車體鋁型材幾何參數(shù)對(duì)動(dòng)車組聲學(xué)特性的研究及其對(duì)策

熊 力，李美領(lǐng)，沈立偉，安小平，姜 鑫

（中車唐山機(jī)車車輛有限公司，河北唐山063035）

依據(jù)《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年）》和國(guó)家“十三五”科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃，開展具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、達(dá)到世界先進(jìn)水平的動(dòng)車組的研制工作。中車唐山公司聯(lián)合兄弟工廠和科研院所，研制一列具有產(chǎn)品平臺(tái)特征的運(yùn)營(yíng)速度300 km/h“復(fù)興號(hào)”中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組，如圖1所示。該類型動(dòng)車組具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)車組互聯(lián)互通及零部件統(tǒng)型，并達(dá)到減少備品備件的品種和數(shù)量，降低運(yùn)用維護(hù)成本，提升產(chǎn)品的運(yùn)用經(jīng)濟(jì)性。

圖1 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組

1 車體鋁型材幾何參數(shù)變化情況

相對(duì)于之前運(yùn)行的CRH380B型動(dòng)車組而言，標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組為了實(shí)現(xiàn)車輛的輕量化，車體鋁型材厚度整體變薄，車輛高度相對(duì)提高。標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組和CRH380B型動(dòng)車組的車體橫截面對(duì)比，如圖2所示。

圖2 車體橫截面對(duì)比

標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組和CRH380B型動(dòng)車組車體鋁型材厚度的對(duì)比見表1。

表1 車體鋁型材厚度對(duì)比

從表1看出，標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組的車體鋁型材厚度整體變薄，特別是平頂結(jié)構(gòu)，這將對(duì)車輛的隔聲性能造成重要影響，同時(shí)還將影響車體的結(jié)構(gòu)模態(tài)特性。

2 車體的隔聲特性分析

標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組車體鋁型材隔聲特性仿真分析基于混合有限元-統(tǒng)計(jì)能量法（HybridFE-SEA）和周期子結(jié)構(gòu)原理（Periodic Subsystem）。根據(jù)車體地板、平頂、頂板、側(cè)墻的實(shí)際尺寸，建立各個(gè)部件的隔聲仿真分析模型，如圖3所示。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組車體鋁型材隔聲計(jì)算模型

標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組車體鋁型材隔聲特性計(jì)算結(jié)果，以及和CRH380B型動(dòng)車組相同位置的隔聲特性計(jì)算結(jié)果對(duì)比，如圖4所示。

鋁型材的材料參數(shù)為：密度2700 kg/m3，彈性模量7.1×1010Pa，泊松比0.33。

由圖4（a）可見，標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組的鋁型材地板計(jì)權(quán)隔聲量為20.5 dB，相比于CRH380B型動(dòng)車組鋁型材地板的24.7 dB，降低了4.2 dB。其中隔聲量降低的頻率范圍主要為800 Hz以上的中高頻。

由圖4（b）可見，標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組的鋁型材平頂計(jì)權(quán)隔聲量為23.6 dB，相比于CRH380B型動(dòng)車組鋁型材平頂?shù)?1.1 dB，降低了7.5 dB。其中，隔聲量在整個(gè)1/3倍頻程都顯著降低，這和平頂結(jié)構(gòu)整體變薄有關(guān)。

由圖4（c）可見，標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組的鋁型材頂板計(jì)權(quán)隔聲量為20.2 dB，相比于CRH380B型動(dòng)車組鋁型材頂板的19.7 dB，提高了0.5 dB。其中，隔聲量主要在中心頻率100～315 Hz的1/3倍頻帶有一定程度的提高。

由圖4（d）可見，標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組的鋁型材側(cè)墻計(jì)權(quán)隔聲量為25.5 dB，相比于CRH380B型動(dòng)車組鋁型材側(cè)墻的22.5 dB，提高了3.0 dB。其中，隔聲量主要在中心頻率100～630 Hz的1/3倍頻帶有一定程度的降低，但是在800 Hz以上的中高頻有明顯的提高。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組與CRH380B動(dòng)車組車體鋁型材隔聲對(duì)比

標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組車體鋁型材厚度相對(duì)于CRH380B型動(dòng)車組而言整體上變薄，但是計(jì)算結(jié)果顯示車體不同結(jié)構(gòu)的隔聲特性變化卻不一樣。一般而言，鋁型材結(jié)構(gòu)的隔聲量除了與型材厚度有關(guān)之外，還受到筋板形式、空腔厚度等結(jié)構(gòu)本身特性的影響。標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組車體鋁型材的結(jié)構(gòu)橫截面如圖5所示。不同區(qū)域的車體鋁型材結(jié)構(gòu)存在一定差異。

