高速列車(chē)驅(qū)動(dòng)裝置對(duì)轉(zhuǎn)向架氣動(dòng)噪聲的影響

晉永榮 陳曉麗

（湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 株洲412000）

1 概述

噪聲嚴(yán)重影響人的身心健康，國(guó)外研究表明，列車(chē)速度提高后，氣動(dòng)噪聲現(xiàn)象更加明顯。列車(chē)氣動(dòng)噪聲幅值主要受列車(chē)車(chē)身截面突變的影響，而轉(zhuǎn)向架是引起列車(chē)車(chē)身截面突變的主要因素。因此轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)對(duì)列車(chē)氣動(dòng)噪聲的影響日益受到關(guān)注，驅(qū)動(dòng)裝置作為轉(zhuǎn)向架重要組成部分，其結(jié)構(gòu)直接影響高速列車(chē)氣動(dòng)噪聲幅值。

2 高速列車(chē)驅(qū)動(dòng)裝置

驅(qū)動(dòng)裝置是高速列車(chē)動(dòng)力的產(chǎn)生裝置，一般由牽引電機(jī)、聯(lián)軸節(jié)、齒輪和齒輪箱等組成，高速列車(chē)驅(qū)動(dòng)裝置將電能轉(zhuǎn)換成動(dòng)能，并傳遞給輪軸系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)列車(chē)向前運(yùn)行。高速列車(chē)牽引電機(jī)采用不同的懸掛方式將導(dǎo)致齒輪、齒輪箱的不同，進(jìn)而影響驅(qū)動(dòng)裝置的整體布局。我國(guó)CRH 系列動(dòng)車(chē)組牽引電機(jī)采用的懸掛方式主要有2 種類型。如圖1 所示，CRH2、CRH3 型動(dòng)車(chē)組牽引電機(jī)采用架懸式，懸掛在轉(zhuǎn)向架上，通過(guò)齒式聯(lián)軸節(jié)向齒輪傳遞動(dòng)力；如圖2 所示，CRH5 型動(dòng)車(chē)組采用的體懸式牽引電機(jī)，電機(jī)懸掛在車(chē)體底部，通過(guò)萬(wàn)向軸和錐形齒輪向轉(zhuǎn)向架車(chē)軸傳遞動(dòng)力。

圖1 架懸式牽引電機(jī)示意圖

圖2 體懸式牽引電機(jī)示意圖

此外，動(dòng)車(chē)組上還有不帶動(dòng)力的拖車(chē)轉(zhuǎn)向架，各型動(dòng)車(chē)組拖車(chē)轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)大致類似，主要由輪軸系統(tǒng)、構(gòu)架、懸掛系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng)等組成，由于轉(zhuǎn)向架上沒(méi)有懸掛電機(jī)，車(chē)軸上也沒(méi)有設(shè)置齒輪箱，因此具有足夠的空間在車(chē)軸上設(shè)置制動(dòng)盤(pán)，拖車(chē)轉(zhuǎn)向架一般采用軸盤(pán)制動(dòng)，制動(dòng)盤(pán)安裝在車(chē)軸上。

