孫榮民

摘 要：通過(guò)對(duì)風(fēng)機(jī)出口噪聲源倍頻程聲壓級(jí)檢測(cè)，設(shè)計(jì)、計(jì)算降噪消聲器，并利用Fluent軟件對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行數(shù)值模擬、優(yōu)化和改進(jìn)。最終，經(jīng)樣機(jī)驗(yàn)證，設(shè)計(jì)的風(fēng)機(jī)出口消聲器具有良好的降噪效果，滿足項(xiàng)目所在地的香港環(huán)保署規(guī)定的噪聲要求。

關(guān)鍵詞：鐵路；吸砟車；噪聲控制；FLUENT；數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：U238 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：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(yǎng)路機(jī)械設(shè)備，該設(shè)備主要由車架、動(dòng)力間、風(fēng)機(jī)消聲器、除塵器、機(jī)械臂等部件組成，能對(duì)狹窄、復(fù)雜的道岔群、翻漿冒泥路段、排水溝等區(qū)域進(jìn)行無(wú)損、無(wú)塵抽吸、挖掘以及物料搬運(yùn)。該設(shè)備的作業(yè)效率及效果滿足用戶需求，但作業(yè)運(yùn)行時(shí)噪聲較大，無(wú)法達(dá)到香港環(huán)保署的噪聲要求。為滿足用戶需求，需對(duì)鐵路吸砟車進(jìn)行噪聲控制。

根據(jù)項(xiàng)目所在地的香港環(huán)保署規(guī)定：“在列車滿功率運(yùn)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(guò)80dB（A）” [1]。鐵路吸砟車噪聲源主要有3項(xiàng)：一是內(nèi)燃機(jī)工作時(shí)噪聲，二是物料運(yùn)輸時(shí)噪聲，三是風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)噪聲。

內(nèi)燃機(jī)的噪聲來(lái)自于柴油機(jī)，目前在生產(chǎn)的設(shè)備主要采取將柴油機(jī)置于機(jī)艙內(nèi)，機(jī)艙內(nèi)壁填充吸音棉，以減小柴油機(jī)運(yùn)行時(shí)的噪聲外溢。物料運(yùn)輸帶表面采用柔性襯板，能最大程度減小運(yùn)輸過(guò)程中物料摩擦產(chǎn)生的噪聲，同時(shí)在輸送帶上部增加蓋板防止噪聲外溢，且防止揚(yáng)塵。風(fēng)機(jī)采用高速離心風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)本體置于發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙內(nèi)，露出風(fēng)機(jī)出口，風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)出口噪聲較大。設(shè)備運(yùn)行時(shí)內(nèi)燃機(jī)噪聲、物料運(yùn)輸噪聲和風(fēng)機(jī)本體噪聲控制方案基本滿足香港環(huán)保署噪聲要求，因此在滿足機(jī)車限界、軸重等要求的情況下，設(shè)計(jì)出降噪效果佳的風(fēng)機(jī)出口消聲器，成為該設(shè)備需攻克的難題。

1 噪聲檢測(cè)

風(fēng)機(jī)采用高壓離心風(fēng)機(jī)，將負(fù)壓抽吸作為真空負(fù)壓抽吸的動(dòng)力源，其為馬達(dá)功率為600 kW，柴油機(jī)轉(zhuǎn)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(duì)風(fēng)機(jī)出口噪聲源進(jìn)行倍頻程聲壓級(jí)檢測(cè)。測(cè)點(diǎn)取在風(fēng)機(jī)出口軸線45°方向上，距離風(fēng)機(jī)出口7.5 m，測(cè)量值見(jiàn)表1。根據(jù)GB/T3768-2017標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測(cè)，設(shè)備置于空曠場(chǎng)所，傳聲器固定在三腳架上，高度1.5 m。傳聲器沿著設(shè)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(gè)測(cè)量點(diǎn)，主要檢測(cè)設(shè)備安裝風(fēng)機(jī)出口消聲器前后的噪聲值，整機(jī)噪聲測(cè)試點(diǎn)如圖1所示。

通過(guò)噪聲檢測(cè)可知，在未裝出口消聲器的情況下，風(fēng)機(jī)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(shè)計(jì)時(shí)需主要考慮對(duì)中高頻的消聲[2]。

2 風(fēng)機(jī)出口消聲器設(shè)計(jì)

2.1 風(fēng)機(jī)出口消聲器降噪計(jì)算

采用噪聲評(píng)價(jià)數(shù)曲線（NR）對(duì)風(fēng)機(jī)出口進(jìn)行噪聲評(píng)價(jià)[3]。將風(fēng)機(jī)出口噪聲倍頻程聲壓級(jí)與目標(biāo) NR曲線對(duì)比，計(jì)算噪聲源各中心頻率減噪量，見(jiàn)表2。

根據(jù)噪聲源各中心頻率減噪量選擇合適材料，制作風(fēng)機(jī)出口消聲器。根據(jù)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(fēng)機(jī)阻力，設(shè)計(jì)消聲器。

2.2 風(fēng)機(jī)出口消聲器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

按照機(jī)車車輛限界規(guī)范，利用現(xiàn)有設(shè)備有限空間，在不超限界、不超重情況下，設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)出口消聲器。風(fēng)機(jī)為氣力輸送的動(dòng)力源，要求風(fēng)機(jī)出口消聲器應(yīng)在滿足降低噪聲的前提下，其阻力越小越好。這樣風(fēng)機(jī)的出口背壓相對(duì)較小，可以有效保證氣力輸送效率[4]。