圖5 標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組車體鋁型材截面圖

為了進(jìn)一步研究鋁型材結(jié)構(gòu)本身的特性對(duì)其隔聲性能的影響，選取標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組鋁型材的筋板形式作為研究對(duì)象，計(jì)算不同筋板形式對(duì)鋁型材隔聲性能的影響。隔聲量計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

圖6 鋁型材筋板結(jié)構(gòu)對(duì)其隔聲特性的影響

由圖6（a）可見，將標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組地板鋁型材的筋板結(jié)構(gòu)由原來的梯形分布改變?yōu)槿切畏植贾螅溆?jì)權(quán)隔聲量由20.5 dB提高到22.9 dB，提高了2.4 dB。其中，隔聲量主要在中心頻率400～1600 Hz的1/3倍頻帶有一定程度的提高。

由圖6（b）可見，將標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組側(cè)墻鋁型材的筋板結(jié)構(gòu)由原來的三角形分布改變?yōu)樘菪畏植贾螅溆?jì)權(quán)隔聲量由25.5 dB降低到22.8 dB，降低了2.7 dB。其中，隔聲量主要在中心頻率800～3150 Hz的1/3倍頻帶有一定程度的提高。

因此，就這2種車體鋁型材結(jié)構(gòu)而言，其筋板采用三角形布置相對(duì)于梯形布置，有利于提高結(jié)構(gòu)的隔聲水平。但是，車體鋁型材的隔聲機(jī)理復(fù)雜，針對(duì)不同的鋁型材結(jié)構(gòu)，應(yīng)當(dāng)綜合考慮多種參數(shù)的相互作用。

3 整改措施

標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組車體鋁型材結(jié)構(gòu)由于其厚度整體變薄，隔聲性能有所降低。為了達(dá)到控制車內(nèi)噪聲的目標(biāo)，車體各個(gè)部位的隔聲性能需要進(jìn)一步加強(qiáng)，即結(jié)合車體部件的隔聲測(cè)試優(yōu)化其隔聲方案設(shè)計(jì)。

針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組的自身特點(diǎn)，從材料、結(jié)構(gòu)出發(fā)，對(duì)重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)處理、加強(qiáng)設(shè)計(jì)，綜合振動(dòng)噪聲全面控制技術(shù)，從隔聲、隔振、密封、阻尼、吸聲等多方面下手進(jìn)行減振降噪。

3.1 優(yōu)化頭型的細(xì)長(zhǎng)比

當(dāng)列車速度大于250 km/h時(shí)，氣動(dòng)噪聲越來越重要，隨行車速度的增加急速增長(zhǎng)。在原CRH380B基礎(chǔ)上增加了頭型的細(xì)長(zhǎng)比，這可以有效減小頭車的氣動(dòng)噪聲，兩種頭型對(duì)比如圖7所示。

圖7 兩種頭型對(duì)比

3.2 車體噴涂阻尼漿

經(jīng)過市場(chǎng)調(diào)研、對(duì)比分析，選用了國(guó)外進(jìn)口公司的阻尼漿，它是一種水基型乳液，具有優(yōu)良的阻尼特性，有效抑制構(gòu)件的共振，并可以牢固的吸附在車體內(nèi)外表面上，即使噴涂了底漆也不影響其黏結(jié)強(qiáng)度。

在車體型腔鋪設(shè)聚氨酯吸音絕熱棉，其減噪系數(shù)（NRC）達(dá)到了0.85。

3.3 “三明治”結(jié)構(gòu)的隔音保溫材

輪軌噪聲作為一個(gè)不可忽視的主要聲源，經(jīng)過對(duì)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組進(jìn)行線路實(shí)測(cè)，速度350 km/h時(shí)，客室內(nèi)噪聲頻率主要分布在中低頻100～1500 Hz。為此，選定了“三明治”結(jié)構(gòu)的隔音保溫材，如圖8所示。

圖8 車體地板區(qū)域隔音結(jié)構(gòu)示意圖

4 總結(jié)

標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組車體鋁型材幾何參數(shù)進(jìn)行了整改，在車體輕量化上取得顯著的效果，但車體質(zhì)量與振動(dòng)噪聲之間存在的“蹺蹺板”的關(guān)系，分析驗(yàn)證了車體隔聲性能有所降低，通過在重點(diǎn)部位的技術(shù)改造，整車噪音指標(biāo)達(dá)到了鐵總下發(fā)2014-50號(hào)［1］的要求。文中表明，噪聲的控制不能單單依靠某一個(gè)部位，需整個(gè)系統(tǒng)的整合，才能實(shí)現(xiàn)輕量化與降噪的完美結(jié)合。