CRH2、CRH3 型動(dòng)車(chē)組牽引電機(jī)懸掛在轉(zhuǎn)向架上，使得轉(zhuǎn)向架整布置緊湊、尺寸小、重量輕、空間利用率高。而CRH5 型動(dòng)車(chē)組牽引電機(jī)懸掛在車(chē)體底部，通過(guò)萬(wàn)向軸向轉(zhuǎn)向架傳遞動(dòng)力，相較于牽引電機(jī)懸掛于轉(zhuǎn)向架的動(dòng)車(chē)組而言，轉(zhuǎn)向架整體尺寸較大、空間利用率低；且由于車(chē)體空間限制，動(dòng)力轉(zhuǎn)向架靠近車(chē)體端部的一側(cè)無(wú)法懸掛牽引電機(jī)，因此CRH5 型動(dòng)車(chē)組動(dòng)力轉(zhuǎn)向架只有一根動(dòng)軸，另一根為拖軸，轉(zhuǎn)向架的空間對(duì)稱性不好。此外，與體懸式牽引電機(jī)相比，架懸式牽引電機(jī)由于電機(jī)懸掛與車(chē)軸上，因此簧下質(zhì)量較大；且由于受到轉(zhuǎn)向架橫向尺寸的限制，牽引電機(jī)長(zhǎng)度縮短，不利于牽引電機(jī)功率的提高；整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)剛度較小，如果彈性元件的剛度選擇及匹配不恰當(dāng)，將造成輪軌間的粘滑振動(dòng)增大，容易誘發(fā)空轉(zhuǎn)，影響動(dòng)車(chē)組粘著利用率，限制動(dòng)車(chē)組牽引力的增大，使動(dòng)車(chē)組提速受到影響；與非動(dòng)力轉(zhuǎn)向架和體懸式牽引電機(jī)相比，架懸式牽引電機(jī)將使得轉(zhuǎn)向架周?chē)鲌?chǎng)更加復(fù)雜。

3 轉(zhuǎn)向架幾何模型構(gòu)建

如圖3 所示，組成轉(zhuǎn)向架的零部件眾多、結(jié)構(gòu)組成十分繁瑣，其幾何形狀也非常復(fù)雜。按照真實(shí)的轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)進(jìn)行幾何模型的構(gòu)建，將造成幾何形狀復(fù)雜，對(duì)計(jì)算域離散帶來(lái)非常大的困難，也為后期計(jì)算帶來(lái)較大的難度；相反，在保證轉(zhuǎn)向架基本幾何形狀的基礎(chǔ)上，在一定程度上對(duì)其進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化，可以大大降低轉(zhuǎn)向架計(jì)算域離散的難度、提高計(jì)算速度，且不影響計(jì)算精度。

圖3 動(dòng)車(chē)組轉(zhuǎn)向架

按照這一原則，在構(gòu)建幾何模型時(shí)，將對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較小的懸吊件和減震、懸掛裝置進(jìn)行簡(jiǎn)化，保留集合尺寸較大的驅(qū)動(dòng)裝置、制動(dòng)裝置、輪軸系統(tǒng)和空氣彈簧等部分懸掛方式。如圖4 所示為牽引電機(jī)采取架懸式懸掛的動(dòng)力轉(zhuǎn)向架，圖5 為牽引電機(jī)采取體懸式懸掛的動(dòng)力轉(zhuǎn)向架，圖6 為非動(dòng)力轉(zhuǎn)向架。

圖4 帶有架懸式牽引電機(jī)轉(zhuǎn)向架簡(jiǎn)化圖

圖5 帶有體懸式牽引電機(jī)轉(zhuǎn)向架簡(jiǎn)化圖

圖6 非動(dòng)力轉(zhuǎn)向架簡(jiǎn)化圖

4 計(jì)算域離散

4.1 計(jì)算工況設(shè)置

如表1 所示，研究中選取的轉(zhuǎn)向架類型包括三類：帶有架懸式牽引電機(jī)的動(dòng)力轉(zhuǎn)向架、帶有體懸式牽引電機(jī)的動(dòng)力轉(zhuǎn)向架和無(wú)動(dòng)力轉(zhuǎn)向架；研究中選取的列車(chē)速度有200km/h、250km/h、300km/h、380km/h、450km/h。對(duì)各類轉(zhuǎn)向架在不同列車(chē)速度下的流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，首先分析同一類型轉(zhuǎn)向架在不同列車(chē)速度下的氣動(dòng)噪聲幅值進(jìn)行分析，研究列車(chē)速度對(duì)于轉(zhuǎn)向架氣動(dòng)噪聲幅值的影響；再對(duì)不同轉(zhuǎn)向架在不同列車(chē)速度下的氣動(dòng)噪聲幅值進(jìn)行分析，研究轉(zhuǎn)向架驅(qū)動(dòng)裝置對(duì)列車(chē)氣動(dòng)噪聲的影響。

表1 計(jì)算工況設(shè)置

4.2 網(wǎng)格統(tǒng)計(jì)

