叶片式抛送装置噪声试验研究

张 龙，翟之平，李浩楠

(内蒙古工业大学，呼和浩特 010010)



叶片式抛送装置噪声试验研究

张 龙，翟之平，李浩楠

(内蒙古工业大学，呼和浩特 010010)

叶片式抛送装置广泛应用于牧草加工、谷物脱粒及秸秆粉碎还田等机械中，噪声高是叶片式抛送装置实际应用时的主要问题之一。为此，采用试验方法，通过对空载和负载时叶片式抛送装置的噪声进行实测，并对噪声信号进行频谱分析，结果表明：空载和负载叶片式抛送装置的噪声信号频谱结构非常相似，主要噪声源均为气动噪声，且都是旋转噪声，机械振动噪声及不平衡引起的噪声对整机噪声贡献不大；加入物料后主频频率略有增大，除了出料口气动噪声降低外，其余各测点噪声增大。

抛送装置；频谱分析；叶片；噪声

0 引言

叶片式抛送装置是一种将已加工(切碎、揉碎及粉碎)物料依靠高速旋转叶片产生的离心力和高速气流的综合作用将其抛送到指定位置的装置。目前，当抛送叶轮转速较高时，叶片式抛送装置主要存在噪声大的问题。对秸秆揉碎机的噪声研究表明：抛送装置噪声是主要噪声源[1-2]，不仅影响整机工作性能和使用寿命，同时影响到工作环境和操作人员的身心健康[3-5]。经检索，国内外对于叶片式抛送装置的研究主要集中在通过对抛送效率、功耗、抛送距离等性能指标的研究，以改进其结构参数[6-7]，而专门对抛送装置噪声的研究还未见报导。

为此，通过试验方法，对饲草揉碎机中叶片式抛送装置噪声的特性、规律进行研究，分析其产生原因，为饲草揉碎机低噪声设计和结构改进提供参考方案。

1 试验仪器与方法

1.1 试验仪器

试验采用北京东方振动和噪声技术研究所研制的TES-1352A 可程式噪音计，测量范围30dB～130dB(A)；INV3060S型信号采集分析仪；DASP V10分析软件；PC计算机等。

叶片式抛送装置试验台电机动力为5.5kW，叶轮转速为1 500 r/min，以2015年呼和浩特市郊区秋后收获的玉米秸秆切碎段为试验原料，含水率为34%～40%，平均密度 92.1 kg/m3，喂入量为 30 kg/ min。试验场地选择空旷场地，试验台用膨胀螺栓固定在地面上。

1.2 试验方法

测点布置参照《GB/T 2888-2008 风机和罗茨风机噪声测量方法》和《GB6971-2007饲料粉碎机试验方法》噪声测量标准。测量进料口噪声时，测点位置6是在进料口轴线上，与进料口中心的距离为1m；测量出料口噪声时，测点位置5是在与出料口轴线45°方向，与出料口中心的距离为1m。测点位置应选在无气流涡区处和电动机噪声及抛出物料影响较少的地方，如图1所示。测量装置外壳辐射噪声时，进料口、出料口噪声为背景噪声，必要时进行消声处理。外壳辐射噪声测点布置于距地面1m的水平面上，各测点在距离壳体1m处。测点1、3位于圆形外壳的前后两侧，测点2、4位于圆形外壳的左右两侧，如图1所示。

测量噪声时，将麦克风置于图1所示1～6点上用TES-1352A 可程式噪音计分别测试空载及负载条件下的噪声声压级，INV3060S型信号采集分析仪采集记录噪声信号并给测量头供电；然后在PC计算机上用DASP V10软件对信号进行频分析。测试时，在DASP V10中设置传声器灵敏度为30mV/Pa，采样时间为30s，分析参数为A级计权、汉宁窗滤波，采样频率为51.2kHz，输入类型为ICP。噪声测试分析流程如图2所示。

图1 测点布置图Fig.1 Distribution diagram of the measuring points

图2 噪声测试分析流程图Fig.2 Flow diagram of noise test and analysis

2 试验结果与分析

首先对背景噪声进行测试。其中，电动机背景噪声65dB左右，场地背景噪声为57dB左右，与装置平均噪声(84.7dB)相比差异较大，故不考虑背景噪声对试验测试数据和测量过程的影响。

