出口阿根廷內(nèi)燃機(jī)車制動(dòng)電阻裝置降噪設(shè)計(jì)

吳志東 陳超 王峰 武陽

摘要：出口阿根廷內(nèi)燃機(jī)車制動(dòng)電阻裝置是其重要部件，當(dāng)其滿負(fù)荷工作時(shí)，在進(jìn)、出風(fēng)口處產(chǎn)生高達(dá)110dB以上的噪聲，產(chǎn)生的噪聲不僅使內(nèi)燃機(jī)車上零部件和儀表存在“聲疲勞”而失效的風(fēng)險(xiǎn)，也不適應(yīng)我國倡導(dǎo)的環(huán)保和職業(yè)健康發(fā)展需要以及國外顧客的需求。通過測(cè)試，產(chǎn)品噪聲頻段為595～1191Hz。針對(duì)該型車制動(dòng)電阻裝置噪聲問題，本文采用了分頻段降噪的方式，首次應(yīng)用了超結(jié)構(gòu)材料技術(shù)并結(jié)合微穿孔板的降噪方式，通過仿真、試驗(yàn)驗(yàn)證表明，采取的降噪措施有效的降低制動(dòng)電阻裝置的噪聲，降噪后的噪聲最大值降至106dB。

關(guān)鍵詞：阿根廷;內(nèi)燃機(jī)車;制動(dòng)電阻裝置;降噪;超材料;微穿孔板

中圖分類號(hào)：U260.35? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）01-0065-04

0? 引言

伴隨著社會(huì)的進(jìn)步，人們對(duì)環(huán)境要求也隨之提高，噪聲與水污染、空氣污染并稱為世界三大公害。隨著內(nèi)燃機(jī)車行業(yè)的高速發(fā)展，牽引電機(jī)功率大幅提高，與之匹配的制動(dòng)電阻裝置功率也隨之增大，為了滿足制動(dòng)電阻散熱要求，選用風(fēng)機(jī)功率也增大。功率大的風(fēng)機(jī)產(chǎn)生更大的噪聲，這些噪聲不僅影響著司乘人員健康，也會(huì)使內(nèi)燃機(jī)車上零部件和儀表存在“聲疲勞”而失效的風(fēng)險(xiǎn)，加之國內(nèi)外鐵路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)升級(jí)。解決制動(dòng)電阻裝置噪聲問題的呼聲越來越高。制動(dòng)電阻裝置是定制產(chǎn)品，受到空間尺寸和技術(shù)參數(shù)的限制，研究其降噪廠家較少。

本文針對(duì)出口阿根廷內(nèi)燃機(jī)車制動(dòng)電阻裝置進(jìn)行噪聲測(cè)試，通過噪聲頻譜分析，得到其聲學(xué)特性，應(yīng)用仿真、計(jì)算的方式進(jìn)行聲學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)，并通過試驗(yàn)的方式進(jìn)行驗(yàn)證。

1? 聲環(huán)境分析

本文研究出口阿根廷內(nèi)燃機(jī)車制動(dòng)電阻裝置，為頂置式結(jié)構(gòu)。其主要由直流電機(jī)、風(fēng)葉、電阻單元、結(jié)構(gòu)框架、進(jìn)出風(fēng)口組件等組成。當(dāng)制動(dòng)電阻裝置開始工作，直流電機(jī)[1]和風(fēng)葉[2]周期性工作，風(fēng)葉旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生高速不穩(wěn)定氣流，與制動(dòng)電阻裝置結(jié)構(gòu)內(nèi)壁、電阻帶之間相互摩擦產(chǎn)生氣動(dòng)噪聲，特別是在進(jìn)、出風(fēng)口處，高速氣流使圓鋼和薄鋼板振動(dòng)發(fā)聲，類似于“口琴”原理，是噪聲最大位置。風(fēng)葉旋轉(zhuǎn)攪動(dòng)空氣與葉片之間作用產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)噪聲。機(jī)械噪聲產(chǎn)生于風(fēng)葉旋轉(zhuǎn)使電機(jī)的固定部件、及其他各聯(lián)接部件相互摩擦、振動(dòng)。由于機(jī)械噪聲聲壓級(jí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于旋轉(zhuǎn)噪聲和氣動(dòng)噪聲且制動(dòng)電阻裝置風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速高，因此，其噪聲主要是旋轉(zhuǎn)噪聲和氣動(dòng)噪聲。

2? 噪聲測(cè)試

產(chǎn)品額定功率為2000kW，重量約1200kg。外形尺寸為：2024mm×2193mm×867mm。直流電機(jī)參數(shù)見表1所示。

遵照GB/T 3767-1996（eqv ISO 3744-1994）《聲學(xué)聲壓法測(cè)定噪聲源聲功率級(jí)反射面上方近似自由場(chǎng)的工程法》[3]進(jìn)行噪聲測(cè)試。測(cè)試點(diǎn)平面圖如圖1（a）所示，測(cè)試點(diǎn)軸向視圖如圖1（b）所示。產(chǎn)品外觀圖如圖1（c）所示。

