摘要：目前，制动梁端轴喷丸除锈时会产生大量金属粉尘和噪声，设备使用成本高。基于空化射流技术，设计出制动梁端轴空化射流除锈机，利用空化喷嘴射流对端轴表面进行除锈，更加高效、环保、节能。然而，除锈机工作时水压泵站噪声较大，存在噪声污染，需要进行降噪处理。针对除锈机结构与高压泵站噪声源特点，提出一种铺设隔音棉的高压泵站降噪方案，使得除锈机满足车间作业现场使用要求。通过COMSOL声固耦合仿真，确定出水压泵站降噪方案的隔音棉材质、铺设方式以及厚度。仿真结果表明，最佳降噪方案可将泵站原有100 dB的噪声平均降低至77 dB左右。搭建降噪试验平台进行噪声试验，试验结果表明该降噪方案能有效降低泵站噪声，与仿真结果最大误差为3dB,验证了降噪仿真模型的正确性与有效性，为除锈机的降噪结构设计提供了可行的支撑方案。

　　关键词：制动梁；泵站；降噪；隔音棉；声固耦合

　　0引言

　　长期以来，铁路是我国交通运输体系中重要组成部分，对于国家的经济建设，铁路发挥着不可忽视的重要作用[1]。制动梁是铁路货车转向架基础制动装置的重要部件，负责传递制动力，其损伤故障将直接威胁人民生命安全和铁路车辆安全[2],需要定期进行检修，保证车辆运行安全。按照《铁路货车制动装置检修规则》第4.2.2条的规定，在检修过程中，需对制动梁端轴进行湿法磁粉探伤，而在探伤前必须先对制动梁端轴表面进行除锈处理。

　　目前，制动梁端轴除锈主要采用喷丸除锈方式，利用钢丸撞击产生的摩擦以及冲击作用，完成金属表面的除锈任务[3],但喷丸机在工作过程中存在粉尘和噪声环境污染大、使用成本高等问题[4]。空化射流清洗技术是利用空化泡溃灭时产生的强大冲击波和高速微射流机理实现工件表面污物的破碎、切割和清洗功能，相较于传统除锈方式更加绿色环保节能[5]。作者研究团队基于空化射流技术研制了制动梁端轴空化除锈机，实现环保高效除锈。

　　工业企业的生产车间和作业场所的噪声标准为85 dB,条件受限时可适当放宽，但不得超过90 dB。除锈机高压泵站的噪声主要由电机工作时所产生的电磁噪声以及水泵运行时所产生的动力噪声组成，噪声频率在500 Hz以下、噪声大小为100 dB左右，远超工业噪声排放标准，因此需要研究其降噪方法与特性，使得除锈机满足车间检修现场作业要求。

　　目前，降噪方法主要分为3种。第一种是在声源处控制噪声，通过优化设备结构，改变噪声源运动方式降低噪声[6-7];第二种是在噪声的传播途径中控制噪声，通过改变声源传播途径降低噪声，如添加隔音棉、音屏障等[8];第三种是在人耳处减弱噪声，通过对受音者采取防护措施，降低噪声对生产者的影响，如佩戴耳塞、耳罩等[9]。

　　基于现有降噪技术、除锈机结构布局和现场作业工艺要求，本文降噪方案采取第二种降噪方法，即采用铺设隔音棉的方式对泵站进行降噪，通过仿真与试验确定出泵站降噪隔音棉配置参数，设计出高压泵站降噪方案，使其满足车间检修现场作业要求。

　　1制动梁端轴空化除锈机总体方案

　　根据现有制动梁检修工艺和车间现有布局等要求，利用空化射流核心技术设计出制动梁端轴空化射流除锈机，总体方案如图1所示。

　　制动梁端轴空化射流除锈机利用高压泵站从清水箱内吸水，通过空化喷嘴形成空化射流，对制动梁端轴表面进行除锈，高压泵站位置如图2所示。除锈机作业时泵站会产生较大的噪声，存在噪声污染，因此需要基于泵站的空间位置和结构特点进行降噪处理。

