泡沫鋁層合結(jié)構(gòu)礦用溜槽的減振降噪性能研究

楊昆，于英華，沈佳興

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泡沫鋁層合結(jié)構(gòu)礦用溜槽的減振降噪性能研究

楊昆1，于英華2，沈佳興2

(1. 遼寧工業(yè)大學機械工程與自動化學院，遼寧錦州 121001； 2. 遼寧工程技術(shù)大學機械工程學院，遼寧阜新 123000)

為了降低煤礦溜槽工作時的噪聲，探索溜槽降噪的新途徑，提出將泡沫鋁層合結(jié)構(gòu)用于制造礦用溜槽。針對溜槽工作的特點，設(shè)計泡沫鋁層合結(jié)構(gòu)礦用溜槽的新結(jié)構(gòu)，并運用理論分析和實驗分析的方法對其減振降噪性能進行研究。結(jié)果表明，用泡沫鋁層合結(jié)構(gòu)制造溜槽，可提高溜槽的降噪及環(huán)保性能。

泡沫鋁；層合結(jié)構(gòu)；溜槽；降噪

0 引言

溜槽是煤炭輸送及選煤廠篩選分級過程中的重要設(shè)備，大多數(shù)機械運輸設(shè)備和存煤裝置之間的轉(zhuǎn)載任務均是由溜槽來承擔，而且還起著分配、集中、等分、調(diào)節(jié)工藝流程等作用，其性能直接關(guān)系到煤炭的生產(chǎn)效率和分選程度[1]。

礦用溜槽在工作工程中，不斷地受到矸石及塊煤的摩擦與沖擊，會產(chǎn)生很大的振動和噪聲，噪音聲級可達100 dB以上，最高可達115 dB以上，嚴重地危害工人的健康，對周圍環(huán)境也造成噪聲污染[2]。

礦用溜槽的減振降噪在國內(nèi)一直是一個難題。傳統(tǒng)溜槽的結(jié)構(gòu)一般采用鋼板焊接內(nèi)襯襯板的方法制造，其內(nèi)襯襯板主要采用鑄鐵、碳鋼及高分子材料等。而對于普通鑄鐵材質(zhì)襯板，其耐磨性能差、沖擊韌性低；鑄石和高分子襯板耐磨性較好但韌性低；碳鋼和不銹鋼襯板韌性高但耐磨性低；橡膠襯板韌性好、吸震性能強，但易脫落堵塞，使用壽命較低[3]。因此，迫切需要一種新型材料制備溜槽，以達到減振降噪的目的，從而提高溜槽的使用壽命，降低工作時的噪聲。

泡沫鋁是近些年來發(fā)展迅速的一種新型結(jié)構(gòu)功能一體化的多孔材料，具有吸聲、隔聲、隔熱、阻燃、減振、阻尼、吸收沖擊能、電磁屏蔽等多種物理性能[4-6]。因而國內(nèi)外有些學者將其應用于一些減振降噪的結(jié)構(gòu)之中，均取得了良好的效果[7-9]。因此，若將泡沫鋁材料應用到礦用溜槽的結(jié)構(gòu)中，將對控制溜槽的振動和噪聲產(chǎn)生積極作用。同時，也會進一步拓展泡沫鋁材料在礦業(yè)領(lǐng)域的應用范圍。

本文綜合運用理論分析和實驗分析的方法，分別對泡沫鋁層合結(jié)構(gòu)板和溜槽的減振降噪性能進行研究，以證明泡沫鋁層合結(jié)構(gòu)板作為溜槽結(jié)構(gòu)部件的可行性和優(yōu)越性。

1 泡沫鋁層合結(jié)構(gòu)礦用溜槽的結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 原型溜槽結(jié)構(gòu)

本文的研究對象為煤礦中常用的一種篩下溜槽。該溜槽主要應用于振動篩底部，是為了使篩好的煤塊集中而增設(shè)的轉(zhuǎn)接設(shè)備。工作時，塊煤通過溜槽垂直轉(zhuǎn)移到輸送設(shè)備上，可使原煤沿著工藝規(guī)程制定的線路運行，從而保證生產(chǎn)的正常運行。其具體形狀和尺寸如圖1所示。

其進出口部位的尺寸取決于所連接設(shè)備的要求。篩子的篩網(wǎng)寬度為600 mm×600 mm，篩子底部到輸送機的落差為618 mm，輸送機寬度為460 mm。因此，該篩下溜槽的截面形狀為方形，截面尺寸為起始端邊長600 mm、末端邊長為420 mm、高度為468 mm的四棱臺結(jié)構(gòu)，各面的鋼板厚度為5 mm。

