強(qiáng)迫風(fēng)冷型地鐵輔助充電裝置的噪聲控制

魏 興 白皆松 崔元虎

(西安中車(chē)永電捷通電氣有限公司 陜西 西安 710016)

0 概述

輔助電源系統(tǒng)作為地鐵車(chē)輛的重要設(shè)備之一，通常安裝于車(chē)廂底部。其工作產(chǎn)生的噪聲會(huì)直接輻射到車(chē)外，或以繞射、透射等方式傳播到車(chē)內(nèi)，嚴(yán)重影響乘客的舒適性體驗(yàn)[1-2]。

輔助充電裝置采用離心風(fēng)機(jī)強(qiáng)迫風(fēng)冷方式為功率模塊、變壓器及濾波電抗器等部件進(jìn)行散熱冷卻。輔助充電裝置內(nèi)部噪聲主要可以分為以下幾個(gè)部分：冷卻風(fēng)機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的切風(fēng)噪聲，三相變壓器、濾波電抗器等產(chǎn)生的電磁噪聲，箱體風(fēng)道內(nèi)氣體流動(dòng)產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲以及箱體振動(dòng)產(chǎn)生的振動(dòng)噪聲。本文結(jié)合噪聲特性與箱體結(jié)構(gòu)提出了噪聲控制方案，并通過(guò)噪聲測(cè)試驗(yàn)證了控制方案的有效性。通過(guò)優(yōu)化，最終將輔助充電裝置噪聲降至噪聲要求限值以?xún)?nèi)[3-4]。

輔助充電裝置采用分段式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。箱體外形尺寸(L×W×H)為2 100 mm×1 770 mm×590 mm，采用強(qiáng)迫風(fēng)冷方式進(jìn)行散熱。風(fēng)道進(jìn)風(fēng)口位于輔助功率模塊和充電機(jī)功率模塊上方，冷卻風(fēng)從頂部進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入，分別流經(jīng)兩個(gè)模塊的散熱器翅片，經(jīng)過(guò)風(fēng)機(jī)后在水平方向?qū)ψ儔浩骱蜑V波電抗器進(jìn)行冷卻，最終從箱體底部出風(fēng)口流出。圖1為輔助充電裝置的布局示意圖。

1—濾波電抗器；2—控制單元；3—三相變壓器；4—充電機(jī)功率模塊；5—離心風(fēng)機(jī)；6—輔助功率模塊。圖1 輔助充電裝置布局圖

1 噪聲測(cè)試結(jié)果及分析

為得到輔助充電裝置的噪聲及空間分布特性，了解各噪聲源的噪聲貢獻(xiàn)量，對(duì)其進(jìn)行噪聲測(cè)試。測(cè)試過(guò)程中,分別選取距該輔助充電裝置四周各面中心1 m處為噪聲測(cè)評(píng)點(diǎn)，每個(gè)面布置3個(gè)測(cè)試點(diǎn)。測(cè)試點(diǎn)布置如圖2所示。

圖2 測(cè)試點(diǎn)布置示意圖

每個(gè)測(cè)試點(diǎn)的噪聲數(shù)據(jù)分別采集三組、每組持續(xù)時(shí)間10 s，取相對(duì)較穩(wěn)定的一組作為測(cè)試結(jié)果。

(1)

(2)

環(huán)境修正值K根據(jù)式(3)計(jì)算得出：

(3)

S=(h+1)lm

(4)

A=αSv

(5)

其中：A為試驗(yàn)環(huán)境吸聲面積，m2；S為測(cè)量表面面積，m2；h為測(cè)試箱體的高度，m；lm為輪廓線(xiàn)周長(zhǎng)，m；α為平均吸聲系數(shù)；Sv為測(cè)試環(huán)境的總表面積，m2。

通過(guò)噪聲分析儀對(duì)負(fù)載滿(mǎn)載工況時(shí)背景噪聲及箱體周?chē)鳒y(cè)點(diǎn)噪聲值進(jìn)行采集，所得到背景噪聲為65.7 dB(A)，各測(cè)點(diǎn)的等效A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

