■曹麗英 張弘玉 張 逸 游安邦 焦 魏

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭014010；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院草原研究所，內(nèi)蒙古呼和浩特010010）

錘片式粉碎機(jī)是飼料工業(yè)中應(yīng)用最為廣泛的粉碎機(jī)械之一[1]，其良好的通用性、可靠的工作性能和便宜的價(jià)格優(yōu)勢(shì)備受飼料加工業(yè)青睞[2]。飼料加工廠的噪聲一般都在90 dB(A)左右，有的甚至高達(dá)100 dB(A)以上，而粉碎機(jī)是重要的噪聲源[3]。根據(jù)噪聲源形式不同，粉碎機(jī)噪聲可分為氣動(dòng)噪聲、機(jī)械噪聲和電磁噪聲，其中又以氣動(dòng)噪聲為主[4]。研究粉碎機(jī)氣動(dòng)噪聲對(duì)保護(hù)工人的身體健康及提高企業(yè)的效益具有重要意義[5-8]。本文以課題組研制的新型錘片式粉碎機(jī)為研究對(duì)象，采用Fluent與Virtual lab軟件對(duì)粉碎機(jī)聲場(chǎng)進(jìn)行模擬仿真，并使用噪聲傳感器對(duì)粉碎機(jī)進(jìn)行了噪聲測(cè)量分析。粉碎機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示[9-10]。

圖1 錘片式粉碎機(jī)樣機(jī)與結(jié)構(gòu)

1 流場(chǎng)分析

1.1 網(wǎng)格劃分

模擬過(guò)程中選擇粉碎機(jī)內(nèi)部流道作為計(jì)算區(qū)域，使用SolidWorks軟件對(duì)粉碎機(jī)進(jìn)行三維建模，在建模時(shí)將粉碎機(jī)視為完全封閉的區(qū)域，省略細(xì)小縫隙和倒角，簡(jiǎn)化流道的復(fù)雜程度。將三維模型導(dǎo)入到ANSYS Workbench中進(jìn)行流道抽取。

在ANSYS的前處理模塊Meshing中進(jìn)行網(wǎng)格劃分。因?yàn)樵贔luent中使用動(dòng)參考系（MRK）進(jìn)行計(jì)算，所以在網(wǎng)格劃分時(shí)將流場(chǎng)區(qū)域劃分為動(dòng)區(qū)域與靜區(qū)域，轉(zhuǎn)子部分作為動(dòng)區(qū)域，其他部分為靜區(qū)域[10]。

粉碎機(jī)網(wǎng)格劃分質(zhì)量對(duì)流場(chǎng)結(jié)果有較大影響，粉碎機(jī)在生產(chǎn)過(guò)程中，氣流從入料口進(jìn)入，轉(zhuǎn)子的高速旋轉(zhuǎn)又使氣流產(chǎn)生繞轉(zhuǎn)子中心旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，再由出料口流出，同時(shí)部分氣流也會(huì)經(jīng)回料管重新流入粉碎室，因此粉碎機(jī)內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生一個(gè)帶強(qiáng)旋轉(zhuǎn)的三維流場(chǎng)。在劃分網(wǎng)格時(shí)，采用四面體單元，對(duì)動(dòng)區(qū)域進(jìn)行加密處理，生成的網(wǎng)格模型如圖2所示。

圖2 粉碎機(jī)網(wǎng)格模型

1.2 設(shè)置邊界條件

將劃分好的網(wǎng)格導(dǎo)入Fluent模塊中，首先指定邊界類型，網(wǎng)格模型共有6個(gè)邊界條件需要設(shè)置，如表1所示。

表1 邊界類型

指定連續(xù)介質(zhì)類型，網(wǎng)格類型分為轉(zhuǎn)動(dòng)靜止兩部分，轉(zhuǎn)動(dòng)部分設(shè)置轉(zhuǎn)速為2 500 r/min。粉碎機(jī)在工作時(shí)，內(nèi)部流場(chǎng)是一個(gè)不穩(wěn)定的湍流場(chǎng)，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型先進(jìn)行穩(wěn)態(tài)數(shù)值求解，控制方程包括質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程和湍動(dòng)能k和耗散率ε方程，湍流模型方程為：

式中：Gk——由層流速度梯度而產(chǎn)生的湍流動(dòng)能(m2s-2)；

Gb——由浮力而產(chǎn)生的湍流動(dòng)能(m2s-2)；

YM——可壓縮湍流脈動(dòng)膨脹對(duì)總的耗散率的影響;

