基于流體仿真技術(shù)的氣槍降噪噴頭研究

薛飛 黃忠 王其龍 李曉偉 黃巍

摘要：吹屑?xì)鈽屖菣C(jī)加工車間中廣泛應(yīng)用于清潔工件表面切削液、切屑的工具。高速流動(dòng)的空氣會(huì)產(chǎn)生噪聲，影響操作者的身心健康。從流體力學(xué)理論提出了降噪氣槍噴頭的設(shè)計(jì)思路，并通過Flow Simulation流體仿真軟件對(duì)降噪噴頭在不同吹屑環(huán)境下的聲學(xué)能級(jí)進(jìn)行研究，采用3D打印技術(shù)制做了降噪噴頭。經(jīng)過實(shí)際檢驗(yàn)，噪聲下降為原來的80%。

關(guān)鍵詞：雷諾數(shù)；流體仿真；降噪

吹屑?xì)鈽專ㄒ韵潞?jiǎn)稱氣槍）是用壓縮空氣動(dòng)能對(duì)工件、夾具上難以清潔部位吹掃，清除附著在工件表面的切屑和切削液（見圖1）。尤其適用于空間位置較小的孔系、內(nèi)腔等部位。具有清掃效果好、使用便捷的特點(diǎn)。在帶來便利的同時(shí)，氣槍也是機(jī)加工車間中產(chǎn)生噪聲的重要來源之一。長(zhǎng)期在噪聲環(huán)境中工作會(huì)導(dǎo)致耳鳴、神經(jīng)衰落、永久性聽力損傷。隨著人們對(duì)噪聲污染的日益重視，在保證吹掃力的同時(shí)如何減少氣槍吹掃過程中的噪聲有著重要的意義。

流體分析

根據(jù)流體力學(xué)知識(shí)，隨著壓縮空氣流速的提高，氣流由層流向紊流轉(zhuǎn)變。氣槍產(chǎn)生的噪聲就是因?yàn)閺臍鈽寚婎^高速噴涌出的壓縮空氣與噴頭周圍低壓的空氣產(chǎn)生了不穩(wěn)定的紊流。而紊流引起空氣的振動(dòng)、漩渦的破裂，產(chǎn)生向周圍輻射的噪聲。同時(shí)，紊流狀態(tài)下氣流的漩渦、軌跡曲折混亂的形態(tài)也使得氣流的動(dòng)能大量損耗，降低了吹掃力。

要消除氣槍產(chǎn)生的嘯叫噪聲就是要將氣槍噴頭處紊亂無序氣流的紊流狀態(tài)變?yōu)閷恿鳌Ａ黧w力學(xué)中，通常用雷諾公式及雷諾數(shù)Re來表達(dá)流體流動(dòng)情況：

Re=ρvd/μ ? ? ? ? （1）

式中 ?ρ——流體的密度；

v——流體的流速；

d —— 特征長(zhǎng)度，對(duì)于圓柱形管道用當(dāng)量直徑

來表示；

μ——黏性系數(shù)。

當(dāng)雷諾數(shù)較小時(shí)流體為層流，隨著雷諾數(shù)的增大，流體逐漸向紊流狀態(tài)過渡。由雷諾公式可知，如要減少雷諾數(shù)，可以減少流體的流速、密度、管道直徑，增加黏性系數(shù)。但壓縮空氣的密度、黏性系數(shù)由其物理特性決定無法改變。而減少流速會(huì)減少氣流動(dòng)能，降低吹掃力。采用將噴嘴設(shè)計(jì)成多個(gè)小孔的結(jié)構(gòu)，且小孔的總截面積與原氣槍開口管的截面積相等。達(dá)到既減少氣流噴口直徑，又不減少流量的目的。當(dāng)紊流轉(zhuǎn)變?yōu)閷恿鲿r(shí)，不僅降低了噪聲還避免氣流無續(xù)的損耗，提高定向動(dòng)能的轉(zhuǎn)化率。針對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)不同的氣槍結(jié)構(gòu)，分別設(shè)計(jì)了螺紋接口和光孔接口的兩種降噪噴頭（見圖2）。