盡管對(duì)轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，但其幾何形狀仍然比較復(fù)雜，如果直接采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)其進(jìn)行離散，將造成離散難度的增大，因此對(duì)計(jì)算域的離散采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，采用的網(wǎng)格類型主要有Tetra、Hexa、Penta、Pyra 四類。為突出轉(zhuǎn)向架不同類型驅(qū)動(dòng)裝置對(duì)氣動(dòng)噪聲的影響，確保計(jì)算結(jié)果的精確度，在驅(qū)動(dòng)裝置周?chē)用芏葏^(qū)。網(wǎng)格詳細(xì)數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 網(wǎng)格數(shù)量統(tǒng)計(jì)

5 計(jì)算方法

轉(zhuǎn)向架周?chē)牧鲌?chǎng)是完全的三維、粘性、可壓縮、非定常湍流流場(chǎng)。采用流體力學(xué)質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程和理想氣體狀態(tài)方程構(gòu)建轉(zhuǎn)向架周?chē)鞒痰目刂品匠獭８魇饺缦拢?/p>

采用低雷諾數(shù)k-ε 模型對(duì)轉(zhuǎn)向架近壁面進(jìn)行處理。

湍流模型采用高雷諾數(shù)k-ε 模型，湍流脈動(dòng)動(dòng)能k 和湍流脈動(dòng)動(dòng)能耗散率ε 的控制方程如下：

時(shí)間離散采用一階迎風(fēng)格式，擴(kuò)散項(xiàng)采用中心差分格式進(jìn)行離散，對(duì)流項(xiàng)采用混合差分格式進(jìn)行離散，格式如下：

上式中的Dnj為法向擴(kuò)散，Dcj為交叉擴(kuò)散，控制方程如下所示：

6 計(jì)算結(jié)果分析

按照表1 中所示的工況設(shè)置，對(duì)三類轉(zhuǎn)向架各自在不同速度等級(jí)下運(yùn)行時(shí)的氣動(dòng)噪聲幅值進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果所示如圖7 所示。

圖7 轉(zhuǎn)向架氣動(dòng)噪音幅值

6.1 氣動(dòng)噪聲幅值與列車(chē)運(yùn)行速度之間的變化規(guī)律

三類轉(zhuǎn)向架氣動(dòng)噪聲幅值都隨運(yùn)行提高的增大而逐漸增大，當(dāng)列車(chē)速度由200km/h 逐漸提高到450km/h 的過(guò)程中，無(wú)動(dòng)力轉(zhuǎn)向架氣動(dòng)噪聲幅值也經(jīng)歷了5.3dB、12.5dB、15.1dB、20.4dB、23.6dB，采用架懸式牽引電機(jī)的動(dòng)力轉(zhuǎn)向架，當(dāng)列車(chē)速度由200km/h 逐漸提高到450km/h 的過(guò)程中，轉(zhuǎn)向架氣動(dòng)噪聲幅值依次為5.53dB、12.77dB、15.31dB、21dB、24.1dB，采用體懸式牽引電機(jī)的動(dòng)力轉(zhuǎn)向架，當(dāng)列車(chē)速度由200km/h 逐漸提高到450km/h 的過(guò)程中，轉(zhuǎn)向架氣動(dòng)噪聲幅值也依次為6.12dB、13.02dB、15.65dB、22.6dB、24.9dB，可見(jiàn)轉(zhuǎn)向架氣動(dòng)噪聲幅值隨列車(chē)運(yùn)行速度的提高而逐漸增大。

