和諧型電力機車整車試驗庫通風系統(tǒng)設計及噪聲控制研究

邱建平，馬遠清

（1 中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北武漢430063；2 中國艦船研究設計中心，湖北武漢430064）

和諧型大功率電力機車整車試驗動態(tài)檢測裝置（簡稱整車試驗庫）是和諧型大功率機車檢修基地的重要試驗設備之一，是機車修竣后進行牽引、制動特性試驗、取代機車正線試運行的試驗設備。機車需在整車試驗庫內(nèi)運行4～6 h，機車散熱所需的新鮮空氣量以及機電設備產(chǎn)生的噪聲對周圍環(huán)境的影響都將不可小視。如果不能正確設計機車在特定庫房內(nèi)所需的新鮮空氣量以及將其散發(fā)的熱量排出，機車的正常性能試驗將無法順利完成；與此同時，機車試驗產(chǎn)生的高強噪聲不采取有效的措施進行治理，它對機車試驗庫內(nèi)的工作環(huán)境和庫房周圍的環(huán)境噪聲將產(chǎn)生嚴重影響。因此，合理設計整車試驗庫的通風系統(tǒng)以及降低機車試驗運行的噪聲成為必然。

1 技術要求

（1）電力機車在任何季節(jié)進行試驗，其試驗運行時最高的環(huán)境溫度平均值應控制在38～40℃；

（2）電力機車試驗運行時庫內(nèi)噪聲A聲級與在自由聲場下的機車噪聲A聲級相比其增加值不應大于5 d B；

（3）試驗庫外30 m處（廠區(qū)其他車間位置）由機車試驗運行產(chǎn)生的噪聲A聲級應不大于75 d B；其廠界噪聲應滿足國家有關環(huán)境噪聲標準的要求；

（4）電力機車所需的通風系統(tǒng)以及采取的降噪措施均不能影響機車維修工人、輔助機械的正常操作；

（5）電力機車控制室內(nèi)噪聲A聲級平均值不大于60 d B；

（6）進出試驗庫的空氣量應可控。

2 通風系統(tǒng)設計方案

（1）和諧型電力機車散熱量及所需風量

和諧型電力機車的總效率在96%左右，以6軸HXD3B型機車為例，該型機車總功率9 600 k W，也就是說將有384 k W左右的熱量要在庫房內(nèi)散發(fā)，散發(fā)的部件為牽引電機、牽引變壓器、牽引變流器及車體內(nèi)部其他設備。另外機車整車試驗庫的試驗設備（包括滾輪裝置、齒輪箱、變流設備和電機等）在運行過程中也會產(chǎn)生與機車相等的熱量，實際上試驗設備的變流系統(tǒng)有自己的一套冷卻系統(tǒng)可以將試驗設備大部分（約95%）的熱量引到庫外，則機車正常試驗的總散熱量約為400 k W＝400 kJ／s。為了保證試驗站內(nèi)的溫度在38～40℃，空氣密度取1.2 kg／m3，空氣定壓比熱值取1.005 kJ／（kg·℃）；按式（1）計算出庫內(nèi)保持38～40℃所需的新鮮空氣量：

式中V為進氣量，m3／h；Qns為庫內(nèi)熱負荷；Cp為空氣定壓比熱值取，1.005 kJ／kg·℃；ρ為空氣密度，取1.2 kg／m3；tn為庫內(nèi)溫度，根據(jù)設計要求取值；ts為大氣環(huán)境溫度。

以廣州為例，夏季平均溫度為33℃，則新鮮空氣量在240 000～171 000 m3／h之間，如果按38℃考慮，則需新鮮空氣量240 000 m3／h，考慮到通風設備的效率以及機車熱效率的取值影響，在設計通風系統(tǒng)時可適當增加新鮮空氣量。

