空壓機(jī)噪聲控制實(shí)驗(yàn)研究

常 昊

（西山煤電股份有限公司西銘礦，山西 太原 030052）

引言

空壓機(jī)為煤礦生產(chǎn)中必不可少的設(shè)備，將空氣壓縮至一定壓力后為風(fēng)鉆、風(fēng)鎬等設(shè)備提供動(dòng)力。在煤礦應(yīng)用較為廣泛的空壓機(jī)類型包括風(fēng)冷型空壓機(jī)和水冷型空壓機(jī)。空壓機(jī)在實(shí)際使用中較為突出的問(wèn)題為噪聲較大，主要變現(xiàn)為聲級(jí)高、頻率低、傳播距離遠(yuǎn)以及污染范圍大，對(duì)現(xiàn)設(shè)備、儀器儀表的運(yùn)行造成一定的干擾[1]。經(jīng)研究表明，空壓機(jī)的主要噪聲源為進(jìn)氣噪聲。本文重點(diǎn)對(duì)空壓機(jī)進(jìn)氣噪聲進(jìn)行控制，有效降低生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的空壓機(jī)噪聲。

1 空壓機(jī)噪聲特性分析

本文以水冷式空壓機(jī)為例開展研究，西銘礦所配置空壓機(jī)最終輸出壓縮氣體的壓力為0.8 MPa，壓縮過(guò)程共分為三個(gè)階段。在實(shí)際應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)，空壓機(jī)所產(chǎn)生的噪聲不僅會(huì)影響現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，還會(huì)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的健康造成影響。因此，無(wú)論從環(huán)保的角度還是從生產(chǎn)安全的角度來(lái)講，非常有必要對(duì)空壓機(jī)的噪聲特性進(jìn)行研究，并且針對(duì)性地提出噪聲控制措施和方案。

為準(zhǔn)確掌握空壓機(jī)的噪聲特性，需對(duì)空壓機(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)所產(chǎn)生的噪聲進(jìn)行測(cè)量。同時(shí)，保證噪聲測(cè)量值的準(zhǔn)確性，需在特定場(chǎng)所（除地面外無(wú)條件反射）進(jìn)行測(cè)量。驗(yàn)證特定場(chǎng)所是否合格的條件為：當(dāng)測(cè)量點(diǎn)分別距離空壓機(jī)為1倍或2倍長(zhǎng)度時(shí)，兩次所測(cè)定的聲級(jí)差值不超過(guò)5 dB。本項(xiàng)目采用滿足GB/T 3785標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)定的聲級(jí)計(jì)。注意：為能夠真實(shí)還原現(xiàn)場(chǎng)空壓機(jī)的噪聲，在特定場(chǎng)所安裝空壓機(jī)時(shí)應(yīng)盡量考慮操作現(xiàn)場(chǎng)的工作情況進(jìn)行安裝，并按照現(xiàn)場(chǎng)的工況運(yùn)行[2]。經(jīng)實(shí)際測(cè)量，得出空壓機(jī)各個(gè)關(guān)鍵位置及連接點(diǎn)的噪聲聲級(jí)如表1所示。

表1 空壓機(jī)噪聲特征

同時(shí)，從噪聲的頻率點(diǎn)分析該型空壓機(jī)噪聲的主要頻率集中于50~70 Hz的頻率段?？偟膩?lái)講，1級(jí)氣缸的噪聲值最大，可以肯定空壓機(jī)的噪聲主要為進(jìn)氣噪聲，而且屬于低頻噪聲。針對(duì)空壓機(jī)的進(jìn)氣噪聲，本文采用在其進(jìn)氣口加裝消音器的方式進(jìn)行解決。

2 空壓機(jī)消音器的設(shè)計(jì)

本方案擬采用消音器對(duì)空壓機(jī)進(jìn)氣口處的噪聲進(jìn)行處理。為保證消音器能夠有效發(fā)揮其降噪的目的，在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中需綜合考慮聲學(xué)性能、空氣動(dòng)力性能、機(jī)械結(jié)構(gòu)性能以及成本的因素。除此之外，還需根據(jù)噪聲聲壓級(jí)、頻率以及周期等參數(shù)的不同，并結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求具體確定消音器的消音量、類型以及材質(zhì)和結(jié)構(gòu)等[3]。

針對(duì)該型空壓機(jī)噪聲頻率集中在50~70 Hz頻率，綜合各類消音器的消聲原理和適用頻率，本方案選用抗性消音器。結(jié)合空壓機(jī)的參數(shù)，初步設(shè)計(jì)消音器的參數(shù)尺寸如表2所示。

表2 消音器初步尺寸參數(shù)的確定 mm

2.1 空腔體長(zhǎng)度的確定

設(shè)定空腔體直徑為300 mm，對(duì)空腔體長(zhǎng)度（L）分別為350 mm、400 mm以及450 mm三種不同情況下的消音效果，即噪聲的傳遞損失量進(jìn)行仿真對(duì)比分析，從而得出最佳的空腔體長(zhǎng)度，仿真結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同空腔體長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)消音器出口的噪聲聲壓值

