0、引言
揉碎機(jī)是近年來研制出的一種新機(jī)型，是介于鍘切與粉碎兩種機(jī)械加工之間的一種新型加工方式。加工的產(chǎn)品既像鍘草機(jī)鍘切的草段一樣保留纖維的一定長度，又像
粉碎機(jī)粉碎飼草一樣使草段莖稈破碎撕開。經(jīng)揉碎后的秸稈為柔軟、蓬松的絲狀段，具有適宜的長度和粗細(xì)度，絕大部分長度為5～20mm，粗細(xì)度為2～6mm，因而對于直接飼喂反芻家畜以及干燥、粉碎、制粒、壓塊（餅）、化學(xué)處理、生物處理等后續(xù)加工都極為有利。由于揉碎機(jī)兼取了鍘草機(jī)和粉碎機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，其加工粗飼料產(chǎn)品的效果優(yōu)于鍘草機(jī)，生產(chǎn)率又高于粉碎機(jī)，因而成為十分理想的飼草料加工設(shè)備。工作時(shí)，物料經(jīng)喂料口進(jìn)入揉碎室，在高速旋轉(zhuǎn)的錘片打擊下，與齒板、定刀發(fā)生揉搓、摩擦和剪切而被破壞，同時(shí)形成環(huán)流隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，在錘片、齒板、導(dǎo)向板的共同作用下，物料環(huán)流邊旋轉(zhuǎn)邊破碎，同時(shí)也向另一側(cè)移動(dòng)，直至遇到拋送葉片，經(jīng)排料管被拋出機(jī)處。隨著揉碎機(jī)的廣泛使用，它嚴(yán)重的噪聲問題逐漸暴露出來。有資料表明，在正常工作轉(zhuǎn)速下，揉碎機(jī)的噪聲能達(dá)到100dB( A)以上，大大超過《中華人民共和國工業(yè)企業(yè)廠界噪聲標(biāo)準(zhǔn)》中晝間噪聲不能超過65 dB(A)，夜間不能超過55 dB(A)的標(biāo)準(zhǔn)，對環(huán)境以及操作人員的身體健康產(chǎn)生了很大的影響，制約了揉碎機(jī)的進(jìn)一步發(fā)展和使用。隨著現(xiàn)代生活對節(jié)能、環(huán)保要求日益提高，揉碎機(jī)的噪聲必須進(jìn)行有效的控制和治理。
由于揉碎機(jī)是適合于我國國情研究的新型機(jī)型，國外關(guān)于揉碎機(jī)的研究幾乎空白，國內(nèi)的研究主要包括內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)的王青云等( 2006)通過對9R -40型揉碎機(jī)噪聲測試并對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行理論分析，得出揉碎機(jī)噪聲不論是在空載還是負(fù)載，空氣動(dòng)力學(xué)噪聲是揉碎機(jī)的主要噪聲源。空氣動(dòng)力性噪聲主要是由轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時(shí)錘片架對空氣的擾動(dòng)作用引起的。另外，氣流調(diào)節(jié)導(dǎo)板的數(shù)目和形狀也有一定影響。
內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)的李林( 2008)等通過實(shí)驗(yàn)研究對揉碎機(jī)的噪聲產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了分析，得出揉碎機(jī)所產(chǎn)生的噪聲主要是空氣動(dòng)力性噪聲。轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，錘片架和錘片以及氣流導(dǎo)板對流動(dòng)空氣產(chǎn)生有規(guī)律和周期性的擾動(dòng)作用，使空氣脈動(dòng)而形成空氣動(dòng)力性噪聲。實(shí)驗(yàn)研究表明，錘片架和錘片的形狀、數(shù)量、排列密度，對空氣的擾動(dòng)和產(chǎn)生噪聲有較大影響。同時(shí)，對揉碎機(jī)的噪聲研究還存在以下問題：①對揉碎機(jī)噪聲與結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系及影響認(rèn)識不全面；②影響揉碎機(jī)主要噪聲源的因素不明確。
本文通過實(shí)驗(yàn)和頻譜分析方法對揉碎機(jī)產(chǎn)生的噪聲源進(jìn)行識別，為揉碎機(jī)的減噪提供依據(jù)；對影響揉碎機(jī)噪聲的主要因素進(jìn)行研究，為揉碎機(jī)的改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。
1、揉碎機(jī)噪聲試驗(yàn)與結(jié)果分析
1.1 實(shí)驗(yàn)儀器
1)ND -2型精密聲級計(jì)2231+B27110（模件化精密聲級計(jì)），測量范圍：24～130dB(A)。
2) MR -30型磁帶記錄儀。
3)數(shù)位化光電轉(zhuǎn)速儀。
4)11kW調(diào)頻柜、光線示波器等。
5) NEC RA2300數(shù)據(jù)采集分析儀，完成數(shù)據(jù)及波譜采集。
