锤片式秸秆加工机械噪声研究

2024-06-10翟之平兰月政

饲料工业 2024年8期

■ 高波翟之平兰月政赵宇周强

（内蒙古工业大学，内蒙古呼和浩特 010051）

农作物秸秆资源化利用有利于推动农业绿色发展与可持续发展。农作物秸秆资源化利用有多种形式，秸秆经过揉丝、粉碎、铡切等多种加工方式处理后可以作为饲料饲喂牲畜，也可以还田作为肥料以及栽培食用菌使用，还可以作为工业原料或燃料等使用。对秸秆进行多种加工的机械主要有锤片式秸秆揉丝机、秸秆粉碎机、秸秆铡草机以及多功能秸秆加工机械。

目前，锤片式秸秆加工机械普遍存在振动与噪声大的问题。国外学者Carmine[1]早在1980 年研究发现锤片式粉碎机存在噪声大的问题，噪声高达100 dB（A）。国内学者王娟等[2]实测发现锤片式秸秆揉碎机噪声高达100～110 dB（A）。不仅影响工作人员的身心健康与工作环境，而且制约了该类机械向高品质方向发展。

文章主要对锤片式秸秆加工机械噪声特点、噪声基础理论与方法研究现状以及锤片式秸秆加工机械研究现状进行阐述与分析，在此基础上对该类机械噪声进行总结与展望，为锤片式秸秆加工机械降噪及减振设计提供参考与借鉴。

1 锤片式秸秆加工机械噪声特点与产生原因

锤片式加工机械所产生的噪声主要分为气动噪声与振动噪声[3-4]。其中气动噪声是引起噪声的主要来源[5]。王娟等[2]进一步分析表明锤片式秸秆揉碎机的气动噪声主要由转子旋转扰动内部流场引起的离散噪声以及流场中的涡流和边界层的吸附与分离引起的宽频噪声组成。对于振动噪声来说，由不平衡转子经内流场传递到外壳或经轴承传递到机架引发的噪声一般是呈周期性变化的，噪声为离散噪声；而机器内部秸秆物料与锤片、物料与机壳以及物料与物料间的碰撞引起的振动噪声一般是随机性的，频率连续为宽频噪声[6]。

锤片式加工机械产生气动噪声的主要原因是高速旋转转子上的锤片、动刀以及抛扔叶片对气流的规律性、周期性的扰动作用，使得转子外表面和外壳内表面产生气流压力脉动所形成的噪声，属于偶极子声源[6]。此外，由转子表面气体的压力和速度波动及漩涡脱离、破碎等原因引起的湍流噪声属于四极子声源。锤片式加工机械气动噪声源主要以偶极子声源与四极子声源为主。引起锤片式秸秆加工机械的振动噪声的主要振动源是不平衡转子旋转产生的离心惯性力，转子不平衡的原因之一是在满足设计要求的平衡精度前提下允许的最大不平衡度；另一原因是机器工作一段时间后由于锤片不均匀磨损导致的转子不平衡。传递路径之一是通过轴承传递到机体上引发振动并辐射噪声，另一传递路径是通过其内流场传递到外壳内壁引发外壳振动向外辐射噪声。除此之外，秸秆、饲草等物料破碎过程中与气流、锤片以及机壳等机械结构相互作用、碰撞使得气动与振动噪声耦合[7]。