如圖2所示，隨著空腔體長(zhǎng)度的減小，噪聲對(duì)應(yīng)的截止頻率向后移。也就是說(shuō)，在同一頻率下隨著空腔體長(zhǎng)度的增加對(duì)應(yīng)消音器出口噪聲的聲壓級(jí)增大；而且，對(duì)應(yīng)的通過(guò)消音器出口噪聲頻率的數(shù)量也增加[4]。因此，結(jié)合圖2仿真結(jié)果和該型空壓機(jī)噪聲的特征，確定消音器空腔的長(zhǎng)度為350 mm。

2.2 空腔體直徑的確定

設(shè)定空腔體長(zhǎng)度為250 mm，對(duì)空腔體直徑分別為300 mm、250 mm以及200 mm三種不同情況下的消音效果，即噪聲的傳遞損失量進(jìn)行仿真對(duì)比分析，從而得出最佳的空腔體直徑，仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同空腔體直徑對(duì)應(yīng)消音器出口的噪聲聲壓值

如圖2所示，隨著空腔體直徑的增加，對(duì)應(yīng)消音器的擴(kuò)張比增大，其對(duì)應(yīng)的消音量也成比例增加。而且，隨著空腔體直徑的增加，對(duì)高頻噪聲而言其傳播方式從平面波變化直接傳遞方式，對(duì)應(yīng)的消音效果最佳。因此，結(jié)合該型空壓機(jī)噪聲頻率主要集中50~70 Hz的頻率段，將消音器空腔體的直徑最終確定為300 mm。

2.3 消音器尺寸的確定

綜合上述研究，最終對(duì)消音器的兩項(xiàng)不確定參數(shù)進(jìn)行確定。其中，消音器空腔體的長(zhǎng)度為350 mm，空腔體的直徑為300 mm。

3 消音器流體仿真分析及噪聲控制實(shí)驗(yàn)研究

消音器在空壓機(jī)上應(yīng)用的主要作用是降低空壓機(jī)的噪聲。值得注意的是，消音器對(duì)空壓機(jī)阻力特性的影響可能會(huì)干擾設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，即導(dǎo)致空壓機(jī)輸出氣體的壓力值不達(dá)標(biāo)。為此，將基于FLUENT軟件對(duì)空壓機(jī)的阻力特性進(jìn)行仿真分析，并對(duì)其實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行評(píng)估。

3.1 消音器阻力特性仿真分析

根據(jù)消音器的尺寸基于SolidWorks軟件建立三維模型，并將三維模型導(dǎo)入FLUENT軟件中，并在FLUENT軟件中對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分后設(shè)定邊界條件[5]。結(jié)合空壓機(jī)的運(yùn)行工況設(shè)定的邊界條件如下：入口壓力為大氣壓力為101 325 Pa；空氣的出口速度設(shè)定為11 m/s。并得出如圖3所示的仿真結(jié)果。

圖3 消音器內(nèi)部壓力仿真結(jié)果

通過(guò)仿真計(jì)算可得，消音器出口的壓力值為100 748.17 Pa，在整個(gè)消音過(guò)程中，壓力損失量為576.83 Pa。結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)要求，該消音器的壓力損失量在許可范圍之內(nèi)。

3.2 噪聲控制實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

結(jié)合上述理論研究，所設(shè)計(jì)的消音器從理論層面上能夠發(fā)揮其降噪的效果。為進(jìn)一步對(duì)其降噪效果進(jìn)行評(píng)估，將所設(shè)計(jì)的消音器按照要求加工出來(lái)，并將其安裝于空壓機(jī)的進(jìn)氣口，通過(guò)試驗(yàn)應(yīng)用表明：該空壓機(jī)50~70 Hz頻段內(nèi)的噪聲已經(jīng)全部消除，所發(fā)出的噪聲僅為高頻沖擊噪聲。

4 結(jié)論

1）該型空壓機(jī)噪聲的頻率主要集中于50~70 Hz，而且噪聲主要為進(jìn)氣口噪聲。

2）綜合進(jìn)氣噪聲的聲壓等級(jí)、頻率范圍以及周期等參數(shù)，采用抗性消音器進(jìn)行處理，并重點(diǎn)確定了消音器空腔體的直徑為300 mm，長(zhǎng)度為350 mm。

3）基于FLUENT軟件對(duì)所設(shè)計(jì)消音器的阻力特性進(jìn)行研究，該消音器的壓力損失值僅為577 Pa；而且，通過(guò)實(shí)踐應(yīng)用所設(shè)計(jì)消音器可有效消除50~70 Hz頻段內(nèi)的噪聲。