煤矿主通风机进气口噪声分析与改进研究

张 超

（山西西山白家庄矿业有限责任公司， 山西 太原 030053）

引言

通风机作为目前应用极为广泛的通用机电设备，在煤矿井下通风过程中扮演了极其重要的角色，现已得到了广大煤矿用户的认可[1]。随着煤炭行业的飞速发展，通风机的需求量越来越大，对其性能的要求越来越高，最为突出的是通风机的噪声和风机效率问题[2-4]。煤矿主通风机处于工作面位置，检测其运行过程中的进气口噪声接近110 dB，严重超出了相关国家标准要求。噪声超标不仅会对工作人员的身心健康造成伤害，还会降低作业人员的工作效率，与此同时，噪声会掩盖工作人员之间的正常交流信息，极易导致井下安全事故，必须引起高度重视[5-6]。因此开展关于煤矿主通风机进气口噪声问题的分析，提出有效的改进措施，对于推动煤矿行业的健康发展具有重要的意义。

1 通风机噪声源分析

通风机运行噪声主要包括空气动力性噪声和机械性噪声两种。空气动力性噪声按照产生的机理和声音频率的不同又可以分为旋转噪声和涡流噪声。其中旋转噪声是由于叶片旋转打击周围空气产生的；涡流噪声是由于叶片旋转过程中背部形成小涡流，导致空气质点的周期性压缩和稀疏产生的。机械噪声主要是指风机运行时的电磁声、冷却风扇声、电动机机壳辐射噪声、齿轮摩擦噪声等。结合现场通风机运行噪声的实际情况，分析得出了噪声的主要类型是空气动力性噪声。通过分析通风机的结构可知，风机出风口采取了降噪措施，而进气口未见任何降噪手段，为了降低通风机整体的噪声，有必要对进气口噪声问题进行研究分析，以便提出有效的降噪措施进行改进，达到降低通风机运行噪声的目的。

2 噪声问题数值模拟

噪声问题之所以至今尚未有效解决主要是由于其产生的环境较为复杂，采用传统的理论计算进行分析极为困难，不能保证计算准确与否的同时还要投入大量的人力、物力和财力。计算机仿真技术的发展，为噪声问题的分析提供了新的方法，大大提高了噪声分析计算的效率。LMS 公司开发的LMS Virtual.Lab 仿真软件，集成了声学、疲劳学、动力学、振动学等多个仿真模块，具有完整的前处理、仿真计算和后处理功能，能够满足通风机进气口噪声问题分析的要求。

2.1 有限元模型建立

基于服役中的主井通风机进气口管道实物，完成了尺寸的测量，之后运用三维建模软件SolidWorks绘制了进气口管道模型，为了保证仿真计算工作的顺利开展，提高仿真计算的速度，对建模过程进行简化，省略了管道中的倒角、螺纹孔等对仿真结果影响较小的因素。将进气口管道的三维模型另存为.igs 格式之后导入Virtula.Lab 仿真计算软件中进行网格的划分，网格尺寸设置为35 mm，划分网格之后统计得到节点个数为4 670，单元个数为4 782。为了便于噪声监测，在通风机进气口管道的叶片位置模拟一个平面声波源，声压定义为3 Pa，相当于103.5 dB，距离进气口1 m，模型如图1 所示。

2.2 边界条件设置

完成有限元仿真分析模型建立之后对其边界条件进行设置，其中计算频率的范围为500～1 500 Hz，计算过程中的步长为25 Hz，声压大小为2×10-5Pa，空气的密度为1.225 kg/m3，空气中的噪声速度为340 m/s。完成上述仿真参数设置之后即可进入声场的仿真分析计算。

图1 仿真分析模型

2.3 结果与分析

启动Virtula.Lab 仿真计算软件自带求解器，完成了通风机进气口噪声声场的仿真计算，给出了主要频率范围内声压分布云图，包括500 Hz、750 Hz、1 250 Hz 和 1 500 Hz，如图2 所示。由图2 主要频率范围内声压分布云图可以看出通风机进气口管道内风扇位置，各频率下噪声声压级基本持平，声压级比较大，噪声的声压级均在98～101 dB 范围之内。观察不同频率下声压分布云图还可以看出高频时噪声的区域较为集中。

图2 改进前主要频率范围内声压（dB）分布云图

3 改进设计

3.1 降噪改进

基于上述通风机进气口管道有限元仿真分析结果可知，通风机进气口存在较大的噪声声压级，这是通风机运行过程中噪声的主要来源之一，因此降低进气口噪声具有重要的意义。此处拟在通风机进气口安装吸声器，以便降低噪声声压级。吸声器的结构较多，此处采用自行设计的圆底劈尖型吸声器，将表面做成光滑流线型，外部框架采用多孔钢板制作，内部填充超细玻璃棉作为吸声材料。圆底劈尖型吸声器的优点如下：第一是光滑流线型的表面降低了风流阻力；第二是具有较大的吸声面积，具有较好的吸声效果；第三是劈尖型设计能够吸收部分进气口噪声，未被吸收的噪声也能够在多次反射过程中消耗殆尽。

3.2 改进效果验证

为了验证在通风机进气口增加圆底劈尖型吸声器的降噪效果，采用solidworks 三维建模软件建立圆底劈尖型吸声器模型，并将其与前面建立完成的进气口管道及平面声波源进行装配。之后另存为.igs 格式文件导入Virtula.Lab 仿真计算软件进行网格的划分，如图3 所示。

图3 改进的仿真分析模型

完成有限元模型建立之后进行边界条件的设置，要求仿真计算参数与改进之前相一致，同时增加了吸声器表面声阻的设置，吸声材料设置为超细玻璃棉，声阻的实部数值设置为830 kg/（m2·s），虚部数值设置为3 030 kg/（m2·s）。完成相关参数设置之后再次启动Virtula.Lab 仿真计算软件自带求解器开始进行噪声声场的计算，从结果中提取主要频率对应的声压分布云图，如图4 所示。

图4 改进后主要频率范围内声压（dB）分布云图

由图4 改进之后主要频率范围内声压分布云图可以看出通风机进气口管道内风扇位置，各频率下噪声声压级基本持平，噪声的声压级均在80～104 dB范围之内，低声压级部分出现了明显的降低，降低近18 dB，高声压级部分改进效果不明显。通过观察不同频率下声压分布云图还可以看出各频率下噪声的区域较为集中。结合通风机实际的使用情况可知，工作稳定之后的通风机基本处在低声压级部分运行，改进之后的进气口管道能够有效降低通风机整体的噪声声压级，降低其对周围环境的污染程度。

4 应用效果评价

为了验证改进方案的应用效果，按照吸声器的结构完成了加工制造并将其应用于在用通风机进气口位置，对进气口位置的噪声进行了周期性的检测。结果表明，吸声器结构简单、安装方便、工作稳定可靠；连续跟踪了10 周，每隔1 周检测一次通风机进气口位置的噪声声压级，统计得出整个时间段内的声压级处于78～102 dB 范围内，与仿真结果基本吻合。通风机稳定运行过程中的声压基本处于78～90 dB 范围内，相较于改进之前的接近110 dB，取得了明显的改进效果，极大降低了工作面的噪声，提高了煤矿井下作业过程中的交流效率，降低了井下伤亡事故率，提高了煤炭采掘效率，预计降低煤炭开采成本近10%，增加经济效益近150 万元/年。