6)內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)牧業(yè)機(jī)械廠生產(chǎn)的9R -40型揉碎機(jī)為試驗(yàn)樣機(jī)。9R -40型揉碎機(jī)的具體參數(shù)為：配套動(dòng)力為7.5kW，轉(zhuǎn)子外徑0.49m，額定轉(zhuǎn)速2800r/min，9排錘片架（每排上有4組錘片），1排風(fēng)扇（3組葉片），齒板，兩組導(dǎo)流板，結(jié)構(gòu)如圖1所示。
1.2測試點(diǎn)布置
根據(jù)GB3876 -1996聲學(xué)、聲壓法測定噪聲源聲功率級，反射面上采用包絡(luò)測定表面的簡明法。在離揉碎機(jī)基準(zhǔn)體距離1m，距離反射面（地面）高度1m的水平面上布置測5個(gè)測點(diǎn)，分別在額定轉(zhuǎn)速空載、負(fù)載條件下進(jìn)行測試。第1測點(diǎn)：揉碎機(jī)轉(zhuǎn)子的中間位置；第2測點(diǎn)：位于轉(zhuǎn)子皮帶輪的正對位置；第3測點(diǎn)：位于進(jìn)料口一側(cè)，揉碎機(jī)轉(zhuǎn)子的中間位置；第4測點(diǎn)：位于揉碎機(jī)拋送風(fēng)扇的一側(cè)，正對轉(zhuǎn)子位置；第5測點(diǎn)：正對進(jìn)料口位置，見參考文獻(xiàn)[2]。
1.3實(shí)驗(yàn)方案
1. 3.1空載和負(fù)載噪聲實(shí)驗(yàn)
空載、負(fù)載轉(zhuǎn)速選額定工作轉(zhuǎn)速2 800r/min，負(fù)載物料選當(dāng)年秋后收獲的玉米秸稈，含水率控制在14%～20%；測試時(shí)按揉碎機(jī)設(shè)計(jì)生產(chǎn)率(1～1.5t/h)隨機(jī)喂入。待機(jī)器正常運(yùn)行5 min以后再采集數(shù)據(jù)，采樣間隔0.2μs，采樣頻率fs=5 000Hz，系統(tǒng)噪聲信號的有效頻率f=2000Hz。f
s≥f
c，符合采樣定理要求。采樣處理后可將離散采樣信號恢復(fù)為噪聲的連續(xù)時(shí)域信號”。噪聲測試數(shù)據(jù)如表1所示。
表1 轉(zhuǎn)速2800r/min不同工況下噪聲值
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測點(diǎn) |
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1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
平均聲壓值 |
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空載 |
95.7 |
94.5 |
92.7 |
92.8 |
97.3 |
94.9 |
|
負(fù)載 |
96.2 |
94.9 |
95.4 |
94.1 |
96.9 |
95.6 |
如表1所示，在兩種工況下，負(fù)載和空載的噪聲聲壓級變化不大，而且負(fù)載的噪聲要比空載噪聲大。其中，第5測點(diǎn)（出料口位置）的噪聲總是最高，第1測點(diǎn)（轉(zhuǎn)子附近）次之，第4測點(diǎn)和第2測點(diǎn)噪聲較低而且變化不大，負(fù)載時(shí)進(jìn)料口的噪聲升高很多。這說明在負(fù)載時(shí)，揉碎機(jī)主要受空氣動(dòng)力性噪聲，錘片對物料的打擊和揉搓作用產(chǎn)生的機(jī)械噪聲也有一定的影響，但影響不大。
空載和負(fù)載噪聲的功率譜分析：將以均值為零的隨機(jī)過程x(t)的自相關(guān)函數(shù)作傅里葉變換，可得
S
xf稱為X(t)的自功率譜密度函數(shù)，自功率譜可將振動(dòng)能量在一定頻率范圍內(nèi)的分布表示出來，從而獲得信號的特征譜。在隨機(jī)信號處理中，AR模型比傳統(tǒng)的無慘功率譜估計(jì)方法具有更好的分辨率。本文利用AR模型對揉碎機(jī)噪聲信號進(jìn)行功率譜曲線估計(jì)，獲得的信號特征譜如圖2和圖3所示。
由圖2和圖3可以看出，揉碎機(jī)噪聲的功率譜曲線在兩種工況下的形式大體相同，說明物料的喂入不改變?nèi)嗨闄C(jī)噪聲源的性質(zhì)，但是在負(fù)載情況下的平均功率要大于空載的。
1. 3.2轉(zhuǎn)速影響實(shí)驗(yàn)
轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的變化直接影響著錘片對物料的打擊、風(fēng)扇的拋送以及物料的推移等性能。有相關(guān)文獻(xiàn)表明；當(dāng)轉(zhuǎn)速v=2 600～2 800r/min時(shí)，轉(zhuǎn)子可以正常工作。但是，當(dāng)轉(zhuǎn)速v=2 700r/min時(shí)，轉(zhuǎn)子對物料作用的各項(xiàng)性能得到明顯改善，加工質(zhì)量和生產(chǎn)率均良好；當(dāng)轉(zhuǎn)速低于2 700r/min后，加工質(zhì)量和生產(chǎn)率也隨之下降，而且加工質(zhì)量和生產(chǎn)率均良好；當(dāng)轉(zhuǎn)速高于2 800r/min后，物料被過度揉碎，加工質(zhì)量下降且能耗增大。分別選2 600，2 650，2 700，2 750，2 800r/min作為實(shí)驗(yàn)因素，噪聲測試數(shù)據(jù)如表2所示。
表2 不同轉(zhuǎn)速下的噪聲值