1.2 泡沫鋁層合結(jié)構(gòu)溜槽結(jié)構(gòu)

為保證溜槽能正常工作，溜槽的撓度必須在可接受范圍內(nèi)，即泡沫鋁層合結(jié)構(gòu)溜槽的剛度要大于或等于原型結(jié)構(gòu)溜槽的剛度。同時，為了發(fā)揮泡沫鋁層合板的輕質(zhì)性，還要求泡沫鋁層合結(jié)構(gòu)溜槽的質(zhì)量要小于原型結(jié)構(gòu)溜槽的質(zhì)量。由于所研究溜槽的結(jié)構(gòu)是對稱的，每一塊溜槽襯板的受力和變形基本相同。因此，可單獨對泡沫鋁層合板進行分析，確定泡沫鋁層合板面板厚度和泡沫鋁芯層的厚度。

單獨一塊鋼板的剛度為

依據(jù)等剛度設(shè)計理論，可得

同時要滿足泡沫鋁層合板的質(zhì)量不大于鋼板的質(zhì)量，因此有

(4)

將不等式(3)和(4)的曲線畫在一個坐標系中，如圖2所示。

由圖2可知，等質(zhì)量直線和等剛度曲線中間的區(qū)域，即為滿足設(shè)計要求的可行域?？紤]到泡沫鋁芯層和鋼板的加工難易程度和成本，選取的泡沫鋁層合板的總厚度為0.014 m，其中芯層厚度為0.010 m，鋼板厚度為0.002 m。將泡沫鋁層合板的剛度和質(zhì)量與原型溜槽鋼板的剛度和質(zhì)量的理論計算值進行對比，如表1所示。

由表1的計算結(jié)果可知，厚度為0.014 m的泡沫鋁層合板的剛度要遠大于相同長度和寬度的鋼板的剛度，且質(zhì)量有所降低。結(jié)果表明，芯層厚度為10 mm，鋼板厚度為2 mm的泡沫鋁層合板完全可以替代厚度為5 mm的Q235鋼板，利用該尺寸的泡沫鋁層合板制作溜槽，完全可以滿足工作的要求，并且質(zhì)量有所降低。

表1 泡沫鋁層合板與原型溜槽鋼板的彎曲剛度和質(zhì)量對比

2 泡沫鋁層合結(jié)構(gòu)溜槽振動特性的實驗分析

煤塊與溜槽內(nèi)金屬板撞擊產(chǎn)生的沖擊噪聲是溜槽噪聲的主要組成部分，其是由結(jié)構(gòu)受撞擊力作用后，而產(chǎn)生逐漸衰減的自由振動而輻射的聲能。為了減少溜槽在工作過程中的沖擊噪聲，即減少結(jié)構(gòu)的振動，需要對溜槽結(jié)構(gòu)的振動特性進行研究。

2.1 試件的制作

實驗中溜槽所采用的鋼板材質(zhì)為Q235低碳鋼，壁厚為5 mm和2 mm的兩種規(guī)格。層合板內(nèi)的閉孔泡沫鋁材料是由沈陽東大先進材料發(fā)展有限公司采用滲流鑄造法生產(chǎn)的，其基體金屬材料為ZL102鋁合金，平均孔徑為2～3 mm，相對密度為0.22。

根據(jù)原型溜槽和泡沫鋁層合結(jié)構(gòu)溜槽的形狀和尺寸，按照1:1的比例制備試驗試件。泡沫鋁層合結(jié)構(gòu)溜槽試樣中的泡沫鋁芯層與面板間使用環(huán)氧樹脂粘接劑粘接。制備好的實驗試件如圖3所示。

2.2 試驗設(shè)備及組成

試驗裝置主要由激勵系統(tǒng)、力和運動傳感器、測量與分析系統(tǒng)三部分組成，如圖4所示。

采用力錘激勵方式對試件進行激勵，力錘的錘頭采用尼龍錘頭，其頻響為800 Hz左右，脈寬大約為1.37 ms。試驗中使用的力傳感器是壓電力傳感器，運動傳感器是壓電加速度傳感器。結(jié)合現(xiàn)有的實驗條件以及泡沫鋁層合結(jié)構(gòu)溜槽的特點，選取永磁方式在溜槽表面安裝力傳感器和加速度傳感器。測量與分析系統(tǒng)由DELLM4400工作站和LMS.TestLab振動分析系統(tǒng)組成。

