空压机噪声控制实验研究

常 昊

（西山煤电股份有限公司西铭矿，山西 太原 030052）

引言

空压机为煤矿生产中必不可少的设备，将空气压缩至一定压力后为风钻、风镐等设备提供动力。在煤矿应用较为广泛的空压机类型包括风冷型空压机和水冷型空压机。空压机在实际使用中较为突出的问题为噪声较大，主要变现为声级高、频率低、传播距离远以及污染范围大，对现设备、仪器仪表的运行造成一定的干扰[1]。经研究表明，空压机的主要噪声源为进气噪声。本文重点对空压机进气噪声进行控制，有效降低生产现场的空压机噪声。

1 空压机噪声特性分析

本文以水冷式空压机为例开展研究，西铭矿所配置空压机最终输出压缩气体的压力为0.8 MPa，压缩过程共分为三个阶段。在实际应用现场，空压机所产生的噪声不仅会影响现场仪器仪表设备的稳定运行，还会对现场作业人员的健康造成影响。因此，无论从环保的角度还是从生产安全的角度来讲，非常有必要对空压机的噪声特性进行研究，并且针对性地提出噪声控制措施和方案。

为准确掌握空压机的噪声特性，需对空压机实际运行时所产生的噪声进行测量。同时，保证噪声测量值的准确性，需在特定场所（除地面外无条件反射）进行测量。验证特定场所是否合格的条件为：当测量点分别距离空压机为1倍或2倍长度时，两次所测定的声级差值不超过5 dB。本项目采用满足GB/T 3785标准或规定的声级计。注意：为能够真实还原现场空压机的噪声，在特定场所安装空压机时应尽量考虑操作现场的工作情况进行安装，并按照现场的工况运行[2]。经实际测量，得出空压机各个关键位置及连接点的噪声声级如表1所示。

表1 空压机噪声特征

同时，从噪声的频率点分析该型空压机噪声的主要频率集中于50~70 Hz的频率段。总的来讲，1级气缸的噪声值最大，可以肯定空压机的噪声主要为进气噪声，而且属于低频噪声。针对空压机的进气噪声，本文采用在其进气口加装消音器的方式进行解决。

2 空压机消音器的设计

本方案拟采用消音器对空压机进气口处的噪声进行处理。为保证消音器能够有效发挥其降噪的目的，在实际设计过程中需综合考虑声学性能、空气动力性能、机械结构性能以及成本的因素。除此之外，还需根据噪声声压级、频率以及周期等参数的不同，并结合相关标准要求具体确定消音器的消音量、类型以及材质和结构等[3]。

针对该型空压机噪声频率集中在50~70 Hz频率，综合各类消音器的消声原理和适用频率，本方案选用抗性消音器。结合空压机的参数，初步设计消音器的参数尺寸如表2所示。

表2 消音器初步尺寸参数的确定 mm

2.1 空腔体长度的确定

设定空腔体直径为300 mm，对空腔体长度（L）分别为350 mm、400 mm以及450 mm三种不同情况下的消音效果，即噪声的传递损失量进行仿真对比分析，从而得出最佳的空腔体长度，仿真结果如图1所示。

图1 不同空腔体长度对应消音器出口的噪声声压值

如图2所示，随着空腔体长度的减小，噪声对应的截止频率向后移。也就是说，在同一频率下随着空腔体长度的增加对应消音器出口噪声的声压级增大；而且，对应的通过消音器出口噪声频率的数量也增加[4]。因此，结合图2仿真结果和该型空压机噪声的特征，确定消音器空腔的长度为350 mm。

2.2 空腔体直径的确定

设定空腔体长度为250 mm，对空腔体直径分别为300 mm、250 mm以及200 mm三种不同情况下的消音效果，即噪声的传递损失量进行仿真对比分析，从而得出最佳的空腔体直径，仿真结果如图2所示。

图2 不同空腔体直径对应消音器出口的噪声声压值

如图2所示，随着空腔体直径的增加，对应消音器的扩张比增大，其对应的消音量也成比例增加。而且，随着空腔体直径的增加，对高频噪声而言其传播方式从平面波变化直接传递方式，对应的消音效果最佳。因此，结合该型空压机噪声频率主要集中50~70 Hz的频率段，将消音器空腔体的直径最终确定为300 mm。

2.3 消音器尺寸的确定

综合上述研究，最终对消音器的两项不确定参数进行确定。其中，消音器空腔体的长度为350 mm，空腔体的直径为300 mm。

3 消音器流体仿真分析及噪声控制实验研究

消音器在空压机上应用的主要作用是降低空压机的噪声。值得注意的是，消音器对空压机阻力特性的影响可能会干扰设备的稳定运行，即导致空压机输出气体的压力值不达标。为此，将基于FLUENT软件对空压机的阻力特性进行仿真分析，并对其实际应用效果进行评估。

3.1 消音器阻力特性仿真分析

根据消音器的尺寸基于SolidWorks软件建立三维模型，并将三维模型导入FLUENT软件中，并在FLUENT软件中对模型进行网格划分后设定边界条件[5]。结合空压机的运行工况设定的边界条件如下：入口压力为大气压力为101 325 Pa；空气的出口速度设定为11 m/s。并得出如图3所示的仿真结果。

图3 消音器内部压力仿真结果

通过仿真计算可得，消音器出口的压力值为100 748.17 Pa，在整个消音过程中，压力损失量为576.83 Pa。结合标准要求，该消音器的压力损失量在许可范围之内。

3.2 噪声控制实验验证

结合上述理论研究，所设计的消音器从理论层面上能够发挥其降噪的效果。为进一步对其降噪效果进行评估，将所设计的消音器按照要求加工出来，并将其安装于空压机的进气口，通过试验应用表明：该空压机50~70 Hz频段内的噪声已经全部消除，所发出的噪声仅为高频冲击噪声。

4 结论

1）该型空压机噪声的频率主要集中于50~70 Hz，而且噪声主要为进气口噪声。

2）综合进气噪声的声压等级、频率范围以及周期等参数，采用抗性消音器进行处理，并重点确定了消音器空腔体的直径为300 mm，长度为350 mm。

3）基于FLUENT软件对所设计消音器的阻力特性进行研究，该消音器的压力损失值仅为577 Pa；而且，通过实践应用所设计消音器可有效消除50~70 Hz频段内的噪声。