鐵路吸砟車噪聲控制研究與應用

孫榮民

摘 要：通過對風機出口噪聲源倍頻程聲壓級檢測，設計、計算降噪消聲器，并利用Fluent軟件對設計方案進行數值模擬、優化和改進。最終，經樣機驗證，設計的風機出口消聲器具有良好的降噪效果，滿足項目所在地的香港環保署規定的噪聲要求。

關鍵詞：鐵路；吸砟車；噪聲控制；FLUENT；數值模擬

中圖分類號：U238 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：2096-6903（2023）01-0042-03

0 引言

鐵路吸砟車是用于收集鐵路道床道砟的養路機械設備，該設備主要由車架、動力間、風機消聲器、除塵器、機械臂等部件組成，能對狹窄、復雜的道岔群、翻漿冒泥路段、排水溝等區域進行無損、無塵抽吸、挖掘以及物料搬運。該設備的作業效率及效果滿足用戶需求，但作業運行時噪聲較大，無法達到香港環保署的噪聲要求。為滿足用戶需求，需對鐵路吸砟車進行噪聲控制。

根據項目所在地的香港環保署規定：“在列車滿功率運行條件下，距離軌道線路中心線7.5 m的位置，噪聲不能超過80dB（A）” [1]。鐵路吸砟車噪聲源主要有3項：一是內燃機工作時噪聲，二是物料運輸時噪聲，三是風機運行時噪聲。

內燃機的噪聲來自于柴油機，目前在生產的設備主要采取將柴油機置于機艙內，機艙內壁填充吸音棉，以減小柴油機運行時的噪聲外溢。物料運輸帶表面采用柔性襯板，能最大程度減小運輸過程中物料摩擦產生的噪聲，同時在輸送帶上部增加蓋板防止噪聲外溢，且防止揚塵。風機采用高速離心風機，風機本體置于發動機機艙內，露出風機出口，風機運行時出口噪聲較大。設備運行時內燃機噪聲、物料運輸噪聲和風機本體噪聲控制方案基本滿足香港環保署噪聲要求，因此在滿足機車限界、軸重等要求的情況下，設計出降噪效果佳的風機出口消聲器，成為該設備需攻克的難題。

1 噪聲檢測

風機采用高壓離心風機，將負壓抽吸作為真空負壓抽吸的動力源，其為馬達功率為600 kW，柴油機轉速1 800 r/min，抽氣體積55 000 m3/h，入口壓力0.05933 MPa，出口壓力0.1 MPa。

在未裝出口消聲器的情況下，利用Pulse3560C噪聲分析儀，對風機出口噪聲源進行倍頻程聲壓級檢測。測點取在風機出口軸線45°方向上，距離風機出口7.5 m，測量值見表1。根據GB/T3768-2017標準進行檢測，設備置于空曠場所，傳聲器固定在三腳架上，高度1.5 m。傳聲器沿著設備四周布置，距軌道線路中心線7.5 m位置，之間間隔4 m。一共布置24個測量點，主要檢測設備安裝風機出口消聲器前后的噪聲值，整機噪聲測試點如圖1所示。

通過噪聲檢測可知，在未裝出口消聲器的情況下，風機出口噪聲的頻譜主要集中在1 000～8 000 Hz，屬于中高頻。鑒于此在消聲器設計時需主要考慮對中高頻的消聲[2]。

2 風機出口消聲器設計

2.1 風機出口消聲器降噪計算

采用噪聲評價數曲線（NR）對風機出口進行噪聲評價[3]。將風機出口噪聲倍頻程聲壓級與目標 NR曲線對比，計算噪聲源各中心頻率減噪量，見表2。

根據噪聲源各中心頻率減噪量選擇合適材料，制作風機出口消聲器。根據表2初步判定，主要消聲頻率為1 000～8 000 Hz，降噪值約為26dB（A），按照空間位置及風機阻力，設計消聲器。

2.2 風機出口消聲器結構設計

按照機車車輛限界規范，利用現有設備有限空間，在不超限界、不超重情況下，設計風機出口消聲器。風機為氣力輸送的動力源，要求風機出口消聲器應在滿足降低噪聲的前提下，其阻力越小越好。這樣風機的出口背壓相對較小，可以有效保證氣力輸送效率[4]。

初步設計的消聲器結構如圖2所示。消聲器通過圓形法蘭與風機出口連接，風機排出的氣流進入主消聲器。主消聲器內部設置片式消聲器，副消聲器通過方形法蘭與主消聲器連接，將氣流導向車體長度方向，防止吹到設備頂部的接觸網，保證設備安全。副消聲器內部同樣設置片式消聲器，用于保證噪聲進一步降低，且可讓排風口氣流更均勻，排氣風速降低。

