全封閉整車試驗(yàn)庫通風(fēng)降噪設(shè)計(jì)及應(yīng)用

周國忠

（濟(jì)南鐵路科技開發(fā)中心，山東濟(jì)南250001）

0 概述

為了保證機(jī)車安全正常的運(yùn)行，試驗(yàn)各部件組裝正確，運(yùn)行可靠，發(fā)揮機(jī)車所要求的功率和匹配柴油機(jī)與牽引發(fā)電機(jī)的特性，內(nèi)燃機(jī)車經(jīng)過機(jī)務(wù)段中修、定修以后，均要對(duì)機(jī)車進(jìn)行整車負(fù)荷試驗(yàn)。內(nèi)燃機(jī)車在負(fù)荷試驗(yàn)中，包括走行部所有部件都將投入工作，其噪聲源大致可分為三大部分：第一，柴油機(jī)排煙噪聲；第二，機(jī)車?yán)鋮s系統(tǒng)噪聲；第三，機(jī)車機(jī)體及其輔助系統(tǒng)噪聲；第四、機(jī)車輪軌與檢測輪軌摩擦噪聲。低噪聲整車試驗(yàn)庫應(yīng)解決兩大問題：一是，滿足機(jī)車試驗(yàn)的溫度及氣流條件，不因設(shè)置試驗(yàn)庫而造成庫內(nèi)溫升影響機(jī)車正常工作；二是，滿足降低噪聲要求。

1 整車試驗(yàn)庫噪聲治理

1.1 整車試驗(yàn)庫現(xiàn)狀

原水阻試驗(yàn)棚位于北京機(jī)務(wù)段西南部，機(jī)車試驗(yàn)產(chǎn)生的噪聲會(huì)長時(shí)間干擾周圍地區(qū)的環(huán)境，以及對(duì)機(jī)務(wù)段的工作人員形成比較嚴(yán)重的噪聲污染。 隨著人民對(duì)環(huán)境條件的要求越來越高,該段經(jīng)常受到周圍居民的投訴，該段對(duì)于治理整車試驗(yàn)噪聲的要求相當(dāng)迫切。 現(xiàn)計(jì)劃在原址建設(shè)一座整車試驗(yàn)庫。

治理噪聲就必須對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行敏感點(diǎn)噪聲測量。我們對(duì)一臺(tái)正在原試驗(yàn)棚進(jìn)行試驗(yàn)的DF8 型機(jī)車進(jìn)行試驗(yàn)源點(diǎn)聲級(jí)及頻譜測量， 測量數(shù)如下：

測點(diǎn)名稱位置等效聲級(jí)dB(A) 本底噪聲dB(A)機(jī)車車體高1.5 米，外側(cè)3 米104車頂排煙口斜上方1m120.2扇冷卻風(fēng)扇外側(cè)2米96 62機(jī)車排煙口62機(jī)車?yán)鋮s風(fēng) 62東風(fēng)DF8B 型機(jī)車滿負(fù)荷工作狀態(tài)的噪聲頻譜L(dBA)倍頻程中心頻率(Hz)31.5 11097 63125 250 500 1K 2K 4K 8K 31.5 1109894928991 79 6897

1.2 噪聲治理方法

根據(jù)噪聲產(chǎn)生的三要素——聲源、傳遞途徑和接受者，控制噪聲的措施相應(yīng)也有三條途徑：

（1）降低聲源的強(qiáng)度。掌握噪聲源的大小及其頻率特性，明確產(chǎn)生噪聲的原因，采取增加振動(dòng)物體的阻尼或采用隔振裝置，或防止共振、避免高壓氣體急速排放等措施降低噪聲源強(qiáng)度。

