鋼-泡沫鋁-鋼層合結(jié)構(gòu)礦用溜槽減振降噪優(yōu)化及其性能分析

沈佳興　徐平　亓振　于英華

摘要： 針對礦用溜槽的振動及噪聲劇烈、使用壽命低等問題，設(shè)計一種鋼?泡沫鋁?鋼層合結(jié)構(gòu)礦用溜槽。采用參數(shù)優(yōu)化理論，結(jié)合ANSYS Workbench軟件對其結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計。分析了優(yōu)化后的鋼?泡沫鋁?鋼層合結(jié)構(gòu)礦用溜槽的抗沖擊性能、諧響應(yīng)性能及聲學(xué)性能。結(jié)果表明：鋼?泡沫鋁?鋼層合結(jié)構(gòu)礦用溜槽不僅質(zhì)量降低11.4%，而且最大沖擊應(yīng)力降低15%、最大諧響應(yīng)振幅降低90%以上，同時溜槽的降噪性能也得到顯著提升。證明了鋼?泡沫鋁?鋼層合結(jié)構(gòu)礦用溜槽不僅能夠減輕溜槽的質(zhì)量而且具有優(yōu)越的抗沖擊和減振降噪性能。

關(guān)鍵詞： 減振; 降噪; 優(yōu)化設(shè)計; 泡沫鋁; 溜槽

中圖分類號： O328; TB535+.1 ? ?文獻標(biāo)志碼： A ? ?文章編號： 1004-4523（2021）02-0372-07

DOI：10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.2021.02.018

引 ?言

礦用溜槽是最早應(yīng)用的選礦設(shè)備，是煤炭運輸及篩選分級過程中的重要設(shè)備，能實現(xiàn)煤炭的過渡運輸、集中分配、等分、調(diào)節(jié)工藝流程等重要作用，從而實現(xiàn)煤炭沿著一定路線輸送[1?4]。因為礦用溜槽工作時不斷受到輸送煤塊和矸石的沖擊進而產(chǎn)生持續(xù)的、劇烈的振動和沖擊力，這不僅妨礙機器的有效運行，還會顯著縮短工作壽命[5?6]，而且輸送物料的沖擊和摩擦也會產(chǎn)生100?115 dB的噪聲，嚴(yán)重危害工作人員及周邊居民的身心健康[5?7]，因此降低礦用溜槽的振動和噪聲是提高溜槽性能所亟需解決的問題。目前，降低溜槽的振動和噪聲常采用的方法主要有兩類：其一為優(yōu)化溜槽的結(jié)構(gòu)和參數(shù)[6，8];其二為使用具有減振降噪性能的新材料制造溜槽[7，9]。方法一是通過優(yōu)化溜槽的結(jié)構(gòu)和參數(shù)減小溜槽工作時受到的沖擊及改善溜槽的動力學(xué)性能進而降低溜槽的振動;方法二首先利用減振降噪材料主動減輕溜槽的振動，然后再利用材料的吸聲隔聲功能進一步降低噪聲向周圍環(huán)境的傳播，進而達到減振降噪的目的。

泡沫鋁是一種新型的結(jié)構(gòu)功能一體化材料，具有低密度、減振、沖擊吸能、高阻尼、吸聲隔聲等優(yōu)異特性[10?12]，為此，本文以一種梯臺形溜槽為研究對象，利用泡沫鋁的優(yōu)點設(shè)計一種鋼?泡沫鋁?鋼層合結(jié)構(gòu)礦用溜槽（簡稱：泡沫鋁溜槽），然后對其結(jié)構(gòu)參數(shù)進行多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計并分析其抗沖擊性能，諧響應(yīng)性能及其聲學(xué)性能，最后通過實驗檢驗泡沫鋁溜槽的降噪性能。本文采用的鋼?泡沫鋁?鋼層合結(jié)構(gòu)適用于其他有減振、降噪、抗沖擊等需求的機械設(shè)備，并且采用的優(yōu)化設(shè)計方法普遍適用于其他機械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，因此本文具有一定的應(yīng)用價值和指導(dǎo)意義。

