0、引言
揉碎機是近年來研制出的一種新機型，是介于鍘切與粉碎兩種機械加工之間的一種新型加工方式。加工的產品既像鍘草機鍘切的草段一樣保留纖維的一定長度，又像
粉碎機粉碎飼草一樣使草段莖稈破碎撕開。經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度，絕大部分長度為5～20mm，粗細度為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）、化學處理、生物處理等后續加工都極為有利。由于揉碎機兼取了鍘草機和粉碎機的優點，其加工粗飼料產品的效果優于鍘草機，生產率又高于粉碎機，因而成為十分理想的飼草料加工設備。工作時，物料經喂料口進入揉碎室，在高速旋轉的錘片打擊下，與齒板、定刀發生揉搓、摩擦和剪切而被破壞，同時形成環流隨轉子旋轉，在錘片、齒板、導向板的共同作用下，物料環流邊旋轉邊破碎，同時也向另一側移動，直至遇到拋送葉片，經排料管被拋出機處。隨著揉碎機的廣泛使用，它嚴重的噪聲問題逐漸暴露出來。有資料表明，在正常工作轉速下，揉碎機的噪聲能達到100dB( A)以上，大大超過《中華人民共和國工業企業廠界噪聲標準》中晝間噪聲不能超過65 dB(A)，夜間不能超過55 dB(A)的標準，對環境以及操作人員的身體健康產生了很大的影響，制約了揉碎機的進一步發展和使用。隨著現代生活對節能、環保要求日益提高，揉碎機的噪聲必須進行有效的控制和治理。
由于揉碎機是適合于我國國情研究的新型機型，國外關于揉碎機的研究幾乎空白，國內的研究主要包括內蒙古農業大學的王青云等( 2006)通過對9R -40型揉碎機噪聲測試并對測試數據進行理論分析，得出揉碎機噪聲不論是在空載還是負載，空氣動力學噪聲是揉碎機的主要噪聲源。空氣動力性噪聲主要是由轉子高速旋轉時錘片架對空氣的擾動作用引起的。另外，氣流調節導板的數目和形狀也有一定影響。
內蒙古農業大學的李林( 2008)等通過實驗研究對揉碎機的噪聲產生機理進行了分析，得出揉碎機所產生的噪聲主要是空氣動力性噪聲。轉子高速旋轉時，錘片架和錘片以及氣流導板對流動空氣產生有規律和周期性的擾動作用，使空氣脈動而形成空氣動力性噪聲。實驗研究表明，錘片架和錘片的形狀、數量、排列密度，對空氣的擾動和產生噪聲有較大影響。同時，對揉碎機的噪聲研究還存在以下問題：①對揉碎機噪聲與結構參數之間的關系及影響認識不全面；②影響揉碎機主要噪聲源的因素不明確。
本文通過實驗和頻譜分析方法對揉碎機產生的噪聲源進行識別，為揉碎機的減噪提供依據；對影響揉碎機噪聲的主要因素進行研究，為揉碎機的改進和優化設計提供參考。
1、揉碎機噪聲試驗與結果分析
1.1 實驗儀器
1)ND -2型精密聲級計2231+B27110（模件化精密聲級計），測量范圍：24～130dB(A)。
2) MR -30型磁帶記錄儀。
3)數位化光電轉速儀。
4)11kW調頻柜、光線示波器等。
5) NEC RA2300數據采集分析儀，完成數據及波譜采集。
6)內蒙古農業大學農牧業機械廠生產的9R -40型揉碎機為試驗樣機。9R -40型揉碎機的具體參數為：配套動力為7.5kW，轉子外徑0.49m，額定轉速2800r/min，9排錘片架（每排上有4組錘片），1排風扇（3組葉片），齒板，兩組導流板，結構如圖1所示。
1.2測試點布置
根據GB3876 -1996聲學、聲壓法測定噪聲源聲功率級，反射面上采用包絡測定表面的簡明法。在離揉碎機基準體距離1m，距離反射面（地面）高度1m的水平面上布置測5個測點，分別在額定轉速空載、負載條件下進行測試。第1測點：揉碎機轉子的中間位置；第2測點：位于轉子皮帶輪的正對位置；第3測點：位于進料口一側，揉碎機轉子的中間位置；第4測點：位于揉碎機拋送風扇的一側，正對轉子位置；第5測點：正對進料口位置，見參考文獻[2]。
1.3實驗方案
1. 3.1空載和負載噪聲實驗
空載、負載轉速選額定工作轉速2 800r/min，負載物料選當年秋后收獲的玉米秸稈，含水率控制在14%～20%；測試時按揉碎機設計生產率(1～1.5t/h)隨機喂入。待機器正常運行5 min以后再采集數據，采樣間隔0.2μs，采樣頻率fs=5 000Hz，系統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為噪聲的連續時域信號”。噪聲測試數據如表1所示。
表1 轉速2800r/min不同工況下噪聲值
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測點 |
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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，負載和空載的噪聲聲壓級變化不大，而且負載的噪聲要比空載噪聲大。其中，第5測點（出料口位置）的噪聲總是最高，第1測點（轉子附近）次之，第4測點和第2測點噪聲較低而且變化不大，負載時進料口的噪聲升高很多。這說明在負載時，揉碎機主要受空氣動力性噪聲，錘片對物料的打擊和揉搓作用產生的機械噪聲也有一定的影響，但影響不大。