基于流體仿真的聲學(xué)分析

分別建立降噪噴頭和普通開口管的三維模型（見圖3）。在噴頭尾部繪制氣管，在噴頭外部繪制一個(gè)圓通來模擬“風(fēng)洞”環(huán)境（見圖4）。

進(jìn)入Flow Simulation流體仿真軟件界面新建項(xiàng)目，設(shè)定常用的氣壓?jiǎn)挝籑Pa，分析類型為內(nèi)部，流體成分為空氣及標(biāo)準(zhǔn)大氣壓、環(huán)境溫度等參數(shù)（見圖5）。

氣槍管的輸入端及風(fēng)洞的兩端建立封蓋，并將氣槍管的輸入端壓力設(shè)為0.6MPa，風(fēng)洞的兩端壓力設(shè)為靜壓，即標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（見圖6）。

設(shè)定計(jì)算域和網(wǎng)格數(shù)量，對(duì)模型進(jìn)行運(yùn)算。在運(yùn)算結(jié)果切面圖中插入“聲學(xué)能級(jí)”的參數(shù)，可通過聲能分布等高線圖觀察噪聲大小和分布情況（見圖7）。

當(dāng)吹掃區(qū)域沒有任何障礙物時(shí)，傳統(tǒng)開口管最高198dB，降噪噴頭最高157.17dB。且傳統(tǒng)開口管噪聲分布范圍約是降噪噴頭的2倍（見圖8）。

當(dāng)氣槍垂直于工件表面時(shí)，傳統(tǒng)開口管最高151dB，降噪噴頭最高136dB。且傳統(tǒng)開口管噪聲分布范圍約是降噪噴頭的3倍（見圖9）。

當(dāng)氣槍對(duì)盲孔吹屑時(shí)，傳統(tǒng)開口管最高177dB，降噪噴頭最高147dB。且傳統(tǒng)開口管噪聲分布范圍約是降噪噴頭的6倍（見圖10）。

通過流體仿真分析，可得出結(jié)論。降噪噴頭可有效降低傳統(tǒng)氣槍的噪聲。尤其是在對(duì)平面和盲孔中吹屑這類易產(chǎn)生嘯叫的情況下，效果更明顯。

具體措施

降噪噴頭的基體是采用熔融沉積成型法（FDM）或光固化法（SLA）3D打印技術(shù)制造的。受3D打印工藝限制，直徑小于0.6mm的孔無法打印，因此將小孔直徑設(shè)定為0.6mm。同時(shí)，受3D打印制造精度限制，無法滿足與氣槍連接部位的精度要求。在降噪噴頭建模時(shí)，要對(duì)連接部位留有精加工余量。對(duì)螺紋接口的噴頭打印后，用板牙套外螺紋。對(duì)光孔接口的噴頭打印后，用鉸刀精加工連接孔徑。降噪噴頭與氣槍連接時(shí)最好在連接處涂抹密封膠，提高連接牢固性和密封性。如果沒有3d打印設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)也可以用塑料棒料機(jī)加工的方式加工噴頭（見圖11）。

結(jié)語

1）使氣槍噴射出的高壓氣流呈層流狀態(tài)。原氣槍實(shí)測(cè)噪聲112.3dB，安裝降噪噴頭后實(shí)測(cè)噪聲89.9dB。既噪聲下降為原來的80%，說明降噪噴頭可以有效降低氣槍噪聲（見圖12）。

2）由于減少原氣槍高速氣流在紊流狀態(tài)下無序摩擦、旋渦導(dǎo)致的能耗損失。使得高速氣流更加聚焦，提升吹掃效果。

3）采用3D打印和機(jī)加工方式組合的制造工藝。發(fā)揮了3D打印柔性、自動(dòng)化性高的特點(diǎn)，又用局部機(jī)加工解決了3D打印精度不高的問題。

結(jié)語

1）使氣槍噴射出的高壓氣流呈層流狀態(tài)。原氣槍實(shí)測(cè)噪聲112.3dB，安裝降噪噴頭后實(shí)測(cè)噪聲89.9dB。既噪聲下降為原來的80%，說明降噪噴頭可以有效降低氣槍噪聲（見圖12）。

2）由于減少原氣槍高速氣流在紊流狀態(tài)下無序摩擦、旋渦導(dǎo)致的能耗損失。使得高速氣流更加聚焦，提升吹掃效果。

3）采用3D打印和機(jī)加工方式組合的制造工藝。發(fā)揮了3D打印柔性、自動(dòng)化性高的特點(diǎn)，又用局部機(jī)加工解決了3D打印精度不高的問題。