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械中，噪聲高是葉片式拋送裝置實際應(yīng)用時的主要問題之一。為此，采用試驗方法，通過對空載和負載時葉片式拋送裝置的噪聲進行實測，并對噪聲信號進行頻譜分析，結(jié)果表明：空載和負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，機械振動噪聲及不平衡引起的噪聲對整機噪聲貢獻不大；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，當拋送葉輪轉(zhuǎn)速較高時，葉片式拋送裝置主要存在噪聲大的問題。對秸稈揉碎機的噪聲研究表明：拋送裝置噪聲是主要噪聲源[1-2]，不僅影響整機工作性能和使用壽命，同時影響到工作環(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的研究，以改進其結(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導(dǎo)。

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

1 試驗儀器與方法

1.1 試驗儀器

試驗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，測量范圍30dB～130dB(A)；INV3060S型信號采集分析儀；DASP V10分析軟件；PC計算機等。

葉片式拋送裝置試驗臺電機動力為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。試驗場地選擇空曠場地，試驗臺用膨脹螺栓固定在地面上。

1.2 試驗方法

測點布置參照《GB/T 2888-2008 風(fēng)機和羅茨風(fēng)機噪聲測量方法》和《GB6971-2007飼料粉碎機試驗方法》噪聲測量標準。測量進料口噪聲時，測點位置6是在進料口軸線上，與進料口中心的距離為1m；測量出料口噪聲時，測點位置5是在與出料口軸線45°方向，與出料口中心的距離為1m。測點位置應(yīng)選在無氣流渦區(qū)處和電動機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，進料口、出料口噪聲為背景噪聲，必要時進行消聲處理。外殼輻射噪聲測點布置于距地面1m的水平面上，各測點在距離殼體1m處。測點1、3位于圓形外殼的前后兩側(cè)，測點2、4位于圓形外殼的左右兩側(cè)，如圖1所示。

測量噪聲時，將麥克風(fēng)置于圖1所示1～6點上用TES-1352A 可程式噪音計分別測試空載及負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計算機上用DASP V10軟件對信號進行頻分析。測試時，在DASP V10中設(shè)置傳聲器靈敏度為30mV/Pa，采樣時間為30s，分析參數(shù)為A級計權(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 試驗結(jié)果與分析

首先對背景噪聲進行測試。其中，電動機背景噪聲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測試數(shù)據(jù)和測量過程的影響。

2.1 各測點噪聲分析

對圖1中的6個測試點在空載和負載兩種條件下的噪聲測試結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：無論是空載還是負載，各測點噪聲變化趨勢基本一致，出料口5點的噪聲最大，進料口6點以及進料口附近的1點噪聲次之，其余3點的噪聲最小。出料口及進料口處的噪聲為氣動噪聲，測點2、3、4點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 各測試點噪聲值Fig.3 Noise curves of average test data

比較空載和負載相同測點的噪聲可知，除出料口5點外，其余各點負載時噪聲比空載要大。這是由于加入玉米秸稈切碎段之后，物料在進料口處與葉輪、拋送過程中與外殼等機件產(chǎn)生的撞擊摩擦聲使得裝置的噪聲均較大。而5點空載時的噪聲值大于負載時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的影響較小。

2.2 噪聲信號FFT自譜分析

分別對空載和負載時測點1～6噪聲信號進行自譜分析。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)。將縱坐標顯示為聲壓級，如圖4所示。

(a) 第1測點

(b) 第2測點

(c) 第3測點

(d) 第4測點

(e) 第5測點

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

2.2.1 空載時噪聲信號的自譜分析

由圖4中6個測點空載時的自譜圖可知：測點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i=1時為基頻，基頻為100Hz。

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

表1 空載時各測點的主頻峰值Table 1 Peak value of basic frequency in unload

比較空載時各測點的主頻峰值可知：1、5點的峰值接近且較大，2、3、4點峰值次之，6點峰值最小。結(jié)合測點布置可知：物料入口氣動噪聲測試點6點的噪聲信號在100Hz的幅值較小，這是由于入口氣流較穩(wěn)定。氣動噪聲較??；機殼輻射噪聲測試點1點和物料出口氣動噪聲測試點5點的噪聲信號在100Hz的幅值較大且相差不大，這是因為出料口氣動噪聲和前側(cè)機殼振動輻射噪聲都是主要由葉輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的；3點在100Hz頻率下峰值較1點小很多，主要是因為機殼后側(cè)焊接有電機安裝架等結(jié)構(gòu)，對機殼的振動產(chǎn)生了抑制；2、4測點在100Hz頻率下峰值較1點小很多，主要是由于2、4測點位于葉片式拋送裝置機殼面積較小的左右兩側(cè)，機殼的振動輻射噪聲較??；2點較4點在100Hz的峰值略大，主要是由于機殼左側(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測點主頻峰值最低但總噪聲較高，主要由于此點連續(xù)噪聲成分較其他點大。

2.2.2 負載時噪聲信號的自譜分析

圖5為負載時各測點噪聲自譜圖。

(a) 第1測點

(b) 第2測點

(c) 第3測點

(d) 第4測點

(e) 第5測點

(f) 第6測點圖5 負載下各測點噪聲自譜圖Fig.5 Noise auto-power spectrum in each point in load condition

由圖5可知：負載時各測點的頻譜結(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)速負載工作時，物料對振動噪聲的影響得到凸顯，使得物料對機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?shù)靥岣邫C殼的剛性以實現(xiàn)降噪。圖5負載時各測點的主頻峰值如表2所示。

表2 負載時各測點的主頻峰值Table 2 Peak value of basic frequency in load

比較負載時各測點的主頻峰值可知:6點峰值最大，1、3、5點峰值次之，2、4點的峰值相近且較?。怀?點外其他各點負載時的主頻峰值均較空載小。結(jié)合測點布置可知：負載時1、5測點主頻峰值相似且較大，進一步說明了負載時出料口氣動噪聲和前側(cè)機殼振動輻射噪聲主要仍由葉輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生；負載時6點的峰值增加主要是由于物料使機殼振動噪聲增大；而其他各點峰值降低主要是因為進入旋轉(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：相同測點負載時的1階頻率較空載時的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)速負載工作時，物料對振動噪聲的影響得到凸顯，使得物料對機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?shù)奶岣邫C殼的剛性以實現(xiàn)降噪。

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

由以上分析可知：葉片式拋送裝置在空載和負載時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，同時也能夠降低其負載噪聲。因此，對空載時噪聲信號的特性做進一步的分析。

2.2.3 第5測點空載噪聲自譜分析

為進一步對空載噪聲進行分析，對空載時噪聲值最高的第5測點的自譜圖做進一步分析。第5測點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的離散信號主要分布在1 400Hz以下，其隨機信號則主要分布在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實際上為拋送裝置在運轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的機械振動， 是

電機的基頻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)不平衡等機械振動所引起的。由自譜曲線可知：機械振動噪聲的幅值相對較小，即機械振動噪聲對葉片式拋送裝置的整機噪聲影響較小。

3 結(jié)論

1)葉片式拋送裝置空載和負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殼振動引起。

2)空載和負載時的噪聲信號頻譜結(jié)構(gòu)極其相似，可見對葉片式拋送裝置進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計時降低空載噪聲即可降低負載噪聲；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)速負載工作時，加入物料后除出料口外，其余各測點噪聲增大，對噪聲的影響會被凸顯。因此，適當?shù)靥岣咄鈿さ膭傂?，可以有效控制噪聲?/p>

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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)基金項目(51165025)；內(nèi)蒙古自然科學(xué)基金項目(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