1 原型溜槽性能分析

1.1 原型溜槽抗沖擊性能分析

溜槽工作時煤塊物料的沖擊是產(chǎn)生溜槽振動和噪聲的主要原因，而且持續(xù)的沖擊也會破壞溜槽，降低使用壽命。因此首先研究原型溜槽的抗沖擊性能。

原型溜槽的結(jié)構(gòu)為梯臺形，其截面為正方形，溜槽的進料口邊長為600 mm，出料口邊長為420 mm，高為468 mm，制造溜槽的鋼板厚5 mm。制造原型溜槽的鋼板為Q235，材料參數(shù)：密度為7800 kg/m3、彈性模量為200 GPa、泊松比為0.28、屈服強度為235 MPa、聲音的傳播速度為5130 m/s、阻尼比為0.005。煤塊物料的材料參數(shù)：密度為1500 kg/m3、彈性模量為1.7 GPa、泊松比為0.2、屈服強度為113.6 MPa?？紤]到Q235是應(yīng)變率敏感材料，因此建立其Cowper?Symonds模型如下式

σ=σ_0 [1+（ε ˙/D）^（1/P） ] （1）

式中 ?σ，σ0分別為材料的動態(tài)和靜態(tài)屈服應(yīng)力;ε ˙為應(yīng)變率;D，P為應(yīng)變率參數(shù)，取D=40 s-1，P=5。

分析時假設(shè)煤塊為平均直徑80 mm的球形，煤塊從上級輸送機在經(jīng)過溜槽高度差作用下產(chǎn)生大小約為3 m/s豎直向下的速度沖擊到溜槽上。采用Workbench?Explicit Dynamics模塊分析原型溜槽的沖擊性能，溜槽和煤塊的三維模型在Explicit Dynamics軟件中建立并設(shè)置Q235和煤塊的材料參數(shù)。對溜槽和煤塊采用六面體?四面體混合網(wǎng)格進行劃分，網(wǎng)格大小為20 mm，模型中共有36956個節(jié)點，5530個單元，網(wǎng)格模型如圖1所示。溜槽工作時溜槽進料口固定到其他設(shè)備上，因此在溜槽入料口的表面施加固定約束，設(shè)置物料有豎直向下的3 m/s初速度，在整個模型中施加重力加速度，設(shè)置物料與溜槽的接觸類型為摩擦接觸，靜摩擦系數(shù)系數(shù)為0.3，動摩擦系數(shù)為0.25，如圖2所示。分析0.01 s內(nèi)煤塊與溜槽的碰撞情況，結(jié)果如圖3和4所示。

由圖3可知溜槽的沖擊應(yīng)力曲線為拋物線，這是因為煤塊與溜槽接觸后溜槽迅速發(fā)生彈性變形并產(chǎn)生沖擊應(yīng)力，這時溜槽的沖擊應(yīng)力逐漸增加。當(dāng)時間為0.005 s時，在煤塊與溜槽的接觸位置有最大沖擊應(yīng)力17.735 MPa，如圖4所示，但溜槽仍處于彈性變形階段。之后煤塊被彈開溜槽變形開始恢復(fù)，沖擊應(yīng)力也逐漸減小。

