錘片式粉碎機空氣動力性噪聲的研究

■曹麗英 張弘玉 張 逸 游安邦 焦 魏

(1.內蒙古科技大學機械工程學院，內蒙古包頭014010；2.中國農業科學院草原研究所，內蒙古呼和浩特010010）

錘片式粉碎機是飼料工業中應用最為廣泛的粉碎機械之一[1]，其良好的通用性、可靠的工作性能和便宜的價格優勢備受飼料加工業青睞[2]。飼料加工廠的噪聲一般都在90 dB(A)左右，有的甚至高達100 dB(A)以上，而粉碎機是重要的噪聲源[3]。根據噪聲源形式不同，粉碎機噪聲可分為氣動噪聲、機械噪聲和電磁噪聲，其中又以氣動噪聲為主[4]。研究粉碎機氣動噪聲對保護工人的身體健康及提高企業的效益具有重要意義[5-8]。本文以課題組研制的新型錘片式粉碎機為研究對象，采用Fluent與Virtual lab軟件對粉碎機聲場進行模擬仿真，并使用噪聲傳感器對粉碎機進行了噪聲測量分析。粉碎機結構示意圖如圖1所示[9-10]。

圖1 錘片式粉碎機樣機與結構

1 流場分析

1.1 網格劃分

模擬過程中選擇粉碎機內部流道作為計算區域，使用SolidWorks軟件對粉碎機進行三維建模，在建模時將粉碎機視為完全封閉的區域，省略細小縫隙和倒角，簡化流道的復雜程度。將三維模型導入到ANSYS Workbench中進行流道抽取。

在ANSYS的前處理模塊Meshing中進行網格劃分。因為在Fluent中使用動參考系（MRK）進行計算，所以在網格劃分時將流場區域劃分為動區域與靜區域，轉子部分作為動區域，其他部分為靜區域[10]。

粉碎機網格劃分質量對流場結果有較大影響，粉碎機在生產過程中，氣流從入料口進入，轉子的高速旋轉又使氣流產生繞轉子中心旋轉運動，再由出料口流出，同時部分氣流也會經回料管重新流入粉碎室，因此粉碎機內部會產生一個帶強旋轉的三維流場。在劃分網格時，采用四面體單元，對動區域進行加密處理，生成的網格模型如圖2所示。

圖2 粉碎機網格模型

1.2 設置邊界條件

將劃分好的網格導入Fluent模塊中，首先指定邊界類型，網格模型共有6個邊界條件需要設置，如表1所示。

表1 邊界類型

指定連續介質類型，網格類型分為轉動靜止兩部分，轉動部分設置轉速為2 500 r/min。粉碎機在工作時，內部流場是一個不穩定的湍流場，采用標準k-ε模型先進行穩態數值求解，控制方程包括質量守恒方程、動量守恒方程和湍動能k和耗散率ε方程，湍流模型方程為：

式中：Gk——由層流速度梯度而產生的湍流動能(m2s-2)；

Gb——由浮力而產生的湍流動能(m2s-2)；

YM——可壓縮湍流脈動膨脹對總的耗散率的影響;

C1ε、C2ε、C3ε——經驗常數；

σk、σε——湍動能和湍動耗散率對應的普朗特數[11]。

1.3 流場模擬結果與分析

對粉碎機額定轉速2 500 r/min下的內部流場進行穩態模擬，再以此為初始條件進行瞬態模擬，設置離散格式為二階迎風離散格式，壓力速度耦合采用標準SIMPLE算法求解；設置時間步長為0.002 s，步長數量為500，收斂精度為0.001。計算結果收斂后得到粉碎機內部壓力分布與速度分布如圖3、圖4所示。

圖3 轉速2 500 r/min時粉碎機壓力云圖

由圖3、圖4可知，在轉軸附近存在明顯的負壓集中區，負壓值沿徑向向外逐漸減小；由轉子表面速度矢量圖可以看出，空氣在粉碎機內部轉子的帶動作用下，氣流流經旋轉的錘片時產生了垂直于其表面的相對速度。錘片末端處的氣流速度很大，且要高于根部的速度。氣流流經錘片界面產生分裂時，形成附面層及漩渦分裂脫離，而引起錘片上壓力的脈動，輻射出一種非穩定的流動噪聲，即渦流噪聲。渦流噪聲的頻率主要取決錘片與氣流的相對速度，而相對速度又與旋轉轉子的圓周速率有關，圓周速率是隨著工作輪各點到轉軸軸心距離而連續變化的，所以可以判定湍流噪聲會是一段具有連續頻率波動的噪聲。