　　2降噪方案设计

　　隔音棉通过内部声学微孔吸收噪声声能，消耗降低噪声的反射率和穿透率，从而起到隔音降噪的作用[10],隔音棉的降噪效果主要与隔音棉的材质、铺设方式以及厚度有关。选取广泛使用的两种隔音棉材质，以及30 mm、60 mm和90 mm三种厚度，研究其降噪效果，隔音棉材质如图3所示。图3(a)为发泡橡胶材质的隔音棉，内部气孔较少，密度大，防水性能较好。

图3(b)为三聚氰胺海绵材质的鸡蛋棉，内部气孔较多，密度小，防水性能较差。采用全覆盖、条形覆盖以及菱形覆盖3种铺设方式研究其对降噪效果的影响，如图4所示。

通过仿真与试验，研究上述不同隔音棉参数对高压泵站降噪效果的影响，确定出高压泵站隔音棉的配置方案。

　　3仿真分析

　　3.1降噪仿真物理模型

　　在COMSOL软件中，利用声固耦合模块建立高压泵站降噪仿真物理模型，如图5所示。

高压泵站降噪仿真整体模型中整个球体为计算求解域，球体外层为完美匹配层[11],用于模拟声波在远离声源传播过程中被吸收的情况，防止声波反射对仿真结果产生影响。以试验箱底部平面为分界线，上半个球体为空气域，下半个球体为大地域。试验箱外侧为2mm厚的碳钢罩，内侧为铺设的隔音棉，前后两侧留有排风口用于模拟排风扇，高压泵站位于试验箱正中间。隔音棉使用压力声学模块下多孔介质声学域的多孔声学模型对隔音棉进行建模[12]。试验箱和大地域在固体力学中建模，试验箱和大地域与声场空气域的接触面设置为声－固耦合边界，将压力声学与固体力学耦合[13]。

　　以自由四面体对仿真球体内部进行网格划分，对试验箱网格进行加密，提高仿真计算精度，通过扫掠划分仿真球体外层完美匹配层网格，仿真网格划分如图6所示。

　　发泡橡胶和三聚氰胺海绵两种材质的隔音棉形状不一样，为避免其对仿真结果造成影响，建立两种形状的隔音棉如图7所示。平面状隔音棉用于模拟发泡橡胶材质的隔音棉，凹凸状隔音棉用于模拟三聚氰胺海绵材质的隔音棉。

      3.2降噪仿真数学模型

　　降噪仿真模型为声固耦合模型，固体的振动会对空气域中的声场产生影响，同时空气域也会对固体的振动产生影响，需将二者进行耦合求解[14]。

　　对于空气域声学模型，有限元方程为[15]:

　　3.3仿真结果

　　3.3.1不同隔音棉材质的降噪效果

　　设备放置在车间内，周围存在环境噪声，通过噪声计对车间环境噪声测量，车间环境噪声平均为65 dB。设置高压泵站处的噪声为100 dB,以单极点源的形式在仿真球体四周添加背景噪声，噪声设置为65 dB,求解频率设置为500 Hz,隔音棉厚度为30 mm,铺设方式为全覆盖，隔音材质分别设置为发泡橡胶和三聚氰胺海绵。仿真结果如图8所示。

提取高压泵站经过隔音棉和碳钢罩降噪后的噪声值，即距离试验箱外侧100 mm的5个面上的平均噪声值，如表1所示。

由表可知，前后两侧由于设有排风口，噪声值较高，其余面噪声经过隔音棉以及碳钢罩后，可降低10 dB左右。两种材质的隔音棉对于高压泵站的降噪效果相差不大，其中三聚氰胺海绵材质的隔音棉降噪效果较好，因此采用三聚氰胺海绵材质的隔音棉进行降噪，效果最佳。
       3.3.2不同隔音棉铺设方式的降噪效果
       隔音棉材质确定后，采用全覆盖，条形覆盖以及菱形覆盖3种方式铺设隔音棉对高压泵站进行降噪仿真，通过对比分析确定出隔音棉最佳铺设方式。设置隔音棉材质为三聚氰胺海绵，厚度为30 mm,分别以全覆盖，条形覆盖以及菱形覆盖的铺设方式铺设隔音棉进行降噪仿真，仿真云图如图9所示，仿真数据如表2所示。