（2）截?cái)嘣肼曉醋钄鄠鞑ァＴ诼曉大w上加裝隔聲罩，利用屏障、操作間墻壁以及封閉的隔聲間，或在進(jìn)氣、排氣口處安裝消聲器等措施阻斷噪聲傳播。

（3）個(gè)人防護(hù)。可以通過縮短工作時(shí)間、帶耳塞、帽、盔等措施加強(qiáng)個(gè)人防護(hù)。

整車試驗(yàn)的噪聲是由內(nèi)燃機(jī)工作時(shí)發(fā)出的空氣動(dòng)力性噪聲、機(jī)械噪聲、燃燒噪聲、輪軌與檢測輪軌摩擦噪聲疊加而成的。根據(jù)生產(chǎn)廠家的資料及對(duì)既有運(yùn)用相同車型的整車試驗(yàn)噪聲測量，整車試驗(yàn)噪聲具有寬頻譜、持續(xù)時(shí)間長等特性，治理難度較大，并且作為聲源的機(jī)車本體已無法采取任何降噪措施。對(duì)工作人員的個(gè)人防護(hù)，由于在作業(yè)中，工作人員還需要從機(jī)車發(fā)出的聲音中判斷機(jī)車的狀況，因此，對(duì)操作人員的危害是無法避免。 所以，對(duì)于試驗(yàn)臺(tái)的噪聲治理只能從切斷傳播途徑上想辦法，亦即采用隔聲和加裝消聲器完成降噪。 具體做法為建造整車試驗(yàn)庫、加裝特制機(jī)車試驗(yàn)消聲器。

2 庫型選擇

在整車試驗(yàn)庫的方案設(shè)計(jì)中， 按照整車試驗(yàn)降噪庫結(jié)構(gòu)的不同，可以分為全封閉整車試驗(yàn)庫和半封閉整車試驗(yàn)庫兩種。

半封閉式庫房優(yōu)點(diǎn)是完全采用自然進(jìn)排風(fēng)，投資少，運(yùn)行成本低。缺點(diǎn)是隔聲效果小于全封閉結(jié)構(gòu)，庫房進(jìn)庫線方向噪聲無法降低。 如果采用半封閉式庫房，進(jìn)風(fēng)口為達(dá)到降噪35dB(A)，消聲器設(shè)計(jì)長度為3.5～4.0 米，單件重1.5 噸左右，需單獨(dú)基礎(chǔ)。根據(jù)機(jī)務(wù)段現(xiàn)場情況庫房兩側(cè)均為線路， 尤其北側(cè)為機(jī)車牽出線距離新建庫房最近點(diǎn)約5 米，如果安裝消聲器會(huì)侵入線路限界。進(jìn)庫線方向?yàn)檎麄滠囬g如噪聲過大勢必影響工人工作效率和安全。綜合以上因素該段宜采用全封閉式整車試驗(yàn)庫。

全封閉整車試驗(yàn)庫，隔聲效果好，可以大大改善機(jī)車整車試驗(yàn)作業(yè)環(huán)境，作業(yè)不受天氣、環(huán)境等條件影響。整車試驗(yàn)除了要考慮達(dá)到降噪的目的外，最關(guān)鍵的是保證整車試驗(yàn)的正常進(jìn)行要有足夠的進(jìn)風(fēng)量和良好的散熱、排煙條件，避免庫房因溫升過高，造成機(jī)車試驗(yàn)卸載。

3 全封閉整車試驗(yàn)降噪庫的降噪工藝設(shè)計(jì)（以下數(shù)據(jù)測算均以DF8B 型機(jī)車為例）

3.1 整車庫通風(fēng)、散熱量計(jì)算（以DF8B 型機(jī)車為例）

DF8B型機(jī)車裝車功率為3680kW， 整車庫外溫取為45℃，DF8B機(jī)車的油耗率取為218g/kW·h。 則柴油機(jī)燃油總發(fā)熱量近似為：

