和谐型电力机车整车试验库通风系统设计及噪声控制研究

邱建平，马远清

（1 中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉430063；2 中国舰船研究设计中心，湖北武汉430064）

和谐型大功率电力机车整车试验动态检测装置（简称整车试验库）是和谐型大功率机车检修基地的重要试验设备之一，是机车修竣后进行牵引、制动特性试验、取代机车正线试运行的试验设备。机车需在整车试验库内运行4～6 h，机车散热所需的新鲜空气量以及机电设备产生的噪声对周围环境的影响都将不可小视。如果不能正确设计机车在特定库房内所需的新鲜空气量以及将其散发的热量排出，机车的正常性能试验将无法顺利完成；与此同时，机车试验产生的高强噪声不采取有效的措施进行治理，它对机车试验库内的工作环境和库房周围的环境噪声将产生严重影响。因此，合理设计整车试验库的通风系统以及降低机车试验运行的噪声成为必然。

1 技术要求

（1）电力机车在任何季节进行试验，其试验运行时最高的环境温度平均值应控制在38～40℃；

（2）电力机车试验运行时库内噪声A声级与在自由声场下的机车噪声A声级相比其增加值不应大于5 d B；

（3）试验库外30 m处（厂区其他车间位置）由机车试验运行产生的噪声A声级应不大于75 d B；其厂界噪声应满足国家有关环境噪声标准的要求；

（4）电力机车所需的通风系统以及采取的降噪措施均不能影响机车维修工人、辅助机械的正常操作；

（5）电力机车控制室内噪声A声级平均值不大于60 d B；

（6）进出试验库的空气量应可控。

2 通风系统设计方案

（1）和谐型电力机车散热量及所需风量

和谐型电力机车的总效率在96%左右，以6轴HXD3B型机车为例，该型机车总功率9 600 k W，也就是说将有384 k W左右的热量要在库房内散发，散发的部件为牵引电机、牵引变压器、牵引变流器及车体内部其他设备。另外机车整车试验库的试验设备（包括滚轮装置、齿轮箱、变流设备和电机等）在运行过程中也会产生与机车相等的热量，实际上试验设备的变流系统有自己的一套冷却系统可以将试验设备大部分（约95%）的热量引到库外，则机车正常试验的总散热量约为400 k W＝400 kJ／s。为了保证试验站内的温度在38～40℃，空气密度取1.2 kg／m3，空气定压比热值取1.005 kJ／（kg·℃）；按式（1）计算出库内保持38～40℃所需的新鲜空气量：

式中V为进气量，m3／h；Qns为库内热负荷；Cp为空气定压比热值取，1.005 kJ／kg·℃；ρ为空气密度，取1.2 kg／m3；tn为库内温度，根据设计要求取值；ts为大气环境温度。

以广州为例，夏季平均温度为33℃，则新鲜空气量在240 000～171 000 m3／h之间，如果按38℃考虑，则需新鲜空气量240 000 m3／h，考虑到通风设备的效率以及机车热效率的取值影响，在设计通风系统时可适当增加新鲜空气量。

（2）通风系统设计

在进行整车试验库通风系统设计时，首先应了解试验库的总体布局，见图1。

试验库总长54 m，宽24 m，高12.5 m，库内一端是被试机车；另一端是整车试验的变流设备，其散热量与机车相同，设备的散热通过库内左端的冷却塔进行，冷却塔通过上部的冷却风扇向库房的左端墙外排放热气（冷却塔的总排风量约为100 000 m3／h），这样试验设备所产生的热量的95%排至库外，剩余的热量要通过辅助散热系统来完成；电力机车产生的热量要通过强制排气的方式排至库外。

为了保证库内有一个理想的气流流场，在库房顶部开有3个2 m×18 m的进气口，是库内新鲜空气的主要来源。在机车整车试验库的变流设备端加装3台11 000 m3／h流量的辅助散热强进风通风机，是试验设备所需新鲜空气量的局部补充，主要是克服顶部进气口新鲜空气不能到达的局部，使试验设备的气流流场更加均匀，不致于在局部形成死角。试验设备的剩余热量可以通过强制通风机输送到试验机车的6台40 000 m3／h的抽风机处，由抽风机连同机车热量一起排至库外，使库内形成理想的流场。通风方案见图2。