C1ε、C2ε、C3ε——經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；

σk、σε——湍動(dòng)能和湍動(dòng)耗散率對(duì)應(yīng)的普朗特?cái)?shù)[11]。

1.3 流場(chǎng)模擬結(jié)果與分析

對(duì)粉碎機(jī)額定轉(zhuǎn)速2 500 r/min下的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)模擬，再以此為初始條件進(jìn)行瞬態(tài)模擬，設(shè)置離散格式為二階迎風(fēng)離散格式，壓力速度耦合采用標(biāo)準(zhǔn)SIMPLE算法求解；設(shè)置時(shí)間步長(zhǎng)為0.002 s，步長(zhǎng)數(shù)量為500，收斂精度為0.001。計(jì)算結(jié)果收斂后得到粉碎機(jī)內(nèi)部壓力分布與速度分布如圖3、圖4所示。

圖3 轉(zhuǎn)速2 500 r/min時(shí)粉碎機(jī)壓力云圖

由圖3、圖4可知，在轉(zhuǎn)軸附近存在明顯的負(fù)壓集中區(qū)，負(fù)壓值沿徑向向外逐漸減小；由轉(zhuǎn)子表面速度矢量圖可以看出，空氣在粉碎機(jī)內(nèi)部轉(zhuǎn)子的帶動(dòng)作用下，氣流流經(jīng)旋轉(zhuǎn)的錘片時(shí)產(chǎn)生了垂直于其表面的相對(duì)速度。錘片末端處的氣流速度很大，且要高于根部的速度。氣流流經(jīng)錘片界面產(chǎn)生分裂時(shí)，形成附面層及漩渦分裂脫離，而引起錘片上壓力的脈動(dòng)，輻射出一種非穩(wěn)定的流動(dòng)噪聲，即渦流噪聲。渦流噪聲的頻率主要取決錘片與氣流的相對(duì)速度，而相對(duì)速度又與旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子的圓周速率有關(guān)，圓周速率是隨著工作輪各點(diǎn)到轉(zhuǎn)軸軸心距離而連續(xù)變化的，所以可以判定湍流噪聲會(huì)是一段具有連續(xù)頻率波動(dòng)的噪聲。

圖4 轉(zhuǎn)速2 500 r/min時(shí)粉碎機(jī)速度矢量圖

通過(guò)使用速度傳感器對(duì)粉碎機(jī)進(jìn)料口與出料口處的氣流速度進(jìn)行測(cè)量，其結(jié)果與模擬值進(jìn)行對(duì)比，如表2所示。

表2 粉碎機(jī)進(jìn)料口與出料口速度（m/s）

結(jié)果顯示測(cè)量值與模擬值基本吻合，模擬數(shù)值偏大的原因是實(shí)際中粉碎機(jī)樣機(jī)密封性差，存在漏風(fēng)現(xiàn)象。因此可以說(shuō)明粉碎機(jī)流場(chǎng)分析結(jié)果可靠，能夠作為聲場(chǎng)計(jì)算的初始條件。

2 粉碎機(jī)聲場(chǎng)分析

2.1 聲學(xué)網(wǎng)格繪制

在Virtual lab中劃分聲學(xué)網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分方法和前面Fluent流場(chǎng)模型相似，因?yàn)槁晫W(xué)網(wǎng)格對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量的要求不高，所以可以將網(wǎng)格尺寸變大以提高計(jì)算速度。設(shè)聲音的傳播速度為c，某個(gè)單元的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，計(jì)算的最大頻率為fmax則所有單元長(zhǎng)度需滿足（2）式。

由粉碎機(jī)氣動(dòng)噪聲主要為中低頻噪聲，取fmax為2 000 Hz，計(jì)算得到最大單元長(zhǎng)度為28 mm，因此設(shè)置聲學(xué)網(wǎng)格最大單元長(zhǎng)度為20 mm。將網(wǎng)格分為轉(zhuǎn)子與殼體兩部分，共包含得到聲學(xué)網(wǎng)格如圖5所示。

圖5 粉碎機(jī)聲學(xué)網(wǎng)格

2.2 聲學(xué)響應(yīng)計(jì)算

在Virtual lab中創(chuàng)建Acoustic BEM模塊，將Fluent中計(jì)算得到的流體結(jié)果導(dǎo)入到聲學(xué)網(wǎng)格中，設(shè)置長(zhǎng)度單位為毫米，質(zhì)量單位為千克。設(shè)置聲場(chǎng)捕捉面，在據(jù)粉碎機(jī)表面0.5 m處，與轉(zhuǎn)軸同一水平面的四個(gè)方向及粉碎機(jī)正上方布置5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其中4個(gè)位于粉碎機(jī)轉(zhuǎn)軸同一個(gè)平面上：1號(hào)測(cè)點(diǎn)位于粉碎機(jī)正前方，入料口前；1號(hào)測(cè)點(diǎn)位于粉碎機(jī)后方；3號(hào)測(cè)點(diǎn)位于粉碎機(jī)左側(cè)，出料口下；4號(hào)測(cè)點(diǎn)位于粉碎機(jī)右側(cè)；5號(hào)測(cè)點(diǎn)位于粉碎機(jī)正上方。各測(cè)點(diǎn)的分布如圖6所示。

