強迫風冷型地鐵輔助充電裝置的噪聲控制

魏 興 白皆松 崔元虎

(西安中車永電捷通電氣有限公司 陜西 西安 710016)

0 概述

輔助電源系統作為地鐵車輛的重要設備之一，通常安裝于車廂底部。其工作產生的噪聲會直接輻射到車外，或以繞射、透射等方式傳播到車內，嚴重影響乘客的舒適性體驗[1-2]。

輔助充電裝置采用離心風機強迫風冷方式為功率模塊、變壓器及濾波電抗器等部件進行散熱冷卻。輔助充電裝置內部噪聲主要可以分為以下幾個部分：冷卻風機葉片旋轉產生的切風噪聲，三相變壓器、濾波電抗器等產生的電磁噪聲，箱體風道內氣體流動產生的氣動噪聲以及箱體振動產生的振動噪聲。本文結合噪聲特性與箱體結構提出了噪聲控制方案，并通過噪聲測試驗證了控制方案的有效性。通過優化，最終將輔助充電裝置噪聲降至噪聲要求限值以內[3-4]。

輔助充電裝置采用分段式結構設計。箱體外形尺寸(L×W×H)為2 100 mm×1 770 mm×590 mm，采用強迫風冷方式進行散熱。風道進風口位于輔助功率模塊和充電機功率模塊上方，冷卻風從頂部進風口進入，分別流經兩個模塊的散熱器翅片，經過風機后在水平方向對變壓器和濾波電抗器進行冷卻，最終從箱體底部出風口流出。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—充電機功率模塊；5—離心風機；6—輔助功率模塊。圖1 輔助充電裝置布局圖

1 噪聲測試結果及分析

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量，對其進行噪聲測試。測試過程中,分別選取距該輔助充電裝置四周各面中心1 m處為噪聲測評點，每個面布置3個測試點。測試點布置如圖2所示。

圖2 測試點布置示意圖

每個測試點的噪聲數據分別采集三組、每組持續時間10 s，取相對較穩定的一組作為測試結果。

(1)

(2)

環境修正值K根據式(3)計算得出：

(3)

S=(h+1)lm

(4)

A=αSv

(5)

其中：A為試驗環境吸聲面積，m2；S為測量表面面積，m2；h為測試箱體的高度，m；lm為輪廓線周長，m；α為平均吸聲系數；Sv為測試環境的總表面積，m2。

通過噪聲分析儀對負載滿載工況時背景噪聲及箱體周圍各測點噪聲值進行采集，所得到背景噪聲為65.7 dB(A)，各測點的等效A計權聲壓級測試結果如圖3所示。

圖3 輔助充電裝置滿載各測點

結合圖3對輔助充電裝置滿載時各測點噪聲值進行分析，可以看出在箱體一周各測點中N1點的噪聲值最大，N2、N7、N9幾點噪聲貢獻值較大。從空間位置上來看，N1、N2兩點位于輔助充電裝置的出風口側，內部布置有三相變壓器及濾波電抗器；N7、N9兩點位于箱體入風口旁，內部安裝離心冷卻風機。初步分析N1、N2兩點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口氣動噪聲的影響較大。而N7、N9主要受箱體入風口氣動噪聲的影響，冷卻風機、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，需進一步確認主要噪聲源，從而有的放矢地進行降噪優化[5]。首先，為了衡量電磁噪聲對整機噪聲的貢獻量，僅對三相變壓器和濾波電抗器進行通電，分別測量空載和滿載兩種工況下，輔助充電裝置四周各測點的等效A計權聲壓級。兩種工況下各測點等效A計權聲壓級測量結果如圖4所示。