空載和負載噪聲的功率譜分析：將以均值為零的隨機過程x(t)的自相關函數作傅里葉變換，可得
S
xf稱為X(t)的自功率譜密度函數，自功率譜可將振動能量在一定頻率范圍內的分布表示出來，從而獲得信號的特征譜。在隨機信號處理中，AR模型比傳統的無慘功率譜估計方法具有更好的分辨率。本文利用AR模型對揉碎機噪聲信號進行功率譜曲線估計，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揉碎機噪聲源的性質，但是在負載情況下的平均功率要大于空載的。
1. 3.2轉速影響實驗
轉子轉速的變化直接影響著錘片對物料的打擊、風扇的拋送以及物料的推移等性能。有相關文獻表明；當轉速v=2 600～2 800r/min時，轉子可以正常工作。但是，當轉速v=2 700r/min時，轉子對物料作用的各項性能得到明顯改善，加工質量和生產率均良好；當轉速低于2 700r/min后，加工質量和生產率也隨之下降，而且加工質量和生產率均良好；當轉速高于2 800r/min后，物料被過度揉碎，加工質量下降且能耗增大。分別選2 600，2 650，2 700，2 750，2 800r/min作為實驗因素，噪聲測試數據如表2所示。
表2 不同轉速下的噪聲值
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轉速/r/min |
測點 |
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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，揉碎機噪聲值變化不大，當轉速大于低于2 700r/min時，隨著轉速的提高，噪聲值有較大提高。綜合考慮，在正常工作轉速范圍內2 700r/min噪聲較低，而且加工質量和生產率最佳。
1. 3.3信號分離實驗
工作轉速2 800r/min，以9排錘片、導流板、風扇和齒板為試驗因素，以第5測點為例做以下實驗。
1.3.3.1單因素實驗
如表3所示，單錘片作用的噪聲最大，最接近整機噪聲，但是比整機噪聲略大；其次是風扇次之，導流板第三，單齒板作用的噪聲值最小，對整機噪聲的影響最小。
表3 單因素條件下噪聲值
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工況 |
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單拋送風扇 |
單錘片 |
單導流板 |
單齒板 |
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聲功率值 |
95.5 |
97.2 |
93.6 |
92.7 |
1.3.3.2兩因素實驗
如表4所示，風扇加錘片、導流板加錘片和單錘片作用的噪聲值相近，說明風扇和導流板和錘片的相互作用對整機的噪聲值影響很小，9排錘片是主要的噪聲源。
1.3.3.3三因素實驗
如表5所示，無錘片時噪聲最低，說明錘片對揉碎機的噪聲貢獻最大；無齒板時的噪聲最高，遠遠超過了整機噪聲，說明齒板具有吸聲作用，主要是因為一方面齒板減少了揉碎機內部空間，進而減少了空氣動力性噪聲，而且齒板固定在下殼體上，相當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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無拋送風扇 |
無錘片 |
無導流板 |
無齒板 |
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聲功率值 |
95.7 |
95.2 |
97.1 |
100.5 |
2、結論
1)對9R -40型揉碎機進行噪聲測試，并對不同工作條件下的測試數據進行分析，得出：負載噪聲比空載噪聲大；空載時，空氣動力性噪聲是主要噪聲源；負載時，空氣動力性噪聲和機械噪聲共同作用，是揉碎機主要噪聲來源。
2)對不同轉速下的噪聲測試數據進行分析，兼顧加工質量和生產率，揉碎機工作轉速2700r/min時噪聲值最低。
3)在噪聲分離實驗中，以9排錘片、齒板、導流板、風扇怍為因素進行分析：在額定工作條件下，9排錘片是影響揉碎機噪聲的主要結構，齒板對整機的噪聲起到了吸收作用，導流板和風扇對其影響較小。
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粉碎機、秸稈揉搓機、秸稈粉碎機、破碎機等機械設備。