初步設(shè)計(jì)的消聲器結(jié)構(gòu)如圖2所示。消聲器通過(guò)圓形法蘭與風(fēng)機(jī)出口連接，風(fēng)機(jī)排出的氣流進(jìn)入主消聲器。主消聲器內(nèi)部設(shè)置片式消聲器，副消聲器通過(guò)方形法蘭與主消聲器連接，將氣流導(dǎo)向車體長(zhǎng)度方向，防止吹到設(shè)備頂部的接觸網(wǎng)，保證設(shè)備安全。副消聲器內(nèi)部同樣設(shè)置片式消聲器，用于保證噪聲進(jìn)一步降低，且可讓排風(fēng)口氣流更均勻，排氣風(fēng)速降低。

風(fēng)機(jī)出口消聲器消聲量計(jì)算按照公式（1）。

（1）

式中： ? ? ? ?為與材料吸聲系數(shù)有關(guān)的消聲系數(shù)；L為消聲器的有效長(zhǎng)度，取值為2 m；P為消聲器通道橫斷面周長(zhǎng)，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(jù)吸聲材料的吸聲特性（取值0.75），帶入公式計(jì)算得到消聲量為26dB（A）。

2.3 風(fēng)機(jī)出口消聲器設(shè)計(jì)與改進(jìn)

為了分析風(fēng)機(jī)出口消聲器的效果，利用Fluent軟件對(duì)方案三維模型進(jìn)行初步的模擬分析，以進(jìn)行判斷[5]。消聲器三維模型數(shù)值模擬情況如圖3所示。

從圖3（a）可知，氣流從風(fēng)機(jī)出口進(jìn)入主消聲器的大空腔后未擴(kuò)散減速，直接進(jìn)入片式消聲器的中間兩格，沖擊隔板后通過(guò)連接通道進(jìn)入副消聲器。副消聲器內(nèi)氣流相對(duì)均勻，通過(guò)副消聲器中的片式消聲器后由出口排出，尾部最大風(fēng)速約50 m/s，風(fēng)速較高。氣流在主消聲器內(nèi)不均勻，在片式消聲器前后出現(xiàn)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(shuō)明消聲器內(nèi)部設(shè)計(jì)不太合理，影響風(fēng)機(jī)的流量和壓力，因此，需要改進(jìn)以得到消聲效果和空氣動(dòng)力學(xué)性能都較好的消聲器。

針對(duì)圖3（a）中，氣流進(jìn)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(shè)置一個(gè)孔板，讓氣流經(jīng)過(guò)孔板后擴(kuò)散，均勻通過(guò)后面片式消聲器，達(dá)到最大化降噪效果，數(shù)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(jīng)過(guò)孔板擴(kuò)散后存在局部紊流，后均勻通過(guò)7片片式消聲器，同時(shí)氣流速度降低，降噪效果得到改善。進(jìn)入副消聲器后氣流也更加均勻，出口最大風(fēng)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(jì)原因?yàn)闅饬魍ㄟ^(guò)過(guò)渡直角時(shí)存在回流，導(dǎo)致氣流不均勻。

針對(duì)直角氣流回旋情況，將直角轉(zhuǎn)彎改為圓弧過(guò)渡，改善過(guò)渡段氣流不均勻的情況，經(jīng)過(guò)數(shù)值模擬的情況如圖3（c）所示。經(jīng)過(guò)優(yōu)化改進(jìn)后主、副消聲器過(guò)渡位置的氣流更均勻，同時(shí)消聲器出口的氣流速度也進(jìn)一步降低，最大風(fēng)度僅為25 m/s，消聲器阻力也進(jìn)一步降低，總體達(dá)到了良好的消聲效果和空氣動(dòng)力學(xué)性能。

3 噪聲技術(shù)實(shí)施與效果驗(yàn)證

按照優(yōu)化改進(jìn)后的設(shè)計(jì)方案，制作風(fēng)機(jī)出口消聲器，其外部框架由鋼板和管材焊接而成，內(nèi)部布置片式消聲器。其中消聲器內(nèi)壁及片式消聲器內(nèi)壁分別填充80 mm超細(xì)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(hù)紗網(wǎng)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(nèi)壁達(dá)到良好的吸音效果。鐵路吸砟車樣車組裝調(diào)試完成后，在空曠區(qū)域按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)備四周噪聲強(qiáng)度檢測(cè)。

通過(guò)檢測(cè)可知，鐵路吸砟車風(fēng)機(jī)出口消聲器安裝前四周A計(jì)權(quán)平均聲壓級(jí)值為106～107.9 dB（A），安裝消聲器后A計(jì)權(quán)平均聲壓級(jí)值降低為79.2～80.2 dB（A），降噪效果明顯，達(dá)到香港環(huán)保署噪聲要求。經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)、安裝和現(xiàn)場(chǎng)試用，證明其滿足香港鐵路公司對(duì)設(shè)備噪聲要求，達(dá)到上線作業(yè)條件。目前該設(shè)備已投入使用，作業(yè)效率滿足要求，運(yùn)行狀態(tài)良好，極大的降低作業(yè)人員數(shù)量以及勞動(dòng)強(qiáng)度，保證了施工人員身心健康。

4 結(jié)語(yǔ)

大型養(yǎng)路機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)對(duì)設(shè)備施工作業(yè)過(guò)程中的噪聲進(jìn)行控制，增強(qiáng)環(huán)保措施，保證設(shè)備施工人員身心健康。

對(duì)鐵路吸砟車風(fēng)機(jī)出口噪聲倍頻程測(cè)試、計(jì)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(zhǎng)度成正比。

設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)出口消聲器，利用FLUENT軟件對(duì)消聲器方案進(jìn)行數(shù)值模擬、優(yōu)化和改進(jìn)，經(jīng)樣機(jī)驗(yàn)證，風(fēng)機(jī)出口消聲器具有良好的降噪效果，滿足香港環(huán)保署規(guī)定的噪聲要求。

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