摘  要：本文以25kV交流轨道车辆高压供电系统的真空断路器为研究对象，基于TRIZ理论的轨道交通车辆先进降噪材料开发研究，聚焦于解决真空断路器在轨道交通车辆运行中产生的噪声问题，针对其容易产生真空灭弧室失效、机械操动机构卡涩、电弧重燃过电压及控制电路失效等问题产生的噪声污染。引入TRIZ理论，通过功能分析、因果分析及物场模型构建，系统识别噪声传递路径与关键矛盾。

研究成果不仅实现了降噪目标，还衍生出多项专利与技术成果，如《吸声装置》专利及新型降噪材料的开发，预计年产值达750万元，市场规模扩展至1.3亿元。社会效益方面，项目提升了列车乘坐舒适性，降低了运营风险，同时通过创新方法的应用培养了一批具备TRIZ思维的技术人才，为企业技术能力提升和行业标准推广奠定基础。

一、需求分析

真空断路器作为 25kV 交流轨道车辆高压供电系统的核心设备，安装于列车顶部，致使该区域噪声源高度集中，噪声传递路径短且透声面积大。同时，高压箱体与断路器表面结构的声反射作用，在断路器结构周边形成混响声场，使得断路器开、合闸时产生的瞬时噪声、气动噪声，成为车内噪声传播的主要来源，直接影响乘客的乘坐舒适性。此外，真空断路器的组件采用金属薄板结构，存在隔声薄弱环节，1000Hz 以下的中低频噪声尤为突出，加之减振降噪空间有限，给整车噪声控制工作带来较大挑战。

1.1　噪声问题分析

真空断路器通过矩形法兰盘安装于车体顶板上，其上部位于车体顶板之上，而下部处于车体顶板与内装顶板之间，结构如图1所示。

真空断路器工作时瞬时噪声主要位于其下部，产生原因与工作原理有关，其驱动机构运动是真空断路器噪声的主要来源，如表1所示。

在未采取隔振降噪措施的情况下，于客车室内距地板1.6米测得的真空断路器合闸时的1/3倍频程噪声频谱特性，依此作为降噪设计和分析依据，其辐射能量主要分布在100Hz-2000hz之间，最大峰值出现在1000Hz。

1.2　噪声问题处理

针对真空断路器的噪声问题，通过隔声罩降噪处理尽量降低真空断路器的噪声水平，撞击噪声通过空气传播到车体，隔声罩在中间阻隔噪声的传播，其多层结构减弱声波振动的传递。

在真空断路器工作时，高速气体从排气孔喷射，产生较大气动噪声。为解决该问题，设计一个多孔板结构构成的消声器。

未进行隔声处理的真空断路器噪声为92.6dB，加入消声器后真空断路器噪声降低了约5dB。

1.3　TRIZ创新方法需求

本项目的真空断路器对噪声大小、尺寸和结构提出了较高的要求。根据功能分析及客户需求，主要需要解决以下问题：

1) 真空断路器辐射噪声问题；

2）真空断路器泄露噪声问题；

3）真空断路器振动噪声问题。

二、问题分析

2.1　组件分析

首先对真空断路器进行组件分析，真空断路器主要由弹簧、底座、活塞、线圈、电磁阀和泄压阀组成。真空断路器是通过活塞与通电线圈之间的电磁力进行开闸和合闸，以此来接通和断开电源。其中开合闸是活塞与底座进行接触，由于惯性作用，两个部件在接触时会发生碰撞，产生振动和噪声。而线圈的通电又由电磁阀控制，电磁阀的运行需要气流提供动力，因此在该工作过程中泄压阀会有排气动作，进而产生气动噪声。

2.2　功能分析

在组件分析基础上进行关键功能的功能模型分析，真空断路器中的开关和控制部件作为研究系统，外部的保护罩、框体、弹簧和外部环境因素作为超系统进行分析，得到不足、过剩、有害作用，更好的解释系统中部件之间的相互作用。