2.3 試驗方法

試驗時，用軟繩將試件懸吊起來以達到自由-自由條件的近似。為了使這種懸吊的影響減到最小，懸吊試件的連接點應當選擇處于或接近于盡可能多的模態(tài)的節(jié)點上，并選擇溜槽進口端四邊的中點作為懸掛點。

試驗時用安裝有力傳感器的力錘水平敲擊試件的激振點3次，取其平均值作為該點的頻率響應函數(shù)，以此來提高試驗精度。

2.4 試驗結(jié)果與分析

激振信號和響應信號通過多功能抗混濾波放大器放大后，由智能信號采集處理分析儀采集相應信號，并傳輸給計算機，再通過人工選擇頻段后得到模型的頻響穩(wěn)態(tài)圖。根據(jù)頻響穩(wěn)態(tài)圖通過系統(tǒng)提供的PolyLSCT法計算出原型溜槽和泡沫鋁層合結(jié)構(gòu)溜槽的前8階固有頻率和阻尼比，如表2所示。

由表2可以看出，泡沫鋁層合結(jié)構(gòu)溜槽的前8階固有頻率較原型溜槽的固有頻率均有所提高。泡沫鋁層合結(jié)構(gòu)溜槽各階固有頻率對應的阻尼比均大于原型溜槽的阻尼比，最小增幅為6.54%(第一階)，最大增幅1966%(第三階)。由此表明，泡沫鋁層合板制備的溜槽可以顯著提高原型溜槽的阻尼性能，可以明顯減少溜槽工作過程中的受激振動，從而減少溜槽的沖擊噪聲。

表2 兩種結(jié)構(gòu)溜槽的固有頻率和阻尼比

3 泡沫鋁層合結(jié)構(gòu)溜槽降噪性能的仿真分析

利用Virtual.Lab軟件采用邊界元方法((Boundary Element Method, BEM)分析兩種結(jié)構(gòu)溜槽在不同激振頻率情況下的聲壓分布情況。

3.1 聲學有限元模型的建立

將兩種結(jié)構(gòu)溜槽的ANSYS模態(tài)分析結(jié)果導入到Virtual.Lab中，截取聲學邊界元網(wǎng)格，并對流體網(wǎng)格進行劃分。為了研究溜槽外部的整體聲壓分布，插入半徑為750 mm的球面網(wǎng)格場點，如圖5所示。

對溜槽作用的激振力來自于煤塊的沖擊力。溜槽在滿載情況下，溜槽內(nèi)襯板主要受到煤塊的壓力作用。根據(jù)滿載時的實際情況，經(jīng)計算將煤塊的沖擊力大小近似為172 N，相位角近似取為零值，激振力頻率變化范圍為40～2000 Hz，加載方式為階躍式。分別在泡沫鋁層合結(jié)構(gòu)溜槽的四塊內(nèi)襯板的中間節(jié)點和原型溜槽四塊內(nèi)襯板的中間節(jié)點上施加激振力，并設(shè)置流體材料屬性和邊界條件。

3.2 仿真結(jié)果與分析

采用中心頻率為125、250、500、1000、2000、4000 Hz的六個倍頻程來分析。選取溜槽受激勵部位所對應的外部場點為觀測點，仿真結(jié)果如表3中所示。

由表3可知，當頻率在低頻段即1000 Hz以下時，溜槽外部的聲壓級基本上是隨著頻率的增大而增大的。而當頻率在1000～4000 Hz頻段變化時，溜槽外部的聲壓級隨著頻率的增大而減少，說明溜槽結(jié)構(gòu)對高頻率噪聲的降噪效果更好。

表3 溜槽外部邊界聲壓峰值(dB)

對比兩種結(jié)構(gòu)溜槽的降噪性能，泡沫鋁層合結(jié)構(gòu)溜槽外部的聲壓級比原型溜槽外部的聲壓級低，經(jīng)計算平均低3.1 dB左右。當頻率達到1000 Hz時，溜槽外部聲壓級達到峰值，此時差值為3.2 dB。隨著噪聲頻率的增加，泡沫鋁層合結(jié)構(gòu)溜槽與原型溜槽降噪量的差值不斷增大，表明泡沫鋁層合結(jié)構(gòu)溜槽對高頻率噪聲的降噪效果更優(yōu)于原型溜槽。

4 泡沫鋁層合結(jié)構(gòu)板隔聲性能理論分析

泡沫鋁層合板不僅通過受到外界機械力的激勵產(chǎn)生振動發(fā)出噪聲(結(jié)構(gòu)振動聲)，而且其對內(nèi)部混響聲場的作用(空氣聲)也會產(chǎn)生影響。因此，還應對泡沫鋁層合板的隔聲性能進行分析。