图1 整车试验台平面布置

图2 通风方案与降噪方案

从上述设计方案可见总的进排气量达340 000 m3／h，是考虑在广东夏季最炎热（环境平均温度为33℃）的情况下进行的，设计库内温度不大于38～40℃。在气温低于33℃的状态下，上述设计完全满足电力机车试验要求；6台40 000 m3／h大型抽风机采用每台独立可控方式，以适应在各个季节的通风量要求，在北方地区库房顶部进气口也应可调可控。

3 噪声控制方案

3.1 噪声源分析

（1）库房内声源

电力机车整车试验的噪声源大致可分为轮轨噪声、轴流风机通风噪声、空气压缩机机械噪声3大类。

轮轨噪声是机车噪声最主要的声源，电力机车的轮轨噪声呈宽频带特征，以HXD1型电力机车的轮轨噪声为例，当机车以70 km／h速度运行时，轮轨噪声的主要频谱峰值分布在160，315，500，1 000，2 000 Hz，A 声压级达到103 d B；当机车速度提高至120 km／h，其声压级可能会增至106 d B（A）左右，通风机噪声是电力机车的主要声源。电力机车上的轴流风机包括牵引电机冷却风机，主变压器、主变流器冷却风机，辅助变流器冷却风机，机械间供风风机及司机室空调供风风机等。通过测量发现，机车风机噪声在机车不行驶、压缩机运行、变频风机以频率30 Hz运行时，噪声声压级随频率的变化曲线比较平滑；当变频风机以60 Hz频率运行时，声压级在160 Hz以下的低频声压级增加较大；最大声压级出现在250 Hz，为102 d B（A）。

空气压缩机噪声一般来自4个方面：空压机进气口噪声、排气口噪声、机械噪声和电磁噪声。其噪声一般都在90～100 d B（A），且以低频脉动噪声为主，波长长，传得远，影响较大。由于电力机车的空压机是在车内，有较多的结构对其产生了较好的隔声效果，因此其噪声对车外的影响有限。

除电力机车外，整车试验设备的噪声也是不可忽视的，但其量级与电力机车相比要小。冷却塔噪声是试验设备中较突出的，但冷却塔噪声以低频分量为主，主变压器、牵引变流器、电机等的噪声以高频分量为主。

整个试验库是一个声源相对集中，声能密度较高，频率范围宽的大房间声场。房间内的直达声场与混响声场叠加可得到实际的总声场，其声能密度和声压级分别为：式中W A为点声源的声功率级；Qs为声源的指向性因数。对于无指向性点声源Qs＝1，点声源入射到刚性反射面上Qs＝2，声源放到两个刚性反射面相交的边上Qs＝4，声源放到3个刚性反射面组成的角上，则取Qs＝8；Rf为房间常数，Rf＝Sα／（1－α）；

C为声速，一般取C＝343 m／s。

式中LW为声源的声功率级。

由式（3）可以看出，由于声源的声功率级是给定的，因此，房间内各处声压级相对变化由所决定。当房间壁面接近全反射时，α接近于零，房间常数R也接近于零，房间内的声场主要为混响声场；当房间壁面接近全吸声时，α接近于1，房间常数接近于无限大，房间内声场主要为直达声场，对于一般房间，总是介于上述两种极端情况之间。机车试验站的声场接近于混响声场。因此，在房间做吸声处理是非常必要的。

（2）通风系统声源

为了降低试验库内的温度，保证电力机车试验的顺利进行，试验库加装了强制进排气系统，总的进排气量达340 000 m3／h，强制进气系统采用了3台11 000 m3／h的高效低噪声高全压风机，风机安装在4 m高的墙壁上，风机运行产生的噪声会向场内外辐射。强制排气风机采用了6台40 000 m3／h低噪声高全压轴流通风机。另外变流设备的冷却塔通风机3台，总排风量为100 000 m3／h。轴流风机声功率级可由式（4）估算：