圖4 轉速2 500 r/min時粉碎機速度矢量圖

通過使用速度傳感器對粉碎機進料口與出料口處的氣流速度進行測量，其結果與模擬值進行對比，如表2所示。

表2 粉碎機進料口與出料口速度（m/s）

結果顯示測量值與模擬值基本吻合，模擬數值偏大的原因是實際中粉碎機樣機密封性差，存在漏風現象。因此可以說明粉碎機流場分析結果可靠，能夠作為聲場計算的初始條件。

2 粉碎機聲場分析

2.1 聲學網格繪制

在Virtual lab中劃分聲學網格。網格劃分方法和前面Fluent流場模型相似，因為聲學網格對網格質量的要求不高，所以可以將網格尺寸變大以提高計算速度。設聲音的傳播速度為c，某個單元的長度為L，計算的最大頻率為fmax則所有單元長度需滿足（2）式。

由粉碎機氣動噪聲主要為中低頻噪聲，取fmax為2 000 Hz，計算得到最大單元長度為28 mm，因此設置聲學網格最大單元長度為20 mm。將網格分為轉子與殼體兩部分，共包含得到聲學網格如圖5所示。

圖5 粉碎機聲學網格

2.2 聲學響應計算

在Virtual lab中創建Acoustic BEM模塊，將Fluent中計算得到的流體結果導入到聲學網格中，設置長度單位為毫米，質量單位為千克。設置聲場捕捉面，在據粉碎機表面0.5 m處，與轉軸同一水平面的四個方向及粉碎機正上方布置5個監測點，其中4個位于粉碎機轉軸同一個平面上：1號測點位于粉碎機正前方，入料口前；1號測點位于粉碎機后方；3號測點位于粉碎機左側，出料口下；4號測點位于粉碎機右側；5號測點位于粉碎機正上方。各測點的分布如圖6所示。

圖6 各監測點位置分布

接下來，在Virtual lab中新建Acoustic BEM模塊，導入上一章保存的CGNS流體結果文件，設置長度單位為毫米，質量單位為千克，其他量的單位為默認，導入的每一個CGNS文件都代表某一時間步時刻的流場數據，這里選擇導入的是流體節點的壓力數據。進行流體材料和屬性的定義，設置聲速為340 m/s，密度為1.225 kg/m3。將前面的流體材料賦予聲學網格，定義聲學邊界條件和聲源，插入聲學響應模塊后進行求解，得到粉碎機在不同頻率下聲壓級云圖如圖7所示。

圖7 粉碎機在不同頻率下的聲壓云圖分布

從圖7可以看出，在低頻時，在粉碎機殼體附近存在較大降幅，隨著向外輻射在粉碎機外場呈均勻分布，之后出料口附近聲壓級幅值增大，成為主要噪聲源，這與粉碎機出料口寬闊的結構相關。隨著頻率不斷升高，粉碎機外圍聲場出現不同程度的巨變，且其規律也不明顯，此時的聲場模擬結果有所偏差。

為了清晰地展現粉碎機氣動噪聲對外輻射的強度，提取5個監測點處的聲壓級頻率響應曲線進行分析，如圖8所示。

由圖8可以看出，在低頻區域5個監測點趨勢統一，隨著頻率增加，各監測點上的噪聲聲壓級逐漸增大，到166.7 Hz和333.3 Hz處達到峰值，之后逐漸降低。在峰值出現在166.7 Hz處附近，位于在粉碎機出料口附近的FP3監測點聲壓級最高，而處在遠離出料口的FP4監測點處聲壓級最低，符合客觀事實規律。但是隨著頻率增加，各監測點出現不同程度的不規則變化，可能是由于之前Fluent中產生計算誤差的原因。粉碎機的5個監測點在166.7 Hz處的噪聲聲壓級如表3所示。