Q＝ge*Ne*Hu*103＝34477869KJ/h

式中：ge——柴油機(jī)燃油消耗率g/kW.h

Ne——柴油機(jī)功率kW

Hu——燃油低熱值J/kg

其中有效功熱量Qe＝Q*39.7%＝13667714kJ/h

柴油機(jī)排煙熱量Qy＝Q*31.5%＝10860528kJ/h

柴油機(jī)冷卻水熱量 Qw＝Q*7.9%＝2723752kJ/h

中冷器熱量Qc＝Q*8.6%＝2965097kJ/h

機(jī)油熱量Qo＝Q*6.3%＝2172106kJ/h

機(jī)體輻射熱量Qt＝Q*6.0%＝2068672kJ/h

除有效功熱量和柴油機(jī)排煙熱量分別由整車箱和柴油機(jī)排煙消聲器帶出庫外，余下的熱量則需全部排出庫外。

柴油機(jī)滿功率燃燒所需風(fēng)量VNe＝21760m3/h

柴油機(jī)高中溫系統(tǒng)散熱所需風(fēng)量 Vt＝245970m3/h

柴油機(jī)機(jī)體散熱所需風(fēng)量Vb＝275226m3/h

主發(fā)電機(jī)、主整流柜散熱所需風(fēng)量Vg＝21112m3/h

庫內(nèi)用風(fēng)量總計(jì)為564068m3/h。

3.2 全封閉式防噪聲庫房設(shè)計(jì)方案

為了能夠使機(jī)車試驗(yàn)噪聲能夠達(dá)標(biāo),選擇的治理方案應(yīng)采用密封庫而且?guī)靸?nèi)應(yīng)作隔聲、消聲處理以及通風(fēng)排煙處理。 新建整車庫在未作任何吸聲處理時(shí)，庫內(nèi)將形成混響噪聲，其混響噪聲級(jí)增加量計(jì)算如下：

ΔL=10lg1/α=20dB(A)

式中，α——庫內(nèi)平均吸聲系數(shù),α=0.01。

庫內(nèi)吸聲結(jié)構(gòu)方案主要是為了降低混響聲而不是聲源噪聲，其極限值也達(dá)不到20dB(A)，綜合考慮工程實(shí)際需要降噪量的要求及工程造價(jià),選擇吸聲系數(shù)為0.70。 按公式計(jì)算降噪量為：

ΔL=10lgα2/α1=10lg0.7/0.01=18.45dB(A)

采用吸聲系數(shù)為0.7 的吸聲結(jié)構(gòu)(或材料)可降噪聲18.45dB(A)。庫內(nèi)經(jīng)上述吸聲降噪處理后，室內(nèi)混響噪聲約為105dB(A)。

3.3 墻體、門窗隔聲量的確定

庫內(nèi)墻經(jīng)吸聲降噪處理后，室內(nèi)混響噪聲約為105dB(A)。 要達(dá)到降噪目標(biāo)值，考慮到衰減量，要求墻體的隔聲量在35dB(A)～45dB(A)。設(shè)計(jì)選用可根據(jù)實(shí)際情況選用。 墻體的隔聲量取50 dB(A)。 根據(jù)下列公式計(jì)算出庫墻體結(jié)構(gòu)與厚度：

TL=18lgP+12lgf-25dB(A)

式中，P——墻體單位面積質(zhì)量, kg/m2;f——頻率(125Hz)。

取實(shí)心磚墻厚370mm，可得TL=50.6dB(A)，滿足條件，故取墻體厚370mm。庫頂結(jié)構(gòu)為厚150mm 鋼筋混凝土澆注板，按上式計(jì)算其隔聲量為47.3dB(A)。 由于水阻庫的圍護(hù)結(jié)構(gòu)是非單一介質(zhì)的隔聲組件，因此在設(shè)計(jì)中應(yīng)遵守等透聲的原則，使墻體、門、窗等透聲度基本一致。由于門窗面積較小，因此允許其隔聲量較墻體小十幾分貝，隔聲窗的隔聲量30dB(A)。隔聲大門非標(biāo)設(shè)計(jì)制作，鋼制焊接，規(guī)格5.1m×4.2m，大門面板噴涂阻尼材料，內(nèi)部填充硅酸鋁吸聲棉，隔聲量35dB(A)。

整車庫房總圖設(shè)計(jì)思路：

庫體由四周墻體和庫頂組成，庫房開設(shè)機(jī)車進(jìn)出庫大門。 因封閉庫庫內(nèi)噪音會(huì)在室內(nèi)混響疊加，所以庫墻壁及庫頂做吸聲處理。 試驗(yàn)機(jī)車用風(fēng)及庫內(nèi)散熱用風(fēng)，均由庫房兩側(cè)風(fēng)機(jī)供給。 機(jī)車柴油機(jī)排煙通過兩臺(tái)消聲器排出庫外。機(jī)車?yán)鋮s室風(fēng)扇排出的熱風(fēng)是通過設(shè)置在冷卻室上方的排風(fēng)消聲通道排出庫外。 為充分散逸庫內(nèi)余熱，設(shè)置一個(gè)熱風(fēng)通道消聲器。

