铁路吸砟车噪声控制研究与应用

孙荣民

摘 要：通过对风机出口噪声源倍频程声压级检测，设计、计算降噪消声器，并利用Fluent软件对设计方案进行数值模拟、优化和改进。最终，经样机验证，设计的风机出口消声器具有良好的降噪效果，满足项目所在地的香港环保署规定的噪声要求。

关键词：铁路；吸砟车；噪声控制；FLUENT；数值模拟

中图分类号：U238                                 文献标识码：A                                  文章编号：2096-6903（2023）01-0042-03

0 引言

铁路吸砟车是用于收集铁路道床道砟的养路机械设备，该设备主要由车架、动力间、风机消声器、除尘器、机械臂等部件组成，能对狭窄、复杂的道岔群、翻浆冒泥路段、排水沟等区域进行无损、无尘抽吸、挖掘以及物料搬运。该设备的作业效率及效果满足用户需求，但作业运行时噪声较大，无法达到香港环保署的噪声要求。为满足用户需求，需对铁路吸砟车进行噪声控制。

根据项目所在地的香港环保署规定：“在列车满功率运行条件下，距离轨道线路中心线7.5 m的位置，噪声不能超过80dB（A）” [1]。铁路吸砟车噪声源主要有3项：一是内燃机工作时噪声，二是物料运输时噪声，三是风机运行时噪声。

内燃机的噪声来自于柴油机，目前在生产的设备主要采取将柴油机置于机舱内，机舱内壁填充吸音棉，以减小柴油机运行时的噪声外溢。物料运输带表面采用柔性衬板，能最大程度减小运输过程中物料摩擦产生的噪声，同时在输送带上部增加盖板防止噪声外溢，且防止扬尘。风机采用高速离心风机，风机本体置于发动机机舱内，露出风机出口，风机运行时出口噪声较大。设备运行时内燃机噪声、物料运输噪声和风机本体噪声控制方案基本满足香港环保署噪声要求，因此在满足机车限界、轴重等要求的情况下，设计出降噪效果佳的风机出口消声器，成为该设备需攻克的难题。

1 噪声检测

风机采用高压离心风机，将负压抽吸作为真空负压抽吸的动力源，其为马达功率为600 kW，柴油机转速1 800 r/min，抽气体积55 000 m3/h，入口压力0.05933 MPa，出口压力0.1 MPa。

在未装出口消声器的情况下，利用Pulse3560C噪声分析仪，对风机出口噪声源进行倍频程声压级检测。测点取在风机出口轴线45°方向上，距离风机出口7.5 m，测量值见表1。根据GB/T3768-2017标准进行检测，设备置于空旷场所，传声器固定在三脚架上，高度1.5 m。传声器沿着设备四周布置，距轨道线路中心线7.5 m位置，之间间隔4 m。一共布置24个测量点，主要检测设备安装风机出口消声器前后的噪声值，整机噪声测试点如图1所示。

通过噪声检测可知，在未装出口消声器的情况下，风机出口噪声的频谱主要集中在1 000～8 000 Hz，属于中高频。鉴于此在消声器设计时需主要考虑对中高频的消声[2]。

2 风机出口消声器设计

2.1 风机出口消声器降噪计算

采用噪声评价数曲线（NR）对风机出口进行噪声评价[3]。将风机出口噪声倍频程声压级与目标 NR曲线对比，计算噪声源各中心频率减噪量，见表2。

根据噪声源各中心频率减噪量选择合适材料，制作风机出口消声器。根据表2初步判定，主要消声频率为1 000～8 000 Hz，降噪值约为26dB（A），按照空间位置及风机阻力，设计消声器。

2.2 风机出口消声器结构设计

按照机车车辆限界规范，利用现有设备有限空间，在不超限界、不超重情况下，设计风机出口消声器。风机为气力输送的动力源，要求风机出口消声器应在满足降低噪声的前提下，其阻力越小越好。这样风机的出口背压相对较小，可以有效保证气力输送效率[4]。

初步设计的消声器结构如图2所示。消声器通过圆形法兰与风机出口连接，风机排出的气流进入主消声器。主消声器内部设置片式消声器，副消声器通过方形法兰与主消声器连接，将气流导向车体长度方向，防止吹到设备顶部的接触网，保证设备安全。副消声器内部同样设置片式消声器，用于保证噪声进一步降低，且可让排风口气流更均匀，排气风速降低。

