張 龍，翟之平，李浩楠

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)，呼和浩特 010010)

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葉片式拋送裝置噪聲試驗(yàn)研究

張 龍，翟之平，李浩楠

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)，呼和浩特 010010)

葉片式拋送裝置廣泛應(yīng)用于牧草加工、谷物脫粒及秸稈粉碎還田等機(jī)械中，噪聲高是葉片式拋送裝置實(shí)際應(yīng)用時(shí)的主要問題之一。為此，采用試驗(yàn)方法，通過對空載和負(fù)載時(shí)葉片式拋送裝置的噪聲進(jìn)行實(shí)測，并對噪聲信號進(jìn)行頻譜分析，結(jié)果表明：空載和負(fù)載葉片式拋送裝置的噪聲信號頻譜結(jié)構(gòu)非常相似，主要噪聲源均為氣動噪聲，且都是旋轉(zhuǎn)噪聲，機(jī)械振動噪聲及不平衡引起的噪聲對整機(jī)噪聲貢獻(xiàn)不大；加入物料后主頻頻率略有增大，除了出料口氣動噪聲降低外，其余各測點(diǎn)噪聲增大。

拋送裝置；頻譜分析；葉片；噪聲

0 引言

葉片式拋送裝置是一種將已加工(切碎、揉碎及粉碎)物料依靠高速旋轉(zhuǎn)葉片產(chǎn)生的離心力和高速氣流的綜合作用將其拋送到指定位置的裝置。目前，當(dāng)拋送葉輪轉(zhuǎn)速較高時(shí)，葉片式拋送裝置主要存在噪聲大的問題。對秸稈揉碎機(jī)的噪聲研究表明：拋送裝置噪聲是主要噪聲源[1-2]，不僅影響整機(jī)工作性能和使用壽命，同時(shí)影響到工作環(huán)境和操作人員的身心健康[3-5]。經(jīng)檢索，國內(nèi)外對于葉片式拋送裝置的研究主要集中在通過對拋送效率、功耗、拋送距離等性能指標(biāo)的研究，以改進(jìn)其結(jié)構(gòu)參數(shù)[6-7]，而專門對拋送裝置噪聲的研究還未見報(bào)導(dǎo)。

為此，通過試驗(yàn)方法，對飼草揉碎機(jī)中葉片式拋送裝置噪聲的特性、規(guī)律進(jìn)行研究，分析其產(chǎn)生原因，為飼草揉碎機(jī)低噪聲設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供參考方案。

1 試驗(yàn)儀器與方法

1.1 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)采用北京東方振動和噪聲技術(shù)研究所研制的TES-1352A 可程式噪音計(jì)，測量范圍30dB～130dB(A)；INV3060S型信號采集分析儀；DASP V10分析軟件；PC計(jì)算機(jī)等。

葉片式拋送裝置試驗(yàn)臺電機(jī)動力為5.5kW，葉輪轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，以2015年呼和浩特市郊區(qū)秋后收獲的玉米秸稈切碎段為試驗(yàn)原料，含水率為34%～40%，平均密度 92.1 kg/m3，喂入量為 30 kg/ min。試驗(yàn)場地選擇空曠場地，試驗(yàn)臺用膨脹螺栓固定在地面上。

1.2 試驗(yàn)方法

測點(diǎn)布置參照《GB/T 2888-2008 風(fēng)機(jī)和羅茨風(fēng)機(jī)噪聲測量方法》和《GB6971-2007飼料粉碎機(jī)試驗(yàn)方法》噪聲測量標(biāo)準(zhǔn)。測量進(jìn)料口噪聲時(shí)，測點(diǎn)位置6是在進(jìn)料口軸線上，與進(jìn)料口中心的距離為1m；測量出料口噪聲時(shí)，測點(diǎn)位置5是在與出料口軸線45°方向，與出料口中心的距離為1m。測點(diǎn)位置應(yīng)選在無氣流渦區(qū)處和電動機(jī)噪聲及拋出物料影響較少的地方，如圖1所示。測量裝置外殼輻射噪聲時(shí)，進(jìn)料口、出料口噪聲為背景噪聲，必要時(shí)進(jìn)行消聲處理。外殼輻射噪聲測點(diǎn)布置于距地面1m的水平面上，各測點(diǎn)在距離殼體1m處。測點(diǎn)1、3位于圓形外殼的前后兩側(cè)，測點(diǎn)2、4位于圓形外殼的左右兩側(cè)，如圖1所示。

