周國忠

（濟南鐵路科技開發(fā)中心，山東濟南250001）

0 概述

為了保證機車安全正常的運行，試驗各部件組裝正確，運行可靠，發(fā)揮機車所要求的功率和匹配柴油機與牽引發(fā)電機的特性，內(nèi)燃機車經(jīng)過機務(wù)段中修、定修以后，均要對機車進行整車負荷試驗。內(nèi)燃機車在負荷試驗中，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，柴油機排煙噪聲；第二，機車冷卻系統(tǒng)噪聲；第三，機車機體及其輔助系統(tǒng)噪聲；第四、機車輪軌與檢測輪軌摩擦噪聲。低噪聲整車試驗庫應(yīng)解決兩大問題：一是，滿足機車試驗的溫度及氣流條件，不因設(shè)置試驗庫而造成庫內(nèi)溫升影響機車正常工作；二是，滿足降低噪聲要求。

1 整車試驗庫噪聲治理

1.1 整車試驗庫現(xiàn)狀

原水阻試驗棚位于北京機務(wù)段西南部，機車試驗產(chǎn)生的噪聲會長時間干擾周圍地區(qū)的環(huán)境，以及對機務(wù)段的工作人員形成比較嚴重的噪聲污染。 隨著人民對環(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，該段對于治理整車試驗噪聲的要求相當(dāng)迫切。 現(xiàn)計劃在原址建設(shè)一座整車試驗庫。

治理噪聲就必須對試驗進行敏感點噪聲測量。我們對一臺正在原試驗棚進行試驗的DF8 型機車進行試驗源點聲級及頻譜測量， 測量數(shù)如下：

測點名稱位置等效聲級dB(A) 本底噪聲dB(A)機車車體高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機車排煙口62機車冷卻風(fēng) 62東風(fēng)DF8B 型機車滿負荷工作狀態(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度。

（2）截斷噪聲源阻斷傳播。在聲源體上加裝隔聲罩，利用屏障、操作間墻壁以及封閉的隔聲間，或在進氣、排氣口處安裝消聲器等措施阻斷噪聲傳播。

（3）個人防護?？梢酝ㄟ^縮短工作時間、帶耳塞、帽、盔等措施加強個人防護。

整車試驗的噪聲是由內(nèi)燃機工作時發(fā)出的空氣動力性噪聲、機械噪聲、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)廠家的資料及對既有運用相同車型的整車試驗噪聲測量，整車試驗噪聲具有寬頻譜、持續(xù)時間長等特性，治理難度較大，并且作為聲源的機車本體已無法采取任何降噪措施。對工作人員的個人防護，由于在作業(yè)中，工作人員還需要從機車發(fā)出的聲音中判斷機車的狀況，因此，對操作人員的危害是無法避免。 所以，對于試驗臺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庫、加裝特制機車試驗消聲器。

2 庫型選擇

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

半封閉式庫房優(yōu)點是完全采用自然進排風(fēng)，投資少，運行成本低。缺點是隔聲效果小于全封閉結(jié)構(gòu)，庫房進庫線方向噪聲無法降低。 如果采用半封閉式庫房，進風(fēng)口為達到降噪35dB(A)，消聲器設(shè)計長度為3.5～4.0 米，單件重1.5 噸左右，需單獨基礎(chǔ)。根據(jù)機務(wù)段現(xiàn)場情況庫房兩側(cè)均為線路， 尤其北側(cè)為機車牽出線距離新建庫房最近點約5 米，如果安裝消聲器會侵入線路限界。進庫線方向為整備車間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庫。

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

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

3.1 整車庫通風(fēng)、散熱量計算（以DF8B 型機車為例）

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

Q＝ge*Ne*Hu*103＝34477869KJ/h

式中：ge——柴油機燃油消耗率g/kW.h

Ne——柴油機功率kW

Hu——燃油低熱值J/kg

其中有效功熱量Qe＝Q*39.7%＝13667714kJ/h

柴油機排煙熱量Qy＝Q*31.5%＝10860528kJ/h

柴油機冷卻水熱量 Qw＝Q*7.9%＝2723752kJ/h

中冷器熱量Qc＝Q*8.6%＝2965097kJ/h

機油熱量Qo＝Q*6.3%＝2172106kJ/h

機體輻射熱量Qt＝Q*6.0%＝2068672kJ/h

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

柴油機滿功率燃燒所需風(fēng)量VNe＝21760m3/h

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

柴油機機體散熱所需風(fēng)量Vb＝275226m3/h

主發(fā)電機、主整流柜散熱所需風(fēng)量Vg＝21112m3/h

庫內(nèi)用風(fēng)量總計為564068m3/h。

3.2 全封閉式防噪聲庫房設(shè)計方案

為了能夠使機車試驗噪聲能夠達標,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，庫內(nèi)將形成混響噪聲，其混響噪聲級增加量計算如下：

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，其極限值也達不到20dB(A)，綜合考慮工程實際需要降噪量的要求及工程造價,選擇吸聲系數(shù)為0.70。 按公式計算降噪量為：

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)。 要達到降噪目標值，考慮到衰減量，要求墻體的隔聲量在35dB(A)～45dB(A)。設(shè)計選用可根據(jù)實際情況選用。 墻體的隔聲量取50 dB(A)。 根據(jù)下列公式計算出庫墻體結(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，按上式計算其隔聲量為47.3dB(A)。 由于水阻庫的圍護結(jié)構(gòu)是非單一介質(zhì)的隔聲組件，因此在設(shè)計中應(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)。隔聲大門非標設(shè)計制作，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)計思路：