4 總體布置

為了能夠使機(jī)車試驗(yàn)噪聲能夠達(dá)標(biāo)， 選擇的治理方案應(yīng)采用密封庫而且?guī)靸?nèi)應(yīng)作隔聲、消聲處理以及通風(fēng)排煙處理。 機(jī)車柴油機(jī)排煙是通過兩臺(tái)排煙消聲器排出庫外。 機(jī)車?yán)鋮s室風(fēng)扇排出的熱風(fēng)是通過設(shè)置在冷卻室上方的熱風(fēng)消聲通道排出庫外，庫內(nèi)混響噪聲經(jīng)墻面、吊頂吸聲材料吸聲后通過自然出風(fēng)口排到庫外。 北京機(jī)務(wù)段整車試驗(yàn)庫庫房尺寸為369000mm×20400mm×75800mm，內(nèi)部容積滿足隔聲罩相對(duì)于聲源體積比的要求。 庫房下部設(shè)置10 組風(fēng)機(jī)強(qiáng)制進(jìn)風(fēng)，配裝有百葉窗式阻性消聲器；庫房安裝5100m×4200m 隔聲大門，庫房內(nèi)墻壁及頂部的吸隔聲復(fù)合板。 庫頂安裝2 套1.5m×7.298m 排煙消聲器，1 套5.0m×4.0m 熱風(fēng)通道消聲器，為滿足庫內(nèi)新風(fēng)量要求在庫頂開30m×1.3m×3m口，在上部安裝自然出風(fēng)口消聲器，隔聲量15dB(A)（見圖1）。

5 各消聲器的降噪量設(shè)計(jì)

5.1 機(jī)車排煙消聲器

機(jī)車柴油機(jī)排煙噪聲可達(dá)120dB(A)，屬寬頻帶噪聲，排煙溫度達(dá)到460℃左右。 為滿足降噪要求，柴油機(jī)排煙消聲器的插入損失定為40dB(A)。 若采用單一型式的消聲器，則難以滿足消聲量的要求，根據(jù)其頻譜特性選擇阻抗復(fù)合型消聲器，使在低、中、高頻帶都達(dá)到要求的消聲量。消聲器的抗性段主要適用于消除噪聲中的低、中頻成分。阻性段主要適用于消除噪聲中的中、高頻成分，由于排煙在消聲器中的流速高達(dá)80m/s，為避免氣流噪聲過大，在消聲器的阻性段將氣流通道面積適量擴(kuò)張，且將抗性段過渡到阻性段的氣流通道加以約90°的彎曲，即將煙氣流速降低還能起到彎頭消聲的作用。 排煙消聲器的基本結(jié)構(gòu)為：抗性段安排在下方，外徑Ф1500mm，長度4000mm；抗性段外桶內(nèi)壁敷設(shè)耐高溫硅酸鋁棉吸聲材料， 通過圖2 可知從80Hz 至1000Kz 段都有較高的聲能量，因此設(shè)計(jì)了長短兩個(gè)抗性段，在每個(gè)抗性段內(nèi)又設(shè)置了兩個(gè)不同長度的插入管，這兩個(gè)插入管的通過頻率互為對(duì)方的消聲頻率，通過這樣的安排使該消聲器在其消聲頻段內(nèi)的消聲量比較均勻。 阻性段安排在上方，當(dāng)量直徑2066mm，長度2000mm，阻性段內(nèi)部為片式消聲器。阻性消聲器片為穿孔鋼板（穿孔率25%）包覆耐高溫硅酸鋁棉材料制成。 排煙消聲器結(jié)構(gòu)圖見圖2。

圖1 機(jī)車整車試驗(yàn)防噪聲庫示意圖

圖2 排煙消聲器結(jié)構(gòu)簡圖

為了使排煙消聲器的進(jìn)口端能與各型試驗(yàn)機(jī)車的排煙煙囪口相適應(yīng)，在消聲器的下端設(shè)計(jì)了可升降的適配器。 適配器的上端口與消聲器氣流入口相匹配，下端口成一定的擴(kuò)張形式，能與各型東風(fēng)型機(jī)車煙囪口配合。 在消聲器的出口端上方設(shè)計(jì)有防雨罩。 防雨罩內(nèi)表面敷設(shè)硅酸鋁棉吸聲材料，當(dāng)聲音傳出消聲器時(shí)又一次被吸收，且有彎頭消聲作用。 防雨罩通過支架支撐于消聲器出口上方。

