电力机车冷却塔噪声测试及其分析.pdf

2023 年 9 月（总第 443 期）23第 51 卷Vol.51第 9 期No.9铁 道 技 术 监 督RAILWAY QUALITY CONTROL检验与认证INSPECTION AND CERTIFICATION收稿日期：2023-06-12作者简介：曹幼红，工程师；谭华容，工程师；胡敏，工程师；周紫燕，工程师0引言电力机车牵引变压器、牵引变流器等电气设备运行时，会产生大量热量，导致这些设备温度升高，影响设备正常运行。为此，利用冷却塔，采用强迫风冷方式，帮助牵引变压器、牵引变流器等设备散热，保障电气部件正常工作。冷却过程中，冷却塔会产生噪声，主要有机械通风用风机产生的噪声、循环水产生的落水噪声和共振引起的塔体噪声等。这些噪声辐射面大、声功率强，直接影响铁路沿线居民的生活。为此，采用声强法1-4在电力机车冷却塔表面进行噪声测试，并分析测试结果，获取冷却塔表面噪声分布情况，识别冷却塔噪声源，为优化控制冷却塔表面噪声，提升电力机车的噪声控制水平提供参考。1冷却塔组成及其工作原理1.1组成冷却塔组成如图 1 所示。散热器水泵风机水箱（a）主视图电力机车冷却塔噪声测试及其分析曹幼红，谭华容，胡敏，周紫燕（湖南联诚轨道装备有限公司，湖南 株洲 412001）摘要：为了研究电力机车冷却塔表面的噪声分布和噪声源，介绍冷却塔组成和工作原理，以及声强测试方法。采用声强测试方法，在冷却塔电机稳定工作状态下，在冷却塔表面测试噪声，并利用测试结果分析噪声在冷却塔表面的分布和频谱。结果表明，在冷却塔各表面测得的噪声中，顶面噪声声功率级最大，为 109.6 dB（A）；冷却塔风机产生的噪声占比最大，达到 92.5%；噪声出现峰值时，对应的频率为 498 Hz 和 498 Hz 的整数倍。经分析可得，冷却塔噪声主要能量来源于风机。这为冷却塔噪声优化控制提供参考。关键词：电力机车；冷却塔；噪声；声强法；测试；分析中图分类号：U264.55文献标识码：B文章编号：1006-9178（2023）09-0023-05Abstract：In order to study the noise distribution and noise source on the surface of the cooling tower of electric locomotive,the composition and working principle of the cooling tower and the testing method of sound intensity are introduced.The sound intensity test method is used to test the noise on the surface of cooling tower when the motor is working stably,and the distribution and spectrum of the noise on the surface of cooling tower are analyzed by using the testresults.The results show that the top noise has the highest sound power level,which is 109.6 dB（A）;the noise ratiogenerated by cooling tower fan is the largest,reaching 92.5%;the frequency corresponding to the peak noise is 498 Hzand an integer multiple of 498 Hz when the noise spikes.The analysis shows that the main energy of cooling towernoise comes from the fan.This provides a reference for the cooling tower noise optimization control.Keywords：Electric Locomotive;Cooling Tower;Noise;Sound Intensity Method;Test;Analysis24电力机车冷却塔噪声测试及其分析检验与认证水箱风机散热器水泵水泵（b）侧视图图 1冷却塔组成冷却塔由底座、机架、风机、水箱、水泵、散热器等组成。其中，1 台风机安装在冷却塔顶部，居中布置；2 台水泵左右对称布置；2 个散热器前后对称布置。冷却塔采用顶部进风、底部排风结构。冷却塔中，冷却风机采用变频风机，由电压为380 V、频率为 50 Hz 的三相交流电源供电。