鐵路吸砟車噪聲控制研究與應用

孫榮民

摘 要：通過對風機出口噪聲源倍頻程聲壓級檢測，設計、計算降噪消聲器，并利用Fluent軟件對設計方案進行數(shù)值模擬、優(yōu)化和改進。最終，經(jīng)樣機驗證，設計的風機出口消聲器具有良好的降噪效果，滿足項目所在地的香港環(huán)保署規(guī)定的噪聲要求。

關鍵詞：鐵路；吸砟車；噪聲控制；FLUENT；數(shù)值模擬

中圖分類號：U238 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：2096-6903（2023）01-0042-03

0 引言

鐵路吸砟車是用于收集鐵路道床道砟的養(yǎng)路機械設備，該設備主要由車架、動力間、風機消聲器、除塵器、機械臂等部件組成，能對狹窄、復雜的道岔群、翻漿冒泥路段、排水溝等區(qū)域進行無損、無塵抽吸、挖掘以及物料搬運。該設備的作業(yè)效率及效果滿足用戶需求，但作業(yè)運行時噪聲較大，無法達到香港環(huán)保署的噪聲要求。為滿足用戶需求，需對鐵路吸砟車進行噪聲控制。

根據(jù)項目所在地的香港環(huán)保署規(guī)定：“在列車滿功率運行條件下，距離軌道線路中心線7.5 m的位置，噪聲不能超過80dB（A）” [1]。鐵路吸砟車噪聲源主要有3項：一是內燃機工作時噪聲，二是物料運輸時噪聲，三是風機運行時噪聲。

內燃機的噪聲來自于柴油機，目前在生產(chǎn)的設備主要采取將柴油機置于機艙內，機艙內壁填充吸音棉，以減小柴油機運行時的噪聲外溢。物料運輸帶表面采用柔性襯板，能最大程度減小運輸過程中物料摩擦產(chǎn)生的噪聲，同時在輸送帶上部增加蓋板防止噪聲外溢，且防止揚塵。風機采用高速離心風機，風機本體置于發(fā)動機機艙內，露出風機出口，風機運行時出口噪聲較大。設備運行時內燃機噪聲、物料運輸噪聲和風機本體噪聲控制方案基本滿足香港環(huán)保署噪聲要求，因此在滿足機車限界、軸重等要求的情況下，設計出降噪效果佳的風機出口消聲器，成為該設備需攻克的難題。

1 噪聲檢測

風機采用高壓離心風機，將負壓抽吸作為真空負壓抽吸的動力源，其為馬達功率為600 kW，柴油機轉速1 800 r/min，抽氣體積55 000 m3/h，入口壓力0.05933 MPa，出口壓力0.1 MPa。

在未裝出口消聲器的情況下，利用Pulse3560C噪聲分析儀，對風機出口噪聲源進行倍頻程聲壓級檢測。測點取在風機出口軸線45°方向上，距離風機出口7.5 m，測量值見表1。根據(jù)GB/T3768-2017標準進行檢測，設備置于空曠場所，傳聲器固定在三腳架上，高度1.5 m。傳聲器沿著設備四周布置，距軌道線路中心線7.5 m位置，之間間隔4 m。一共布置24個測量點，主要檢測設備安裝風機出口消聲器前后的噪聲值，整機噪聲測試點如圖1所示。

通過噪聲檢測可知，在未裝出口消聲器的情況下，風機出口噪聲的頻譜主要集中在1 000～8 000 Hz，屬于中高頻。鑒于此在消聲器設計時需主要考慮對中高頻的消聲[2]。

2 風機出口消聲器設計

2.1 風機出口消聲器降噪計算

采用噪聲評價數(shù)曲線（NR）對風機出口進行噪聲評價[3]。將風機出口噪聲倍頻程聲壓級與目標 NR曲線對比，計算噪聲源各中心頻率減噪量，見表2。

根據(jù)噪聲源各中心頻率減噪量選擇合適材料，制作風機出口消聲器。根據(jù)表2初步判定，主要消聲頻率為1 000～8 000 Hz，降噪值約為26dB（A），按照空間位置及風機阻力，設計消聲器。

2.2 風機出口消聲器結構設計

按照機車車輛限界規(guī)范，利用現(xiàn)有設備有限空間，在不超限界、不超重情況下，設計風機出口消聲器。風機為氣力輸送的動力源，要求風機出口消聲器應在滿足降低噪聲的前提下，其阻力越小越好。這樣風機的出口背壓相對較小，可以有效保證氣力輸送效率[4]。

初步設計的消聲器結構如圖2所示。消聲器通過圓形法蘭與風機出口連接，風機排出的氣流進入主消聲器。主消聲器內部設置片式消聲器，副消聲器通過方形法蘭與主消聲器連接，將氣流導向車體長度方向，防止吹到設備頂部的接觸網(wǎng)，保證設備安全。副消聲器內部同樣設置片式消聲器，用于保證噪聲進一步降低，且可讓排風口氣流更均勻，排氣風速降低。