圖3 輔助充電裝置滿(mǎn)載各測(cè)點(diǎn)

結(jié)合圖3對(duì)輔助充電裝置滿(mǎn)載時(shí)各測(cè)點(diǎn)噪聲值進(jìn)行分析，可以看出在箱體一周各測(cè)點(diǎn)中N1點(diǎn)的噪聲值最大，N2、N7、N9幾點(diǎn)噪聲貢獻(xiàn)值較大。從空間位置上來(lái)看，N1、N2兩點(diǎn)位于輔助充電裝置的出風(fēng)口側(cè)，內(nèi)部布置有三相變壓器及濾波電抗器；N7、N9兩點(diǎn)位于箱體入風(fēng)口旁，內(nèi)部安裝離心冷卻風(fēng)機(jī)。初步分析N1、N2兩點(diǎn)的噪聲值受三相變壓器、濾波電抗器的電磁噪聲以及箱體出風(fēng)口氣動(dòng)噪聲的影響較大。而N7、N9主要受箱體入風(fēng)口氣動(dòng)噪聲的影響，冷卻風(fēng)機(jī)、三相變壓器以及濾波電抗器可能為主要噪聲源。

為了有效降低輔助充電裝置噪聲值，需進(jìn)一步確認(rèn)主要噪聲源，從而有的放矢地進(jìn)行降噪優(yōu)化[5]。首先，為了衡量電磁噪聲對(duì)整機(jī)噪聲的貢獻(xiàn)量，僅對(duì)三相變壓器和濾波電抗器進(jìn)行通電，分別測(cè)量空載和滿(mǎn)載兩種工況下，輔助充電裝置四周各測(cè)點(diǎn)的等效A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)。兩種工況下各測(cè)點(diǎn)等效A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)測(cè)量結(jié)果如圖4所示。

圖4 空載、滿(mǎn)載兩種工況下各測(cè)點(diǎn)

將濾波電抗器、三相變壓器滿(mǎn)載時(shí)電磁噪聲測(cè)試值與圖3輔助充電裝置滿(mǎn)載各測(cè)點(diǎn)噪聲測(cè)試值進(jìn)行對(duì)比，可發(fā)現(xiàn)，濾波電抗器、三相變壓器滿(mǎn)載時(shí)各測(cè)點(diǎn)A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)噪聲值均低于輔助充電裝置整機(jī)測(cè)試噪聲10 dB(A)以上，通過(guò)這兩組數(shù)據(jù)分析判斷：濾波電抗器、三相變壓器工作時(shí)產(chǎn)生的電磁噪聲對(duì)整機(jī)噪聲貢獻(xiàn)值較小，可以忽略其影響。

結(jié)合以上分析，排除掉電磁噪聲的影響，認(rèn)為冷卻風(fēng)機(jī)為主要噪聲源，進(jìn)出風(fēng)口產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲對(duì)整機(jī)噪聲的貢獻(xiàn)量較大。需對(duì)箱體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，減小氣動(dòng)噪聲的影響。

2 降噪方案分析

通過(guò)對(duì)整機(jī)噪聲測(cè)試結(jié)果的分析，氣動(dòng)噪聲的貢獻(xiàn)量最大，首先應(yīng)對(duì)風(fēng)道結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化。

2.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

關(guān)于輔助充電裝置箱結(jié)構(gòu)的優(yōu)化主要針對(duì)進(jìn)出風(fēng)口以及風(fēng)道內(nèi)部進(jìn)行。氣動(dòng)噪聲的產(chǎn)生是由于局部障礙物前后壓差所引起，所以主要考慮通過(guò)特定結(jié)構(gòu)來(lái)降低局部障礙物前后壓強(qiáng)差以及后部渦流。