4.1 單層板的隔聲性能

(7)

4.2 泡沫鋁層合結(jié)構(gòu)板的隔聲性能

當層合結(jié)構(gòu)發(fā)生彎曲振動時，泡沫鋁芯層也隨之振動，在內(nèi)部產(chǎn)生拉壓交變應力，將機械能轉(zhuǎn)化為熱能并耗散掉，達到減振降噪的目的。由泡沫鋁層合板的等效抗彎剛度可得層合板的彎曲勁度為

層合板的面密度為

(9)

將式(8)與式(9)代入式(5)，即可得到泡沫鋁層合板的彎曲吻合臨界頻率

假設(shè)泡沫鋁層合板為無限長、單位寬，單一金屬的損耗因子約為10-4量級，而泡沫鋁材料的損耗因子約為10-2量級[13]，故可忽略金屬板層的損耗，用泡沫鋁芯層的損耗因子代替泡沫鋁層合板的結(jié)構(gòu)損耗因子。

4.3 兩種結(jié)構(gòu)板的降噪性能的數(shù)值解算

在工程中，常用中心頻率為125、250、500、1000、2000、4000 Hz的六個倍頻程的平均隔聲量來表示隔聲板的隔聲性能。因此，這里主要分析兩種結(jié)構(gòu)溜槽的組成結(jié)構(gòu)件，在頻率范圍內(nèi)的傳聲損失。有關(guān)材料的屬性值如表4所示，根據(jù)式(8)繪制出當聲波入射角為45o、鋼板厚度為2 mm、泡沫鋁層厚度為10 mm的泡沫鋁層合板的隔聲性能曲線，如圖6所示。

從圖6可看出鋼板與泡沫鋁層合板的隔聲性能曲線的規(guī)律大致相同，在較低頻時，隔聲量隨頻率的升高而增強，當進入吻合效應區(qū)，接近臨界吻合頻率時，隔聲量開始下降，曲線將會出現(xiàn)一個波谷。這與單層結(jié)構(gòu)板隔聲特性曲線[14]在質(zhì)量控制區(qū)、吻合效應和質(zhì)量控制延續(xù)區(qū)的變化規(guī)律相同。在低頻區(qū)域，鋼板的隔聲量要大于泡沫層合板；而在中高頻段，泡沫鋁層合板的隔聲性能均好于鋼板的隔聲性能，且差距較大，說明泡沫鋁層合板的降噪效果在中高頻率時比較明顯。將理論計算的相關(guān)參數(shù)和結(jié)果列于表5中。

表4 相關(guān)材料屬性

表5 相關(guān)參數(shù)和結(jié)果

由表5可知，泡沫鋁層合板的臨界吻合頻率要明顯低于鋼板的臨界吻合頻率，吻合頻率向低頻移動會降低隔聲效果，但另一方面也為阻尼措施的采取提供了可能。而從整個頻率范圍內(nèi)的平均隔聲量來看，泡沫鋁層合板的隔聲效果比鋼板的要好，平均隔聲量提高約7.79 dB(A)左右。

5 泡沫鋁層合結(jié)構(gòu)礦用溜槽隔聲性能的實驗分析

為進一步證明泡沫鋁層合結(jié)構(gòu)溜槽具有良好的降噪性能，有必要對兩種結(jié)構(gòu)溜槽的隔聲量進行試驗研究。

5.1 試驗設(shè)備及組成

本試驗將測量兩種不同結(jié)構(gòu)溜槽的隔聲量，而隔聲量可以通過聲壓級、聲強級和聲功率級來表示，本試驗將采用測量聲壓級的原理來進行。試驗設(shè)備主要有AWA5680型多功能聲級計和模擬聲源組成。

用專門的聲譜發(fā)生軟件通過計算機加上擴聲設(shè)備模擬噪聲源。模擬聲源發(fā)出噪聲可以在該儀器上直接讀出噪聲的聲壓值，分別測量聲源在沒有設(shè)置溜槽、設(shè)置原型溜槽、設(shè)置泡沫鋁層合結(jié)構(gòu)溜槽時噪聲源的聲壓值，然后進行分析比較，其噪聲測量系統(tǒng)如圖7所示。

5.2 試驗方法

本文利用在工程中常用的中心頻率為125、250、500、1000、2000、4000 Hz的六個倍頻程的平均隔聲量來表示隔聲板的隔聲性能。在實驗過程中，為減少聲音繞射的影響，在溜槽試件的上開口部添加了厚度為10 mm的泡沫板。

