中低速磁浮列车噪声研究与分析

李颖华 杨 君 高 明 廖小康 欧峰钰

(1.中车唐山机车车辆有限公司,064099,唐山; 2.西南交通大学机械工程学院,610031,成都)

与传统铁路列车相比,磁浮列车具有快速、低污染、能耗低等优点,但在实际运行过程中,磁浮列车所产生的噪声是影响其列车服务质量的关键。噪声的产生和存在不仅会对周边居民造成影响,还会影响车内乘客的安全性和舒适度,甚至可能会造成列车内部一些零部件的疲劳损坏,进而影响磁浮列车的服务年限[1-2]。

中低速磁浮列车是一种新兴的城市轨道交通工具,其运行速度一般小于100 km/h,与高速磁浮列车相比,中低速磁浮列车更适合用于城市轨道交通。目前,我国的中低速磁浮技术发展日趋成熟,已经能够达到商业运营的技术水平,但关于中低速磁浮列车噪声的相关研究鲜有报道。

磁浮列车与导轨之间没有直接的接触关系,不会因轮轨接触而产生噪声,其主要噪声来源于牵引设备噪声、机械或结构振动噪声、气流噪声等[3]。本文以某中低速磁浮线路为例,分析其中低速磁浮列车在加速制动阶段产生的噪声,并采用多通道声信号采集分析设备,考虑噪声、振动和牵引电流参数,对噪声传播规律、频谱特性等方面进行研究。本文研究可为中低速磁浮列车的噪声分析及控制措施提供理论依据。

1 噪声试验方案

1.1 试验技术路线

通过试验测试及信号分析技术得到了磁浮列车噪声声场分布图,进而可以获得磁浮列车高频噪声的主要频率成分占比及声压级数值。基于噪声数据对磁浮列车的悬浮架振动、牵引电流及牵引信号进行分析,在获得这三者与噪声信号之间的关系后进行声源识别,最后基于所识别的声源发生机理提出相应的抑制措施。试验技术路线示意图如图1所示。

图1 试验技术路线示意图

1.2 传感器安装及走线

对某中低速磁浮线路的列车噪声、悬浮架振动和牵引电流进行测试,设计了各传感器的安装和走线方案。各传感器安装及布线示意图如图2所示。

a) 噪声传感器安装图

1.3 测试工况

为系统地掌握磁浮列车的噪声组成和辐射特性,本文开展了多工况现场试验测试。根据磁浮列车行驶的线路条件,初步设计了3个基础工况进行分析。试验工况及内容如表1所示。测试列车为6节编组,在其中一辆车的10个电机上分别安装1个测点(1#电机测点—10#电机测点)。

表1 试验工况及内容

1.4 参数设置及环境条件

试验采样频率为50 000 Hz,频率分辨率为1 Hz,噪声测试采用A计权法,时间计权常数为100 ms。测试时,无明显的异常环境噪声。麦克风传感器设置有防风罩,振动电流传感器采用防水胶隔雨。试验时,天气良好,无雨。记录各场点的天气条件,温度范围为13～20 ℃,湿度为40.5%～72.0%,风速小于2 m/s。

2 噪声声源识别分析

根据磁浮列车的构造及运营特点,其噪声主要由直线电机噪声、结构辐射噪声及辅助设备噪声等构成。而噪声源的辐射特性随着列车状态、运行速度和线路条件的变化而变化,因此在噪声源的识别和分析过程中,应选择正确合理的试验数据和分析方法。由于9#电机测点处的噪声数据较全面,因此将其作为典型测点进行噪声分析。下文将选取列车运行速度较高的工况(工况3)研究9#电机测点处的试验噪声数据。

2.1 磁浮噪声分析

9#电机测点处声压的时域图和频域图如图3所示。工况3中,9#电机测点的频谱主要范围为0～5 000 Hz,噪声频率主要集中在低频段50 Hz以下,其他占比较高的频率成分分别为125 Hz,220 Hz,370 Hz,500 Hz,1 000 Hz,2 000 Hz等,其中1 000 Hz及其倍频处的噪声尤为明显。