測量噪聲時(shí)，將麥克風(fēng)置于圖1所示1～6點(diǎn)上用TES-1352A 可程式噪音計(jì)分別測試空載及負(fù)載條件下的噪聲聲壓級，INV3060S型信號采集分析儀采集記錄噪聲信號并給測量頭供電；然后在PC計(jì)算機(jī)上用DASP V10軟件對信號進(jìn)行頻分析。測試時(shí)，在DASP V10中設(shè)置傳聲器靈敏度為30mV/Pa，采樣時(shí)間為30s，分析參數(shù)為A級計(jì)權(quán)、漢寧窗濾波，采樣頻率為51.2kHz，輸入類型為ICP。噪聲測試分析流程如圖2所示。

圖1 測點(diǎn)布置圖Fig.1 Distribution diagram of the measuring points

圖2 噪聲測試分析流程圖Fig.2 Flow diagram of noise test and analysis

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

首先對背景噪聲進(jìn)行測試。其中，電動機(jī)背景噪聲65dB左右，場地背景噪聲為57dB左右，與裝置平均噪聲(84.7dB)相比差異較大，故不考慮背景噪聲對試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)和測量過程的影響。

2.1 各測點(diǎn)噪聲分析

對圖1中的6個(gè)測試點(diǎn)在空載和負(fù)載兩種條件下的噪聲測試結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：無論是空載還是負(fù)載，各測點(diǎn)噪聲變化趨勢基本一致，出料口5點(diǎn)的噪聲最大，進(jìn)料口6點(diǎn)以及進(jìn)料口附近的1點(diǎn)噪聲次之，其余3點(diǎn)的噪聲最小。出料口及進(jìn)料口處的噪聲為氣動噪聲，測點(diǎn)2、3、4點(diǎn)的噪聲為外殼振動輻射噪聲，由此可初步推測，葉片式拋送裝置的主要噪聲源為氣動噪聲。

圖3 各測試點(diǎn)噪聲值Fig.3 Noise curves of average test data

比較空載和負(fù)載相同測點(diǎn)的噪聲可知，除出料口5點(diǎn)外，其余各點(diǎn)負(fù)載時(shí)噪聲比空載要大。這是由于加入玉米秸稈切碎段之后，物料在進(jìn)料口處與葉輪、拋送過程中與外殼等機(jī)件產(chǎn)生的撞擊摩擦聲使得裝置的噪聲均較大。而5點(diǎn)空載時(shí)的噪聲值大于負(fù)載時(shí)的噪聲值主要是由于出料口處噪聲的主要成分是氣動噪聲，物料與裝置撞擊摩擦噪聲對該點(diǎn)的影響較小。

2.2 噪聲信號FFT自譜分析

分別對空載和負(fù)載時(shí)測點(diǎn)1～6噪聲信號進(jìn)行自譜分析。頻譜分析方式采用最大值保持；頻譜形式采用幅值譜peak；采用hanning窗函數(shù)。將縱坐標(biāo)顯示為聲壓級，如圖4所示。

(a) 第1測點(diǎn)

(b) 第2測點(diǎn)

(c) 第3測點(diǎn)

(d) 第4測點(diǎn)

(e) 第5測點(diǎn)

(f) 第6測點(diǎn)圖4 空載下各測點(diǎn)噪聲自譜圖Fig.4 Noise auto-power spectrum in each point in unload condition

2.2.1 空載時(shí)噪聲信號的自譜分析

由圖4中6個(gè)測點(diǎn)空載時(shí)的自譜圖可知：測點(diǎn)1～6的頻譜結(jié)構(gòu)非常相似，主要噪聲頻率都是由離散譜和連續(xù)譜組合而成，離散噪聲主要由旋轉(zhuǎn)噪聲組成，而連續(xù)譜主要由渦流噪聲和干擾噪聲組成。其中，旋轉(zhuǎn)噪聲是由拋送葉輪在旋轉(zhuǎn)過程中，葉片周期性地與空氣相互作用而產(chǎn)生的，其頻率計(jì)算式為

f=inZ/60=100i(Hz)

其中，n為拋送葉輪轉(zhuǎn)速，n=1 500r/min；Z為拋送葉輪的葉片數(shù)，Z=4；i為諧波數(shù)，i=1，2，3…，當(dāng)i=1時(shí)為基頻，基頻為100Hz。