噪聲測量試驗在實驗室相對安靜的時候進行，房間墻壁和地面均為噪聲反射面。根據(jù)溜槽試件尺寸將噪聲源放在其內(nèi)部中間位置，距地面高度0.3 m處，而聲級計放置在溜槽試件的外部1 m處，距地面高度0.3 m處測量。

5.3 試驗結(jié)果與分析

測試結(jié)果如圖8所示，圖中三條曲線分別為裸測、原型溜槽結(jié)構(gòu)、泡沫鋁層合結(jié)構(gòu)的等響曲線。

從圖8中可以看出，在相同的響度級的純音下聲壓級隨著頻率的變化出現(xiàn)較大幅度的波動，等響曲線分成兩個部分，第一個部分是125～1000 Hz的頻率范圍，兩種結(jié)構(gòu)溜槽外部所測得的聲壓級隨著頻率的增加而升高，達到一定程度之后趨于平穩(wěn)；第二部分是1000～4000 Hz的頻率范圍，這一范圍內(nèi)兩種結(jié)構(gòu)溜槽都隨著頻率的增加而聲壓級減少，說明兩種結(jié)構(gòu)溜槽對較高頻率噪聲的隔聲效果更佳，這也與理論分析的結(jié)果基本一致。但由于測試房間的空間較小，在測試的過程中房間的回聲和桌面的共振及外界環(huán)境的干擾都會對實驗結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。

通過對比三組試驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，無論是泡沫鋁層合結(jié)構(gòu)溜槽還是原型結(jié)構(gòu)溜槽都起到了不同程度的隔音效果，在125～500 Hz的頻率范圍內(nèi)原型溜槽的平均隔音量為6.6 dB，泡沫鋁層合結(jié)構(gòu)溜槽的平均隔音量為3.7 dB，泡沫鋁層合結(jié)構(gòu)的隔音量比原型結(jié)構(gòu)小2.9 dB。在1000～4000 Hz的頻率范圍內(nèi)，泡沫鋁層合結(jié)構(gòu)溜槽的隔音量要明顯優(yōu)越于原型溜槽的隔音量，泡沫鋁層合結(jié)構(gòu)溜槽的平均隔音量為26.5 dB，原型溜槽的平均隔音量為10.4 dB，泡沫鋁層合結(jié)構(gòu)溜槽的隔音量比原型溜槽大16.1 dB。但從六個倍頻程的平均隔聲量來看，泡沫鋁層合結(jié)構(gòu)溜槽的隔聲效果比原型溜槽好，平均隔聲量提高約7.1 dB左右。由此可見，泡沫鋁層合結(jié)構(gòu)溜槽較原型溜槽具有更顯著的隔音降噪的作用。

6 結(jié)論

(1) 泡沫鋁層合結(jié)構(gòu)溜槽的降噪性能無論是在低頻段、中頻段還是高頻段都優(yōu)越于現(xiàn)有的溜槽結(jié)構(gòu)，其平均聲壓級可減小7.1 dB左右。

(2) 用泡沫鋁層合結(jié)構(gòu)制造礦用溜槽，可以提高溜槽的剛度和動態(tài)性能，降低結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，達到減振降噪的目的。

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Research on noise and vibration reduction performance of mine chute in foamed aluminum laminated structure

YANG Kun1, YU Ying-hua2, SHEN Jia-xing2

(1. College of Mechanical Engineering and Automation, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121000, Liaoning, China;2. College of Mechanical Engineering, Liaoning Technical University, Fuxin 12300, Liaoning, China)

In order to reduce the working noise of coal chute and to explore a new way of doing so, an idea of using foamed aluminum laminated structure in manufacturing mine chute is put forward. According to the characteristics of chute on working, a new foamed aluminum laminated structure of mine chute is designed. And then, the noise and vibration reduction performance of it is studied by theoretical analysis and test. The results show that the new laminated structure of chute can improve the noise reduction and environmental protection performance.

foam aluminum; laminated structure; chute; noise reduction

TB533

A

1000-3630(2016)-04-0362-07

10.16300/j.cnki.1000-3630.2016.04.015

12016-03-24;

2016-06-28

遼寧省教育廳一般項目(L2015241)、中國煤炭工業(yè)協(xié)會科學技術(shù)研究指導性計劃資助項目(MTKJ2010-290)

楊昆(1985－), 男, 遼寧阜新人, 博士, 講師, 研究方向為機械系統(tǒng)動力學建模與仿真，先進材料研究與應用，噪聲控制。

楊昆,E-mail:yangkunwh@163.com