式中Q为风量，m3／h；H为全压，Pa；S为工况修正值，由风机效率、叶片数目及叶片角度确定。

由式（4）可知，风机的风量越大，全压越高，风机的噪声就越高，风机叶片的角度越大噪声越低。根据风机的基本参数，可计算局部强制进气风机的噪声声功率级为116 d B左右，强制排气风机的噪声声功率级为122 d B左右。冷却塔的噪声声功率级为65 d B左右。可见强制进排气风机的噪声不可小视，它对库外环境的影响要大于库内设备对外部环境的影响。冷却塔的噪声对厂区环境噪声产生的影响有限。但需考虑库内噪声沿冷却塔排气管向外辐射的可能性。

（3）进气口辐射噪声

试验库顶部开有宽2 000 mm，长18 000 mm的进气口，库内噪声可通过进气口直接向库外辐射。顶部进气口处的噪声主要是电力机车试验时各类设备产生的噪声通过空气传播和墙面反射叠加的混响声。根据测算，库内出口处的噪声约为91 d B。库内噪声通过进气口向外传播时有一个90°的绕射衰减，其衰减量约为10 d B左右，库外出口处的噪声可降为81 d B，当库外出口处的噪声再向离试验库30 m处传播时噪声可衰减至74 d B。因此进气口的辐射噪声对环境的影响不大。

3.2 噪声控制方案

根据上述分析，电力机车整车试验台对环境造成影响的噪声源主要有3部分，一是库内噪声，其次是强制进排气系统噪声，三是进气口辐射噪声。前两部分噪声对环境的影响最大，应采取措施进行治理。

3.2.1 库内噪声治理

（1）库内噪声的隔声处理

库内由于各类声源的叠加噪声A声压级达到106 d B左右，且各类设备的噪声均已定型，要通过对设备本身降噪是不现实的，库内降噪措施主要是隔声和吸声，隔声措施主要是通过库房的墙壁和房顶对库内噪声进行隔离，使噪声封闭在库内，但一般工业厂房的隔声效果有限。假定墙壁为无限大均匀密实的柔性板，其隔声量可通过下式计算：

①当声波垂直入射时隔声量为R0（d B）

式中ρ0为空气密度，取1.2 kg／m3；f为入射声波的频率，Hz；M为墙壁的面密度，kg／m2。

②当声波来自各个方向（0°～90°），即无规入射情况时，隔声量为Rr（d B），

③当声波来自0°～80°，即现场入射情况时，隔声量为Rf（d B），

④经验公式

实际上，板不可能像在推导理论计算公式那样，是无限大柔性障板。由于受到劲度、吻合效应、阻尼和边界条件的影响，墙壁实际的隔声量达不到理论公式计算的结果。试验数据表明，面密度增加一倍时，隔声量增加5 d B左右，频率提高一倍频程时，隔声量增加4 d B左右，其经验公式可表达如下：

根据广州和谐型大功率电力机车整车试验库的设计资料，墙壁为200 mm砖混墙，可计算其平均隔声量为48 d B。库房顶部为轻钢加隔热材料复合结构，可计算其平均隔声量为35 d B。可见其墙壁和顶部结构满足环境噪声的隔声量要求。

（2）库内噪声的吸声处理

库内吸声处理分两部分，一部分是库房内四周墙面7.8 m以下做平面吸声处理；二是7.8 m以上弧形顶做立体吸声处理，以降低声波在库内形成的混响。两种措施采用后库房内声叠加值可小于5 d B。

①库房内吸声降噪量

吸声处理的改变量是房间常数，设处理前后的房间常数为Rf1、Rf2（相应的平均吸声系数为α1、α2），可得吸声处理前后距声源r（m）处的噪声降低量ΔLP为：

在 噪 声 源 附 近，以 直 达 声 为 主，Qs／（4πr2≫4／Rf），略去4／Rf项，由上式可得相应的降噪量近似为0。但在离声源足够远处（即距离大于临界距离的远场范围）混响声场占主要地位，此时降噪量达到最大值，因此在库内周围做适当的吸声处理对改善库内混响有一定的好处，既降低了库房墙壁的隔声压力，同时也降低了噪声对工作人员的身体危害。