庫體由四周墻體和庫頂組成，庫房開設(shè)機車進出庫大門。 因封閉庫庫內(nèi)噪音會在室內(nèi)混響疊加，所以庫墻壁及庫頂做吸聲處理。 試驗機車用風(fēng)及庫內(nèi)散熱用風(fēng)，均由庫房兩側(cè)風(fēng)機供給。 機車柴油機排煙通過兩臺消聲器排出庫外。機車冷卻室風(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)置一個熱風(fēng)通道消聲器。

4 總體布置

為了能夠使機車試驗噪聲能夠達標， 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。 機車柴油機排煙是通過兩臺排煙消聲器排出庫外。 機車冷卻室風(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。 北京機務(wù)段整車試驗庫庫房尺寸為369000mm×20400mm×75800mm，內(nèi)部容積滿足隔聲罩相對于聲源體積比的要求。 庫房下部設(shè)置10 組風(fēng)機強制進風(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

5.1 機車排煙消聲器

機車柴油機排煙噪聲可達120dB(A)，屬寬頻帶噪聲，排煙溫度達到460℃左右。 為滿足降噪要求，柴油機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)計了長短兩個抗性段，在每個抗性段內(nèi)又設(shè)置了兩個不同長度的插入管，這兩個插入管的通過頻率互為對方的消聲頻率，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 機車整車試驗防噪聲庫示意圖

圖2 排煙消聲器結(jié)構(gòu)簡圖

為了使排煙消聲器的進口端能與各型試驗機車的排煙煙囪口相適應(yīng)，在消聲器的下端設(shè)計了可升降的適配器。 適配器的上端口與消聲器氣流入口相匹配，下端口成一定的擴張形式，能與各型東風(fēng)型機車煙囪口配合。 在消聲器的出口端上方設(shè)計有防雨罩。 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

機車冷卻室的冷卻單節(jié)和冷卻風(fēng)扇是散掉機車高、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)計研制排熱風(fēng)通道消聲器，此通道消聲器下口與機車冷卻室對應(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型機車冷卻室頂百葉窗尺寸。 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

機車冷卻風(fēng)扇排風(fēng)溫度最高為75℃,風(fēng)速35m/s，排風(fēng)量38m3/s，機車冷卻風(fēng)扇排風(fēng)量是38×3600×(75+273)÷(25+273)=159753(m3/h)。為減少排出熱風(fēng)對水阻試驗的影響，正對機車冷卻風(fēng)扇的位置設(shè)置排熱風(fēng)通道直接導(dǎo)引排出。

機車柴油機排煙量是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)口消聲器是非標設(shè)計制作， 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)計成集內(nèi)燃機車檢修、試驗、電力機車檢修試驗為一體的多用途庫，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)計排煙和熱風(fēng)消聲器為可伸縮設(shè)備，作為機車排煙適配器，可最大限度將機車試驗排出的煙氣導(dǎo)入消聲器中排除庫房。 機車試驗時降落，不做試驗時，提升到頂部，方便吊車作業(yè)。提升裝置配裝4 臺齒輪卷揚機，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 對每臺減速機進行控制，避免電機不同步長期運行而引起升降裝置走偏， 同時設(shè)置行程超限熱繼脫扣報警。（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)計如下：

7 環(huán)境、社會效益及費用分析

7.1 運行費用

整車庫降噪設(shè)備的運行費用主要是通風(fēng)機產(chǎn)生的，升降裝置的三臺齒輪減速機功率很?。?.37kW），運行時間每次只需要15 秒鐘左右，因此可以忽略不計，以單臺試驗為例：

通常狀況下：

機車試驗通常情況下只要運行兩臺風(fēng)機就能滿足要求。每臺風(fēng)機功率為5.5kW·h，每臺機車試驗按最長8 小時計算，生產(chǎn)用電為1.2 元/kW·h，則單臺試驗運行費用為：

5.5×8×2×1.2＝66（元）

夏季最不利條件下：

機車試驗在夏季最不利條件下， 需要10 臺風(fēng)機全部運轉(zhuǎn)才能滿足要求，則單臺試驗運行費用為：

5.5×8×10×1.2＝528（元）

7.2 治理效果

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

測點號位置及機車把位實測值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距整車試驗庫30m8 把位 60.8距整車試驗庫30m12 把位 65.2距整車試驗庫30m16 把位 67.3南廠界外1m 距整車試驗庫39m8 把位61.9 A)測點示意圖1 234南廠界外1m 距整車試驗庫39m12 把位62.4南廠界外1m 距整車試驗庫39m16 把位63.6images/BZ_290_1820_722_2235_1323.png5距整車試驗庫30m8 把位 59.7距整車試驗庫30m12 把位 61.2距整車試驗庫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：在北京機務(wù)段距離機車試驗最近的廠界監(jiān)測機車試驗的噪聲， 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)廠界噪聲標準》Ⅳ類標準（白天70dB(A)）要求，說明方案的設(shè)計是成功的。機車在戶外自由狀態(tài)下試驗時產(chǎn)生的噪聲超過了100dB（A）（在機車外1 米處測），機車在庫房內(nèi)試驗對周邊環(huán)境噪聲的貢獻可以降低35dB（A），有效解決了噪聲擾民問題，同時也為城市環(huán)境治理出了一把力。 全封閉試驗庫的設(shè)計是一門綜合性的系統(tǒng)工程， 雖然在運用上已取得了很大進展，仍有待于進一步的研究探討。

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