表3 5個監測點在166.7 Hz處的噪聲聲壓級

3 粉碎機噪聲測試分析

本次試驗對象為課題組設計的新型錘片粉碎機樣機，轉子由4組錘片組成，每組中包含4葉錘片。粉碎機主軸額定轉速為2 500 r/min，如圖9所示。

圖9 錘片式粉碎機樣機

將粉碎機遠離墻壁或其他反射物進行聲壓級測量，布置5個與模擬中位置一致的測試點[12]。試驗器材為：

傳聲器（噪聲傳感器），2支；傳聲器傳感器導線，2根；數據采集儀，DT9837 1臺；筆記本電腦，ThinkpadL440 1臺；分析軟件，DEWESoft。

噪聲傳感器通過導線與數據采集儀相連接，采集儀與計算機連接。采集的噪聲信號經過傳感器進入數據采集儀后，數據采集儀將模擬信號轉化為計算技能識別的數字信號，最后在DEWEsoft軟件中進行數據處理，噪聲測量試驗原理如圖10所示[12-15]。

圖10 粉碎機噪聲測量試驗原理圖

在粉碎機額定轉速2 500 r/min下，對空載運行的粉碎機進行噪聲測量。將粉碎機正常平穩運行后對5個測量點的信號持續記錄1 mim，保存數據后在DEWESoft軟件中進行分析。粉碎機的噪聲屬于低中頻噪聲，經多次試驗分析后發現，對粉碎機噪聲峰值主要集中在1 000 Hz以下，故對上限1 000 Hz的信號進行分析，5個測量點的噪聲頻譜圖如圖11所示。

圖11 2 500 r/min轉速下粉碎機噪聲頻譜圖

分別對5個測點噪聲平均聲壓級進行計算，結果如表4所示。

表4 2 500 r/min下粉碎機測點噪聲統計

由圖11可以看出：頻譜圖中比較穩定的峰值點主要集中在41.7、84、167、335 Hz。其中：166.7 Hz為主要峰值點，是單排錘片作用的基頻，由轉子旋轉過程中錘片對空氣的擾動引起的，335 Hz為其二次諧波；41.7 Hz為次要峰值點，產生的原因是由于空氣沿軸向到出料口經過四排錘片架，形成的一種特殊壓力脈動。同時41.7 Hz也為轉子振動的基頻，也可能是由于粉碎機在運行過程中存在轉子的動不平衡，而產生的機械振動，84 Hz為它的二次諧波。

通過對5個測量點噪聲頻譜圖橫向對比分析可以得出結論：錘片式粉碎機主要噪聲頻率是由離散譜和連續譜組合而成的，離散噪聲是由旋轉噪聲組成的，而連續譜是振動噪聲和渦流噪聲組成的。166.7 Hz處的氣動噪聲為粉碎機主要噪聲源。由頻譜圖上可以看到，在低頻區域存在連續頻譜，考慮到渦流噪聲特性，認為引起低頻處幅值波動的應為渦流噪聲。

4 結論

①根據流場分析結果可以看出，粉碎機錘片末端與根部存在較大的速度差，氣流與錘片會產生相對速度，而渦流噪聲的頻率主要取決錘片與氣流的相對速度，因此確定粉碎機會在低頻處產生一段連續波動的湍流噪聲。

②通過聲場分析，由聲壓級云圖上可以看出：粉碎機氣動噪聲主要由寬闊的出料口向外輻射以及機殼輻射。仿真結果在低頻下能較好地模擬出粉碎機聲場分布。從5個監測點的聲壓級曲線中可以看出，粉碎機氣動噪聲峰值出于單錘片基頻166.7 Hz處。

③噪聲頻譜測試表明：5個測點頻譜圖中明顯的峰值為41.7、84、166.7 Hz和334 Hz。由計算得知，42、82 Hz分別為轉子基頻和二次諧波，產生的原因是由于空氣沿軸向到出料口經過四排錘片架，形成的一種特殊壓力脈動。167、334 Hz分別為單排錘片的基頻和二次諧波，形成原因是由于錘片擾動空氣引起的旋轉噪聲。在噪聲頻譜圖中的低頻處檢測到連續的寬頻信號，判斷是由粉碎機的湍流噪聲引起。