圖4 空載、滿載兩種工況下各測點

將濾波電抗器、三相變壓器滿載時電磁噪聲測試值與圖3輔助充電裝置滿載各測點噪聲測試值進行對比，可發現，濾波電抗器、三相變壓器滿載時各測點A計權聲壓級噪聲值均低于輔助充電裝置整機測試噪聲10 dB(A)以上，通過這兩組數據分析判斷：濾波電抗器、三相變壓器工作時產生的電磁噪聲對整機噪聲貢獻值較小，可以忽略其影響。

結合以上分析，排除掉電磁噪聲的影響，認為冷卻風機為主要噪聲源，進出風口產生的氣動噪聲對整機噪聲的貢獻量較大。需對箱體結構進行優化，減小氣動噪聲的影響。

2 降噪方案分析

通過對整機噪聲測試結果的分析，氣動噪聲的貢獻量最大，首先應對風道結構進行適當優化。

2.1 結構優化

關于輔助充電裝置箱結構的優化主要針對進出風口以及風道內部進行。氣動噪聲的產生是由于局部障礙物前后壓差所引起，所以主要考慮通過特定結構來降低局部障礙物前后壓強差以及后部渦流。

從噪聲測試結果來看，N1、N2點噪聲值較高，主要是出風口距離監測點較近，聲波壓力直接傳遞至檢測設備。將最外側出風口尺寸調整為原先的一半，間接使出風口位置遠離監測點。為梳理出風口氣流流向，減少氣流直接撞擊風道末端的側板，在風道末端增加弧形導流板使氣流能夠平滑向下排出。具體結構如圖5所示。由于頂進風的結構設計，氣流自頂向下經過散熱器翅片后流向變換90°進入風機下方風室，且兩側散熱器流出的氣流在風機下部進風室存在明顯的碰撞，為降低這部分影響，在散熱器正下方布置弧形導流板，在風機正下方布置弧型導流板對氣流進行梳理，具體結構如圖6所示。為減少風機周圍渦流，在風機葉輪四周增加圓弧過渡導流板，具體結構如圖7所示。

圖5 風道中導流板結構

圖6 散熱器出風口導流板結構

圖7 風機四周導流板結構

2.2 風道優化后噪聲測試

根據上述優化方案，在相同測試環境下對新結構進行噪聲測試。通過儀器測得背景噪聲為63 dB，滿載工況下各測點等效A計權聲壓級測量結果如圖8所示。

圖8 結構優化后各測點噪聲測試結果

2.3 風道消聲措施

除了風道結構優化外，采用在風道側壁上粘貼吸音棉、噴涂阻尼膠等措施從吸聲、隔聲角度進行噪聲治理。

在風道的內壁、出風口上下以及風機四周粘貼吸音棉，三相變壓器、濾波電抗器四周壁面噴涂阻尼膠，對箱體進行降噪減振處理。并且選用高質量聚氨酯SIKAFLEX-221密封膠對風道內各安裝板連接縫隙、 孔洞等部位進行密封，減少聲波的泄漏。

2.4 試驗驗證

為驗證風道消聲措施的降噪效果，在相同測試環境下對粘貼吸音棉、噴涂阻尼膠以及涂抹密封膠后的箱體重新進行噪聲測試。背景噪聲為61.7 dB，負載空載以及滿載兩種工況下各測點等效A計權聲壓級測量結果如圖9所示。

圖9 空載、滿載工況下各測點噪聲測試結果

3 結束語

本文以某地鐵車輛輔助充電裝置為研究對象，對其進行噪聲測試及分析，結合噪聲特性以及箱體內部結構提出箱體內風道結構優化以及風道內粘貼吸音棉配合噴涂阻尼膠等措施，最終通過試驗驗證了降噪措施的效果。根據試驗結果可以看出，優化后的輔助充電裝置整機平均噪聲值降低7.6 dB(A)。目前，這些優化措施已應用在該輔助充電裝置產品中并通過型式試驗開始批量交付，治理經驗已推廣應用于多條城市地鐵線路中。后續將對風機本體進行優化研究，從噪聲源方面進行治理，進一步降低產品的噪聲水平。