市域快軌車輛冷卻風機降噪方案研究

關超 莊曦 張澤琦

摘要：分析了風卻風機的噪音產生機理，并針對市域快軌車輛冷卻風機的噪聲問題提出降噪方案，為其它項目用冷卻風機降噪提供參考。

引言

市域快軌車輛是為市域內快速鐵路而研發的新型軌道運輸產品，具有快速啟停、運載能力強、安全可靠和綠色節能等特點，近些年逐漸被大中城市所接受，后續將得到廣泛應用。而牽引變壓器作為車輛高壓系統的重要部件，具有功率大、熱量高的特點，為防止牽引變壓器過熱，配備了油冷卻系統，通過冷卻風扇對冷卻油進行熱交換，進而實現牽引變壓器的冷卻。牽引變壓器的主要噪聲來源于冷卻風機，因而冷卻風機的降噪舉措尤為重要，是提高環境質量和生活品質產生重要因素。

1 冷卻風機噪聲產生機理

冷卻風機工作后，噪聲的主要來源為機械噪聲、氣固耦合噪聲及空氣動力噪聲。因不同類型的噪聲產生的機理不盡相同，現對每類噪聲進行簡要介紹。

1.1 機械噪聲

機械噪聲的產生主要是在生產、制造過程中造成，可盡量降低但不可完全避免，例如皮帶傳動、齒輪轉動、軸承損耗、風扇震動等，均屬于機械噪聲，此類噪聲約占風機總噪聲的1/3左右。

1.2 氣固耦合噪聲

此類噪聲較為復雜，造成的原因較多，與氣體的繞流、流動分離和渦流引起的壓力脈動關系緊密。葉輪在動作過程中，葉片的出口處沿著軸向氣流的速度和壓力分布不均勻，作用在渦殼上形成壓力產生周期性的噪聲。此類噪聲約占風機總噪聲的1/4左右。

1.3 空氣動力噪聲

空氣動力噪聲是風扇噪聲的主要來源，由旋渦噪聲和旋轉噪聲兩部分疊加形成。旋渦噪聲造成的主要原因為邊界層脫體、氣流脫體等造成的；造成旋轉噪聲的主要原因為當蝸舌與葉片邊緣間的間隙較小時，葉片通道經過蝸舌處造成的周期性速度脈沖和壓力。

2 市域快軌車輛牽引變壓器冷卻風機噪聲情況

市域快軌車輛較高速動車組在噪聲方面的控制更為嚴苛，以滿足在市域范圍內行駛過程中不對人們的日常生活和工作帶來較大影響和傷害。配備的牽引變壓器冷卻風機具有高低速調速功能，對高速風機噪聲進行了測試，數值為100.8dB（A），冷卻風機結構如圖1所示：

3 降噪措施及效果

通過分析，風機產生的噪聲主要為空氣動力噪聲偏高引起的，由于風機整體已完成設計工作，并已完成樣機制造，如需在葉柵的氣動力載荷、蝸舌前端半徑、葉輪外緣與蝸舌的間隙、蝸舌結構等方面進行改進，需要經歷設計-制造-驗證周期，時間、人力成本巨大，故無法通過以上方面進行優化。通過權衡和討論，擬通過采用降噪材料進行優化。

3.1 降噪材料降噪機理

降噪材料主要分為隔聲材料和吸聲材料，隔聲材料具有密度大，沒有空隙的特點。當聲音傳入隔聲材料后，透射出的聲能量被減弱，達到降低外部噪聲的目的；而吸聲材料內部有大量的相互連通的敞開的微小開孔，當聲音傳入吸聲材料時，引起材料內間隙中的空氣振動，通過摩擦和空氣的黏滯阻力使得聲能量衰減。

目前多為隔聲和吸聲兩種材料組合使用，聲能量先通過吸聲材料，部分能量被吸收，剩余能量經隔聲材料反射后再次進入吸聲材料，使得能量被二次吸收，進一步降低聲能量，進而達到降噪的效果。

3.2 降噪方案

市域快軌車輛牽引變壓器冷卻風機內腔一側用于散熱，一側用于固定電機，剩余四個平面內腔均增加降噪材料。前期高速動車組項目曾應用過30mm厚度的降噪材料，對比后可降噪1.5～2dB（A）左右。鑒于市域快軌車輛箱體尺寸小，空間有限，新研發18mm厚度的降噪材料，增加降噪材料的風機箱體內部結構如圖2所示：

4 降噪措施后的影響

因增加降噪材料后，風機整體重量增加約10kg，重心有少許改變，對風機吊裝位置進行調整，整體外形尺寸無變化，經計算，冷卻風機可降噪1～1.5dB（A）。

5 結語

隨著各種新型軌道車輛的不斷增加，噪音問題逐漸變為業內外重點關注的問題，成為影響人們生產生活的重大問題。通過深入分析研究，提供了既有冷卻風機的降噪可行性方案，在有限的空間范圍內進行降噪。若需進一步降低風機噪聲，可從葉片、受流方式、電機等風機本身結構出發，有針對性的研究降噪的優化方案。

參考文獻

[1] 藺國民 蔡紅專. 離心式通風機降噪設計研究[J].機械設計與制造，2009，（3）：140-142.

[2] 王奇 周信等.混合動力低地板車冷卻風機降噪試驗研究[J].噪聲與振動控制.：2018，（3）：42-48.

（作者單位：1.中車長春軌道客車股份有限公司；

2.大同ABB牽引變壓器有限公司）