2.3　解决思路

综上所述，本项目按以下三步进行降噪设计，分别是：

1) 系统减振，尽量减少噪声从真空断路器保护罩以外范围辐射；

2）解决保护罩开孔造成的噪声问题；

3）开发保护罩低频吸声功能。

三、问题求解

3.1　提高系统减振能力

系统的大幅振动会造成噪声，为了解决系统减振能力不足的问题，采用物场分析法，参考76个标准解中的S2.1.1串联式复合物场和S2.2.1利用更易控制的场替代。

根据2.1.1，设计了方案1和2，在设备的连接处加入阻尼减振，或者使用刚柔结合的活塞。根据2.2.1，我们将活塞与线圈的碰撞接触改为摩擦接触，减小冲击振动。

3.2　解决开孔泄露问题

保护罩开口造成的噪声，主要是泄压阀排出的高速气流与外部空气剪切产生的。采用物场分析，参考S1.2.1，引入S3消除有害作用。

参考高铁隧道的缓冲方案，设计了一种减速降噪的装置，消除高速气流对空气的有害作用，并进行了相关的研究验证。

另一方面，保护罩开孔会导致内部噪声的泄漏，但不开孔会影响泄压阀排气，且气流对保护罩也会产生一定损害。参考物理矛盾，采用时间分离法解决保护罩开孔和不开孔的矛盾。

根据时间分离方法，设计出两种方案。方案5是利用橡胶片，构成具有延时开关功能的密封装置，气流在保护罩内缓冲，当压力达到阈值时，开关打开泄压。方案6是采用机械控制的开关，在真空断路器不产生噪声时打开泄压。

3.3　提高系统的吸声能力

为了不让内部噪声传递到外部，需要提高保护罩的低频吸声能力，因为真空断路器噪声主要在低频段。常用的解决方法主要是采用多孔吸声材料，但吸声棉防火性能差，不适用于车载设备中。参考物场分析的S2.1.1和S2.2.6，解决吸声棉防火问题。

方案7参考串联式复合场，使用防火涂层隔离吸声棉和火源。方案8通过在吸声棉内混合新型防火材料，如气凝胶，构成新型材料，使其同时具有吸声和防火性能。

另一种常用方法是采用微穿孔面板，但其需要较大的面板或空腔厚度才能有效吸收低频噪声，而这会导致其体积过大。参考技术矛盾，根据矛盾矩阵得到四种创新原理。

参考曲面化原理，将后部空腔设计成迷宫型，延长长度。参考抽取原理，抽取穿孔板的有用部分，即孔壁，结合曲面化原理，设计曲线导管与面板相接，变相延长面板厚度。根据重量补偿原理，在保护罩内采用主动降噪设备，利用反向消声降低噪声。

同时，微穿孔板的另外一个问题是吸声频率单一，有效频段窄。为了提升结构的通用性，就需要大面积的穿孔板。

参考分割原理，将面板分割为多个部分，针对不同部位的辐射噪声，排列组合不同的吸声面板和空腔。

四、方案汇总和评价

通过以上创新方法得到12个方案，从成本、维护和有用功能三个维度对以上方案进行评价，结果如表2对方案所示。理想度进行分析得到：方案1、2、5、9、12理想度较高，最终选取这5个方案，构成最终的降噪方案。

为控制轨道车辆真空断路器的噪声控制,针对真空断路器的进行功能分析及振动噪声机理的因果分析后,提出了一种真空断路器隔声罩,以及排气消声器装置。依据表2的振动噪声控制技术方案，采用3D打印等加工方式制作样件，经过多次试验验证和优化，最终方案使得真空断路器噪声降至80dB以内，达到设计目标。

五、效益推广

5.1　社会效益

本项目是创新方法产品应用的典范，实现了真空断路器隔声罩的开发，其创新性开发的意义，真空断路器隔声罩适用于各种形式的列车，降噪效果好、稳定性强等优点，对后续的平台化应用和推广具有较大的意义，同时将为企业带来经济效益和品牌影响。

5.2　专利成果

目前申请并受理专利5项，其中专利《吸声装置》获“中国科技创新发明成果”——金翅奖。

并且依据上述研究，已经针对轨道车辆整车噪声控制场景开发出三种新型降噪材料，可适用于不同的轨道交通场景应用需求。目前真空断路器消声保护罩已完成大部分测试验证，投产后预计年需求量1.5万套，产值750万。延伸出的先进降噪材料正在进行工艺改进和验证，预计市场规模1.3亿元。