（2）通風系統(tǒng)設計

在進行整車試驗庫通風系統(tǒng)設計時，首先應了解試驗庫的總體布局，見圖1。

試驗庫總長54 m，寬24 m，高12.5 m，庫內(nèi)一端是被試機車；另一端是整車試驗的變流設備，其散熱量與機車相同，設備的散熱通過庫內(nèi)左端的冷卻塔進行，冷卻塔通過上部的冷卻風扇向庫房的左端墻外排放熱氣（冷卻塔的總排風量約為100 000 m3／h），這樣試驗設備所產(chǎn)生的熱量的95%排至庫外，剩余的熱量要通過輔助散熱系統(tǒng)來完成；電力機車產(chǎn)生的熱量要通過強制排氣的方式排至庫外。

為了保證庫內(nèi)有一個理想的氣流流場，在庫房頂部開有3個2 m×18 m的進氣口，是庫內(nèi)新鮮空氣的主要來源。在機車整車試驗庫的變流設備端加裝3臺11 000 m3／h流量的輔助散熱強進風通風機，是試驗設備所需新鮮空氣量的局部補充，主要是克服頂部進氣口新鮮空氣不能到達的局部，使試驗設備的氣流流場更加均勻，不致于在局部形成死角。試驗設備的剩余熱量可以通過強制通風機輸送到試驗機車的6臺40 000 m3／h的抽風機處，由抽風機連同機車熱量一起排至庫外，使庫內(nèi)形成理想的流場。通風方案見圖2。

圖1 整車試驗臺平面布置

圖2 通風方案與降噪方案

從上述設計方案可見總的進排氣量達340 000 m3／h，是考慮在廣東夏季最炎熱（環(huán)境平均溫度為33℃）的情況下進行的，設計庫內(nèi)溫度不大于38～40℃。在氣溫低于33℃的狀態(tài)下，上述設計完全滿足電力機車試驗要求；6臺40 000 m3／h大型抽風機采用每臺獨立可控方式，以適應在各個季節(jié)的通風量要求，在北方地區(qū)庫房頂部進氣口也應可調(diào)可控。

3 噪聲控制方案

3.1 噪聲源分析

（1）庫房內(nèi)聲源

電力機車整車試驗的噪聲源大致可分為輪軌噪聲、軸流風機通風噪聲、空氣壓縮機機械噪聲3大類。

輪軌噪聲是機車噪聲最主要的聲源，電力機車的輪軌噪聲呈寬頻帶特征，以HXD1型電力機車的輪軌噪聲為例，當機車以70 km／h速度運行時，輪軌噪聲的主要頻譜峰值分布在160，315，500，1 000，2 000 Hz，A 聲壓級達到103 d B；當機車速度提高至120 km／h，其聲壓級可能會增至106 d B（A）左右，通風機噪聲是電力機車的主要聲源。電力機車上的軸流風機包括牽引電機冷卻風機，主變壓器、主變流器冷卻風機，輔助變流器冷卻風機，機械間供風風機及司機室空調(diào)供風風機等。通過測量發(fā)現(xiàn)，機車風機噪聲在機車不行駛、壓縮機運行、變頻風機以頻率30 Hz運行時，噪聲聲壓級隨頻率的變化曲線比較平滑；當變頻風機以60 Hz頻率運行時，聲壓級在160 Hz以下的低頻聲壓級增加較大；最大聲壓級出現(xiàn)在250 Hz，為102 d B（A）。

空氣壓縮機噪聲一般來自4個方面：空壓機進氣口噪聲、排氣口噪聲、機械噪聲和電磁噪聲。其噪聲一般都在90～100 d B（A），且以低頻脈動噪聲為主，波長長，傳得遠，影響較大。由于電力機車的空壓機是在車內(nèi)，有較多的結構對其產(chǎn)生了較好的隔聲效果，因此其噪聲對車外的影響有限。

除電力機車外，整車試驗設備的噪聲也是不可忽視的，但其量級與電力機車相比要小。冷卻塔噪聲是試驗設備中較突出的，但冷卻塔噪聲以低頻分量為主，主變壓器、牽引變流器、電機等的噪聲以高頻分量為主。

