出口阿根廷內燃機車制動電阻裝置降噪設計

吳志東 陳超 王峰 武陽

摘要：出口阿根廷內燃機車制動電阻裝置是其重要部件，當其滿負荷工作時，在進、出風口處產生高達110dB以上的噪聲，產生的噪聲不僅使內燃機車上零部件和儀表存在“聲疲勞”而失效的風險，也不適應我國倡導的環(huán)保和職業(yè)健康發(fā)展需要以及國外顧客的需求。通過測試，產品噪聲頻段為595～1191Hz。針對該型車制動電阻裝置噪聲問題，本文采用了分頻段降噪的方式，首次應用了超結構材料技術并結合微穿孔板的降噪方式，通過仿真、試驗驗證表明，采取的降噪措施有效的降低制動電阻裝置的噪聲，降噪后的噪聲最大值降至106dB。

關鍵詞：阿根廷;內燃機車;制動電阻裝置;降噪;超材料;微穿孔板

中圖分類號：U260.35? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）01-0065-04

0? 引言

伴隨著社會的進步，人們對環(huán)境要求也隨之提高，噪聲與水污染、空氣污染并稱為世界三大公害。隨著內燃機車行業(yè)的高速發(fā)展，牽引電機功率大幅提高，與之匹配的制動電阻裝置功率也隨之增大，為了滿足制動電阻散熱要求，選用風機功率也增大。功率大的風機產生更大的噪聲，這些噪聲不僅影響著司乘人員健康，也會使內燃機車上零部件和儀表存在“聲疲勞”而失效的風險，加之國內外鐵路行業(yè)標準升級。解決制動電阻裝置噪聲問題的呼聲越來越高。制動電阻裝置是定制產品，受到空間尺寸和技術參數(shù)的限制，研究其降噪廠家較少。

本文針對出口阿根廷內燃機車制動電阻裝置進行噪聲測試，通過噪聲頻譜分析，得到其聲學特性，應用仿真、計算的方式進行聲學優(yōu)化設計，并通過試驗的方式進行驗證。

1? 聲環(huán)境分析

本文研究出口阿根廷內燃機車制動電阻裝置，為頂置式結構。其主要由直流電機、風葉、電阻單元、結構框架、進出風口組件等組成。當制動電阻裝置開始工作，直流電機[1]和風葉[2]周期性工作，風葉旋轉產生高速不穩(wěn)定氣流，與制動電阻裝置結構內壁、電阻帶之間相互摩擦產生氣動噪聲，特別是在進、出風口處，高速氣流使圓鋼和薄鋼板振動發(fā)聲，類似于“口琴”原理，是噪聲最大位置。風葉旋轉攪動空氣與葉片之間作用產生旋轉噪聲。機械噪聲產生于風葉旋轉使電機的固定部件、及其他各聯(lián)接部件相互摩擦、振動。由于機械噪聲聲壓級遠遠小于旋轉噪聲和氣動噪聲且制動電阻裝置風機轉速高，因此，其噪聲主要是旋轉噪聲和氣動噪聲。

2? 噪聲測試

產品額定功率為2000kW，重量約1200kg。外形尺寸為：2024mm×2193mm×867mm。直流電機參數(shù)見表1所示。

遵照GB/T 3767-1996（eqv ISO 3744-1994）《聲學聲壓法測定噪聲源聲功率級反射面上方近似自由場的工程法》[3]進行噪聲測試。測試點平面圖如圖1（a）所示，測試點軸向視圖如圖1（b）所示。產品外觀圖如圖1（c）所示。

2.1 試驗條件

試驗地點：電控車間旁空曠場地;

測試環(huán)境：無風無雨，風速小于5m/s。

2.2 測量儀器

噪聲測量儀選用丹麥B&K公司手持型聲級計，型號：B&K-2270。所測結果為音頻文件，再應用PULSE軟件的Time Edit & Analyze模塊將其轉換為FTI格式文件。將轉換的文件用PULSE Labshop模塊導入、設定、時頻分析，得到時域圖與頻域圖。

直流電機用直流電源屏，其型號為GKD（M）.（H）400-300CVS，電流為0～300A可調，電壓為0～400V可調。

2.3 測試數(shù)據(jù)

各測試點噪聲權重貢獻最大值見表2所示。

測試得到最大噪聲值主頻段為595～1191Hz，通常情況下，認為500Hz以下為低頻，500～1000Hz為高頻，1000Hz以上為高頻，從所得數(shù)據(jù)中可以看出，產品具有低頻寬帶的特點。

3? 聲環(huán)境優(yōu)化設計

針對制動電阻噪聲的低頻寬帶的噪聲特點，采用分頻段的降噪方式：

低頻降噪選用超結構，這種結構由若干單元組成，每個單元由質量塊、彈性體和剛性邊框組成。當入射聲波頻率與超結構固有頻率匹配時，超結構受到激發(fā)產生共振，其質量塊與薄膜產生反方向振動，這種正負疊加振動，實現(xiàn)了共振吸聲的效果。

中頻降噪選用微穿孔板，它是一種孔距遠遠大于孔徑的穿孔板，可以看成大量空氣阻尼系統(tǒng)，當入射聲波等于開孔處固有頻率時，在孔中形成阻尼共振，從而實現(xiàn)共振吸聲目的。

