食品機械中自修復(fù)材料齒輪應(yīng)用及噪聲影響

肖 君， 張 力， 陳 浩

(北京工商大學(xué)材料與機械工程學(xué)院，北京 100048)

食品機械中自修復(fù)材料齒輪應(yīng)用及噪聲影響

肖 君， 張 力， 陳 浩

(北京工商大學(xué)材料與機械工程學(xué)院，北京 100048)

介紹了復(fù)合材料的自修復(fù)技術(shù)及微膠囊自修復(fù)原理，提出在食品機械中采用加入微膠囊自修復(fù)材料的復(fù)合材料齒輪，實現(xiàn)食品機械減重、降噪.通過對新型齒輪復(fù)合材料試件摩擦過程中不同溫度下的噪聲數(shù)據(jù)分析和對比，探討了自修復(fù)微膠囊對復(fù)合材料齒輪振動噪聲性能的影響.實驗結(jié)果表明，自修復(fù)微膠囊降低了齒輪的摩擦噪聲.

食品機械;自修復(fù);齒輪;噪聲

齒輪傳動是傳遞動力和運動的主要方式，傳統(tǒng)食品機械通常采用金屬齒輪傳動，存在著質(zhì)量重、噪聲大的缺點.隨著復(fù)合材料的飛速發(fā)展，新型復(fù)合材料齒輪已開始在食品、紡織機械中推廣應(yīng)用，如何提高復(fù)合材料齒輪性能成為近年齒輪研究的熱門課題.

1 自修復(fù)技術(shù)概述

1.1 自修復(fù)復(fù)合材料

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步，復(fù)合材料作為一種新材料得到了迅猛發(fā)展.復(fù)合材料有較高的比強度和比模量、各向異性和可設(shè)計性、良好的抗疲勞特性，以及傳動噪聲低、吸振、可開模加工，生產(chǎn)效率高等諸多優(yōu)點［1］.但是，復(fù)合材料存在著初始缺陷或裂紋，這種微裂紋的出現(xiàn)和擴展將引起材料整體性能下降，導(dǎo)致構(gòu)件過早失效，最終導(dǎo)致材料破壞.因此，需要對復(fù)合材料加以進一步的研究.

所謂自修復(fù)是指材料一旦產(chǎn)生缺陷，在無外界作用的情況下材料本身具有自我恢復(fù)的能力.自修復(fù)的核心是能量補給和物質(zhì)補給［2］.隨著聚合物材料的廣泛應(yīng)用，具有自修復(fù)性能的聚合物材料越來越受到重視.它模仿生物組織受傷后的再生、恢復(fù)機理，采用粘接材料和基體相復(fù)合的方法，對材料的損傷破壞進行自修復(fù)，恢復(fù)材料原有的性能，從而消除隱患，增強材料的機械強度，延長使用壽命［3］.

1.2 微膠囊自修復(fù)技術(shù)

微膠囊自修復(fù)技術(shù)的自修復(fù)過程是利用含有愈合劑(或修復(fù)劑)的微膠囊與聚合物基復(fù)合材料中具有催化活性的化學(xué)物質(zhì)催化反應(yīng)完成［4］.當(dāng)聚合物基復(fù)合材料受到損傷時，利用膠囊的自感知以及裂紋尖端的應(yīng)力集中作激勵，使微膠囊破裂，通過毛細管作用將修補劑釋放至受損區(qū)域，當(dāng)修補劑與預(yù)先埋置在基體中的催化劑接觸時發(fā)生聚合反應(yīng)，粘接裂紋表面從而修復(fù)受損區(qū)域.這樣可以有效阻止微裂紋的繼續(xù)擴展，大大提高了復(fù)合材料的使用壽命，降低了維修與維護成本［5］，如圖1.

1.3 自修復(fù)材料在齒輪中的應(yīng)用

齒輪是食品機械設(shè)備的主要零件之一，齒輪失效也是引起機械設(shè)備故障的重要原因之一.近年來，用碳纖維、玻璃纖維等增強聚合物基復(fù)合材料制成的齒輪，已進入了工業(yè)化應(yīng)用階段，復(fù)合材料齒輪已在食品、紡織、化工和印刷機械設(shè)備等領(lǐng)域應(yīng)用［6－7］.