2.1 各测点噪声分析

对图1中的6个测试点在空载和负载两种条件下的噪声测试结果如图3所示。由图3可知：无论是空载还是负载，各测点噪声变化趋势基本一致，出料口5点的噪声最大，进料口6点以及进料口附近的1点噪声次之，其余3点的噪声最小。出料口及进料口处的噪声为气动噪声，测点2、3、4点的噪声为外壳振动辐射噪声，由此可初步推测，叶片式抛送装置的主要噪声源为气动噪声。

图3 各测试点噪声值Fig.3 Noise curves of average test data

比较空载和负载相同测点的噪声可知，除出料口5点外，其余各点负载时噪声比空载要大。这是由于加入玉米秸秆切碎段之后，物料在进料口处与叶轮、抛送过程中与外壳等机件产生的撞击摩擦声使得装置的噪声均较大。而5点空载时的噪声值大于负载时的噪声值主要是由于出料口处噪声的主要成分是气动噪声，物料与装置撞击摩擦噪声对该点的影响较小。

2.2 噪声信号FFT自谱分析

分别对空载和负载时测点1～6噪声信号进行自谱分析。频谱分析方式采用最大值保持；频谱形式采用幅值谱peak；采用hanning窗函数。将纵坐标显示为声压级，如图4所示。

(a) 第1测点

(b) 第2测点

(c) 第3测点

(d) 第4测点

(e) 第5测点

(f) 第6测点图4 空载下各测点噪声自谱图Fig.4 Noise auto-power spectrum in each point in unload condition

2.2.1 空载时噪声信号的自谱分析

由图4中6个测点空载时的自谱图可知：测点1～6的频谱结构非常相似，主要噪声频率都是由离散谱和连续谱组合而成，离散噪声主要由旋转噪声组成，而连续谱主要由涡流噪声和干扰噪声组成。其中，旋转噪声是由抛送叶轮在旋转过程中，叶片周期性地与空气相互作用而产生的，其频率计算式为

f=inZ/60=100i(Hz)

其中，n为抛送叶轮转速，n=1 500r/min；Z为抛送叶轮的叶片数，Z=4；i为谐波数，i=1，2，3…，当i=1时为基频，基频为100Hz。

由图4可以看出：测点1～6的主频均为基频100 Hz，可见主要噪声均为旋转噪声。空载时各测点的主频峰值如表1所示。

表1 空载时各测点的主频峰值Table 1 Peak value of basic frequency in unload

比较空载时各测点的主频峰值可知：1、5点的峰值接近且较大，2、3、4点峰值次之，6点峰值最小。结合测点布置可知：物料入口气动噪声测试点6点的噪声信号在100Hz的幅值较小，这是由于入口气流较稳定。气动噪声较小；机壳辐射噪声测试点1点和物料出口气动噪声测试点5点的噪声信号在100Hz的幅值较大且相差不大，这是因为出料口气动噪声和前侧机壳振动辐射噪声都是主要由叶轮旋转产生的；3点在100Hz频率下峰值较1点小很多，主要是因为机壳后侧焊接有电机安装架等结构，对机壳的振动产生了抑制；2、4测点在100Hz频率下峰值较1点小很多，主要是由于2、4测点位于叶片式抛送装置机壳面积较小的左右两侧，机壳的振动辐射噪声较小；2点较4点在100Hz的峰值略大，主要是由于机壳左侧距建筑物较近，反射噪声对测量产生一定的影响。

结合图3的数据可知：第6测点主频峰值最低但总噪声较高，主要由于此点连续噪声成分较其他点大。

2.2.2 负载时噪声信号的自谱分析

图5为负载时各测点噪声自谱图。

(a) 第1测点

(b) 第2测点

(c) 第3测点

(d) 第4测点

(e) 第5测点

(f) 第6测点图5 负载下各测点噪声自谱图Fig.5 Noise auto-power spectrum in each point in load condition

由图5可知：负载时各测点的频谱结构也非常相似，主要噪声频率也都是由离散谱和连续谱组成的，只是各测点的主频均为基频101.562Hz。这是由于加入物料后，物料与气流流场的相互作用使得物料一定程度上影响了流场的性质；而且，由于低转速负载工作时，物料对振动噪声的影响得到凸显，使得物料对机壳的敲击作用也对叶片式抛送装置的频谱产生了一定的影响。因此，可适当地提高机壳的刚性以实现降噪。图5负载时各测点的主频峰值如表2所示。

