的声功率级变化不明显。这主要是由于中高频段并非系统刚度控制区，对悬挂刚度变化不敏感，而刚度变化所导致的声功率级变化最直观的体现在50 Hz之前的低频段，但考虑到其并非声功率级总值的主要贡献频带，因此悬挂刚度变化对滑槽吊装下车体辐射声功率级影响较小。

由图10可知，声功率级对悬挂阻尼比的变化较为敏感，其中350 Hz仍是贡献最大的工频频段。声功率级总值及各工频频带声功率级随着阻尼比的提高而明显增大，这是由于中高频位于系统隔振区域，随着阻尼比的提高，系统动力放大系数相应提升，进而导致车体振动响应水平提高，故车体辐射声功率级随之增大。考虑到实际橡胶堆减振器的生产中，阻尼比受限于材料特性而存在上下限，因此需要结合实际情况选择阻尼比较小的橡胶堆减振器以降低车体滑槽吊装下的辐射声功率级。

图9 悬挂刚度工况调查

图10 悬挂阻尼比工况调查

3 结论与讨论

本文通过建立高速列车车体－设备耦合振动分析模型及车体声辐射模型，计算分析了滑槽吊装方式下车体声辐射特性，并基于该特性的相关分析进一步对悬挂参数进行工况调查，得到以下结论：

（1）滑槽吊装下，高速列车车体辐射声功率级的突出频带主要集中在中高频的工频谐波处，尤其是350 Hz。这说明牵引变压器作为有源设备，其内源激励在研究车体－设备中高频耦合振动声辐射特性中起到重要影响。

（2）悬挂刚度对滑槽吊装下车体辐射声功率级影响较小，而悬挂阻尼比对其影响较大，声功率级随着阻尼比的提高而增大，应根据实际生产情况选择阻尼比较小的橡胶堆减振器。

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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

国家自然科学基金（U1934203）

周顺元（1997－），男，江苏常州人，硕士研究生，主要研究方向为轨道列车减振降噪，E-mail：1318197663@qq.com。

通讯作者：肖新标（1978－），男，广东阳春人，博士，副研究员、博士生导师，主要研究方向为铁路噪声与振动，E-mail：xiao@swjtu.edu.cn。