2 锤片式秸秆加工机械噪声研究现状

2.1 噪声基础理论研究现状

振动噪声和气动噪声是现代声学研究的两大分支。振动噪声是研究固体振动激发的噪声，气动噪声则是关注流体运动激发的噪声。从17 世纪初，伽利略（Galileo Galilei）在研究单摆周期和物体振动中，展开了对声学的系统研究。在此之后，几乎所有杰出的物理学家都涉及一些对振动和声的研究。德国著名声学家克拉尼（Chladni）研究了声音在各种气体中的传播，并于1802 年出版了《声学》。19 世纪中叶，英国科学家瑞利勋爵（Lord Rayleigh）发表了《声学原理》，该书对19 世纪以及前二三百年的声学研究进行了归纳和总结，为现代声学的研究奠定了基础。在早期对振动噪声的分析中，学者采用的是基于声学基本方程通过特殊函数法和级数逼近的手段求解，但是这只适用于简单的问题。后来，学者采用差分法离散连续方程获得数值解，但是面对复杂结构和复杂边界条件的振动噪声问题还是无能为力。随着计算机的发展，有限元技术与边界元技术出现，在分析振动噪声时，由于结构振动模态与声辐射模态直接耦合，模态分析应运而生。Borgiotti[8]、Photiais[9]与Elliott[10]等学者都为模态理论的发展做出了贡献。对气动噪声来说，19世纪中叶，Navier 等推导出N-S 方程，该方程为了描述牛顿黏性流体运动规律并适用于层流运动和紊流运动，但对于紊流问题由于流体存在黏滞力的情况，使得该方程不便于求解[11]。N-S 方程的出现，为气动噪声的研究奠定了基础。20 世纪中叶，学者Lighthill[12]为计算超音速飞机喷嘴处的气动噪声，考虑到黏滞力的存在造成求解困难，建立了声学模拟理论，揭示出声与流动相互作用的本质，并由N-S 方程推导出了Lighthill方程。该方程建立了在自由空间下流场参数与声波波动量之间的联系，为气动声学的计算奠定了基础。但是由于该理论基于介质是静止的假设，而实际上在脉动湍流区内声源和介质都是运动的，并且流动剪切层内的速度是非均匀的，使噪声测试出现了一定的误差。Curle 为使Lighthill 方程适用于考虑静止固体边界的情况，使用了基尔霍夫积分的方法。结果表明：固体边界的作用可以等效为其边界上分布着的单极子、偶极子与四极子源共同作用的结果[13]。为解决运动固体边界对发声的问题，在20 世纪中叶，Ffowcs-Willams 和Hawkings 将Curle 理论推广到可以计算任意运动状态下任意形状物体的声辐射，即FWH 方程。由N-S 方程、Lighthill 方程、Curle 方程以及FW-H 方程基本构成了气动噪声研究的理论基础，由于计算机技术在声学研究的大规模应用，计算气动噪声的方法已经演变成为以理论为基础与计算机分析方法相结合，使噪声的预测变得更加准确。

2.2 噪声分析方法研究现状

2.2.1 气动噪声分析方法研究现状

计算气动声学（简称CAA）是一种基于数值模拟方法求解气动声学问题的方法。通过数值计算方法求解N-S 方程、欧拉方程等来求解非定常流动问题，进而确定声源类型和强度等相关问题。早期的计算气动声学的研究工作主要解决计算流体力学中的低精度与无边界反射问题。常见的计算气动声学求解方法主要包括直接声学计算法和混合声学计算法[14]。

直接声学计算法是通过数值方法直接求解全场的Navier-Stokes 方程。由于为了将小尺度信息进行表达，直接法要求网格个数进行加多处理，造成计算量变得巨大。此外，声场和流场之间存在巨大的信息差异，造成求解声场所需的计算资源相较于流场计算更加庞大。因此，目前直接声学计算法主要应用于声传播的机理研究，在求解复杂声学问题仍有很长的路要走。林大楷等[15]通过采用计算气动声学中的直接法对微孔共振腔吸声机理进行了研究，分析表明，腔口处黏性耗散和涡脱落是吸声的主要形式，且共振腔的吸声性能在入射波为共振腔固有频率时最优。Egorov等[16]在对高超声速气流速度下层流-湍流转捩现象利用超级计算机进行了直接数值模拟。Sun等[17]通过采用直接数值模拟方法对不同攻角下棒-翼型绕流的声学特性进行了研究，研究发现随着对攻角的增大，棒-翼构型的复合涡结构发生较大变化；当对攻角为15°时，水翼尾流区复合涡结构脱落引起的尾流噪声影响变强。

