结构参数对秸秆揉碎机抛送装置气动噪声的影响分析

2020-10-19兰月政翟之平李铸威

农机化研究 2020年12期

兰月政,张龙,翟之平,李铸威,李璨

(内蒙古工业大学机械工程学院,呼和浩特 010051)

0 引言

秸秆揉碎机是一种介于铡/切草机与粉碎机之间的牧草处理机器,其构成单元主体是揉碎部分和抛送部分,牧草由揉碎部分处理后经过抛送机构抛出外面。设备在工作过程中会产生较大噪声,对机器的性能、寿命及工人健康产生不良影响。

目前,对揉碎机噪声方面的研究主要是通过试验方法。李林、王娟等[1-2]针对9R-40设备,在实验中分析噪声来源,发现噪声来自锤片架、物流、空气的相互耦合,以及抛送叶轮高转速旋转,且主要产生部件是叶片抛送部分。张龙、翟之平[3]通过实验对抛送部件在空载和牧草正常生产过程中的噪声做了监测,通过数据比对发现噪声是气动噪声,且是在转动过程中产生。因实验过程需要的时间长、成本高,对影响气动噪声的因素尚不清楚。

对气动噪声进行了数值预测方面的研究工作,主要包括:日本学者Lim等[4]采用大涡模拟模型对小型径向风机内非定常流动进行了模拟,并预测了所产生的气动噪声,基于此提出了一种改进叶轮叶尖的低噪声模型,与基础模型相比总声压级降低0.8 dB。马来西亚学者Paramasivam等[5]采用三维分离涡动模拟(DES)与Ffowcs Williams- Hawkings (FW-H)方程结合,对高速离心风机噪声进行了预测。荷兰学者Casalino等[6]采用极大涡模拟模型,计算了美国宇航局格伦研究中心试验风机的非定常流场和辐射噪声。

本文采用数值模拟与试验研究结合验证的方式,考虑抛送部件噪声产生的因素,各种因素作用下部件噪声能够预测,从而为揉碎机噪声优化理论设计提供一定的支撑。

1 气动噪声数值计算与试验验证

揉碎机抛送部分的叶片数量为4个,厚度5mm,宽度160mm,叶轮的外直径500mm,进料口尺寸为200mm×160mm,叶轮转速1500r/min。

1.1 气动噪声数值模拟

气动噪声与抛送装置内流场流动特性密切相关。首先采用CFD软件Fluent中的大涡模型(LES)对叶片式抛送装置内的湍流进行数值模拟,以获取其内流场压力分布规律。装置内流场网格划分及边界条件设置参见文献[7]。

叶片式抛送装置的主要气动噪声源是偶极子声源。考虑到运动固体边界抛送叶轮及静止固体边界外壳(包括出料管及进料口)对流体发声的影响,在获得抛送装置抛送叶轮与外壳表面时域脉动压力数据后,运用声比拟理论FW-H方程将静压波动转化为旋转叶轮与外壳表面的偶极子声源;再利用声学软件LMS Virtual.lab Acoustic中的间接边界元法,对抛送部分气动噪声辐射情况进行数值计算与分析,同时将外壳部件对声的反射和散射一起结合进去。

Fluent与LMS Virtual.Lab Acoustic之间的数据传递采用CFD通用符号系统CFD General Notation System(CGNS)进行传递,计算设定值延续非稳态运算的相关数值,只对计算步数进行调整,以1200步进行求解。

为了与实测值进行比较,在进口处和出口处各设置两个相互垂直的平面场点,进料口处两平面场点的外侧交点对应试验测点1(1.083,0,-0.155),出料口两个相互垂直面的外侧交点对应试验测点2(0,1.826,0.928)。

1.2 抛送装置气动噪声试验和验证

试验用噪声计由北京东方研究所TES-1352A提供,信号采集由INV3060S处理,软件分析由DASP V10完成。考虑到预测数值的验证比对,噪声预测模型设置的场点与实验中麦克风的设置一致,如图1(a)所示。声压的测量点1和2分别设置麦克风,测量情况经INV3060S型信号仪处理后输入计算机,所接收数据的记录和分析由软件DASP V10负责处理,可以得到时频特性参数。噪声测试分析流程如图1(b)所示。

图1 气动噪声测点布置与试验流程Fig.1 Aerodynamic noise measurement point arrangement and test procedure

对麦克风直接测量的总声压级与数值计算结果进行比较,如表1所示[8]。

表1 试验与仿真气动噪声总声压级对比Table 1 Comparison of Total Acoustic Pressure Level of aerodynamic noise between test and simulation

由表1可知:进料口的总声压级差值为1.11 dB(A),出料口的总声压级差值为0.5 dB(A),仿真和实验数值误差不大。故气动噪声数值预测模型可靠,可以采用验证后的气动噪声预测模型进行结构参数影响分析。

