煤礦主通風(fēng)機進氣口噪聲分析與改進研究

張 超

（山西西山白家莊礦業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 太原 030053）

引言

通風(fēng)機作為目前應(yīng)用極為廣泛的通用機電設(shè)備，在煤礦井下通風(fēng)過程中扮演了極其重要的角色，現(xiàn)已得到了廣大煤礦用戶的認可[1]。隨著煤炭行業(yè)的飛速發(fā)展，通風(fēng)機的需求量越來越大，對其性能的要求越來越高，最為突出的是通風(fēng)機的噪聲和風(fēng)機效率問題[2-4]。煤礦主通風(fēng)機處于工作面位置，檢測其運行過程中的進氣口噪聲接近110 dB，嚴重超出了相關(guān)國家標準要求。噪聲超標不僅會對工作人員的身心健康造成傷害，還會降低作業(yè)人員的工作效率，與此同時，噪聲會掩蓋工作人員之間的正常交流信息，極易導(dǎo)致井下安全事故，必須引起高度重視[5-6]。因此開展關(guān)于煤礦主通風(fēng)機進氣口噪聲問題的分析，提出有效的改進措施，對于推動煤礦行業(yè)的健康發(fā)展具有重要的意義。

1 通風(fēng)機噪聲源分析

通風(fēng)機運行噪聲主要包括空氣動力性噪聲和機械性噪聲兩種?？諝鈩恿π栽肼暟凑债a(chǎn)生的機理和聲音頻率的不同又可以分為旋轉(zhuǎn)噪聲和渦流噪聲。其中旋轉(zhuǎn)噪聲是由于葉片旋轉(zhuǎn)打擊周圍空氣產(chǎn)生的；渦流噪聲是由于葉片旋轉(zhuǎn)過程中背部形成小渦流，導(dǎo)致空氣質(zhì)點的周期性壓縮和稀疏產(chǎn)生的。機械噪聲主要是指風(fēng)機運行時的電磁聲、冷卻風(fēng)扇聲、電動機機殼輻射噪聲、齒輪摩擦噪聲等。結(jié)合現(xiàn)場通風(fēng)機運行噪聲的實際情況，分析得出了噪聲的主要類型是空氣動力性噪聲。通過分析通風(fēng)機的結(jié)構(gòu)可知，風(fēng)機出風(fēng)口采取了降噪措施，而進氣口未見任何降噪手段，為了降低通風(fēng)機整體的噪聲，有必要對進氣口噪聲問題進行研究分析，以便提出有效的降噪措施進行改進，達到降低通風(fēng)機運行噪聲的目的。

2 噪聲問題數(shù)值模擬

噪聲問題之所以至今尚未有效解決主要是由于其產(chǎn)生的環(huán)境較為復(fù)雜，采用傳統(tǒng)的理論計算進行分析極為困難，不能保證計算準確與否的同時還要投入大量的人力、物力和財力。計算機仿真技術(shù)的發(fā)展，為噪聲問題的分析提供了新的方法，大大提高了噪聲分析計算的效率。LMS 公司開發(fā)的LMS Virtual.Lab 仿真軟件，集成了聲學(xué)、疲勞學(xué)、動力學(xué)、振動學(xué)等多個仿真模塊，具有完整的前處理、仿真計算和后處理功能，能夠滿足通風(fēng)機進氣口噪聲問題分析的要求。

2.1 有限元模型建立

基于服役中的主井通風(fēng)機進氣口管道實物，完成了尺寸的測量，之后運用三維建模軟件SolidWorks繪制了進氣口管道模型，為了保證仿真計算工作的順利開展，提高仿真計算的速度，對建模過程進行簡化，省略了管道中的倒角、螺紋孔等對仿真結(jié)果影響較小的因素。將進氣口管道的三維模型另存為.igs 格式之后導(dǎo)入Virtula.Lab 仿真計算軟件中進行網(wǎng)格的劃分，網(wǎng)格尺寸設(shè)置為35 mm，劃分網(wǎng)格之后統(tǒng)計得到節(jié)點個數(shù)為4 670，單元個數(shù)為4 782。為了便于噪聲監(jiān)測，在通風(fēng)機進氣口管道的葉片位置模擬一個平面聲波源，聲壓定義為3 Pa，相當于103.5 dB，距離進氣口1 m，模型如圖1 所示。

2.2 邊界條件設(shè)置

完成有限元仿真分析模型建立之后對其邊界條件進行設(shè)置，其中計算頻率的范圍為500～1 500 Hz，計算過程中的步長為25 Hz，聲壓大小為2×10-5Pa，空氣的密度為1.225 kg/m3，空氣中的噪聲速度為340 m/s。完成上述仿真參數(shù)設(shè)置之后即可進入聲場的仿真分析計算。