圖6 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置分布

接下來(lái)，在Virtual lab中新建Acoustic BEM模塊，導(dǎo)入上一章保存的CGNS流體結(jié)果文件，設(shè)置長(zhǎng)度單位為毫米，質(zhì)量單位為千克，其他量的單位為默認(rèn)，導(dǎo)入的每一個(gè)CGNS文件都代表某一時(shí)間步時(shí)刻的流場(chǎng)數(shù)據(jù)，這里選擇導(dǎo)入的是流體節(jié)點(diǎn)的壓力數(shù)據(jù)。進(jìn)行流體材料和屬性的定義，設(shè)置聲速為340 m/s，密度為1.225 kg/m3。將前面的流體材料賦予聲學(xué)網(wǎng)格，定義聲學(xué)邊界條件和聲源，插入聲學(xué)響應(yīng)模塊后進(jìn)行求解，得到粉碎機(jī)在不同頻率下聲壓級(jí)云圖如圖7所示。

圖7 粉碎機(jī)在不同頻率下的聲壓云圖分布

從圖7可以看出，在低頻時(shí)，在粉碎機(jī)殼體附近存在較大降幅，隨著向外輻射在粉碎機(jī)外場(chǎng)呈均勻分布，之后出料口附近聲壓級(jí)幅值增大，成為主要噪聲源，這與粉碎機(jī)出料口寬闊的結(jié)構(gòu)相關(guān)。隨著頻率不斷升高，粉碎機(jī)外圍聲場(chǎng)出現(xiàn)不同程度的巨變，且其規(guī)律也不明顯，此時(shí)的聲場(chǎng)模擬結(jié)果有所偏差。

為了清晰地展現(xiàn)粉碎機(jī)氣動(dòng)噪聲對(duì)外輻射的強(qiáng)度，提取5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的聲壓級(jí)頻率響應(yīng)曲線進(jìn)行分析，如圖8所示。

由圖8可以看出，在低頻區(qū)域5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)趨勢(shì)統(tǒng)一，隨著頻率增加，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)上的噪聲聲壓級(jí)逐漸增大，到166.7 Hz和333.3 Hz處達(dá)到峰值，之后逐漸降低。在峰值出現(xiàn)在166.7 Hz處附近，位于在粉碎機(jī)出料口附近的FP3監(jiān)測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)最高，而處在遠(yuǎn)離出料口的FP4監(jiān)測(cè)點(diǎn)處聲壓級(jí)最低，符合客觀事實(shí)規(guī)律。但是隨著頻率增加，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)不同程度的不規(guī)則變化，可能是由于之前Fluent中產(chǎn)生計(jì)算誤差的原因。粉碎機(jī)的5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)在166.7 Hz處的噪聲聲壓級(jí)如表3所示。

表3 5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)在166.7 Hz處的噪聲聲壓級(jí)

3 粉碎機(jī)噪聲測(cè)試分析

本次試驗(yàn)對(duì)象為課題組設(shè)計(jì)的新型錘片粉碎機(jī)樣機(jī)，轉(zhuǎn)子由4組錘片組成，每組中包含4葉錘片。粉碎機(jī)主軸額定轉(zhuǎn)速為2 500 r/min，如圖9所示。

圖9 錘片式粉碎機(jī)樣機(jī)

將粉碎機(jī)遠(yuǎn)離墻壁或其他反射物進(jìn)行聲壓級(jí)測(cè)量，布置5個(gè)與模擬中位置一致的測(cè)試點(diǎn)[12]。試驗(yàn)器材為：

傳聲器（噪聲傳感器），2支；傳聲器傳感器導(dǎo)線，2根；數(shù)據(jù)采集儀，DT9837 1臺(tái)；筆記本電腦，ThinkpadL440 1臺(tái)；分析軟件，DEWESoft。

噪聲傳感器通過(guò)導(dǎo)線與數(shù)據(jù)采集儀相連接，采集儀與計(jì)算機(jī)連接。采集的噪聲信號(hào)經(jīng)過(guò)傳感器進(jìn)入數(shù)據(jù)采集儀后，數(shù)據(jù)采集儀將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為計(jì)算技能識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，最后在DEWEsoft軟件中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，噪聲測(cè)量試驗(yàn)原理如圖10所示[12-15]。