整個試驗庫是一個聲源相對集中，聲能密度較高，頻率范圍寬的大房間聲場。房間內(nèi)的直達聲場與混響聲場疊加可得到實際的總聲場，其聲能密度和聲壓級分別為：式中W A為點聲源的聲功率級；Qs為聲源的指向性因數(shù)。對于無指向性點聲源Qs＝1，點聲源入射到剛性反射面上Qs＝2，聲源放到兩個剛性反射面相交的邊上Qs＝4，聲源放到3個剛性反射面組成的角上，則取Qs＝8；Rf為房間常數(shù)，Rf＝Sα／（1－α）；

C為聲速，一般取C＝343 m／s。

式中LW為聲源的聲功率級。

由式（3）可以看出，由于聲源的聲功率級是給定的，因此，房間內(nèi)各處聲壓級相對變化由所決定。當房間壁面接近全反射時，α接近于零，房間常數(shù)R也接近于零，房間內(nèi)的聲場主要為混響聲場；當房間壁面接近全吸聲時，α接近于1，房間常數(shù)接近于無限大，房間內(nèi)聲場主要為直達聲場，對于一般房間，總是介于上述兩種極端情況之間。機車試驗站的聲場接近于混響聲場。因此，在房間做吸聲處理是非常必要的。

（2）通風系統(tǒng)聲源

為了降低試驗庫內(nèi)的溫度，保證電力機車試驗的順利進行，試驗庫加裝了強制進排氣系統(tǒng)，總的進排氣量達340 000 m3／h，強制進氣系統(tǒng)采用了3臺11 000 m3／h的高效低噪聲高全壓風機，風機安裝在4 m高的墻壁上，風機運行產(chǎn)生的噪聲會向場內(nèi)外輻射。強制排氣風機采用了6臺40 000 m3／h低噪聲高全壓軸流通風機。另外變流設備的冷卻塔通風機3臺，總排風量為100 000 m3／h。軸流風機聲功率級可由式（4）估算：

式中Q為風量，m3／h；H為全壓，Pa；S為工況修正值，由風機效率、葉片數(shù)目及葉片角度確定。

由式（4）可知，風機的風量越大，全壓越高，風機的噪聲就越高，風機葉片的角度越大噪聲越低。根據(jù)風機的基本參數(shù)，可計算局部強制進氣風機的噪聲聲功率級為116 d B左右，強制排氣風機的噪聲聲功率級為122 d B左右。冷卻塔的噪聲聲功率級為65 d B左右?？梢姀娭七M排氣風機的噪聲不可小視，它對庫外環(huán)境的影響要大于庫內(nèi)設備對外部環(huán)境的影響。冷卻塔的噪聲對廠區(qū)環(huán)境噪聲產(chǎn)生的影響有限。但需考慮庫內(nèi)噪聲沿冷卻塔排氣管向外輻射的可能性。

（3）進氣口輻射噪聲

試驗庫頂部開有寬2 000 mm，長18 000 mm的進氣口，庫內(nèi)噪聲可通過進氣口直接向庫外輻射。頂部進氣口處的噪聲主要是電力機車試驗時各類設備產(chǎn)生的噪聲通過空氣傳播和墻面反射疊加的混響聲。根據(jù)測算，庫內(nèi)出口處的噪聲約為91 d B。庫內(nèi)噪聲通過進氣口向外傳播時有一個90°的繞射衰減，其衰減量約為10 d B左右，庫外出口處的噪聲可降為81 d B，當庫外出口處的噪聲再向離試驗庫30 m處傳播時噪聲可衰減至74 d B。因此進氣口的輻射噪聲對環(huán)境的影響不大。

3.2 噪聲控制方案

根據(jù)上述分析，電力機車整車試驗臺對環(huán)境造成影響的噪聲源主要有3部分，一是庫內(nèi)噪聲，其次是強制進排氣系統(tǒng)噪聲，三是進氣口輻射噪聲。前兩部分噪聲對環(huán)境的影響最大，應采取措施進行治理。

