蘭月政,張 龍,翟之平,李鑄威,李 璨

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學 機械工程學院,呼和浩特 010051)

0 引言

秸稈揉碎機是一種介于鍘/切草機與粉碎機之間的牧草處理機器,其構(gòu)成單元主體是揉碎部分和拋送部分,牧草由揉碎部分處理后經(jīng)過拋送機構(gòu)拋出外面。設(shè)備在工作過程中會產(chǎn)生較大噪聲,對機器的性能、壽命及工人健康產(chǎn)生不良影響。

目前,對揉碎機噪聲方面的研究主要是通過試驗方法。李林、王娟等[1-2]針對9R-40設(shè)備,在實驗中分析噪聲來源,發(fā)現(xiàn)噪聲來自錘片架、物流、空氣的相互耦合,以及拋送葉輪高轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn),且主要產(chǎn)生部件是葉片拋送部分。張龍、翟之平[3]通過實驗對拋送部件在空載和牧草正常生產(chǎn)過程中的噪聲做了監(jiān)測,通過數(shù)據(jù)比對發(fā)現(xiàn)噪聲是氣動噪聲,且是在轉(zhuǎn)動過程中產(chǎn)生。因?qū)嶒炦^程需要的時間長、成本高,對影響氣動噪聲的因素尚不清楚。

對氣動噪聲進行了數(shù)值預測方面的研究工作,主要包括:日本學者Lim等[4]采用大渦模擬模型對小型徑向風機內(nèi)非定常流動進行了模擬,并預測了所產(chǎn)生的氣動噪聲,基于此提出了一種改進葉輪葉尖的低噪聲模型,與基礎(chǔ)模型相比總聲壓級降低0.8 dB。馬來西亞學者Paramasivam等[5]采用三維分離渦動模擬(DES)與Ffowcs Williams- Hawkings (FW-H)方程結(jié)合,對高速離心風機噪聲進行了預測。荷蘭學者Casalino等[6]采用極大渦模擬模型,計算了美國宇航局格倫研究中心試驗風機的非定常流場和輻射噪聲。

本文采用數(shù)值模擬與試驗研究結(jié)合驗證的方式,考慮拋送部件噪聲產(chǎn)生的因素,各種因素作用下部件噪聲能夠預測,從而為揉碎機噪聲優(yōu)化理論設(shè)計提供一定的支撐。

1 氣動噪聲數(shù)值計算與試驗驗證

揉碎機拋送部分的葉片數(shù)量為4個,厚度5mm,寬度160mm,葉輪的外直徑500mm,進料口尺寸為200mm×160mm,葉輪轉(zhuǎn)速1500r/min。

1.1 氣動噪聲數(shù)值模擬

氣動噪聲與拋送裝置內(nèi)流場流動特性密切相關(guān)。首先采用CFD軟件Fluent中的大渦模型(LES)對葉片式拋送裝置內(nèi)的湍流進行數(shù)值模擬,以獲取其內(nèi)流場壓力分布規(guī)律。裝置內(nèi)流場網(wǎng)格劃分及邊界條件設(shè)置參見文獻[7]。

葉片式拋送裝置的主要氣動噪聲源是偶極子聲源?？紤]到運動固體邊界拋送葉輪及靜止固體邊界外殼(包括出料管及進料口)對流體發(fā)聲的影響,在獲得拋送裝置拋送葉輪與外殼表面時域脈動壓力數(shù)據(jù)后,運用聲比擬理論FW-H方程將靜壓波動轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)葉輪與外殼表面的偶極子聲源;再利用聲學軟件LMS Virtual.lab Acoustic中的間接邊界元法,對拋送部分氣動噪聲輻射情況進行數(shù)值計算與分析,同時將外殼部件對聲的反射和散射一起結(jié)合進去。

Fluent與LMS Virtual.Lab Acoustic之間的數(shù)據(jù)傳遞采用CFD通用符號系統(tǒng)CFD General Notation System(CGNS)進行傳遞,計算設(shè)定值延續(xù)非穩(wěn)態(tài)運算的相關(guān)數(shù)值,只對計算步數(shù)進行調(diào)整,以1200步進行求解。