圖10 粉碎機(jī)噪聲測(cè)量試驗(yàn)原理圖

在粉碎機(jī)額定轉(zhuǎn)速2 500 r/min下，對(duì)空載運(yùn)行的粉碎機(jī)進(jìn)行噪聲測(cè)量。將粉碎機(jī)正常平穩(wěn)運(yùn)行后對(duì)5個(gè)測(cè)量點(diǎn)的信號(hào)持續(xù)記錄1 mim，保存數(shù)據(jù)后在DEWESoft軟件中進(jìn)行分析。粉碎機(jī)的噪聲屬于低中頻噪聲，經(jīng)多次試驗(yàn)分析后發(fā)現(xiàn)，對(duì)粉碎機(jī)噪聲峰值主要集中在1 000 Hz以下，故對(duì)上限1 000 Hz的信號(hào)進(jìn)行分析，5個(gè)測(cè)量點(diǎn)的噪聲頻譜圖如圖11所示。

圖11 2 500 r/min轉(zhuǎn)速下粉碎機(jī)噪聲頻譜圖

分別對(duì)5個(gè)測(cè)點(diǎn)噪聲平均聲壓級(jí)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表4所示。

表4 2 500 r/min下粉碎機(jī)測(cè)點(diǎn)噪聲統(tǒng)計(jì)

由圖11可以看出：頻譜圖中比較穩(wěn)定的峰值點(diǎn)主要集中在41.7、84、167、335 Hz。其中：166.7 Hz為主要峰值點(diǎn)，是單排錘片作用的基頻，由轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過(guò)程中錘片對(duì)空氣的擾動(dòng)引起的，335 Hz為其二次諧波；41.7 Hz為次要峰值點(diǎn)，產(chǎn)生的原因是由于空氣沿軸向到出料口經(jīng)過(guò)四排錘片架，形成的一種特殊壓力脈動(dòng)。同時(shí)41.7 Hz也為轉(zhuǎn)子振動(dòng)的基頻，也可能是由于粉碎機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中存在轉(zhuǎn)子的動(dòng)不平衡，而產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)，84 Hz為它的二次諧波。

通過(guò)對(duì)5個(gè)測(cè)量點(diǎn)噪聲頻譜圖橫向?qū)Ρ确治隹梢缘贸鼋Y(jié)論：錘片式粉碎機(jī)主要噪聲頻率是由離散譜和連續(xù)譜組合而成的，離散噪聲是由旋轉(zhuǎn)噪聲組成的，而連續(xù)譜是振動(dòng)噪聲和渦流噪聲組成的。166.7 Hz處的氣動(dòng)噪聲為粉碎機(jī)主要噪聲源。由頻譜圖上可以看到，在低頻區(qū)域存在連續(xù)頻譜，考慮到渦流噪聲特性，認(rèn)為引起低頻處幅值波動(dòng)的應(yīng)為渦流噪聲。

4 結(jié)論

①根據(jù)流場(chǎng)分析結(jié)果可以看出，粉碎機(jī)錘片末端與根部存在較大的速度差，氣流與錘片會(huì)產(chǎn)生相對(duì)速度，而渦流噪聲的頻率主要取決錘片與氣流的相對(duì)速度，因此確定粉碎機(jī)會(huì)在低頻處產(chǎn)生一段連續(xù)波動(dòng)的湍流噪聲。

②通過(guò)聲場(chǎng)分析，由聲壓級(jí)云圖上可以看出：粉碎機(jī)氣動(dòng)噪聲主要由寬闊的出料口向外輻射以及機(jī)殼輻射。仿真結(jié)果在低頻下能較好地模擬出粉碎機(jī)聲場(chǎng)分布。從5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的聲壓級(jí)曲線中可以看出，粉碎機(jī)氣動(dòng)噪聲峰值出于單錘片基頻166.7 Hz處。

③噪聲頻譜測(cè)試表明：5個(gè)測(cè)點(diǎn)頻譜圖中明顯的峰值為41.7、84、166.7 Hz和334 Hz。由計(jì)算得知，42、82 Hz分別為轉(zhuǎn)子基頻和二次諧波，產(chǎn)生的原因是由于空氣沿軸向到出料口經(jīng)過(guò)四排錘片架，形成的一種特殊壓力脈動(dòng)。167、334 Hz分別為單排錘片的基頻和二次諧波，形成原因是由于錘片擾動(dòng)空氣引起的旋轉(zhuǎn)噪聲。在噪聲頻譜圖中的低頻處檢測(cè)到連續(xù)的寬頻信號(hào)，判斷是由粉碎機(jī)的湍流噪聲引起。