　　从表2中可以看出，3种铺设方式中以全覆盖的方式铺设隔音棉降噪效果最好，可以将噪声降低10 dB左右，条形覆盖和菱形覆盖降噪效果较差，只能将噪声降低5 dB左右，因此高压泵站隔音棉铺设方式采用全覆盖，降噪效果最佳。

　　3.3.3不同隔音棉厚度的降噪效果

　　隔音棉材质和铺设方式确定后，设置隔音棉厚度分别为30 mm、60 mm和90 mm进行降噪仿真，设置隔音棉材质为三聚氰胺海绵，铺设方式为全覆盖，仿真云图如图10所示，仿真数据如表3所示。从表3可以看出，试验箱由于前后两侧设有排风口，噪声较大，因此不作为参考值。隔音棉厚度为30 mm时噪声在88 dB左右，厚度为60 mm时噪声在83 dB左右，厚度为90 mm时噪声平均在77 dB左右，由于仿真结果存在一定的误差，为保证高压泵站噪声达到工业设备噪声排放标准，隔音棉厚度取90 mm。

      4试验

　　4.1高压泵站降噪仿真验证试验平台

　　隔音棉铺设方式以及厚度的仿真均建立在隔音棉材质仿真基础上，因此选择对隔音棉材质降噪仿真进行验证即可验证仿真模型的正确性。搭建的高压泵站降噪试验平台如图11所示。

高压泵站试验箱为2mm厚的碳钢板，前后面留有排风口，高压泵站放置于试验箱中间，发泡橡胶和三聚氰胺海绵材质的隔音棉通过背胶粘贴于试验箱内侧，铺设方式为全覆盖，隔音棉厚度为30 mm。试验利用噪声计对高压泵站噪声进行测量，测量精度为±1.5 dB。

　　4.2试验结果

　　设置高压泵站出口压力为20 MPa,通过噪声计对经过隔音棉和碳钢罩降噪后的高压泵站噪声进行测量。以距离试验箱100 mm处的5个面为基准，每个面取5个点，每个点测量2次，测量结果取平均值作为面平均噪声值，试验结果如表4所示。由表可知，高压泵站经过隔音棉和碳钢罩降噪后，前后侧面噪声在96 dB左右，其余面噪声在90 dB左右。将降噪仿真与试验进行对比，结果如表5所示。

由表可知，降噪仿真结果与试验结果最大差值为3dB,由于噪声计存在±1.5 dB的测量误差，因此降噪仿真模型仿真出来的结果与降噪仿真试验测量出来的结果比较接近，验证了降噪仿真模型与结果的正确性与有效性。

　　5结束语

　　(1)基于制动梁端轴空化射流除锈机高压泵站噪声

　　问题，分析泵站噪声源，根据现有降噪方法，采用铺设隔音棉的方式进行降噪，设计出一种高压泵站降噪方案，使高压泵站噪声符合国家规定的工业企业厂界环境噪声排放标准。

　　(2)基于COMSOL软件的声固耦合模块，建立高压

　　泵站降噪仿真模型，对隔音棉材质、铺设方式以及厚度进行降噪仿真，确定出高压泵站降噪方案中隔音棉配置参数，隔音棉材质为三聚氰胺海绵，铺设方式为全覆盖，厚度为90 mm。仿真结果表明，该降噪方案可将高压泵站原有100 dB的噪声降低至77 dB。

　　(3)基于高压泵站降噪仿真模型，搭建高压泵站降

　　噪试验平台进行试验，试验结果表明，试验结果与仿真结果最大差值为3dB,验证了降噪仿真模型与仿真结果的正确性和有效性。

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