1.2 原型溜槽諧響應(yīng)分析

根據(jù)溜槽的有效體積計算其滿載時每個襯板上的激振力如下式所示

F=mg=ρg （V-V^'）/4 （2）

式中 ?V為溜槽整體體積，V'為溜槽開口體積，m為煤質(zhì)量，ρ為煤密度，g重力加速度。

根據(jù)式（2）計算每個襯板上激振力大小為151.632 N，設(shè)激振力的相位角為零。激振力的頻率與煤塊輸送量及煤塊的粒度等因素有關(guān)，煤塊沖擊產(chǎn)生的激振力頻率不會過高。諧響應(yīng)分析時研究的頻率范圍為0?1000 Hz。在沖擊分析基礎(chǔ)上進行諧響應(yīng)分析，分析時刪除三維模型中煤塊并重新劃分網(wǎng)格。然后在溜槽的四個襯板面分別施加激振力，模型中約束條件和材料參數(shù)不需修改。因為溜槽進料口被約束且出料口自由，最大振動幅值應(yīng)出現(xiàn)在出料口處，所以考察出料口處的頻響特性。溜槽截面為正方形，溜槽在x軸和y軸方向的振幅相同，所以分析如圖4坐標(biāo)系下溜槽沿x和z兩個方向的頻響特性，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知原型溜槽在190 Hz時，在x軸和z軸方向均有最大振幅，分別為1.350 mm和0.264 mm。溜槽振幅過大會大幅降低其使用壽命且產(chǎn)生的噪聲也會增大，因此應(yīng)盡量降低溜槽的振幅。

1.3 原型溜槽聲學(xué)性能分析

采用Workbench?Harmonic Acoustics模塊分析溜槽的聲學(xué)性能。在溜槽中心建立邊長為2 m的正方體聲場分析域，如圖6所示。溜槽的材料參數(shù)上文已經(jīng)定義不需修改，聲場傳播域為空氣介質(zhì)，常溫下其密度為1.225 kg/m3，聲音的傳播速度為346.25 m/s，黏度為1.7894×10-5 kg/（m?s）。溜槽的網(wǎng)格不需修改，聲場分析域的網(wǎng)格大小設(shè)為25 mm，模型中共有89686個節(jié)點，54473個單元。將溜槽和空氣介質(zhì)設(shè)為“Acoustic Region”，其作用是將結(jié)構(gòu)單元轉(zhuǎn)化為聲學(xué)單元。在溜槽的四個襯板內(nèi)表面分別施加大小為0.01 kg/（m2?s）振動質(zhì)量源用于模擬沖擊振動產(chǎn)生的聲源。工程中常用中心頻率為125，250，500，1000，2000，4000 Hz的六個倍頻程分析聲學(xué)性能[7]，分析結(jié)果如圖7所示。分析域的最高聲壓隨著中心頻率的增加先緩慢變大后迅速上升，在低頻時溜槽的聲壓為110 dB左右，在高頻時溜槽的聲壓約為135 dB。

2 泡沫鋁溜槽結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

根據(jù)原型溜槽的結(jié)構(gòu)尺寸及與溜槽配套的篩選設(shè)備裝配關(guān)系，在不改變溜槽外形尺寸保證其能與相關(guān)篩選設(shè)備正常裝配使用的情況下，設(shè)計的泡沫鋁溜槽結(jié)構(gòu)如圖8所示，由Q235材質(zhì)的內(nèi)板、外板、橫向和豎向加強筋及泡沫鋁芯板組成。泡沫鋁為閉孔泡沫鋁，密度為500 kg/m3，彈性模量為8 GPa，泊松比為0.33，屈服強度為14 MPa，阻尼比為0.02，聲音的傳播速度為5000 m/s。采用Cowper?Symonds模型模擬泡沫鋁的應(yīng)變率效應(yīng)[13?14]，如式（1），取D=6500 s-1，P=4[15]。

為使泡沫鋁溜槽具有最佳的減振降噪性能同時具有輕質(zhì)性，本文對泡沫鋁溜槽進行多目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計。優(yōu)化時將泡沫鋁溜槽的外板厚x1、泡沫鋁厚x2、內(nèi)板厚x3、豎向加強筋厚x4、橫向加強筋厚x5作為優(yōu)化變量。因為原型溜槽的鋼板厚為5 mm，所以設(shè)定1 mm≤x1= x3= x4= x5≤5 mm;泡沫鋁不宜過厚，防止泡沫鋁溜槽尺寸變化過大，因此設(shè)定1 mm≤x2≤20 mm。將泡沫鋁溜槽的沖擊應(yīng)力、各軸向最大諧響應(yīng)振幅、各中心頻率條件下噪聲聲壓及泡沫鋁溜槽質(zhì)量指標(biāo)最小作為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)。優(yōu)化的約束條件應(yīng)滿足：溜槽中泡沫鋁的最大應(yīng)力應(yīng)小于其屈服應(yīng)力，同時以各優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)性能不大于原型溜槽的對應(yīng)性能。因為該優(yōu)化具有多個優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，且各個優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的重要程度相當(dāng)，所以采用等權(quán)重折衷規(guī)劃法將多目標(biāo)優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)優(yōu)化問題，其數(shù)學(xué)模型如下