高頻降噪選用蜜胺泡沫材料，該材料具有一種充分開孔的三維網格結構體系，其開孔率高達99%以上，具有較大的長徑比，它的彈性將聲能轉化為內能，實現(xiàn)吸聲的功能。

3.1 超結構設計

先建立薄膜型超結構單元三維模型，再設定參數(shù)和邊界條件，薄膜型超結構框架選用碳鋼，薄膜采用硅膠薄膜，質量塊為紫銅。仿真選用聲-固耦合模塊，其中，空氣域選用壓力聲學模塊，超結構選用固體力學模塊。按照便于計算的思路進行了網格劃分。

仿真過程中，對超結構薄膜和質量塊的楊氏模量、密度、泊松比以及尺寸參數(shù)進行一系列的調整，最終得到了與制動電阻裝置噪聲頻率共振時的吸聲系數(shù)圖，見圖2所示，得到的超結構各項參數(shù)，見表3所示。根據(jù)仿真結果從COMSOL軟件導出的數(shù)據(jù)顯示，頻率在580～595Hz以及900～925Hz時，吸聲系數(shù)均在0.9以上。制動電阻裝置測試值為595Hz、893Hz，該頻率處于仿真頻段內。此時超結構參數(shù)滿足制動電阻裝置共振吸聲降噪需求。

圖2所示中，A點為超材料在595Hz時的共振吸聲峰值。B點為超材料在890Hz時的共振吸聲峰值。

通過超結構單元仿真設計，結合出風口處圓形通道，并考慮風葉輪轂尺寸，最終設計了其二維圖，如圖3（a）所示，根據(jù)二維圖制造了出風口降噪超結構零件，如圖3（b）所示。所制造的超結構尺寸較小，其吸收的聲能較少。

3.2 微穿孔板設計

通過測試，噪聲最大值在點P2、P5和P7，對應位置為左側進風口、頂部出風口和右側進風口，對應頻率是1191Hz、893Hz、1189Hz。噪聲最大值頻段為：595？燮f？燮1191Hz，設定平均吸聲系數(shù)？琢=0.45，計算如下：

通過計算，得到了微穿孔板的參數(shù)，參照馬大猷院士關于微穿孔板吸聲結構理論設計，得到微穿孔板主要技術參數(shù)計算值如表4所示。

應用COMSOL軟件，將表4參數(shù)帶入模型中，設置的頻域參數(shù)為595～1191Hz，步進5Hz。對微穿孔板進行仿真設計，得到微穿孔板參數(shù)，參數(shù)見表5所示。吸聲系數(shù)見圖4中紅色曲線所示。當頻率為595Hz時，紅色曲線的吸聲系數(shù)為0.37。當頻率為1190Hz時，吸聲系數(shù)為0.48。吸聲系數(shù)峰值在頻率840～860Hz范圍內。驗證了與理論計算是一致的。

根據(jù)參數(shù)值，加工出了微穿孔板，并且結合制動電阻裝置風道形狀和降噪微穿孔板的可施工性設計了微穿孔板零件二維圖紙設計如圖5（a）所示。

3.3 多孔材料零件設計

蜜胺發(fā)泡材料具有無毒、阻燃等特性，根據(jù)制動電阻裝置風道特性，用蜜胺發(fā)泡材料設計了三種零件圖，如圖6（a）所示為上圍板降噪板，圖6（b）所示為側圍板降噪板，圖6（c）為單元降噪板。

4? 效果檢查驗證

設定工況，將超結構組件安裝于一個風道出風口頂部。再將微穿孔板安裝于另一個風道，緊貼風道側板。再將兩者拆除，將蜜胺泡沫板粘接于電阻單元上蓋板和風道側板。先接通超結構組件所在風道電機，測試噪聲參數(shù)，測試完畢后，接通微穿孔板所在風道電機，測試其噪聲參數(shù)。最后測試蜜胺板零件所在風道噪聲參數(shù)。試驗順序及對應工況名稱見表6。各工況下，降噪措施實施前后，噪聲最大值對比見表7所示。

5? 結論

從降噪后數(shù)據(jù)統(tǒng)計可以看出，超結構降噪措施實施后的降噪效果并不顯著，這是由于超結構的尺寸決定的，其吸聲面積相對于制動電阻裝置產生氣動噪聲的面積較小，故吸收能量有限。微穿孔板吸聲效果亦不顯著，也是由于吸聲面積相對于氣動噪聲面積較小，吸聲能力有限。蜜胺發(fā)泡板降噪是三種降噪措施中效果最顯著，也是機車降噪通用做法，分析其原因是由于蜜胺發(fā)泡板，能夠將氣動噪聲風道完全包圍，不僅吸聲面積大，而且具有一定封閉隔聲的作用。

參考文獻：

[1]李發(fā)海，王巖.電機與拖動基礎 [M].北京：清華大學業(yè)出版社，1993，07.

[2]續(xù)魁昌，王洪強，蓋京方.風機手冊 [M].北京：機械工業(yè)出版社，2010，10.

[3]全國聲學標準化技術委員會.GB/T 3767-1996，聲學聲壓法測定噪聲源聲功率級反射面上方近似自由場的工程法[S].北京：國家技術監(jiān)督局，1996.