表2 负载时各测点的主频峰值Table 2 Peak value of basic frequency in load

比较负载时各测点的主频峰值可知:6点峰值最大，1、3、5点峰值次之，2、4点的峰值相近且较小；除6点外其他各点负载时的主频峰值均较空载小。结合测点布置可知：负载时1、5测点主频峰值相似且较大，进一步说明了负载时出料口气动噪声和前侧机壳振动辐射噪声主要仍由叶轮旋转产生；负载时6点的峰值增加主要是由于物料使机壳振动噪声增大；而其他各点峰值降低主要是因为进入旋转区域的物料填充在抛送装置的空腔内，使得空腔的容积减小、气流流动减缓，导致出料口气动噪声降低，而且物料对噪声有一定的吸收作用。

比较图4和图5可知：相同测点负载时的1阶频率较空载时的1阶频率略有升高，主要原因是加入物料后，物料与气流流场的相互作用使得物料一定程度上影响了流场的性质；而且，由于低转速负载工作时，物料对振动噪声的影响得到凸显，使得物料对机壳的敲击作用也对叶片式抛送装置的频谱产生了一定的影响。因此，可适当的提高机壳的刚性以实现降噪。

结合图3的数据可知：空载时第6测点的噪声值较负载时大部分测点都小。由此可知，叶片式抛送装置在低速负载工作时，其振动噪声的特点也会被凸显。

由以上分析可知：叶片式抛送装置在空载和负载时的噪声成分是极其相似的，主峰的频率均对应旋转叶轮的基频，其他各阶频率也依次对应旋转叶轮的各阶谐波频率。由此可知：加入物料只会影响峰值的大小，不会改变噪声源的主要性质；降低叶片式抛送装置的空载噪声，同时也能够降低其负载噪声。因此，对空载时噪声信号的特性做进一步的分析。

2.2.3 第5测点空载噪声自谱分析

为进一步对空载噪声进行分析，对空载时噪声值最高的第5测点的自谱图做进一步分析。第5测点空载噪声自谱图如图6所示。

对图6分析可知：叶片式抛送装置在该点的离散信号主要分布在1 400Hz以下，其随机信号则主要分布在2 000Hz以下；主峰值100Hz以下还有较明显的25、40、50、61、75Hz等频率峰值。其中的25、50、75Hz实际上为抛送装置在运转过程中产生的机械振动， 是

电机的基频25Hz(1 500r/min)及其2阶3阶谐波频率；其他40Hz等峰值是由旋转不平衡等机械振动所引起的。由自谱曲线可知：机械振动噪声的幅值相对较小，即机械振动噪声对叶片式抛送装置的整机噪声影响较小。

3 结论

1)叶片式抛送装置空载和负载噪声的主要成分都是气动噪声，且都是旋转噪声；噪声的次要成分是由装置不平衡及机壳振动引起。

2)空载和负载时的噪声信号频谱结构极其相似，可见对叶片式抛送装置进行结构优化设计时降低空载噪声即可降低负载噪声；加入物料后主频频率略有增大且出料口噪声降低。

3)低转速负载工作时，加入物料后除出料口外，其余各测点噪声增大，对噪声的影响会被凸显。因此，适当地提高外壳的刚性，可以有效控制噪声。

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The Noise Experiment Research of an Impeller-blower

Zhang Long，Zhai Zhiping，Li Haonan

(Inner Mongolia University of technology, Huhhot 010010, China)

Impeller-blower is widely applied in agricultural engineering, such as forage processing, grain threshing, straw crushing. High noise is one of the main problems in the practical application of impeller-blower. Through experimental research and spectral analysis, the main conclusions are as follows: noise spectrum of impeller-blower under different operating condition are very similar to each other; the main noise of the impeller-blower is the aerodynamic noise instead of mechanical vibration noise, and all of them are rotation noise; the proportion of the noise caused by mechanical vibration and imbalance in the whole noise is small; after adding the material, the frequency increases slightly and the SPL data of most points are increased.

impeller-blower； spectrum analysis； leaf blade； noise

2016-03-11

国家自然科学基金项目(51165025)；内蒙古自然科学基金项目(2014MS0512)

张 龙(1993- ), 男, 内蒙古乌兰察布人, 硕士研究生, (E-mail)599126418@qq.com。

翟之平(1966- ), 女, 河北邢台人，副教授, 硕士生导师, 博士, (E-mail)654499136@qq.com。

S817.12

A

1003-188X(2017)03-0192-05