5.2 熱風(fēng)通道消聲器

機(jī)車?yán)鋮s室的冷卻單節(jié)和冷卻風(fēng)扇是散掉機(jī)車高、低溫系統(tǒng)熱量的主要部件。冷卻風(fēng)從側(cè)壁百葉窗通過冷卻單節(jié)被風(fēng)扇從機(jī)車頂部百葉窗排出車外。 為使被排出的熱風(fēng)能直接從車頂導(dǎo)出庫外，而不至排入庫內(nèi)，需設(shè)計(jì)研制排熱風(fēng)通道消聲器，此通道消聲器下口與機(jī)車?yán)鋮s室對(duì)應(yīng)，通道消聲器殼體將穿過庫頂，通道消聲器上口為出口，并設(shè)有防雨棚。排熱風(fēng)通道消聲器尺寸為5m×4m（長×寬），高8.5m，下端為可升降適配器，可適應(yīng)DF8B型機(jī)車?yán)鋮s室頂百葉窗尺寸。 通道消聲器殼體內(nèi)設(shè)置阻性消聲片，此消聲器的消聲量為20dB(A)。這樣既保證了冷卻室正常排熱風(fēng)量，又將通道出口噪聲控制在80 dB(A)以下，使出口噪聲不至加重庫外環(huán)境噪聲。

5.3 自然出風(fēng)口消聲器

為保證通風(fēng)量設(shè)置頂部自然出風(fēng)口消聲器，頂部自然通風(fēng)面積的核算

機(jī)車?yán)鋮s風(fēng)扇排風(fēng)溫度最高為75℃,風(fēng)速35m/s，排風(fēng)量38m3/s，機(jī)車?yán)鋮s風(fēng)扇排風(fēng)量是38×3600×(75+273)÷(25+273)=159753(m3/h)。為減少排出熱風(fēng)對(duì)水阻試驗(yàn)的影響，正對(duì)機(jī)車?yán)鋮s風(fēng)扇的位置設(shè)置排熱風(fēng)通道直接導(dǎo)引排出。

機(jī)車柴油機(jī)排煙量是31058m3/h， 設(shè)置排煙消聲器直接導(dǎo)引排出由于是強(qiáng)制送風(fēng)自然排風(fēng)， 頂部自然排風(fēng)口的風(fēng)速選擇為4.0m/s，考慮消聲器阻斷了三分之一的進(jìn)風(fēng)面積，因此，頂部自然排風(fēng)面積為：（564068-159753-31058）÷4÷3600×1.5＝38.9m2

頂部自然通風(fēng)長度：38.9÷1.3＝29.9m

頂部自然出風(fēng)口消聲器是非標(biāo)設(shè)計(jì)制作， 鋼制焊接。 開口尺寸30m×1.3m×3m，上部安裝消聲雨帽。消聲器采用阻性結(jié)構(gòu)，為了保證通風(fēng)量，消聲片設(shè)計(jì)成直片式，隔聲量15dB(A)。

6 熱風(fēng)消聲器升降裝置

該庫設(shè)計(jì)成集內(nèi)燃機(jī)車檢修、試驗(yàn)、電力機(jī)車檢修試驗(yàn)為一體的多用途庫，所以庫內(nèi)有走行天車，其高度區(qū)間為5.2 米～6.3 米和庫東北角有電力機(jī)車送電弓，排煙和熱風(fēng)消聲器在空間上與其相沖突。 設(shè)計(jì)排煙和熱風(fēng)消聲器為可伸縮設(shè)備，作為機(jī)車排煙適配器，可最大限度將機(jī)車試驗(yàn)排出的煙氣導(dǎo)入消聲器中排除庫房。 機(jī)車試驗(yàn)時(shí)降落，不做試驗(yàn)時(shí)，提升到頂部，方便吊車作業(yè)。提升裝置配裝4 臺(tái)齒輪卷揚(yáng)機(jī)，安裝在庫外墻上，配電箱安裝在庫房墻壁上，方便觀察操作。 升降裝置的升降控制：（1）采用PLC 對(duì)每臺(tái)減速機(jī)進(jìn)行控制，避免電機(jī)不同步長期運(yùn)行而引起升降裝置走偏， 同時(shí)設(shè)置行程超限熱繼脫扣報(bào)警。（2）限位裝置采用接近開關(guān)，避免傳統(tǒng)行程限位由于撞擊引起原件損壞和誤動(dòng)作。 控制PLC 選用FX2N-32R，接近開關(guān)選用PR-18N8B控制，程序（略），控制流程設(shè)計(jì)如下：