風機出口消聲器消聲量計算按照公式（1）。

（1）

式中： ? ? ? ?為與材料吸聲系數有關的消聲系數；L為消聲器的有效長度，取值為2 m；P為消聲器通道橫斷面周長，單位是m；S為消聲器通道有效橫斷面面積，單位是m2；a為消聲器小通道的寬度，也稱片間距，取值為0.5 m；b為消聲器小通道的高度，也稱片間距，取值為0.15 ?m。

根據吸聲材料的吸聲特性（取值0.75），帶入公式計算得到消聲量為26dB（A）。

2.3 風機出口消聲器設計與改進

為了分析風機出口消聲器的效果，利用Fluent軟件對方案三維模型進行初步的模擬分析，以進行判斷[5]。消聲器三維模型數值模擬情況如圖3所示。

從圖3（a）可知，氣流從風機出口進入主消聲器的大空腔后未擴散減速，直接進入片式消聲器的中間兩格，沖擊隔板后通過連接通道進入副消聲器。副消聲器內氣流相對均勻，通過副消聲器中的片式消聲器后由出口排出，尾部最大風速約50 m/s，風速較高。氣流在主消聲器內不均勻，在片式消聲器前后出現多處氣旋，氣流紊亂，局部還存在氣流速度上升的情況，由此說明消聲器內部設計不太合理，影響風機的流量和壓力，因此，需要改進以得到消聲效果和空氣動力學性能都較好的消聲器。

針對圖3（a）中，氣流進入主消聲器未減速分流的情況，在主消聲器入口和片式消聲器之間設置一個孔板，讓氣流經過孔板后擴散，均勻通過后面片式消聲器，達到最大化降噪效果，數值模擬后的情況如圖3（b）所示。

從圖3（b）中可以看出，氣流經過孔板擴散后存在局部紊流，后均勻通過7片片式消聲器，同時氣流速度降低，降噪效果得到改善。進入副消聲器后氣流也更加均勻，出口最大風速降低至約34 m/s。但主消聲器與副消聲器連接部位存在加速不均勻情況，初步估計原因為氣流通過過渡直角時存在回流，導致氣流不均勻。

針對直角氣流回旋情況，將直角轉彎改為圓弧過渡，改善過渡段氣流不均勻的情況，經過數值模擬的情況如圖3（c）所示。經過優化改進后主、副消聲器過渡位置的氣流更均勻，同時消聲器出口的氣流速度也進一步降低，最大風度僅為25 m/s，消聲器阻力也進一步降低，總體達到了良好的消聲效果和空氣動力學性能。

3 噪聲技術實施與效果驗證

按照優化改進后的設計方案，制作風機出口消聲器，其外部框架由鋼板和管材焊接而成，內部布置片式消聲器。其中消聲器內壁及片式消聲器內壁分別填充80 mm超細玻璃棉板作為吸音材料，填充密度為32 kg/m3，用聚酯纖維防護紗網覆蓋，并用多孔鋁板固定，防止玻璃棉被氣流吹走，保證消聲器內壁達到良好的吸音效果。鐵路吸砟車樣車組裝調試完成后，在空曠區域按照標準進行設備四周噪聲強度檢測。

通過檢測可知，鐵路吸砟車風機出口消聲器安裝前四周A計權平均聲壓級值為106～107.9 dB（A），安裝消聲器后A計權平均聲壓級值降低為79.2～80.2 dB（A），降噪效果明顯，達到香港環保署噪聲要求。經過設計、安裝和現場試用，證明其滿足香港鐵路公司對設備噪聲要求，達到上線作業條件。目前該設備已投入使用，作業效率滿足要求，運行狀態良好，極大的降低作業人員數量以及勞動強度，保證了施工人員身心健康。

4 結語

大型養路機械設備設計時，應重點對設備施工作業過程中的噪聲進行控制，增強環保措施，保證設備施工人員身心健康。

對鐵路吸砟車風機出口噪聲倍頻程測試、計算分析可知，噪聲頻率以中高頻為主，采用阻性片式消聲器，能有效降低噪聲，且降噪值與吸音面積和消聲器長度成正比。

設計風機出口消聲器，利用FLUENT軟件對消聲器方案進行數值模擬、優化和改進，經樣機驗證，風機出口消聲器具有良好的降噪效果，滿足香港環保署規定的噪聲要求。

參考文獻

[1] 賀廿生.從香港西部鐵路看城市軌道的發展[J].鐵道建筑， 2000（2）：16-18.

[2] 郭滿霞.石化裝置羅茨風機噪聲治理研究[J].安全、健康和環境，2020，20（9）：40-43.

[3] 楊貴恒，楊雪.噪聲與振動控制技術及其應用[M].北京：化學工業出版社，2019.

[4] 馬大猷.噪聲與振動控制手冊[M].北京：機械工業出版社，2022.

[5] 段中喆.ANSYS FLUENT流體分析與工程實例[M].北京：電子工業出版社，2015.