風機出口消聲器消聲量計算按照公式（1）。

（1）

式中： ? ? ? ?為與材料吸聲系數(shù)有關的消聲系數(shù)；L為消聲器的有效長度，取值為2 m；P為消聲器通道橫斷面周長，單位是m；S為消聲器通道有效橫斷面面積，單位是m2；a為消聲器小通道的寬度，也稱片間距，取值為0.5 m；b為消聲器小通道的高度，也稱片間距，取值為0.15 ?m。

根據(jù)吸聲材料的吸聲特性（取值0.75），帶入公式計算得到消聲量為26dB（A）。

2.3 風機出口消聲器設計與改進

為了分析風機出口消聲器的效果，利用Fluent軟件對方案三維模型進行初步的模擬分析，以進行判斷[5]。消聲器三維模型數(shù)值模擬情況如圖3所示。

從圖3（a）可知，氣流從風機出口進入主消聲器的大空腔后未擴散減速，直接進入片式消聲器的中間兩格，沖擊隔板后通過連接通道進入副消聲器。副消聲器內氣流相對均勻，通過副消聲器中的片式消聲器后由出口排出，尾部最大風速約50 m/s，風速較高。氣流在主消聲器內不均勻，在片式消聲器前后出現(xiàn)多處氣旋，氣流紊亂，局部還存在氣流速度上升的情況，由此說明消聲器內部設計不太合理，影響風機的流量和壓力，因此，需要改進以得到消聲效果和空氣動力學性能都較好的消聲器。

針對圖3（a）中，氣流進入主消聲器未減速分流的情況，在主消聲器入口和片式消聲器之間設置一個孔板，讓氣流經(jīng)過孔板后擴散，均勻通過后面片式消聲器，達到最大化降噪效果，數(shù)值模擬后的情況如圖3（b）所示。

從圖3（b）中可以看出，氣流經(jīng)過孔板擴散后存在局部紊流，后均勻通過7片片式消聲器，同時氣流速度降低，降噪效果得到改善。進入副消聲器后氣流也更加均勻，出口最大風速降低至約34 m/s。但主消聲器與副消聲器連接部位存在加速不均勻情況，初步估計原因為氣流通過過渡直角時存在回流，導致氣流不均勻。

針對直角氣流回旋情況，將直角轉彎改為圓弧過渡，改善過渡段氣流不均勻的情況，經(jīng)過數(shù)值模擬的情況如圖3（c）所示。經(jīng)過優(yōu)化改進后主、副消聲器過渡位置的氣流更均勻，同時消聲器出口的氣流速度也進一步降低，最大風度僅為25 m/s，消聲器阻力也進一步降低，總體達到了良好的消聲效果和空氣動力學性能。

3 噪聲技術實施與效果驗證

按照優(yōu)化改進后的設計方案，制作風機出口消聲器，其外部框架由鋼板和管材焊接而成，內部布置片式消聲器。其中消聲器內壁及片式消聲器內壁分別填充80 mm超細玻璃棉板作為吸音材料，填充密度為32 kg/m3，用聚酯纖維防護紗網(wǎng)覆蓋，并用多孔鋁板固定，防止玻璃棉被氣流吹走，保證消聲器內壁達到良好的吸音效果。鐵路吸砟車樣車組裝調試完成后，在空曠區(qū)域按照標準進行設備四周噪聲強度檢測。

通過檢測可知，鐵路吸砟車風機出口消聲器安裝前四周A計權平均聲壓級值為106～107.9 dB（A），安裝消聲器后A計權平均聲壓級值降低為79.2～80.2 dB（A），降噪效果明顯，達到香港環(huán)保署噪聲要求。經(jīng)過設計、安裝和現(xiàn)場試用，證明其滿足香港鐵路公司對設備噪聲要求，達到上線作業(yè)條件。目前該設備已投入使用，作業(yè)效率滿足要求，運行狀態(tài)良好，極大的降低作業(yè)人員數(shù)量以及勞動強度，保證了施工人員身心健康。

4 結語

大型養(yǎng)路機械設備設計時，應重點對設備施工作業(yè)過程中的噪聲進行控制，增強環(huán)保措施，保證設備施工人員身心健康。

對鐵路吸砟車風機出口噪聲倍頻程測試、計算分析可知，噪聲頻率以中高頻為主，采用阻性片式消聲器，能有效降低噪聲，且降噪值與吸音面積和消聲器長度成正比。

設計風機出口消聲器，利用FLUENT軟件對消聲器方案進行數(shù)值模擬、優(yōu)化和改進，經(jīng)樣機驗證，風機出口消聲器具有良好的降噪效果，滿足香港環(huán)保署規(guī)定的噪聲要求。

參考文獻

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