結構參數對秸稈揉碎機拋送裝置氣動噪聲的影響分析

蘭月政,張 龍,翟之平,李鑄威,李 璨

(內蒙古工業大學 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過拋送機構拋出外面。設備在工作過程中會產生較大噪聲,對機器的性能、壽命及工人健康產生不良影響。

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設備,在實驗中分析噪聲來源,發現噪聲來自錘片架、物流、空氣的相互耦合,以及拋送葉輪高轉速旋轉,且主要產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過程中的噪聲做了監測,通過數據比對發現噪聲是氣動噪聲,且是在轉動過程中產生。因實驗過程需要的時間長、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非定常流動進行了模擬,并預測了所產生的氣動噪聲,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。

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

1 氣動噪聲數值計算與試驗驗證

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

1.1 氣動噪聲數值模擬

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

葉片式拋送裝置的主要氣動噪聲源是偶極子聲源。考慮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據后,運用聲比擬理論FW-H方程將靜壓波動轉化為旋轉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值計算與分析,同時將外殼部件對聲的反射和散射一起結合進去。

Fluent與LMS Virtual.Lab Acoustic之間的數據傳遞采用CFD通用符號系統CFD General Notation System(CGNS)進行傳遞,計算設定值延續非穩態運算的相關數值,只對計算步數進行調整,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置兩個相互垂直的平面場點,進料口處兩平面場點的外側交點對應試驗測點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。考慮到預測數值的驗證比對,噪聲預測模型設置的場點與實驗中麥克風的設置一致,如圖1(a)所示。聲壓的測量點1和2分別設置麥克風,測量情況經INV3060S型信號儀處理后輸入計算機,所接收數據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。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值計算結果進行比較,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),仿真和實驗數值誤差不大。故氣動噪聲數值預測模型可靠,可以采用驗證后的氣動噪聲預測模型進行結構參數影響分析。

2 拋送裝置結構參數對氣動噪聲的影響

2.1 葉輪葉片數量

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

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時的聲壓級頻譜圖,如圖2所示。

圖2 各葉片數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)。葉片數量為4時,較高的有效峰值在100Hz和400Hz左右出現;葉片數量為5時,較高的有效聲壓級出現在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的關系,由頻譜圖各點數據可計算各葉片數時的總聲壓級,如圖3所示。

圖3 總聲壓級隨葉片數的變化規律Fig.3 Total Sound Pressure Level with the number of blades

由圖3可知:葉片數為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量為3時。

2.2 葉片傾角

其他參數均保持不變,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量不相同。

通過頻譜圖4的相關數據,可計算其總聲壓級,從而對葉片傾角和氣動噪聲監測點的關系做出分析,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。相比較當前設備采用的徑向葉片,調整為+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

設定其他結構數據不變,研究揉碎機安裝和不安裝出料管兩種結構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流場流動更加均勻,且受激振基頻與倍頻影響的區域更接近的緣故;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律,由頻譜圖6中的曲線數據計算其總聲壓級,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置讓拋送部件聲模態產生變化的原因。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。