3.2.1 庫內(nèi)噪聲治理

（1）庫內(nèi)噪聲的隔聲處理

庫內(nèi)由于各類聲源的疊加噪聲A聲壓級達到106 d B左右，且各類設備的噪聲均已定型，要通過對設備本身降噪是不現(xiàn)實的，庫內(nèi)降噪措施主要是隔聲和吸聲，隔聲措施主要是通過庫房的墻壁和房頂對庫內(nèi)噪聲進行隔離，使噪聲封閉在庫內(nèi)，但一般工業(yè)廠房的隔聲效果有限。假定墻壁為無限大均勻密實的柔性板，其隔聲量可通過下式計算：

①當聲波垂直入射時隔聲量為R0（d B）

式中ρ0為空氣密度，取1.2 kg／m3；f為入射聲波的頻率，Hz；M為墻壁的面密度，kg／m2。

②當聲波來自各個方向（0°～90°），即無規(guī)入射情況時，隔聲量為Rr（d B），

③當聲波來自0°～80°，即現(xiàn)場入射情況時，隔聲量為Rf（d B），

④經(jīng)驗公式

實際上，板不可能像在推導理論計算公式那樣，是無限大柔性障板。由于受到勁度、吻合效應、阻尼和邊界條件的影響，墻壁實際的隔聲量達不到理論公式計算的結果。試驗數(shù)據(jù)表明，面密度增加一倍時，隔聲量增加5 d B左右，頻率提高一倍頻程時，隔聲量增加4 d B左右，其經(jīng)驗公式可表達如下：

根據(jù)廣州和諧型大功率電力機車整車試驗庫的設計資料，墻壁為200 mm磚混墻，可計算其平均隔聲量為48 d B。庫房頂部為輕鋼加隔熱材料復合結構，可計算其平均隔聲量為35 d B?？梢娖鋲Ρ诤晚敳拷Y構滿足環(huán)境噪聲的隔聲量要求。

（2）庫內(nèi)噪聲的吸聲處理

庫內(nèi)吸聲處理分兩部分，一部分是庫房內(nèi)四周墻面7.8 m以下做平面吸聲處理；二是7.8 m以上弧形頂做立體吸聲處理，以降低聲波在庫內(nèi)形成的混響。兩種措施采用后庫房內(nèi)聲疊加值可小于5 d B。

①庫房內(nèi)吸聲降噪量

吸聲處理的改變量是房間常數(shù)，設處理前后的房間常數(shù)為Rf1、Rf2（相應的平均吸聲系數(shù)為α1、α2），可得吸聲處理前后距聲源r（m）處的噪聲降低量ΔLP為：

在 噪 聲 源 附 近，以 直 達 聲 為 主，Qs／（4πr2?4／Rf），略去4／Rf項，由上式可得相應的降噪量近似為0。但在離聲源足夠遠處（即距離大于臨界距離的遠場范圍）混響聲場占主要地位，此時降噪量達到最大值，因此在庫內(nèi)周圍做適當?shù)奈曁幚韺Ω纳茙靸?nèi)混響有一定的好處，既降低了庫房墻壁的隔聲壓力，同時也降低了噪聲對工作人員的身體危害。

②庫房頂部吸聲體降噪

庫房頂部懸掛的立體吸聲結構是一種特殊的吸聲結構，它具有吸聲系數(shù)高，吸聲頻率寬的特點，對于降低庫內(nèi)混響具有特殊作用。是保證庫房頂部開口處噪聲向外輻射時，其噪聲級滿足庫房總體設計的環(huán)境噪聲要求的重要措施。