圖1 仿真分析模型

2.3 結(jié)果與分析

啟動Virtula.Lab 仿真計算軟件自帶求解器，完成了通風(fēng)機進氣口噪聲聲場的仿真計算，給出了主要頻率范圍內(nèi)聲壓分布云圖，包括500 Hz、750 Hz、1 250 Hz 和 1 500 Hz，如圖2 所示。由圖2 主要頻率范圍內(nèi)聲壓分布云圖可以看出通風(fēng)機進氣口管道內(nèi)風(fēng)扇位置，各頻率下噪聲聲壓級基本持平，聲壓級比較大，噪聲的聲壓級均在98～101 dB 范圍之內(nèi)。觀察不同頻率下聲壓分布云圖還可以看出高頻時噪聲的區(qū)域較為集中。

圖2 改進前主要頻率范圍內(nèi)聲壓（dB）分布云圖

3 改進設(shè)計

3.1 降噪改進

基于上述通風(fēng)機進氣口管道有限元仿真分析結(jié)果可知，通風(fēng)機進氣口存在較大的噪聲聲壓級，這是通風(fēng)機運行過程中噪聲的主要來源之一，因此降低進氣口噪聲具有重要的意義。此處擬在通風(fēng)機進氣口安裝吸聲器，以便降低噪聲聲壓級。吸聲器的結(jié)構(gòu)較多，此處采用自行設(shè)計的圓底劈尖型吸聲器，將表面做成光滑流線型，外部框架采用多孔鋼板制作，內(nèi)部填充超細玻璃棉作為吸聲材料。圓底劈尖型吸聲器的優(yōu)點如下：第一是光滑流線型的表面降低了風(fēng)流阻力；第二是具有較大的吸聲面積，具有較好的吸聲效果；第三是劈尖型設(shè)計能夠吸收部分進氣口噪聲，未被吸收的噪聲也能夠在多次反射過程中消耗殆盡。

3.2 改進效果驗證

為了驗證在通風(fēng)機進氣口增加圓底劈尖型吸聲器的降噪效果，采用solidworks 三維建模軟件建立圓底劈尖型吸聲器模型，并將其與前面建立完成的進氣口管道及平面聲波源進行裝配。之后另存為.igs 格式文件導(dǎo)入Virtula.Lab 仿真計算軟件進行網(wǎng)格的劃分，如圖3 所示。

圖3 改進的仿真分析模型

完成有限元模型建立之后進行邊界條件的設(shè)置，要求仿真計算參數(shù)與改進之前相一致，同時增加了吸聲器表面聲阻的設(shè)置，吸聲材料設(shè)置為超細玻璃棉，聲阻的實部數(shù)值設(shè)置為830 kg/（m2·s），虛部數(shù)值設(shè)置為3 030 kg/（m2·s）。完成相關(guān)參數(shù)設(shè)置之后再次啟動Virtula.Lab 仿真計算軟件自帶求解器開始進行噪聲聲場的計算，從結(jié)果中提取主要頻率對應(yīng)的聲壓分布云圖，如圖4 所示。

圖4 改進后主要頻率范圍內(nèi)聲壓（dB）分布云圖

由圖4 改進之后主要頻率范圍內(nèi)聲壓分布云圖可以看出通風(fēng)機進氣口管道內(nèi)風(fēng)扇位置，各頻率下噪聲聲壓級基本持平，噪聲的聲壓級均在80～104 dB范圍之內(nèi)，低聲壓級部分出現(xiàn)了明顯的降低，降低近18 dB，高聲壓級部分改進效果不明顯。通過觀察不同頻率下聲壓分布云圖還可以看出各頻率下噪聲的區(qū)域較為集中。結(jié)合通風(fēng)機實際的使用情況可知，工作穩(wěn)定之后的通風(fēng)機基本處在低聲壓級部分運行，改進之后的進氣口管道能夠有效降低通風(fēng)機整體的噪聲聲壓級，降低其對周圍環(huán)境的污染程度。

4 應(yīng)用效果評價

為了驗證改進方案的應(yīng)用效果，按照吸聲器的結(jié)構(gòu)完成了加工制造并將其應(yīng)用于在用通風(fēng)機進氣口位置，對進氣口位置的噪聲進行了周期性的檢測。結(jié)果表明，吸聲器結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、工作穩(wěn)定可靠；連續(xù)跟蹤了10 周，每隔1 周檢測一次通風(fēng)機進氣口位置的噪聲聲壓級，統(tǒng)計得出整個時間段內(nèi)的聲壓級處于78～102 dB 范圍內(nèi)，與仿真結(jié)果基本吻合。通風(fēng)機穩(wěn)定運行過程中的聲壓基本處于78～90 dB 范圍內(nèi)，相較于改進之前的接近110 dB，取得了明顯的改進效果，極大降低了工作面的噪聲，提高了煤礦井下作業(yè)過程中的交流效率，降低了井下傷亡事故率，提高了煤炭采掘效率，預(yù)計降低煤炭開采成本近10%，增加經(jīng)濟效益近150 萬元/年。