為了與實測值進行比較,在進口處和出口處各設(shè)置兩個相互垂直的平面場點,進料口處兩平面場點的外側(cè)交點對應試驗測點1(1.083,0,-0.155),出料口兩個相互垂直面的外側(cè)交點對應試驗測點2(0,1.826,0.928)。

1.2 拋送裝置氣動噪聲試驗和驗證

試驗用噪聲計由北京東方研究所TES-1352A提供,信號采集由INV3060S處理,軟件分析由DASP V10完成。考慮到預測數(shù)值的驗證比對,噪聲預測模型設(shè)置的場點與實驗中麥克風的設(shè)置一致,如圖1(a)所示。聲壓的測量點1和2分別設(shè)置麥克風,測量情況經(jīng)INV3060S型信號儀處理后輸入計算機,所接收數(shù)據(jù)的記錄和分析由軟件DASP V10負責處理,可以得到時頻特性參數(shù)。噪聲測試分析流程如圖1(b)所示。

圖1 氣動噪聲測點布置與試驗流程Fig.1 Aerodynamic noise measurement point arrangement and test procedure

對麥克風直接測量的總聲壓級與數(shù)值計算結(jié)果進行比較,如表1所示[8]。

表1 試驗與仿真氣動噪聲總聲壓級對比Table 1 Comparison of Total Acoustic Pressure Level of aerodynamic noise between test and simulation

由表1可知:進料口的總聲壓級差值為1.11 dB(A),出料口的總聲壓級差值為0.5 dB(A),仿真和實驗數(shù)值誤差不大。故氣動噪聲數(shù)值預測模型可靠,可以采用驗證后的氣動噪聲預測模型進行結(jié)構(gòu)參數(shù)影響分析。

2 拋送裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)對氣動噪聲的影響

2.1 葉輪葉片數(shù)量

設(shè)定其他參數(shù)不調(diào)整,只對影響拋送部件的葉片數(shù)量進行調(diào)整。依次設(shè)定葉片數(shù)量為3、4、5、6,對拋送裝置氣動噪聲進行數(shù)值仿真,對氣動噪聲受葉片數(shù)量的影響加以研究。

采用仿真軟件Virtual.Lab的Vector to Function Conversion模塊能夠得出進料和出料口處兩個測點在不同葉片數(shù)時的聲壓級頻譜圖,如圖2所示。

圖2 各葉片數(shù)的測點聲壓級頻譜圖Fig.2 Sound pressure level spectrogram with different number of blades

由圖2可知:3葉片時,有效聲壓級峰值集中于60～70 dB(A)之間,聲壓級均較低;4葉片時,有效聲壓級峰值集中于80～90dB(A)之間;5、6葉片時,有效聲壓級峰值集中于70dB(A)左右,峰值最高沒有超過80dB(A)。葉片數(shù)量為4時,較高的有效峰值在100Hz和400Hz左右出現(xiàn);葉片數(shù)量為5時,較高的有效聲壓級出現(xiàn)在500Hz和625Hz,其他頻率的聲壓級差值都在10 dB(A)左右。

深入分析測點氣動噪聲與葉片數(shù)的關(guān)系,由頻譜圖各點數(shù)據(jù)可計算各葉片數(shù)時的總聲壓級,如圖3所示。

圖3 總聲壓級隨葉片數(shù)的變化規(guī)律Fig.3 Total Sound Pressure Level with the number of blades

由圖3可知:葉片數(shù)為4時,裝置氣動噪聲的總聲壓級最大,且在基頻100Hz和4倍頻400Hz處聲壓級相對高。由此可知:4個葉片時氣動噪聲沒有明顯降低,動平衡和振動性能較低;進出料口氣動噪聲最低的是在葉片數(shù)量為3時。

2.2 葉片傾角

其他參數(shù)均保持不變,在0°(徑向葉片)、±5°、±10°、±15°等7種葉片傾角條件下,通過對拋送部件氣動噪聲的模擬,研究氣動噪聲和葉片傾角之間的相互作用關(guān)系。同理,可獲得各葉片傾角進料口與出料口處兩測點聲壓級的頻譜圖,如圖4所示。