風机出口消声器消声量计算按照公式（1）。

（1）

式中：        为与材料吸声系数有关的消声系数；L为消声器的有效长度，取值为2 m；P为消声器通道横断面周长，单位是m；S为消声器通道有效横断面面积，单位是m2；a为消声器小通道的宽度，也称片间距，取值为0.5 m；b为消声器小通道的高度，也称片间距，取值为0.15  m。

根据吸声材料的吸声特性（取值0.75），带入公式计算得到消声量为26dB（A）。

2.3 风机出口消声器设计与改进

为了分析风机出口消声器的效果，利用Fluent软件对方案三维模型进行初步的模拟分析，以进行判断[5]。消声器三维模型数值模拟情况如图3所示。

从图3（a）可知，气流从风机出口进入主消声器的大空腔后未扩散减速，直接进入片式消声器的中间两格，冲击隔板后通过连接通道进入副消声器。副消声器内气流相对均匀，通过副消声器中的片式消声器后由出口排出，尾部最大风速约50 m/s，风速较高。气流在主消声器内不均匀，在片式消声器前后出现多处气旋，气流紊乱，局部还存在气流速度上升的情况，由此说明消声器内部设计不太合理，影响风机的流量和压力，因此，需要改进以得到消声效果和空气动力学性能都较好的消声器。

针对图3（a）中，气流进入主消声器未减速分流的情况，在主消声器入口和片式消声器之间设置一个孔板，让气流经过孔板后扩散，均匀通过后面片式消声器，达到最大化降噪效果，数值模拟后的情况如图3（b）所示。

从图3（b）中可以看出，气流经过孔板扩散后存在局部紊流，后均匀通过7片片式消声器，同时气流速度降低，降噪效果得到改善。进入副消声器后气流也更加均匀，出口最大风速降低至约34 m/s。但主消声器与副消声器连接部位存在加速不均匀情况，初步估计原因为气流通过过渡直角时存在回流，导致气流不均匀。

针对直角气流回旋情况，将直角转弯改为圆弧过渡，改善过渡段气流不均匀的情况，经过数值模拟的情况如图3（c）所示。经过优化改进后主、副消声器过渡位置的气流更均匀，同时消声器出口的气流速度也进一步降低，最大风度仅为25 m/s，消声器阻力也进一步降低，总体达到了良好的消声效果和空气动力学性能。

3 噪声技术实施与效果验证

按照优化改进后的设计方案，制作风机出口消声器，其外部框架由钢板和管材焊接而成，内部布置片式消声器。其中消声器内壁及片式消声器内壁分别填充80 mm超细玻璃棉板作为吸音材料，填充密度为32 kg/m3，用聚酯纤维防护纱网覆盖，并用多孔铝板固定，防止玻璃棉被气流吹走，保证消声器内壁达到良好的吸音效果。铁路吸砟车样车组装调试完成后，在空旷区域按照标准进行设备四周噪声强度检测。

通过检测可知，铁路吸砟车风机出口消声器安装前四周A计权平均声压级值为106～107.9 dB（A），安装消声器后A计权平均声压级值降低为79.2～80.2 dB（A），降噪效果明显，达到香港环保署噪声要求。经过设计、安装和现场试用，证明其满足香港铁路公司对设备噪声要求，达到上线作业条件。目前该设备已投入使用，作業效率满足要求，运行状态良好，极大的降低作业人员数量以及劳动强度，保证了施工人员身心健康。

4 结语

大型养路机械设备设计时，应重点对设备施工作业过程中的噪声进行控制，增强环保措施，保证设备施工人员身心健康。

对铁路吸砟车风机出口噪声倍频程测试、计算分析可知，噪声频率以中高频为主，采用阻性片式消声器，能有效降低噪声，且降噪值与吸音面积和消声器长度成正比。

设计风机出口消声器，利用FLUENT软件对消声器方案进行数值模拟、优化和改进，经样机验证，风机出口消声器具有良好的降噪效果，满足香港环保署规定的噪声要求。

参考文献

[1] 贺廿生.从香港西部铁路看城市轨道的发展[J].铁道建筑， 2000（2）：16-18.

[2] 郭满霞.石化装置罗茨风机噪声治理研究[J].安全、健康和环境，2020，20（9）：40-43.

[3] 杨贵恒，杨雪.噪声与振动控制技术及其应用[M].北京：化学工业出版社，2019.

[4] 马大猷.噪声与振动控制手册[M].北京：机械工业出版社，2022.

[5] 段中喆.ANSYS FLUENT流体分析与工程实例[M].北京：电子工业出版社，2015.