混合声学计算方法是将计算流体力学与计算气动声学相结合，即将计算流体力学在声源产生区域的计算优势与计算气动声学适合远场的特点结合，故混合计算方法相较直接声学计算法的计算效率更高。其中在声源区采用计算流体力学进行计算，而在声场区采用声类比法或声波传递方程计算。李亮等[18]以某型号扫路车专用风机为研究对象，采用声比拟理论和计算流体力学法对其气动噪声进行研究，发现该风机的噪声主要为低频噪声，吸力面的压力脉动是其噪声的主要来源，离散噪声在气动噪声中所占的比重较大。李东旭等[19]采用了计算流体力学和计算声学耦合方法对风电叶片翼型进行气动噪声数值模拟，研究发现风电叶片气动噪声属于宽频噪声和尾缘锯齿对中低频段的远场气动噪声有比较明显的降低效果。Nakhla[20]在针对割草机噪声的研究中，采用了计算气动声学中的混合声学计算方法进行了研究，并比较了数值模拟与实验的结果，为割草机的设计奠定了基础。朱茂桃等[21]在针对锯齿结构的车辆冷却风扇的噪声研究中，通过计算流体力学和计算气动声学联合仿真方法，对风扇的气动性能和气动噪声性能进行仿真预测。

分析气动噪声时，采用直接声学方法能够较为精准地预测近场噪声，但需要在空间和时间上都采用非常精密的网格，为了确定噪声频谱分布规律，对计算时间与计算量都有较高的要求。该方法在模拟声波对流场的反馈方面较混合声学计算方法有其独特的优势。因此，当声波对流场反馈可以忽略不计的情况下或者不需要较高的计算精度时，采用混合计算方法效率更高。反之，采用直接计算方法可以实现较高的精度。就锤片式秸秆加工机械而言，由于计算精度要求不是很高且不考虑声波对流场的反馈，故更适合采用混合计算方法。

2.2.2 振动噪声分析方法研究现状

模态是机械结构固有的振动特性，对模态进行分析，获得其模态数据，有利于机械振动的减少，进而减少其振动噪声。模态分析是在20世纪30年代在分析机械阻抗与导纳开始发展的。最初的模态分析是在机械设备上施加正弦激励使得机械产生振动来识别模态参数，但是由于计算机技术的限制，其识别精度受到很大的影响。随着计算机技术的发展，模态分析已经发展成为一套完整的分析结构振动的技术。Kukil 等[22]通过建模与实验的方法对内燃机的振动响应进行分析和预测。Bao等[23]采用了采用锤击法对纯电动汽车电机进行模态分析，得到各个模态的固有频率并综合对比分析结果，用于指导电机设计。Jin等[24]针对刮雪机变速箱产生过大噪音的问题，通过利用三维建模技术建立了变速箱的模型，并将其转化为有限元模型进行模态分析。通过分析各振动模态的特点，确定了齿轮箱箱体最容易产生振动的位置。经过多年的发展，模态分析已经成为分析机械振动噪声的必要手段之一。

谐响应分析用于确定结构在已知频率和幅值的简谐载荷作用下的稳态响应，为振动噪声计算提供声学边界条件。随着计算机技术的发展，谐响应分析逐渐衍生出多种方法，例如模态叠加法、完全法和缩减法。Guo 等[25]针对客车车身的振动与噪声研究中，采用了有限元模态分析和谐响应分析方法，以避免车身板共振和车身板与车内声场耦合。王洪涛等[26]为了解制动器尖叫噪声影响因素和发生机理，通过模态分析与谐响应分析相结合方法对其进行了研究。Il[27]为了研究肋板和材料变化对圆柱壳式变速箱降噪的影响，对不同材料的齿轮箱进行了模态和强迫谐响应分析。施佳辉等[28]对某电动汽车盘式制动器进行了研究并采用了谐响应分析的方法，得到不同阻尼比的制动盘振幅随频率的分布情况。