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轉(zhuǎn)速/r/min |
測點(diǎn) |
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1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
平均聲壓值 |
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2600 |
92 |
89.9 |
90.7 |
90.2 |
92.4 |
91.1 |
|
2650 |
92.2 |
91.3 |
90.8 |
91.1 |
92.9 |
91.7 |
|
2700 |
92.2 |
91.2 |
91.3 |
91.8 |
92.8 |
91.9 |
|
2750 |
93.7 |
93 |
91.6 |
92.8 |
94 |
93.1 |
|
2800 |
95.7 |
94.5 |
92.7 |
93.8 |
96.9 |
94.8 |
由表2所示可知，低于2 700r/min時(shí)，揉碎機(jī)噪聲值變化不大，當(dāng)轉(zhuǎn)速大于低于2 700r/min時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速的提高，噪聲值有較大提高。綜合考慮，在正常工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)2 700r/min噪聲較低，而且加工質(zhì)量和生產(chǎn)率最佳。
1. 3.3信號分離實(shí)驗(yàn)
工作轉(zhuǎn)速2 800r/min，以9排錘片、導(dǎo)流板、風(fēng)扇和齒板為試驗(yàn)因素，以第5測點(diǎn)為例做以下實(shí)驗(yàn)。
1.3.3.1單因素實(shí)驗(yàn)
如表3所示，單錘片作用的噪聲最大，最接近整機(jī)噪聲，但是比整機(jī)噪聲略大；其次是風(fēng)扇次之，導(dǎo)流板第三，單齒板作用的噪聲值最小，對整機(jī)噪聲的影響最小。
表3 單因素條件下噪聲值
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工況 |
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單拋送風(fēng)扇 |
單錘片 |
單導(dǎo)流板 |
單齒板 |
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聲功率值 |
95.5 |
97.2 |
93.6 |
92.7 |
1.3.3.2兩因素實(shí)驗(yàn)
如表4所示，風(fēng)扇加錘片、導(dǎo)流板加錘片和單錘片作用的噪聲值相近，說明風(fēng)扇和導(dǎo)流板和錘片的相互作用對整機(jī)的噪聲值影響很小，9排錘片是主要的噪聲源。
1.3.3.3三因素實(shí)驗(yàn)
如表5所示，無錘片時(shí)噪聲最低，說明錘片對揉碎機(jī)的噪聲貢獻(xiàn)最大；無齒板時(shí)的噪聲最高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了整機(jī)噪聲，說明齒板具有吸聲作用，主要是因?yàn)橐环矫纨X板減少了揉碎機(jī)內(nèi)部空間，進(jìn)而減少了空氣動(dòng)力性噪聲，而且齒板固定在下殼體上，相當(dāng)于增加了殼體的剛度。
表5 三因素條件下噪聲值
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工況 |
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無拋送風(fēng)扇 |
無錘片 |
無導(dǎo)流板 |
無齒板 |
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聲功率值 |
95.7 |
95.2 |
97.1 |
100.5 |
2、結(jié)論
1)對9R -40型揉碎機(jī)進(jìn)行噪聲測試，并對不同工作條件下的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出：負(fù)載噪聲比空載噪聲大；空載時(shí)，空氣動(dòng)力性噪聲是主要噪聲源；負(fù)載時(shí)，空氣動(dòng)力性噪聲和機(jī)械噪聲共同作用，是揉碎機(jī)主要噪聲來源。
2)對不同轉(zhuǎn)速下的噪聲測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，兼顧加工質(zhì)量和生產(chǎn)率，揉碎機(jī)工作轉(zhuǎn)速2700r/min時(shí)噪聲值最低。
3)在噪聲分離實(shí)驗(yàn)中，以9排錘片、齒板、導(dǎo)流板、風(fēng)扇怍為因素進(jìn)行分析：在額定工作條件下，9排錘片是影響揉碎機(jī)噪聲的主要結(jié)構(gòu)，齒板對整機(jī)的噪聲起到了吸收作用，導(dǎo)流板和風(fēng)扇對其影響較小。
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粉碎機(jī)、秸稈揉搓機(jī)、秸稈粉碎機(jī)、破碎機(jī)等機(jī)械設(shè)備。