式中 ?fi（X），i=1，2，…，10分別為泡沫鋁溜槽的沖擊應(yīng)力目標(biāo)函數(shù)、泡沫鋁溜槽在x軸和z軸方向的最大諧響應(yīng)振幅目標(biāo)函數(shù)、泡沫鋁溜槽在六個中心頻率時的聲壓目標(biāo)函數(shù)和泡沫鋁溜槽質(zhì)量目標(biāo)函數(shù);σfoam，σim分別為溜槽中泡沫鋁材料的最大沖擊應(yīng)力和溜槽整體的最大沖擊應(yīng)力;Ax，Az分別為原型溜槽在x軸和z軸方向的最大諧響應(yīng)振幅;m為原型溜槽的質(zhì)量;SPLs分別為原型溜槽中心頻率125，250，500，1000，2000和4000 Hz時的聲壓。

采用Workbench?Direct Optimization模塊對泡沫鋁溜槽進行多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計。按照公式（3）在軟件中建立有限元參數(shù)優(yōu)化模型，并采用多目標(biāo)遺傳算法（MOGA）算法進行求解，求解迭代曲線如圖9所示。由圖可知優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)初始階段迅速降低后逐步減緩，直至第71次迭代計算該優(yōu)化收斂。通過優(yōu)化計算并根據(jù)常用鋼板厚度標(biāo)準(zhǔn)，最終確定泡沫鋁溜槽各結(jié)構(gòu)的最優(yōu)尺寸如表1所示。

3 優(yōu)化后泡沫鋁溜槽性能分析

根據(jù)優(yōu)化結(jié)果重新建立泡沫鋁溜槽的三維模型，利用Workbench軟件計算泡沫鋁溜槽的質(zhì)量為33.26 kg，比原型溜槽的37.538 kg減小了11.4%。

3.1 泡沫鋁溜槽抗沖擊性能分析

利用Workbench?Explicit Dynamics對泡沫鋁溜槽的抗沖擊性能進行分析，分析時泡沫鋁溜槽的網(wǎng)格劃分方式及大小、約束條件及煤塊的速度載荷與原型溜槽沖擊性能分析時相同，結(jié)果如圖10和11所示。由兩圖可知泡沫鋁溜槽在8.375×10-4 s時有最大的沖擊應(yīng)力15.08 MPa，位于煤塊與溜槽內(nèi)板接觸的鋼板上，而其余部位及泡沫鋁芯體的應(yīng)力均較小。通過比較可知泡沫鋁溜槽的最大沖擊應(yīng)力比原型溜槽最大沖擊應(yīng)力減小15%，因此泡沫鋁溜槽的抗沖擊性能得到顯著提高。

3.2 泡沫鋁溜槽諧響應(yīng)分析

在泡沫鋁溜槽抗沖擊性能分析的基礎(chǔ)上，刪除不需要的煤塊模型后進行泡沫鋁溜槽諧響應(yīng)分析。對泡沫鋁溜槽施加與原型溜槽諧響應(yīng)分析時相同的約束條件及激振載荷，并分析泡沫鋁溜槽沿x軸和z軸兩個方向在0?1000 Hz范圍內(nèi)的響應(yīng)幅值，結(jié)果如圖12所示。由圖可知泡沫鋁溜槽x軸最大振幅要明顯高于z軸，且兩個方向的最大振幅均出現(xiàn)在762.5 Hz時，該頻率要遠高于原型溜槽190 Hz，有助于避免發(fā)生共振;同時泡沫鋁溜槽x軸最大振幅和z軸最大振幅分別為6.647×10-2 mm和1.573×10-2 mm，均比原型溜槽各向最大振幅減小90%以上，證明泡沫鋁溜槽具有更佳的減振性能。