变频风机采用金属叶片，叶片数量为 17 片。冷却风机电机工作电压为 80 V440 V，工作频率为 10 Hz60 Hz。工作频率为 60 Hz 时，电机功率不大于28 kW，功率因数不小于 0.88，电机效率不小于0.88，最大转速为 1 800 r/min，风流量为 11 m3/s。1.2工作原理冷却塔中水循环路径如图 2 所示。风机水泵 1水泵 2散热器 1散热器 2牵引电机 1牵引电机 2牵引电机 3牵引电机 4通径20 mm通径36 mm图 2冷却塔中水循环路径冷却塔配套 2 套水循环支路，分别通过水泵 1和水泵 2，对牵引电机 1、牵引电机 2 和牵引电机3、牵引电机 4 进行冷却。考虑到散热器中部风量最大，散热效率最高，水循环时，“热水”直接进入散热器中部，再从外侧回流到牵引电机中，最大限度提高冷却系统散热效率。2声强测试方法2.1测试原理声强是指单位时间 T 内通过垂直于声波传播方向上的单位面积的平均声能，单位为 W/m2。声强计算公式为I=1T0TP（t）u（t）dt。（1）式（1）中：I 为声强；P（t）为某点的瞬时声压；t 为时间；u（t）为质点振动瞬时速度矢量。2.2质点振动瞬时速度测试对式（1）而言，通过测量，可得声压值，但得到质点振动瞬时速度较为困难。为此，通过间接测量，获得质点振动瞬时速度，具体如下。首先，采用 P-P 探头（双传声器）测量声强。P-P 探头测量声强如图 3 所示。r传感器 A传感器 B图 3P-P 探头测量声强传感器 A 和传感器 B 的灵敏度和相位一致，用一块长度为 r 的间隔器将传感器 A 和传感器 B分离。在声波传播方向上，计算声压梯度变化可得质点振动速度 u（t），即u（t）=-1Prdt。（2）式（2）中：为空气密度；P 为声压。依据文献 1，由于间隔器长度 r 很小，将式（2）简化可得质点振动速度，为u（t）=-1PB-PArdt。（3）2.3平均声强和声功率级计算因间隔器长度 r 很小，则某点的瞬时声压为P（t）=PB+PA2。（4）因此，结合式（1）和式（2），可得测量点处的声强。I 为1I=-PA+PB2PB-PArdt。（5）25铁道技术监督第 51 卷第 9 期5 0004 0003 1502 5002 0001 6001 000 1 250800630500400315250160125100200各测量面噪声声功率级/dB（A）100120806040200图 4不同频率下冷却塔各测量面噪声声功率级噪声频率/Hz后面；前面；左面；右面；顶面因此，可运用双传声器法测量单位时间内的平均声强 Ir，计算公式为1Ir=-12r1T0TPA(t)+PB(t)0TPB(t)-PA(t)dtdt。（6）式（6）中：T 为测试时间；PA（t）和 PB（t）分别为传感器 A 和传感器 B 的声压。声功率 W 计算公式为1W=i=1NIiSi。（7）式（7）中：N 为测试面元个数；Ii和 Si分别为第 i点声强和第 i 点对应的测量块面积。声功率级 LWI计算公式为1LWI=10lg|W/W0。（8）式（8）中，W0为参考声功率，W0=10-12W。3冷却塔噪声测试3.1测试方案测试设备主要有 50AI-L 型声强测试探头、SCM205 动态测试数据采集前端，以及 Test.Lab 声强测试与分析软件模块。为了减少测量时的有限差分误差和相位失配误差，在测试前采用 51AB 声强校准器校准声强探头。采用声强测试法，在冷却塔表面测试噪声时，需均匀划分冷却塔每个测量面。将冷却塔顶面划分为 23 面元，左面、右面均划分为 24 面元，前面、后面均划分为 34 面元，每面元尺寸均为 500 mm500 mm。在冷却塔各测量面测试噪声的步骤为：首先，接通电压为 380 V、频率为 50 Hz 的三相交流电，为冷却塔风机提供电源，使得冷却塔在工作电压为440 V、工作频率为 60 Hz 的三相交流电下持续稳定运行。然后，将声强探头放置于距每个面元表面500 mm 处，逐个测量每个面元中心点的法向声强。依次完成各测量面所有面元的噪声测量，每个面元测量时间为 20 s。再后，利用面元面积计算该面元的声功率级。最后，累计所有面元的声功率，得到该冷却塔的声功率级。3.2测试结果与分析3.2.1声功率级当冷却塔风机在工作频率为 60 Hz、转速为1 760 r/min 稳定运行时，用声强测试法在冷却塔各测量面测量噪声声功率。不同频率下冷却塔各测量面噪声声功率级如图 4 所示。由图 4 可知，在 100 Hz5 000 Hz 频率范围内，顶面的噪声声功率级均高于其他各面的噪声声功率级；在频率为 500 Hz 时，冷却塔各测量面的噪声声功率级达到最大值，其中，顶面的噪声声功率级最大，为 106 dB（A）。利用图 4 中数据，将冷却塔各测量面的噪声声功率级按照相应频率进行能量求和，即可得出不同频率下冷却塔表面处的噪声声功率级。