为了适应对不同结构、工况与不同激励下的振动噪声计算与分析，克服传统计算方法随振动结构和激励工况改变就需重新计算而使得计算量和时间非常巨大的弊端，声传递向量（ATV）与模态声传递向量（MATV）技术应运而生，使得快速进行多工况载荷条件下的振动噪声计算与结构声振优化分析成为可能。ATV 与MATV 认为在小压力干扰下，声学方程是线性的，将结构表面的振动与场点声压建立对应关系，进而将结构模态与场点声压建立起对应关系。解建坤等[29]运用声传递向量技术和模态声传递向量技术，对车身结构模态贡献量进行了分析并预测了场点声压影响较大的车身结构。赵亮亮[30]针对发动机辐射噪声大的问题，通过模态声传递向量技术与边界元法，计算得到其的辐射噪声响应。Liu 等[31]为了降低齿轮箱的辐射噪声，基于模态声传递向量法对单级齿轮箱的辐射噪声进行预测。除此之外，邹平等[32]、杨诚等[33]和廖连莹等[34]分别使用模态声传递向量法和声传递向量法对驾驶室、减速器壳体和电机进行辐射噪声的分析。

振动噪声的研究方法主要有模态分析方法、谐响应方法以及ATV 与MATV 分析方法。模态分析方法适用于研究机械的固有频率，为避免机械共振提供依据；谐响应分析方法是为了计算特定载荷作用下机械振动的频率，为振动噪声计算提供边界条件；而ATV与MATV 方法适用于在分析不同载荷情况下的振动噪声，相较于谐响应分析，有计算量小、效率高的特点，故对于锤片式秸秆加工机械等振动噪声大且计算量大的机械有独特优势。

2.3 锤片式秸秆加工机械噪声研究现状

锤片式秸秆揉碎机由我国自行研制，经检索，国外类似机械的研究未见报道。国内早期对揉碎机噪声方面的研究主要是通过试验方法，具有代表性的研究工作主要有：李林等[5]通过试验方法对内蒙古农业大学研制的9R-40 型揉碎机的噪声源及主要影响因素进行了研究，研究得出：锤片高速旋转时对空气的扰动引起的气动噪声是主要噪声源；转子的结构参数对噪声的产生有较大影响。王娟等[2]在此基础上对该揉碎机的噪声做了进一步研究。试验研究表明：①空载和负载的主要噪声源都是气动噪声；②抛送风扇（抛送叶轮）旋转产生的气动声是噪声的主要来源，其次是锤片，而导流板对噪声的影响不大，齿板具有吸声作用。随着计算流体力学与机械结构耦合噪声分析方法的研究最新进展，使得数值计算锤片式秸秆加工机械气动与振动噪声成为可能。翟之平等[35]采用流固耦合及声比拟理论对叶片式秸秆抛送装置内部非定常流动引起的外壳振动辐射噪声进行了数值预测及试验验证。Lun 等[7]在针对秸秆揉碎机壳体的辐射噪声研究中，采用计算流体力学-离散元耦合方法对其流场进行数值模拟；并对其壳体进行谐响应分析；采用有限元和声学边界元相结合的试验方法对其壳体振动噪声进行预测。研究发现：揉碎机壳体产生的振动噪声随着转子旋转所产生的激励频率的变化而变化；振动噪声在基频处取得最大值，在谐频处随频率增大而减小；入口处壳体的振动噪声最大，振动辐射噪声的主要噪声源为旋转的锤片式转子的偶极子声源。Zhang 等[6]为了准确识别饲料粉碎机的噪声源，采用基于传感器阵列的多点同步测量方法，对采集到的数据进行自谱分析和小波分析以及采用声固耦合方法对气动噪声和振动噪声的耦合噪声进行数值预测。研究表明：揉碎机噪声的首要来源是气动噪声；不平衡转子激励产生的机械噪声，以及材料与机械结构碰撞，在耦合噪声分布中起着重要作用；锤片式转子扰动气流产生的基频周围噪声能量占总能量的58.32%，三倍频周围噪声能量占9.15%，转子不平衡激励产生的噪声能量占7.05%，二倍频率周围噪声能量占4.34%。秸秆揉碎机内流场方面，王娟等[36]首次对9R-40型揉碎机内的定常气流流场进行了模拟，得到了其内部流场特征。宋学锋等[37]基于CFD-DEM方法对揉碎机排料装置内气流与物料的耦合作用及物料运动规律进行了模拟。石苏川等[38]采用CFD 技术与试验相结合的方法分析其内气流流动特性，以出料口平均气流速度最大为目标函数，采用多岛遗传算法对多功能饲草揉碎机内气流流动特性进行了优化。饲草揉碎机结构动态特性方面的研究工作主要有：王伟等[39]基于有限元软件对锤片等未磨损的揉碎机转子进行了自由模态分析，结果表明临界转速远大于转子正常工作时的转速，不会发生共振。Zhai 等[40]采用有限元动力学仿真及实测方法对9R-40 型饲草揉碎机抛送叶轮的自由模态及预应力模态进行计算，基于响应面优化方法对影响叶轮振动特性的结构参数进行了优化设计。岳瑶[41]采用振动试验、理论分析、模态试验及模态仿真相结合的方法，对揉碎机振动特性及振动产生机理进行探究，并对其进行了优化。研究发现：主轴转速对揉碎机振动贡献大；主轴转子转速在1 200～1 800 r/min不易发生共振。