1.4 自修復(fù)材料的噪聲影響

任何一個機械結(jié)構(gòu)受到激勵或干擾都會有振動和噪聲.各類機械設(shè)備的噪聲發(fā)射已列入重要產(chǎn)品質(zhì)量評價指標(biāo).復(fù)合材料的出現(xiàn)使人們對材料和結(jié)構(gòu)的固有特性有了新的認識，不僅考慮重量和空間的限制，同時考慮復(fù)合材料的聲學(xué)性能［8］.

圖1 復(fù)合材料自修復(fù)示意Fig.1 Schematic diagram of composite self-repair

本項目借鑒目前已廣泛用于醫(yī)藥、印刷、化妝品等行業(yè)的微膠囊新技術(shù)，采用項目負責(zé)人所參加的國家自然科學(xué)基金項目的部分研究成果，在復(fù)合材料齒輪中構(gòu)建一種新型自修復(fù)系統(tǒng)，根據(jù)微膠囊自修復(fù)機理，將自修復(fù)微膠囊加入到聚合物基復(fù)合材料齒輪中，從而避免復(fù)合材料齒輪因出現(xiàn)疲勞點蝕裂紋和燒傷而失效，以實現(xiàn)食品機械中齒輪自修復(fù)、減震降噪和延長使用壽命的目的.

2 自修復(fù)復(fù)合材料齒輪摩擦噪聲實驗

本文以自行研制的新型齒輪復(fù)合材料配方為研究對象，分別提取了兩組材料摩擦過程中不同溫度(溫度指工件自身溫度，下同)下的振動與噪聲的相關(guān)數(shù)據(jù)，并對其進行分析和對比，探討了自修復(fù)微膠囊對復(fù)合材料齒輪振動噪聲性能的影響.

2.1 實驗設(shè)備

實驗所用的儀器設(shè)備見表1.

表1 實驗使用的設(shè)備Tab.1 Test equipment

2.2 實驗方法與原理

將兩種不同配方的復(fù)合材料齒輪試驗樣塊裝卡于定速摩擦試驗機中，利用測試傳聲器獲取摩擦試驗35，40，45，50℃ 4種溫度下的噪聲信號，并將信號導(dǎo)入裝有聲學(xué)分析軟件的計算機中，利用軟件對噪聲信號進行分析和處理，從而尋求自修復(fù)微膠囊對復(fù)合材料齒輪振動噪聲性能的影響的一般規(guī)律.

2.3 實驗過程

1)設(shè)備連接.

2)校準測試傳聲器.

3)啟動定速摩擦試驗機進行摩擦實驗(見圖2).

圖2 實驗現(xiàn)場Fig.2 Experimental site

4)獲取數(shù)據(jù)(分別在35，40，45，50 ℃的溫度下，采集兩種不同配方試驗樣塊的噪聲信號)，見表2.

2.4 數(shù)據(jù)分析

2.4.1 頻譜分析

根據(jù)表2，繪制未加膠囊及加入微膠囊配方的試驗樣塊在不同溫度的頻譜圖，該頻譜圖反映了噪聲在不同頻率的聲壓級的大小，即不同頻率的噪聲能量的大小，如圖3和圖4.

圖3 未加微膠囊不同溫度下的頻譜圖Fig.3 Microcapsules did not increase spectrum at different temperatures

表2 不同溫度下頻帶聲壓級Tab.2 Band sound pressure level at different temperarures dB

圖4 加微膠囊不同溫度下的頻譜圖Fig.4 Add micro-capsules of spectrum at different temperatures

通過對比圖3和圖4可以看出:

1)兩種配方摩擦噪聲的聲壓級在50 Hz時都有較強變化，在500 Hz以后聲壓級基本變化不大.

2)在相同溫度相同頻率下，加入微膠囊的聲壓級普遍要比未加微膠囊的小，即加入自修復(fù)微膠囊降低了齒輪的摩擦噪聲.