由圖4可以看出:葉片傾角不同時,拋送裝置兩測點的聲壓級曲線基本類似,基頻100Hz處的聲壓級值均達到最大值,且集中于80～90 dB(A)之間;100Hz和400Hz左右區(qū)域聲壓級頻譜集中了有效峰值,在400Hz附近有效峰值集中的數(shù)量不相同。

通過頻譜圖4的相關(guān)數(shù)據(jù),可計算其總聲壓級,從而對葉片傾角和氣動噪聲監(jiān)測點的關(guān)系做出分析,如圖5所示。

圖5 不同葉片傾角時氣動噪聲總聲壓級Fig.5 Total Sound Pressure Level of blade inclination angles

由圖5可以看出:入口測點總聲壓級集中于87～90dB(A),變動幅度是3dB;出口處的測點范圍為81～87dB(A)。拋送部件出入口測點都是最小聲壓級的,葉片傾斜角度是+5°。徑向葉片情況下,出口聲壓級測點測得最大,但入口聲壓級較低。綜合以上論述,葉片傾角對裝置出料口處的氣動噪聲的影響比進料口處大。相比較當前設(shè)備采用的徑向葉片,調(diào)整為+5°傾角的葉片,能夠讓進料口的總體聲壓級降低1.3dB(A),且出料口的總體聲壓級降低6dB(A)。

2.3 出料管高度

設(shè)定其他結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)不變,研究揉碎機安裝和不安裝出料管兩種結(jié)構(gòu)裝置的氣動噪聲進行模擬計算,研究出料管高度對噪聲的影響。

不同出料管高度參數(shù)下,測量到進料口和出料口的聲壓級測點頻譜折線,如圖6所示。

圖6 出料管不同高度時測點聲壓級頻譜圖Fig.6 Sound pressure level spectrum with different discharge pipe heights

由圖6可知:拋送裝置安裝出料直管后,進料口測量點聲壓級頻譜圖的有效主峰值仍位于基頻100Hz處;但其幅值急劇下降,且與其他有效峰值幅值較接近。這是因為安裝出料直管使得裝置內(nèi)流場流動更加均勻,且受激振基頻與倍頻影響的區(qū)域更接近的緣故;不安裝出料直管時,聲壓級有效峰值集中于80dB(A)附近,而安裝出料直管后進口與出口有效峰值均集中于70dB(A)附近;不安裝出料直管聲壓級最大值位于進料口測點基頻處,安裝出料直管后聲壓級最大值位于出料口處400Hz處。為了進一步分析出料管高度對測點噪聲的影響規(guī)律,由頻譜圖6中的曲線數(shù)據(jù)計算其總聲壓級,如表2所示。

表2 不同出料管高度時的總聲壓級Table 2 Total Sound Pressure Levels with different outlet pipe Heights

由表2可知:安裝出料直管使出料管高度增加后,裝置進料口和出料口處的氣動噪聲聲壓級明顯降低。主要原因是:出料管高度增加后,出料管內(nèi)的氣流、物料及管壁相互間的摩擦增大使氣流的阻力損失增大。安裝出料直管后,入口測點總聲壓級小于出口測點總聲壓級,是因為出料直管的設(shè)置讓拋送部件聲模態(tài)產(chǎn)生變化的原因。因此,加大拋送部件出料管的高度可以降低其氣動噪聲。

3 結(jié)論

1)3個葉片時,進出料口的氣動噪聲測量值均最低。4個葉片時,動平衡的性能穩(wěn)定,振動小,但是氣動噪聲沒有有效降低。

2)葉片傾角對裝置出料口處的氣動噪聲的影響比進料口處大。與通常采用的徑向葉片比較,+5°傾角的葉片能夠使進口的噪聲降低約1.3 dB(A),出料口的總聲壓級降低大約6 dB(A)。

3)增大出料管高度可降低裝置的氣動噪聲,尤其是進料口處的氣動噪聲。