6.2 氣動(dòng)噪聲幅值增長(zhǎng)趨勢(shì)與列車(chē)運(yùn)行速度之間的變化規(guī)律

三類轉(zhuǎn)向架氣動(dòng)噪聲增長(zhǎng)趨勢(shì)相同，都呈現(xiàn)出逐漸增幅逐漸減慢的趨勢(shì)。當(dāng)列車(chē)速度分別由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 的過(guò)程中，無(wú)動(dòng)力轉(zhuǎn)向架氣動(dòng)噪聲幅值的增長(zhǎng)值依次為7.2dB、2.6dB、5.3dB、3.2dB，而采用架懸式牽引電機(jī)的動(dòng)力轉(zhuǎn)向架氣動(dòng)噪聲幅值的增長(zhǎng)值依次為7.24dB、2.53dB、5.7dB、3.1dB，采用體懸式牽引電機(jī)的動(dòng)力轉(zhuǎn)向架氣動(dòng)噪聲幅值的增長(zhǎng)值依次為6.9dB、2.63dB、6.95dB、2.3dB。可見(jiàn)三類轉(zhuǎn)向架氣動(dòng)噪聲隨列車(chē)運(yùn)行速度增長(zhǎng)的趨勢(shì)相同，且都呈現(xiàn)出增長(zhǎng)速度逐漸減緩的趨勢(shì)。

6.3 驅(qū)動(dòng)裝置對(duì)轉(zhuǎn)向架氣動(dòng)噪聲的影響

動(dòng)力轉(zhuǎn)向架氣動(dòng)噪聲幅值高于無(wú)動(dòng)力轉(zhuǎn)向架，采用體懸式牽引電機(jī)的動(dòng)力轉(zhuǎn)向架噪聲幅值高于采用架懸式牽引電機(jī)的動(dòng)力轉(zhuǎn)向架，且這一差值隨列車(chē)速度的提高而更加突出。當(dāng)列車(chē)運(yùn)行速度為200km/h，是采用體懸式牽引電機(jī)的動(dòng)力轉(zhuǎn)向架噪聲幅值為6.12dB，采用架懸式牽引電機(jī)的動(dòng)力轉(zhuǎn)向架噪聲幅值為5.53dB，無(wú)動(dòng)力轉(zhuǎn)向架噪聲幅值為5.3dB，差值最大值為0.23dB 和0.59dB，當(dāng)列車(chē)運(yùn)行速度提高到250km/h，這一最大差值略減小為0.27dB 和0.25dB，當(dāng)列車(chē)速度再依次增大時(shí)，這一差值也逐漸增大，最大時(shí)達(dá)到0.6dB 和1.6dB。而可見(jiàn)，隨著列車(chē)速度的逐漸提高，動(dòng)力轉(zhuǎn)向架與非動(dòng)力轉(zhuǎn)向架之間的氣動(dòng)噪聲差值將更加明顯，采用體懸式牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)向架相比于采用架懸式牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)向架，氣動(dòng)噪聲將更加明顯。當(dāng)前，我國(guó)高速列車(chē)運(yùn)行最高速度為350km/h，國(guó)內(nèi)正在研發(fā)更高速度的高速列車(chē)，當(dāng)列車(chē)運(yùn)行速度進(jìn)一步提高后，動(dòng)力轉(zhuǎn)向架的氣動(dòng)噪聲幅值將更加明顯，架懸式牽引電機(jī)在氣動(dòng)降噪方面的優(yōu)勢(shì)也將進(jìn)一步凸顯。

7 結(jié)論

噪聲影響人的身心健康，隨著列車(chē)運(yùn)行速度的不斷提高，氣動(dòng)噪聲在列車(chē)運(yùn)行噪聲中的占比逐漸增大，列車(chē)速度進(jìn)一步提高后，減小氣動(dòng)噪聲的幅值將成為列車(chē)降噪的主要任務(wù)。國(guó)外研究表明，影響高速列車(chē)氣動(dòng)噪聲主要原因是車(chē)體截面的突變，而造成這一突變的原因是受電弓、轉(zhuǎn)向架等部件。因此，研究高速列車(chē)驅(qū)動(dòng)裝置對(duì)轉(zhuǎn)向架氣動(dòng)噪聲的影響，認(rèn)識(shí)氣動(dòng)噪聲產(chǎn)生的特征和變化規(guī)律，為高速列車(chē)主動(dòng)降噪提供參數(shù)依據(jù)，進(jìn)而有效控制高速列車(chē)氣動(dòng)噪聲幅值，有著十分重要的意義。