3.2.2 強制進排氣系統(tǒng)的噪聲治理

（1）強制進氣系統(tǒng)噪聲治理

強制進氣系統(tǒng)為軸流風機，在風機進氣口加裝進氣消聲器，降低風機噪聲對環(huán)境的影響。軸流風機大部分都是中高頻噪聲，一般采用阻性消聲器較為適宜，但阻性材料要注意防潮防塵以防消聲器消聲效果的降低。如果將消聲器安裝在進氣通道內(nèi)，則只要對進氣通道進行消聲處理即可。進氣系統(tǒng)采用的是3臺4 k W軸流風機，風量為每臺11 000 m3／h，其噪聲一般為87 d B左右。阻性消聲器的消聲效果一般在12 d B左右，可以滿足設計要求。阻性消聲器的消聲量可按下式計算：

式中φ（α0）為消聲系數(shù)；P為通道斷面周長，m；St為通道有效截面積，m2；L為消聲器有效部分長度，m。

（2）強制排氣系統(tǒng)噪聲治理

強制排氣系統(tǒng)由6臺45 500 m3／h的軸流風機組成，每臺風機的噪聲約為94 d B，其噪聲特點與上述風機特點相同。在風機出口處加裝了約2 m長的消聲器，其消聲量約20 d B，風機出口處噪聲A聲壓級約為74 d B?？梢詽M足場內(nèi)環(huán)境噪聲要求。

（3）冷卻塔噪聲控制

冷卻塔噪聲主要考慮對庫外的影響，根據(jù)相關資料，冷卻塔通過排氣散熱管輻射的噪聲量級較低，不會對廠區(qū)產(chǎn)生影響。但在考慮庫內(nèi)噪聲可能通過排氣散熱管向外輻射時，排氣散熱管內(nèi)壁采用吸聲＋護面多孔板結構，散熱管用3 mm鋼板制作?？上龓靸?nèi)噪聲對廠區(qū)環(huán)境的影響。

3.2.3 控制室噪聲控制

控制室噪聲主要是機車輪軌噪聲和庫內(nèi)其他聲源的綜合影響。其噪聲頻帶較寬，強度較強?？刂剖彝庠肼旳聲壓級將達到106 d B，因此要保證控制室內(nèi)噪聲A聲壓級達到60 d B，控制室的墻壁、窗、門的平均隔聲量應大于56 d B。從設計參數(shù)來看200 mm厚的墻壁其平均隔聲量為48 d B，因此在控制室正對機車的墻壁外加裝容重大于40 kg／m3的吸聲結構，使其墻壁＋吸聲組合結構的隔聲量達到56 d B以上；隔聲觀察窗應采用10 mm鋼化玻璃＋170 mm空氣層＋12 mm鋼化玻璃結構，其隔聲量59 d B；隔聲門應采用雙層隔聲門結構，其形式為單層隔聲門＋160 mm空氣層＋單層隔聲門的結構形式，其隔聲量58 d B。除結構形式要達到要求外，施工工藝也十分重要，如門縫、窗縫的處理要十分仔細，不能有任何縫隙。

整車試驗庫的降噪方案如圖2。

4 結論

（1）庫內(nèi)新鮮空氣量在滿足夏季平均溫度為33℃時，其庫內(nèi)由強制排氣引入的新鮮空氣量滿足工作環(huán)境為38～40℃的要求。

（2）強制進氣系統(tǒng)是保證試驗設備正常運行的關鍵，除風量要足夠外，其流場的形成非常重要，要有適當?shù)难a救措施，如增加可移動排氣扇。

（3）控制室內(nèi)的噪聲A聲壓級達到60 d B是十分嚴格的指標，施工時應十分認真仔細。

（4）廠內(nèi)環(huán)境噪聲指標可滿足要求。

（5）試驗庫噪聲對廠界（距離約60 m以上）噪聲的影響不大，可滿足相關標準的要求。

［1］馬大奠.噪聲與振動控制工程手冊［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2002.

［2］張曙光.HXD1型電力機車［M］.北京：中國鐵道出版社，2009.

［3］張曙光.HXD3型電力機車［M］.北京：中國鐵道出版社，2009.

［4］GB 3096－2008.聲環(huán)境質(zhì)量標準［S］.北京：中國環(huán)境科學出版社，2008.