由圖4可以看出：測點(diǎn)1～6的主頻均為基頻100 Hz，可見主要噪聲均為旋轉(zhuǎn)噪聲。空載時(shí)各測點(diǎn)的主頻峰值如表1所示。

表1 空載時(shí)各測點(diǎn)的主頻峰值Table 1 Peak value of basic frequency in unload

比較空載時(shí)各測點(diǎn)的主頻峰值可知：1、5點(diǎn)的峰值接近且較大，2、3、4點(diǎn)峰值次之，6點(diǎn)峰值最小。結(jié)合測點(diǎn)布置可知：物料入口氣動噪聲測試點(diǎn)6點(diǎn)的噪聲信號在100Hz的幅值較小，這是由于入口氣流較穩(wěn)定。氣動噪聲較?。粰C(jī)殼輻射噪聲測試點(diǎn)1點(diǎn)和物料出口氣動噪聲測試點(diǎn)5點(diǎn)的噪聲信號在100Hz的幅值較大且相差不大，這是因?yàn)槌隽峡跉鈩釉肼暫颓皞?cè)機(jī)殼振動輻射噪聲都是主要由葉輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的；3點(diǎn)在100Hz頻率下峰值較1點(diǎn)小很多，主要是因?yàn)闄C(jī)殼后側(cè)焊接有電機(jī)安裝架等結(jié)構(gòu)，對機(jī)殼的振動產(chǎn)生了抑制；2、4測點(diǎn)在100Hz頻率下峰值較1點(diǎn)小很多，主要是由于2、4測點(diǎn)位于葉片式拋送裝置機(jī)殼面積較小的左右兩側(cè)，機(jī)殼的振動輻射噪聲較小；2點(diǎn)較4點(diǎn)在100Hz的峰值略大，主要是由于機(jī)殼左側(cè)距建筑物較近，反射噪聲對測量產(chǎn)生一定的影響。

結(jié)合圖3的數(shù)據(jù)可知：第6測點(diǎn)主頻峰值最低但總噪聲較高，主要由于此點(diǎn)連續(xù)噪聲成分較其他點(diǎn)大。

2.2.2 負(fù)載時(shí)噪聲信號的自譜分析

圖5為負(fù)載時(shí)各測點(diǎn)噪聲自譜圖。

(a) 第1測點(diǎn)

(b) 第2測點(diǎn)

(c) 第3測點(diǎn)

(d) 第4測點(diǎn)

(e) 第5測點(diǎn)

(f) 第6測點(diǎn)圖5 負(fù)載下各測點(diǎn)噪聲自譜圖Fig.5 Noise auto-power spectrum in each point in load condition

由圖5可知：負(fù)載時(shí)各測點(diǎn)的頻譜結(jié)構(gòu)也非常相似，主要噪聲頻率也都是由離散譜和連續(xù)譜組成的，只是各測點(diǎn)的主頻均為基頻101.562Hz。這是由于加入物料后，物料與氣流流場的相互作用使得物料一定程度上影響了流場的性質(zhì)；而且，由于低轉(zhuǎn)速負(fù)載工作時(shí)，物料對振動噪聲的影響得到凸顯，使得物料對機(jī)殼的敲擊作用也對葉片式拋送裝置的頻譜產(chǎn)生了一定的影響。因此，可適當(dāng)?shù)靥岣邫C(jī)殼的剛性以實(shí)現(xiàn)降噪。圖5負(fù)載時(shí)各測點(diǎn)的主頻峰值如表2所示。

表2 負(fù)載時(shí)各測點(diǎn)的主頻峰值Table 2 Peak value of basic frequency in load

比較負(fù)載時(shí)各測點(diǎn)的主頻峰值可知:6點(diǎn)峰值最大，1、3、5點(diǎn)峰值次之，2、4點(diǎn)的峰值相近且較?。怀?點(diǎn)外其他各點(diǎn)負(fù)載時(shí)的主頻峰值均較空載小。結(jié)合測點(diǎn)布置可知：負(fù)載時(shí)1、5測點(diǎn)主頻峰值相似且較大，進(jìn)一步說明了負(fù)載時(shí)出料口氣動噪聲和前側(cè)機(jī)殼振動輻射噪聲主要仍由葉輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生；負(fù)載時(shí)6點(diǎn)的峰值增加主要是由于物料使機(jī)殼振動噪聲增大；而其他各點(diǎn)峰值降低主要是因?yàn)檫M(jìn)入旋轉(zhuǎn)區(qū)域的物料填充在拋送裝置的空腔內(nèi)，使得空腔的容積減小、氣流流動減緩，導(dǎo)致出料口氣動噪聲降低，而且物料對噪聲有一定的吸收作用。