2.4.2 聲壓級分析

調(diào)查表明，評價由寬頻率范圍噪聲引起的煩惱和所造成的聽覺危害程度與A計權(quán)測量聲級有較好的相關(guān)性，因此測量一般噪聲時，多采用A計權(quán).根據(jù)表2繪制兩種配方材料不同溫度下的A計權(quán)比較圖，如圖5.

圖5 不同溫度下A計權(quán)Fig.5 A weighting of different temperatures

可以看出:

1)聲壓級(A計權(quán))隨著溫度的變化略有升高，但溫度對兩組配方噪聲的聲壓級的影響幅度都很小.

2)加入微膠囊的材料振動噪聲在各溫度下都比未加入微膠囊材料的振動噪聲要小.

3 結(jié)論

通過頻譜分析及聲壓級分析，總結(jié)得出:

1)兩種配方摩擦噪聲的聲壓級在500 Hz以后聲壓級基本變化不大.

2)聲壓級(A計權(quán))隨著溫度的變化略有升高，但溫度對兩組配方噪聲的聲壓級的影響幅度都很小.

3)相同溫度相同頻率下，加入微膠囊的材料普遍比未加微膠囊的材料聲壓級小;在各溫度下，加入微膠囊的材料振動噪聲也都比未加入微膠囊的材料振動噪聲要小.即加入自修復(fù)微膠囊降低了齒輪的摩擦噪聲.

實驗證明了自修復(fù)微膠囊能夠提高復(fù)合材料齒輪的降噪性能.由于實驗需要完善，因此今后還應(yīng)該進行研究分析，進一步探討微膠囊自修復(fù)技術(shù)在食品機械齒輪應(yīng)用中的發(fā)展.

［1］紀曉鋼.自修復(fù)技術(shù)對復(fù)合材料齒輪性能影響的研究［D］.北京:北京工商大學(xué)，2010.

［2］Yin Tan，Zhou Lin，Rong Minzhi，et al.Serf-healing woven glassfabric/epoxy composites with the healant consisting of microencapsulated epoxy and latent curing agent［J］.Smart Materials and Structures，2008，17(1):15-19.

［3］王輝.聚合物基復(fù)合材料齒輪自修復(fù)技術(shù)研究［D］.北京:北京工商大學(xué)，2009.

［4］Xia Y，Lu Y.Fabrication and properties of conductive con－ jugated polymers/silk fibroin composite fibers［J］.ComposSei Techn，2008，68(6):1471.

［5］童曉梅，張敏，張婷，等.微膠囊自修復(fù)技術(shù)及其在聚合物基復(fù)合材料中的應(yīng)用［J］.塑料，2009(38):29-31.

［6］李海燕，王榮國，劉文博，等.微膠囊自修復(fù)復(fù)合材料的研究進展［J］.玻璃鋼/復(fù)合材料，2007(4):48-51.

［7］張力，劉玉德，王輝.食品機械用新型復(fù)合材料齒輪的研究［J］.食品科技，2009(34):108-110.

［8］李婷婷，王瑞，劉星.微膠囊自修復(fù)復(fù)合材料的研究進展［J］.材料導(dǎo)報，2010(17):57-61.

(責(zé)任編輯:檀彩蓮)

Application and Noise Effect of Self-repairing Gear in Food Machinery

XIAO Jun， ZHANG Li， CHEN Hao
(School of Material and Mechanical Engineering，Beijing Technology and Business University，Beijing 100048，China)

The self-repair technology of composite materials and self-repair principles of microcapsules were introduced in this paper.The weight loss and noise reduction of machine in food machinery could be achieved by using the composite gear made of self-repair materials of microcapsules.The effect of self-repair microcapsules on the vibration of gear made of composite materials was revealed by analyzing noise data under different temperatures during the vibration of new gear made of composite materials.The results showed that self-healing microcapsules reduce the friction of the gear noise.

food machinery;self-repair;gear;noise

TS203

A

1671-1513(2011)01-0059-04

2011-01-10

北京市屬高等學(xué)校人才強教計劃資助項目(PHR201106110).

肖 君，女，碩士研究生，研究方向為機械設(shè)計及理論;

張 力，女，教授，博士，主要從事復(fù)合材料力學(xué)方面的研究.通訊作者.