锤片式粉碎机气动与振动噪声方面具有代表性的研究工作主要有：武佩等[4]通过对饲料粉碎机进行噪声测试，表明在空载和额定负载下的主要噪声源都是空气噪声；空载时风机叶片产生的噪声是主要的，负载时锤片旋转所产生的噪声是主要的。许涛等[42]对锤片式粉碎机噪声进行了试验研究。测试结果表明，空载噪声比负载高；空载时气动噪声为主要噪声；负载时主要是机械振动产生的固体噪声，即锤击物料和物料与筛子等机件产生的撞击摩擦声以及由主轴引起的机体振动噪声等。张文杰等[43]采用试验与仿真相结合的方式对某锤片式粉碎机进行整机声学性能评估和主要噪声源识别，研究发现：粉碎机的主要噪声源为箱体，其次为汽油机、带轮罩以及齿轮罩。锤片式粉碎机结构动态特性方面，杜小强等[44]和王晓博等[45]利用虚拟样机技术和有限元法对锤片式粉碎机转子系统进行了动态特性分析，并对结构进行了动态优化设计。锤片等磨损后对振动及噪声影响方面具有代表性的研究工作主要有：杜小强等[46]采用虚拟样机技术对锤片磨损够转子振动的影响规律进行了研究。研究表明：锤片磨损后，转子振动频率组成变化不大，振动幅值和强度变化较大。罗马尼亚学者Fenchea[47]、意大利学者Eugenio等[48]以及学者Alexander等[49]除研究锤片不均匀磨损对噪声的影响外，还探究了锤销及销孔的不均匀磨损对其振动及噪声的影响。

锤片式秸秆加工机械结构声优化设计方面，王金博[50]采用响应面优化方法对揉碎机转子动态特性进行研究，得到了可以避开共振的结构参数组合。曹丽英等[51]通过试验方法分析了锤片式粉碎机不同零部件与不同转速情况下的噪声，得到了对噪声影响最大的因素，并对其进行了优化。Lun 等[7]在对饲草揉碎机的外壳振动辐射噪声进行优化时，基于多目标遗传算法对其进行了多目标的优化，使得其辐射符合国家标准。Zhang 等[6]采用多目标优化方法对饲草揉碎机进行结构参数与工作参数进行优化，得到了结构与工作参数最佳匹配。

3 总结与展望

3.1 总结

通过对目前国内外学者对锤片式秸秆加工机械噪声的研究回顾可知：

① 锤片式秸秆加工机械工作时同时存在气动噪声与振动噪声。气动噪声主要由转子旋转扰动内部流场产生的离散噪声以及流场中的涡流和边界层的吸附与分离产生的宽频噪声组成。振动噪声主要由不平衡转子经内流场传递到外壳或经轴承传递到机架产生的离散噪声，以及机器内部秸秆物料与锤片、物料与机壳、物料与物料间的碰撞产生的随机宽频噪声组成。

② 气动噪声研究方法主要包括直接声学计算法和混合声学计算法，锤片式秸秆加工机械气动噪声研究主要采用试验研究与混合声学计算法相结合。振动噪声主要通过结构模态分析、谐响应分析等结构动态特性分析以及声传递向量（ATV）与模态声传递向量（MATV）技术来研究。

③ 结构声优化设计主要采用试验研究与响应面优化方法、多目标遗传算法结合对锤片式秸秆加工机械的结构与工作参数进行最佳匹配。