3.3 泡沫鋁溜槽聲學(xué)性能分析

同樣在泡沫鋁溜槽中心建立邊長為2 m的正方體聲場分析域。分別定義泡沫鋁、Q235和空氣介質(zhì)的材料參數(shù)。模型的網(wǎng)格劃分方法和尺寸與原型相同。在泡沫鋁溜槽四個內(nèi)板外表面施加大小為0.01 kg/（m2?s）振動質(zhì)量源。求解泡沫鋁溜槽在125，250，500，1000，2000和4000 Hz的六個倍頻程的聲壓，如圖13所示。由圖可知泡沫鋁溜槽的聲壓范圍為99.35?127.92 dB，泡沫鋁溜槽的聲壓分布與原型溜槽基本一致。泡沫鋁溜槽各頻率的聲壓變化情況如表2所示。由表2可知泡沫鋁溜槽比原型溜槽的聲壓降低6.03?13.7 dB，證明泡沫鋁溜槽的降噪性能明顯優(yōu)于原型溜槽。

4 泡沫鋁溜槽降噪實驗

采用AWA5680型多功能聲級計分別測量原型溜槽和泡沫鋁溜槽在相同噪聲源的不同頻率情況下距離聲源1 m時的聲壓，并比較兩種情況下的聲壓以證明泡沫鋁溜槽具有良好的降噪性能，實驗原理如圖14所示。具體實驗儀器如圖15所示，包括：AWA5680型多功能聲級計、兩種溜槽、聲源及聲譜發(fā)生軟件SineGen。

實驗結(jié)果如表3所示。因為實驗聲源的功率有限，所以產(chǎn)生的聲壓略小于實際情況。通過比較可知泡沫鋁溜槽的聲壓要比原型減小4.7?8.8 dB，該值小于仿真結(jié)果是因為環(huán)境的背景噪聲等因素的影響。通過實驗證明泡沫鋁溜槽具有較好的降噪性能。

5 結(jié) ?論

設(shè)計一種泡沫鋁溜槽，并對其結(jié)構(gòu)進行多目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化，分析其抗沖擊、諧響應(yīng)及聲學(xué)性能。泡沫鋁溜槽與原型溜槽相比，不僅質(zhì)量降低了11.4%，并且沖擊應(yīng)力減小15%，x軸和z軸的最大諧響應(yīng)振幅均減小90%以上，同時泡沫鋁溜槽的降噪性能得到顯著提升，實現(xiàn)了溜槽的減振降噪及提高抗沖擊性能間接提高使用壽命的目標(biāo)。論文采用的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計及求解方法可以應(yīng)用于其他機械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。

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Vibration and noise reduction optimization and performance analysis of mine chutes with steel-aluminum foam-steel laminated structure

SHEN Jia-xing1，2， XU Ping2， QI Zhen3， YU Ying-hua2

（1. Research Institute of Technology and Equipment for the Exploitation and Utilization of Mineral Resources， Liaoning Technical University， Fuxin 123000， China;

2. School of Mechanical Engineering， Liaoning Technical University， Fuxin 123000， China;

3. College of Civil Engineering， Xuancheng Campus， Hefei University of Technology， Xuancheng 242000， China）

Abstract： A kind of mine chute with steel-aluminum foam-steel laminated structure is designed to solve the problems of severe vibration and noise and low service life. The structural parameters of the aluminum foam mine chute are optimized using parameter optimization theory and ANSYS Workbench software. The impact properties， harmonic response performance and acoustic performance of the optimized aluminum foam mine chute are analyzed. The results show that the aluminum foam mine chute not only reduces the mass by 11.4%， but also reduces the maximum impact stress by 15% and the maximum harmonic response amplitude by more than 90%， and the noise reduction performance of the mine chute is also significantly improved.

Key words： vibration reduction; noise reduction; optimization design; aluminum foam; chute

作者簡介： 沈佳興（1990-），男，講師。電話：13841824339; E-mail：329833309@qq.com