不同频率下冷却塔噪声总声功率级如图 5 所示。由图 5 可知，冷却塔表面处的噪声声功率级与26电力机车冷却塔噪声测试及其分析检验与认证顶面噪声声功率级基本一致，即冷却塔噪声主要能量来源于冷却塔顶部。对在 100 Hz5 000 Hz 频率范围内的顶面噪声声功率求和后，得到顶面的综合噪声声功率级，为109.6 dB（A）；对在 100 Hz5 000 Hz 频率范围内冷却塔所有测量面噪声声功率求和后，得到冷却塔表面的综合噪声声功率级，为 111.5 dB（A）。3.2.2噪声分布云图用 Test.Lab 声强测试与分析软件模块分析冷却塔各测量面噪声声功率，可得冷却塔各测量面噪声占比和冷却塔噪声分布云图。冷却塔各测量面噪声占比为：前面的噪声占比为 2.9%，后面的噪声占比为 3.2%，左面的噪声占比为 0.6%，右面的噪声占比为 0.8%，顶面的噪声占比为 92.5%。冷却塔噪声分布云图如图 6 所示。右面前面顶面图 6冷却塔噪声分布云图由此可知，冷却塔顶面的噪声声能量占比约为冷却塔表面噪声总声能量的 92.5%，其他面噪声声能量占比仅为冷却塔噪声总声能量的 7.5%；在100 Hz5 000 Hz 频率范围内，主要噪声源在冷却塔顶部。3.2.3噪声频谱利用 50AI-L 型声强测试探头采集的数据，由Test.Lab 声强测试与分析软件模块处理冷却塔各测量面噪声声功率，得到冷却塔各测量面噪声频谱，如图 7 所示。冷却塔风机叶片为 17 片，转速为 1 760 r/min。经计算得知，冷却塔风机转动频率为 498 Hz。分析冷却塔各测量面噪声频谱图可知，噪声频率为498 Hz 或 498 Hz 的倍数时，冷却塔各表面测得的噪声声压级最大。4结论电力机车冷却塔在工作电压为 440 V、工作频率为 60 Hz 的三相交流电下，处于持续稳定运行状态时，采用声强法测试冷却塔表面的噪声。利用50AI-L 型声强测试探头和 SCM205 动态测试数据采集前端采集数据，用 Test.Lab 声强测试与分析软件模块分析电力机车冷却塔表面的噪声分布。通过分析得出如下结论。（1）在噪声频率范围为 100 Hz5 000 Hz，冷5 0004 0003 1502 5002 0001 6001 000 1 250800630500400315250160125100200总声功率级/dBA10012080604020071.675.779.682.584.394.098.699.4107.4100.9 100.6102.2100.798.396.394.091.486.6噪声频率/Hz图 5不同频率下冷却塔噪声总声功率级27铁道技术监督第 51 卷第 9 期5 0004 5004 0001 5001 000500各测量面噪声声压级/dB（A）801057060504002 0002 5003 0003 500100959085756555453530噪声频率/Hz前面功率谱；左面功率谱；右面功率谱；顶面功率谱；后面功率谱图 7冷却塔各测量面噪声频谱却塔顶面的噪声声功率级均高于其他各面的声功率级；在噪声频率为 500 Hz 时，冷却塔各测量面声功率级达到最大值。（2）冷却塔顶部噪声声能量占比约为冷却塔噪声总声能量的 92.5%。（3）噪声的频率主要为 498 Hz 以及 498 Hz 的倍频，与风机转动频率相同，或是风机转动频率的整数倍。综上可知，电力机车冷却塔噪声主要来源于冷却塔风机。这为后续优化控制电力机车冷却塔表面噪声提供理论依据。参考文献1 程雄，陈晓，孙铁兵扫描声强法在牵引变压器声功率测试中的应用J 电力机车与城轨车辆，2015，38（5）：61-642 刘帅，王忠，赵洋，等基于声压和声强法对柴油机噪声源的识别J 江苏大学学报，2016，37（1）：1-43 罗虹，余文国，褚志刚，等声强测量法在发动机表面声源识别中的运用 J 重庆大学学报（自然科学版），2005，28（6）：9-114 沈卫东，袁春，杨贵恒声强测量分析技术在发电机组噪声控制中的应用J 噪声与振动控制，2001（3）：37-395 声学声强法测定噪声源的声功率级第 1 部分；离散点上的测量：GB/T 164041996S（编辑陈建国）四部门联合发文：提升新产业认证认可检验检测等服务能力为贯彻落实国家标准化发展纲要，持续完善新兴产业标准体系建设，前瞻布局未来产业标准研究，充分发挥标准的行业指导作用，引领新产业高质量发展，工业和信息化部近日联合科技部、国家能源局、国家标准委印发新产业标准化领航工程实施方案（20232035 年）。新产业标准化领航工程实施方案（20232035 年）中提出，加强新产业重点领域技术基础公共服务体系建设，提升新产业标准、计量、认证认可、检验检测、试验验证等一体化服务能力；聚焦贸易便利化，结合重大国际合作项目积极推动质量标准、检验检测、认证认可等有效衔接，努力实现重点领域同线同标同质。摘编自中铁检验认证中心微信公众号