2.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)地點(diǎn)：電控車間旁空曠場(chǎng)地;

測(cè)試環(huán)境：無風(fēng)無雨，風(fēng)速小于5m/s。

2.2 測(cè)量儀器

噪聲測(cè)量儀選用丹麥B&K公司手持型聲級(jí)計(jì)，型號(hào)：B&K-2270。所測(cè)結(jié)果為音頻文件，再應(yīng)用PULSE軟件的Time Edit & Analyze模塊將其轉(zhuǎn)換為FTI格式文件。將轉(zhuǎn)換的文件用PULSE Labshop模塊導(dǎo)入、設(shè)定、時(shí)頻分析，得到時(shí)域圖與頻域圖。

直流電機(jī)用直流電源屏，其型號(hào)為GKD（M）.（H）400-300CVS，電流為0～300A可調(diào)，電壓為0～400V可調(diào)。

2.3 測(cè)試數(shù)據(jù)

各測(cè)試點(diǎn)噪聲權(quán)重貢獻(xiàn)最大值見表2所示。

測(cè)試得到最大噪聲值主頻段為595～1191Hz，通常情況下，認(rèn)為500Hz以下為低頻，500～1000Hz為高頻，1000Hz以上為高頻，從所得數(shù)據(jù)中可以看出，產(chǎn)品具有低頻寬帶的特點(diǎn)。

3? 聲環(huán)境優(yōu)化設(shè)計(jì)

針對(duì)制動(dòng)電阻噪聲的低頻寬帶的噪聲特點(diǎn)，采用分頻段的降噪方式：

低頻降噪選用超結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)由若干單元組成，每個(gè)單元由質(zhì)量塊、彈性體和剛性邊框組成。當(dāng)入射聲波頻率與超結(jié)構(gòu)固有頻率匹配時(shí)，超結(jié)構(gòu)受到激發(fā)產(chǎn)生共振，其質(zhì)量塊與薄膜產(chǎn)生反方向振動(dòng)，這種正負(fù)疊加振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了共振吸聲的效果。

中頻降噪選用微穿孔板，它是一種孔距遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于孔徑的穿孔板，可以看成大量空氣阻尼系統(tǒng)，當(dāng)入射聲波等于開孔處固有頻率時(shí)，在孔中形成阻尼共振，從而實(shí)現(xiàn)共振吸聲目的。

高頻降噪選用蜜胺泡沫材料，該材料具有一種充分開孔的三維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)體系，其開孔率高達(dá)99%以上，具有較大的長徑比，它的彈性將聲能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，實(shí)現(xiàn)吸聲的功能。

3.1 超結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

先建立薄膜型超結(jié)構(gòu)單元三維模型，再設(shè)定參數(shù)和邊界條件，薄膜型超結(jié)構(gòu)框架選用碳鋼，薄膜采用硅膠薄膜，質(zhì)量塊為紫銅。仿真選用聲-固耦合模塊，其中，空氣域選用壓力聲學(xué)模塊，超結(jié)構(gòu)選用固體力學(xué)模塊。按照便于計(jì)算的思路進(jìn)行了網(wǎng)格劃分。

仿真過程中，對(duì)超結(jié)構(gòu)薄膜和質(zhì)量塊的楊氏模量、密度、泊松比以及尺寸參數(shù)進(jìn)行一系列的調(diào)整，最終得到了與制動(dòng)電阻裝置噪聲頻率共振時(shí)的吸聲系數(shù)圖，見圖2所示，得到的超結(jié)構(gòu)各項(xiàng)參數(shù)，見表3所示。根據(jù)仿真結(jié)果從COMSOL軟件導(dǎo)出的數(shù)據(jù)顯示，頻率在580～595Hz以及900～925Hz時(shí)，吸聲系數(shù)均在0.9以上。制動(dòng)電阻裝置測(cè)試值為595Hz、893Hz，該頻率處于仿真頻段內(nèi)。此時(shí)超結(jié)構(gòu)參數(shù)滿足制動(dòng)電阻裝置共振吸聲降噪需求。

圖2所示中，A點(diǎn)為超材料在595Hz時(shí)的共振吸聲峰值。B點(diǎn)為超材料在890Hz時(shí)的共振吸聲峰值。

通過超結(jié)構(gòu)單元仿真設(shè)計(jì)，結(jié)合出風(fēng)口處圓形通道，并考慮風(fēng)葉輪轂尺寸，最終設(shè)計(jì)了其二維圖，如圖3（a）所示，根據(jù)二維圖制造了出風(fēng)口降噪超結(jié)構(gòu)零件，如圖3（b）所示。所制造的超結(jié)構(gòu)尺寸較小，其吸收的聲能較少。