2 抛送装置结构参数对气动噪声的影响

2.1 叶轮叶片数量

设定其他参数不调整,只对影响抛送部件的叶片数量进行调整。依次设定叶片数量为3、4、5、6,对抛送装置气动噪声进行数值仿真,对气动噪声受叶片数量的影响加以研究。

采用仿真软件Virtual.Lab的Vector to Function Conversion模块能够得出进料和出料口处两个测点在不同叶片数时的声压级频谱图,如图2所示。

图2 各叶片数的测点声压级频谱图Fig.2 Sound pressure level spectrogram with different number of blades

由图2可知:3叶片时,有效声压级峰值集中于60～70 dB(A)之间,声压级均较低;4叶片时,有效声压级峰值集中于80～90dB(A)之间;5、6叶片时,有效声压级峰值集中于70dB(A)左右,峰值最高没有超过80dB(A)。叶片数量为4时,较高的有效峰值在100Hz和400Hz左右出现;叶片数量为5时,较高的有效声压级出现在500Hz和625Hz,其他频率的声压级差值都在10 dB(A)左右。

深入分析测点气动噪声与叶片数的关系,由频谱图各点数据可计算各叶片数时的总声压级,如图3所示。

图3 总声压级随叶片数的变化规律Fig.3 Total Sound Pressure Level with the number of blades

由图3可知:叶片数为4时,装置气动噪声的总声压级最大,且在基频100Hz和4倍频400Hz处声压级相对高。由此可知:4个叶片时气动噪声没有明显降低,动平衡和振动性能较低;进出料口气动噪声最低的是在叶片数量为3时。

2.2 叶片倾角

其他参数均保持不变,在0°(径向叶片)、±5°、±10°、±15°等7种叶片倾角条件下,通过对抛送部件气动噪声的模拟,研究气动噪声和叶片倾角之间的相互作用关系。同理,可获得各叶片倾角进料口与出料口处两测点声压级的频谱图,如图4所示。

由图4可以看出:叶片倾角不同时,抛送装置两测点的声压级曲线基本类似,基频100Hz处的声压级值均达到最大值,且集中于80～90 dB(A)之间;100Hz和400Hz左右区域声压级频谱集中了有效峰值,在400Hz附近有效峰值集中的数量不相同。

通过频谱图4的相关数据,可计算其总声压级,从而对叶片倾角和气动噪声监测点的关系做出分析,如图5所示。

图5 不同叶片倾角时气动噪声总声压级Fig.5 Total Sound Pressure Level of blade inclination angles

由图5可以看出:入口测点总声压级集中于87～90dB(A),变动幅度是3dB;出口处的测点范围为81～87dB(A)。抛送部件出入口测点都是最小声压级的,叶片倾斜角度是+5°。径向叶片情况下,出口声压级测点测得最大,但入口声压级较低。综合以上论述,叶片倾角对装置出料口处的气动噪声的影响比进料口处大。相比较当前设备采用的径向叶片,调整为+5°倾角的叶片,能够让进料口的总体声压级降低1.3dB(A),且出料口的总体声压级降低6dB(A)。

2.3 出料管高度

设定其他结构数据不变,研究揉碎机安装和不安装出料管两种结构装置的气动噪声进行模拟计算,研究出料管高度对噪声的影响。

不同出料管高度参数下,测量到进料口和出料口的声压级测点频谱折线,如图6所示。

图6 出料管不同高度时测点声压级频谱图Fig.6 Sound pressure level spectrum with different discharge pipe heights

由图6可知:抛送装置安装出料直管后,进料口测量点声压级频谱图的有效主峰值仍位于基频100Hz处;但其幅值急剧下降,且与其他有效峰值幅值较接近。这是因为安装出料直管使得装置内流场流动更加均匀,且受激振基频与倍频影响的区域更接近的缘故;不安装出料直管时,声压级有效峰值集中于80dB(A)附近,而安装出料直管后进口与出口有效峰值均集中于70dB(A)附近;不安装出料直管声压级最大值位于进料口测点基频处,安装出料直管后声压级最大值位于出料口处400Hz处。为了进一步分析出料管高度对测点噪声的影响规律,由频谱图6中的曲线数据计算其总声压级,如表2所示。

表2 不同出料管高度时的总声压级Table 2 Total Sound Pressure Levels with different outlet pipe Heights

由表2可知:安装出料直管使出料管高度增加后,装置进料口和出料口处的气动噪声声压级明显降低。主要原因是:出料管高度增加后,出料管内的气流、物料及管壁相互间的摩擦增大使气流的阻力损失增大。安装出料直管后,入口测点总声压级小于出口测点总声压级,是因为出料直管的设置让抛送部件声模态产生变化的原因。因此,加大抛送部件出料管的高度可以降低其气动噪声。