和諧型電力機車整車試驗庫通風系統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運行4～6 h，機車散熱所需的新鮮空氣量以及機電設備產生的噪聲對周圍環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所需的新鮮空氣量以及將其散發的熱量排出，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，它對機車試驗庫內的工作環境和庫房周圍的環境噪聲將產生嚴重影響。因此，合理設計整車試驗庫的通風系統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進行試驗，其試驗運行時最高的環境溫度平均值應控制在38～40℃；

（2）電力機車試驗運行時庫內噪聲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（廠區其他車間位置）由機車試驗運行產生的噪聲A聲級應不大于75 d B；其廠界噪聲應滿足國家有關環境噪聲標準的要求；

（4）電力機車所需的通風系統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散發，散發的部件為牽引電機、牽引變壓器、牽引變流器及車體內部其他設備。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生與機車相等的熱量，實際上試驗設備的變流系統有自己的一套冷卻系統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為庫內溫度，根據設計要求取值；ts為大氣環境溫度。

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，在設計通風系統時可適當增加新鮮空氣量。

（2）通風系統設計

在進行整車試驗庫通風系統設計時，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），這樣試驗設備所產生的熱量的95%排至庫外，剩余的熱量要通過輔助散熱系統來完成；電力機車產生的熱量要通過強制排氣的方式排至庫外。

為了保證庫內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（環境平均溫度為33℃）的情況下進行的，設計庫內溫度不大于38～40℃。在氣溫低于33℃的狀態下，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，以適應在各個季節的通風量要求，在北方地區庫房頂部進氣口也應可調可控。

3 噪聲控制方案

3.1 噪聲源分析

（1）庫房內聲源

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供風風機等。通過測量發現，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，有較多的結構對其產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。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，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R也接近于零，房間內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，房間常數接近于無限大，房間內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）通風系統聲源

為了降低試驗庫內的溫度，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，總的進排氣量達340 000 m3／h，強制進氣系統采用了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，風機運行產生的噪聲會向場內外輻射。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。根據風機的基本參數，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。可見強制進排氣風機的噪聲不可小視，它對庫外環境的影響要大于庫內設備對外部環境的影響。冷卻塔的噪聲對廠區環境噪聲產生的影響有限。但需考慮庫內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生的噪聲通過空氣傳播和墻面反射疊加的混響聲。根據測算，庫內出口處的噪聲約為91 d B。庫內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境的影響不大。

3.2 噪聲控制方案

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

3.2.1 庫內噪聲治理

（1）庫內噪聲的隔聲處理

庫內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實的，庫內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噪聲進行隔離，使噪聲封閉在庫內，但一般工業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°），即無規入射情況時，隔聲量為Rr（d B），

③當聲波來自0°～80°，即現場入射情況時，隔聲量為Rf（d B），

④經驗公式

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。試驗數據表明，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，其經驗公式可表達如下：

根據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。可見其墻壁和頂部結構滿足環境噪聲的隔聲量要求。

（2）庫內噪聲的吸聲處理

庫內吸聲處理分兩部分，一部分是庫房內四周墻面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，以降低聲波在庫內形成的混響。兩種措施采用后庫房內聲疊加值可小于5 d B。

①庫房內吸聲降噪量

吸聲處理的改變量是房間常數，設處理前后的房間常數為Rf1、Rf2（相應的平均吸聲系數為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，因此在庫內周圍做適當的吸聲處理對改善庫內混響有一定的好處，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，它具有吸聲系數高，吸聲頻率寬的特點，對于降低庫內混響具有特殊作用。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境噪聲要求的重要措施。

3.2.2 強制進排氣系統的噪聲治理

（1）強制進氣系統噪聲治理

強制進氣系統為軸流風機，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，則只要對進氣通道進行消聲處理即可。進氣系統采用的是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；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）強制排氣系統噪聲治理

強制排氣系統由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。可以滿足場內環境噪聲要求。

（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，不會對廠區產生影響。但在考慮庫內噪聲可能通過排氣散熱管向外輻射時，排氣散熱管內壁采用吸聲＋護面多孔板結構，散熱管用3 mm鋼板制作。可消除庫內噪聲對廠區環境的影響。

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其他聲源的綜合影響。其噪聲頻帶較寬，強度較強。控制室外噪聲A聲壓級將達到106 d B，因此要保證控制室內噪聲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）庫內新鮮空氣量在滿足夏季平均溫度為33℃時，其庫內由強制排氣引入的新鮮空氣量滿足工作環境為38～40℃的要求。

（2）強制進氣系統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，要有適當的補救措施，如增加可移動排氣扇。

（3）控制室內的噪聲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）廠內環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.聲環境質量標準［S］.北京：中國環境科學出版社，2008.