a) 时域图

2.2 磁浮噪声与悬浮架振动相关性分析

9#电机测点处垂向振动加速度的时域图和频域图如图4所示。9#电机悬浮架垂向振动加速度主要集中在0～1.5g(g为重力加速度),制动段垂向加速度明显高于加速段垂向加速度。悬浮架垂向振动加速度的高频振动成分主要集中在1 000 Hz及其倍频处,这与前文的噪声频谱分析相符。由此可知,列车起停时的高频噪声可能是由1 000 Hz及其倍频的某种激振力引起的,而这种激振力很可能是电磁激振力,因此需对电流数据进行进一步分析。

a) 时域图

2.3 磁浮噪声与直线电机电流相关性分析

9#电机A相电流的时域和频域图如图5所示。磁浮列车平稳运行阶段(约为28～35 s)的单相电流均在100 A以内,但其在加速或制动阶段的电流均有明显的变化,电流最大值为500 A,电流变化幅度与加速制动的加速度有关。在500～6 000 Hz范围内,高频段单相电流谐波频率主要集中在500 Hz及其倍频处,即500 Hz,1 000 Hz,2 000 Hz等,在1 000 Hz左右处的噪声尤为明显。由图5 b)可知:1 000 Hz频率成分的信号强度要远高于其他高频成分,这说明1 000 Hz的谐波电流会引起谐波电磁激振力,使车底机械结构发生电磁激振,进而引起磁浮列车车底的高频噪声。

a) 时域图

3 降噪措施

3.1 调整逆变器开关频率

逆变器的开关频率越高,电机的振动越小,电机发热越少,相应的列车运行噪声也越小。载波使得直线电机在开关频率及其倍频附近的噪声与振动有所增大,考虑人耳对声音的可闻频率为20～20 000 Hz,提高逆变器开关频率至1 000 Hz,使其引起的振动与噪声向高频范围移动,逐渐远离人耳的敏感区域,即可降低噪声。但提高逆变器开关频率会降低IGBT(绝缘栅双极型晶体管)的使用寿命,因此为了在提高逆变器开关频率的同时延长IGBT的使用寿命,可以采用转换开关频率的控制方式对电机开关频率加以控制。在匀速阶段,列车电机振动加速度和噪声声压较低,此时逆变器采用系统初始开关频率500 Hz;在加速制动阶段,列车电机振动加速度和噪声声压较高,在列车即将进入加速段或制动段时,牵引系统将逆变器开关频率切换至1 000 Hz,即可有效减小电机振动加速度,降低噪声。

3.2 加装滤波器

当逆变器开关频率为500 Hz时,可以在变频器与电机之间加装滤波器,滤除变频器输出中的高频谐波成分,只保留有用的基波成分。这些高频谐波电流产生的高频磁动势产生电机高频振动噪声。对9#电机噪声声压进行高频滤波处理,对比其滤波前后噪声的变化,如图6所示。列车加速、匀速和制动运行区段滤波前后的9#电机A计权声压级对比如图7所示。由图7可知:在列车加速区段,9#电机A计权最大声压级由104.808 0 dB(A)降低至92.886 0 dB(A),降低了约11.38%;在列车制动区段,9#电机A计权最大声压级由100.217 1 dB(A)降低至93.478 9 dB(A),降低了约6.72%。由此可知,加装滤波器对列车加速区段和制动区段的降噪效果非常明显。

a) 滤波前

a) 加速区段

4 结语

通过对某中低速磁浮线路典型运行工况下的列车噪声、悬浮架振动和牵引电流进行测试,结合时频分析法研究噪声与悬浮架振动、牵引电流之间的关系,主要获得以下结论:

1) 当列车运行速度从 0 提高至 60 km/h时,噪声声压级逐渐增大,其主要频率分布在1 000 Hz附近。

2) 悬浮架垂向振动加速度主要集中于0～1.5g,其中制动段垂向加速度明显高于加速段垂向加速度。悬浮架的垂向振动加速度高频振动成分主要集中在1 000 Hz及其倍频处。

3) 1 000 Hz的谐波电流会引起谐波电磁激振力,使车底机械结构发生电磁激振,进而引起磁浮列车车底的高频噪声。

4) 主要的降噪措施为调整逆变器开关频率加装滤波器。在匀速阶段,逆变器宜采用系统初始开关频率500 Hz;在加速制动阶段,逆变器开关频率宜切换至1 000 Hz。加装滤波器后,加速段声压级降低了11.38%,制动段声压降低了6.72%,加装滤波器对加速段和制动段的降噪效果非常显著。