從噪聲測(cè)試結(jié)果來(lái)看，N1、N2點(diǎn)噪聲值較高，主要是出風(fēng)口距離監(jiān)測(cè)點(diǎn)較近，聲波壓力直接傳遞至檢測(cè)設(shè)備。將最外側(cè)出風(fēng)口尺寸調(diào)整為原先的一半，間接使出風(fēng)口位置遠(yuǎn)離監(jiān)測(cè)點(diǎn)。為梳理出風(fēng)口氣流流向，減少氣流直接撞擊風(fēng)道末端的側(cè)板，在風(fēng)道末端增加弧形導(dǎo)流板使氣流能夠平滑向下排出。具體結(jié)構(gòu)如圖5所示。由于頂進(jìn)風(fēng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，氣流自頂向下經(jīng)過(guò)散熱器翅片后流向變換90°進(jìn)入風(fēng)機(jī)下方風(fēng)室，且兩側(cè)散熱器流出的氣流在風(fēng)機(jī)下部進(jìn)風(fēng)室存在明顯的碰撞，為降低這部分影響，在散熱器正下方布置弧形導(dǎo)流板，在風(fēng)機(jī)正下方布置弧型導(dǎo)流板對(duì)氣流進(jìn)行梳理，具體結(jié)構(gòu)如圖6所示。為減少風(fēng)機(jī)周?chē)鷾u流，在風(fēng)機(jī)葉輪四周增加圓弧過(guò)渡導(dǎo)流板，具體結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖5 風(fēng)道中導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)

圖6 散熱器出風(fēng)口導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)

圖7 風(fēng)機(jī)四周導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)

2.2 風(fēng)道優(yōu)化后噪聲測(cè)試

根據(jù)上述優(yōu)化方案，在相同測(cè)試環(huán)境下對(duì)新結(jié)構(gòu)進(jìn)行噪聲測(cè)試。通過(guò)儀器測(cè)得背景噪聲為63 dB，滿(mǎn)載工況下各測(cè)點(diǎn)等效A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)測(cè)量結(jié)果如圖8所示。

圖8 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后各測(cè)點(diǎn)噪聲測(cè)試結(jié)果

2.3 風(fēng)道消聲措施

除了風(fēng)道結(jié)構(gòu)優(yōu)化外，采用在風(fēng)道側(cè)壁上粘貼吸音棉、噴涂阻尼膠等措施從吸聲、隔聲角度進(jìn)行噪聲治理。

在風(fēng)道的內(nèi)壁、出風(fēng)口上下以及風(fēng)機(jī)四周粘貼吸音棉，三相變壓器、濾波電抗器四周壁面噴涂阻尼膠，對(duì)箱體進(jìn)行降噪減振處理。并且選用高質(zhì)量聚氨酯SIKAFLEX-221密封膠對(duì)風(fēng)道內(nèi)各安裝板連接縫隙、 孔洞等部位進(jìn)行密封，減少聲波的泄漏。

2.4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證風(fēng)道消聲措施的降噪效果，在相同測(cè)試環(huán)境下對(duì)粘貼吸音棉、噴涂阻尼膠以及涂抹密封膠后的箱體重新進(jìn)行噪聲測(cè)試。背景噪聲為61.7 dB，負(fù)載空載以及滿(mǎn)載兩種工況下各測(cè)點(diǎn)等效A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)測(cè)量結(jié)果如圖9所示。

圖9 空載、滿(mǎn)載工況下各測(cè)點(diǎn)噪聲測(cè)試結(jié)果

3 結(jié)束語(yǔ)

本文以某地鐵車(chē)輛輔助充電裝置為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行噪聲測(cè)試及分析，結(jié)合噪聲特性以及箱體內(nèi)部結(jié)構(gòu)提出箱體內(nèi)風(fēng)道結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及風(fēng)道內(nèi)粘貼吸音棉配合噴涂阻尼膠等措施，最終通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了降噪措施的效果。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以看出，優(yōu)化后的輔助充電裝置整機(jī)平均噪聲值降低7.6 dB(A)。目前，這些優(yōu)化措施已應(yīng)用在該輔助充電裝置產(chǎn)品中并通過(guò)型式試驗(yàn)開(kāi)始批量交付，治理經(jīng)驗(yàn)已推廣應(yīng)用于多條城市地鐵線(xiàn)路中。后續(xù)將對(duì)風(fēng)機(jī)本體進(jìn)行優(yōu)化研究，從噪聲源方面進(jìn)行治理，進(jìn)一步降低產(chǎn)品的噪聲水平。