②库房顶部吸声体降噪

库房顶部悬挂的立体吸声结构是一种特殊的吸声结构，它具有吸声系数高，吸声频率宽的特点，对于降低库内混响具有特殊作用。是保证库房顶部开口处噪声向外辐射时，其噪声级满足库房总体设计的环境噪声要求的重要措施。

3.2.2 强制进排气系统的噪声治理

（1）强制进气系统噪声治理

强制进气系统为轴流风机，在风机进气口加装进气消声器，降低风机噪声对环境的影响。轴流风机大部分都是中高频噪声，一般采用阻性消声器较为适宜，但阻性材料要注意防潮防尘以防消声器消声效果的降低。如果将消声器安装在进气通道内，则只要对进气通道进行消声处理即可。进气系统采用的是3台4 k W轴流风机，风量为每台11 000 m3／h，其噪声一般为87 d B左右。阻性消声器的消声效果一般在12 d B左右，可以满足设计要求。阻性消声器的消声量可按下式计算：

式中φ（α0）为消声系数；P为通道断面周长，m；St为通道有效截面积，m2；L为消声器有效部分长度，m。

（2）强制排气系统噪声治理

强制排气系统由6台45 500 m3／h的轴流风机组成，每台风机的噪声约为94 d B，其噪声特点与上述风机特点相同。在风机出口处加装了约2 m长的消声器，其消声量约20 d B，风机出口处噪声A声压级约为74 d B。可以满足场内环境噪声要求。

（3）冷却塔噪声控制

冷却塔噪声主要考虑对库外的影响，根据相关资料，冷却塔通过排气散热管辐射的噪声量级较低，不会对厂区产生影响。但在考虑库内噪声可能通过排气散热管向外辐射时，排气散热管内壁采用吸声＋护面多孔板结构，散热管用3 mm钢板制作。可消除库内噪声对厂区环境的影响。

3.2.3 控制室噪声控制

控制室噪声主要是机车轮轨噪声和库内其他声源的综合影响。其噪声频带较宽，强度较强。控制室外噪声A声压级将达到106 d B，因此要保证控制室内噪声A声压级达到60 d B，控制室的墙壁、窗、门的平均隔声量应大于56 d B。从设计参数来看200 mm厚的墙壁其平均隔声量为48 d B，因此在控制室正对机车的墙壁外加装容重大于40 kg／m3的吸声结构，使其墙壁＋吸声组合结构的隔声量达到56 d B以上；隔声观察窗应采用10 mm钢化玻璃＋170 mm空气层＋12 mm钢化玻璃结构，其隔声量59 d B；隔声门应采用双层隔声门结构，其形式为单层隔声门＋160 mm空气层＋单层隔声门的结构形式，其隔声量58 d B。除结构形式要达到要求外，施工工艺也十分重要，如门缝、窗缝的处理要十分仔细，不能有任何缝隙。

整车试验库的降噪方案如图2。

4 结论

（1）库内新鲜空气量在满足夏季平均温度为33℃时，其库内由强制排气引入的新鲜空气量满足工作环境为38～40℃的要求。

（2）强制进气系统是保证试验设备正常运行的关键，除风量要足够外，其流场的形成非常重要，要有适当的补救措施，如增加可移动排气扇。

（3）控制室内的噪声A声压级达到60 d B是十分严格的指标，施工时应十分认真仔细。

（4）厂内环境噪声指标可满足要求。

（5）试验库噪声对厂界（距离约60 m以上）噪声的影响不大，可满足相关标准的要求。

［1］马大奠.噪声与振动控制工程手册［M］.北京：机械工业出版社，2002.

［2］张曙光.HXD1型电力机车［M］.北京：中国铁道出版社，2009.

［3］张曙光.HXD3型电力机车［M］.北京：中国铁道出版社，2009.

［4］GB 3096－2008.声环境质量标准［S］.北京：中国环境科学出版社，2008.