比較圖4和圖5可知：相同測點(diǎn)負(fù)載時(shí)的1階頻率較空載時(shí)的1階頻率略有升高，主要原因是加入物料后，物料與氣流流場的相互作用使得物料一定程度上影響了流場的性質(zhì)；而且，由于低轉(zhuǎn)速負(fù)載工作時(shí)，物料對振動噪聲的影響得到凸顯，使得物料對機(jī)殼的敲擊作用也對葉片式拋送裝置的頻譜產(chǎn)生了一定的影響。因此，可適當(dāng)?shù)奶岣邫C(jī)殼的剛性以實(shí)現(xiàn)降噪。

結(jié)合圖3的數(shù)據(jù)可知：空載時(shí)第6測點(diǎn)的噪聲值較負(fù)載時(shí)大部分測點(diǎn)都小。由此可知，葉片式拋送裝置在低速負(fù)載工作時(shí)，其振動噪聲的特點(diǎn)也會被凸顯。

由以上分析可知：葉片式拋送裝置在空載和負(fù)載時(shí)的噪聲成分是極其相似的，主峰的頻率均對應(yīng)旋轉(zhuǎn)葉輪的基頻，其他各階頻率也依次對應(yīng)旋轉(zhuǎn)葉輪的各階諧波頻率。由此可知：加入物料只會影響峰值的大小，不會改變噪聲源的主要性質(zhì)；降低葉片式拋送裝置的空載噪聲，同時(shí)也能夠降低其負(fù)載噪聲。因此，對空載時(shí)噪聲信號的特性做進(jìn)一步的分析。

2.2.3 第5測點(diǎn)空載噪聲自譜分析

為進(jìn)一步對空載噪聲進(jìn)行分析，對空載時(shí)噪聲值最高的第5測點(diǎn)的自譜圖做進(jìn)一步分析。第5測點(diǎn)空載噪聲自譜圖如圖6所示。

對圖6分析可知：葉片式拋送裝置在該點(diǎn)的離散信號主要分布在1 400Hz以下，其隨機(jī)信號則主要分布在2 000Hz以下；主峰值100Hz以下還有較明顯的25、40、50、61、75Hz等頻率峰值。其中的25、50、75Hz實(shí)際上為拋送裝置在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的機(jī)械振動， 是

電機(jī)的基頻25Hz(1 500r/min)及其2階3階諧波頻率；其他40Hz等峰值是由旋轉(zhuǎn)不平衡等機(jī)械振動所引起的。由自譜曲線可知：機(jī)械振動噪聲的幅值相對較小，即機(jī)械振動噪聲對葉片式拋送裝置的整機(jī)噪聲影響較小。

3 結(jié)論

1)葉片式拋送裝置空載和負(fù)載噪聲的主要成分都是氣動噪聲，且都是旋轉(zhuǎn)噪聲；噪聲的次要成分是由裝置不平衡及機(jī)殼振動引起。

2)空載和負(fù)載時(shí)的噪聲信號頻譜結(jié)構(gòu)極其相似，可見對葉片式拋送裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)降低空載噪聲即可降低負(fù)載噪聲；加入物料后主頻頻率略有增大且出料口噪聲降低。

3)低轉(zhuǎn)速負(fù)載工作時(shí)，加入物料后除出料口外，其余各測點(diǎn)噪聲增大，對噪聲的影響會被凸顯。因此，適當(dāng)?shù)靥岣咄鈿さ膭傂?，可以有效控制噪聲?/p>

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[8] 李永全, 楊順遼, 孫祥娥.數(shù)字信號處理[M]. 武漢：華中科技大學(xué)出版社, 2011.Abstract ID:1003-188X(2017)03-0192-EA

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

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51165025)；內(nèi)蒙古自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2014MS0512)

張 龍(1993- ), 男, 內(nèi)蒙古烏蘭察布人, 碩士研究生, (E-mail)599126418@qq.com。

翟之平(1966- ), 女, 河北邢臺人，副教授, 碩士生導(dǎo)師, 博士, (E-mail)654499136@qq.com。

S817.12

A

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