3.2 微穿孔板設(shè)計(jì)

通過測(cè)試，噪聲最大值在點(diǎn)P2、P5和P7，對(duì)應(yīng)位置為左側(cè)進(jìn)風(fēng)口、頂部出風(fēng)口和右側(cè)進(jìn)風(fēng)口，對(duì)應(yīng)頻率是1191Hz、893Hz、1189Hz。噪聲最大值頻段為：595？燮f？燮1191Hz，設(shè)定平均吸聲系數(shù)？琢=0.45，計(jì)算如下：

通過計(jì)算，得到了微穿孔板的參數(shù)，參照馬大猷院士關(guān)于微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)理論設(shè)計(jì)，得到微穿孔板主要技術(shù)參數(shù)計(jì)算值如表4所示。

應(yīng)用COMSOL軟件，將表4參數(shù)帶入模型中，設(shè)置的頻域參數(shù)為595～1191Hz，步進(jìn)5Hz。對(duì)微穿孔板進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，得到微穿孔板參數(shù)，參數(shù)見表5所示。吸聲系數(shù)見圖4中紅色曲線所示。當(dāng)頻率為595Hz時(shí)，紅色曲線的吸聲系數(shù)為0.37。當(dāng)頻率為1190Hz時(shí)，吸聲系數(shù)為0.48。吸聲系數(shù)峰值在頻率840～860Hz范圍內(nèi)。驗(yàn)證了與理論計(jì)算是一致的。

根據(jù)參數(shù)值，加工出了微穿孔板，并且結(jié)合制動(dòng)電阻裝置風(fēng)道形狀和降噪微穿孔板的可施工性設(shè)計(jì)了微穿孔板零件二維圖紙?jiān)O(shè)計(jì)如圖5（a）所示。

3.3 多孔材料零件設(shè)計(jì)

蜜胺發(fā)泡材料具有無毒、阻燃等特性，根據(jù)制動(dòng)電阻裝置風(fēng)道特性，用蜜胺發(fā)泡材料設(shè)計(jì)了三種零件圖，如圖6（a）所示為上圍板降噪板，圖6（b）所示為側(cè)圍板降噪板，圖6（c）為單元降噪板。

4? 效果檢查驗(yàn)證

設(shè)定工況，將超結(jié)構(gòu)組件安裝于一個(gè)風(fēng)道出風(fēng)口頂部。再將微穿孔板安裝于另一個(gè)風(fēng)道，緊貼風(fēng)道側(cè)板。再將兩者拆除，將蜜胺泡沫板粘接于電阻單元上蓋板和風(fēng)道側(cè)板。先接通超結(jié)構(gòu)組件所在風(fēng)道電機(jī)，測(cè)試噪聲參數(shù)，測(cè)試完畢后，接通微穿孔板所在風(fēng)道電機(jī)，測(cè)試其噪聲參數(shù)。最后測(cè)試蜜胺板零件所在風(fēng)道噪聲參數(shù)。試驗(yàn)順序及對(duì)應(yīng)工況名稱見表6。各工況下，降噪措施實(shí)施前后，噪聲最大值對(duì)比見表7所示。

5? 結(jié)論

從降噪后數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)可以看出，超結(jié)構(gòu)降噪措施實(shí)施后的降噪效果并不顯著，這是由于超結(jié)構(gòu)的尺寸決定的，其吸聲面積相對(duì)于制動(dòng)電阻裝置產(chǎn)生氣動(dòng)噪聲的面積較小，故吸收能量有限。微穿孔板吸聲效果亦不顯著，也是由于吸聲面積相對(duì)于氣動(dòng)噪聲面積較小，吸聲能力有限。蜜胺發(fā)泡板降噪是三種降噪措施中效果最顯著，也是機(jī)車降噪通用做法，分析其原因是由于蜜胺發(fā)泡板，能夠?qū)鈩?dòng)噪聲風(fēng)道完全包圍，不僅吸聲面積大，而且具有一定封閉隔聲的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]李發(fā)海，王巖.電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ) [M].北京：清華大學(xué)業(yè)出版社，1993，07.

[2]續(xù)魁昌，王洪強(qiáng)，蓋京方.風(fēng)機(jī)手冊(cè) [M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010，10.

[3]全國聲學(xué)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).GB/T 3767-1996，聲學(xué)聲壓法測(cè)定噪聲源聲功率級(jí)反射面上方近似自由場(chǎng)的工程法[S].北京：國家技術(shù)監(jiān)督局，1996.