7 環(huán)境、社會(huì)效益及費(fèi)用分析

7.1 運(yùn)行費(fèi)用

整車庫降噪設(shè)備的運(yùn)行費(fèi)用主要是通風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的，升降裝置的三臺(tái)齒輪減速機(jī)功率很小（0.37kW），運(yùn)行時(shí)間每次只需要15 秒鐘左右，因此可以忽略不計(jì)，以單臺(tái)試驗(yàn)為例：

通常狀況下：

機(jī)車試驗(yàn)通常情況下只要運(yùn)行兩臺(tái)風(fēng)機(jī)就能滿足要求。每臺(tái)風(fēng)機(jī)功率為5.5kW·h，每臺(tái)機(jī)車試驗(yàn)按最長8 小時(shí)計(jì)算，生產(chǎn)用電為1.2 元/kW·h，則單臺(tái)試驗(yàn)運(yùn)行費(fèi)用為：

5.5×8×2×1.2＝66（元）

夏季最不利條件下：

機(jī)車試驗(yàn)在夏季最不利條件下， 需要10 臺(tái)風(fēng)機(jī)全部運(yùn)轉(zhuǎn)才能滿足要求，則單臺(tái)試驗(yàn)運(yùn)行費(fèi)用為：

5.5×8×10×1.2＝528（元）

7.2 治理效果

整車試驗(yàn)庫建成投產(chǎn)后，經(jīng)北京鐵路局環(huán)境監(jiān)測站對(duì)整車庫噪聲進(jìn)行檢測，結(jié)果如下：

測點(diǎn)號(hào)位置及機(jī)車把位實(shí)測值dB(北廠界外1m8 把位62.2北廠界外1m12 把位63.4北廠界外1m16 把位63.7背景噪聲62.2距整車試驗(yàn)庫30m8 把位 60.8距整車試驗(yàn)庫30m12 把位 65.2距整車試驗(yàn)庫30m16 把位 67.3南廠界外1m 距整車試驗(yàn)庫39m8 把位61.9 A)測點(diǎn)示意圖1 234南廠界外1m 距整車試驗(yàn)庫39m12 把位62.4南廠界外1m 距整車試驗(yàn)庫39m16 把位63.6images/BZ_290_1820_722_2235_1323.png5距整車試驗(yàn)庫30m8 把位 59.7距整車試驗(yàn)庫30m12 把位 61.2距整車試驗(yàn)庫30m16 把位 63.5

經(jīng)北京鐵路局環(huán)境監(jiān)測站正式監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果顯示：在北京機(jī)務(wù)段距離機(jī)車試驗(yàn)最近的廠界監(jiān)測機(jī)車試驗(yàn)的噪聲， 白天僅為63.7dB（A）（略大于于本底噪聲），完全符合《工業(yè)企業(yè)廠界噪聲標(biāo)準(zhǔn)》Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)（白天70dB(A)）要求，說明方案的設(shè)計(jì)是成功的。機(jī)車在戶外自由狀態(tài)下試驗(yàn)時(shí)產(chǎn)生的噪聲超過了100dB（A）（在機(jī)車外1 米處測），機(jī)車在庫房內(nèi)試驗(yàn)對(duì)周邊環(huán)境噪聲的貢獻(xiàn)可以降低35dB（A），有效解決了噪聲擾民問題，同時(shí)也為城市環(huán)境治理出了一把力。 全封閉試驗(yàn)庫的設(shè)計(jì)是一門綜合性的系統(tǒng)工程， 雖然在運(yùn)用上已取得了很大進(jìn)展，仍有待于進(jìn)一步的研究探討。

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