軌式輸送機(jī)超高分子輪減振降噪特性試驗(yàn)*

項(xiàng)叢政 周 丹 劉丙錄 徐然然 王世寶

1馬鋼集團(tuán)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 馬鞍山 243000 2山東歐瑞安電氣有限公司 泰安 271024

0 引言

在傳統(tǒng)的帶式輸送機(jī)中，輸送帶由托輥支承完成運(yùn)輸工作，多個(gè)托輥并排設(shè)置在支架上，托輥與支架之間位置相對(duì)固定，托輥可以轉(zhuǎn)動(dòng)，輸送帶移動(dòng)時(shí)帶動(dòng)托輥轉(zhuǎn)動(dòng)。對(duì)于這種托輥式帶式輸送機(jī)的方式，運(yùn)行過程中噪聲主要來自于托輥?zhàn)陨硇D(zhuǎn)和托輥與輸送帶之間的摩擦。

軌式輸送機(jī)是一種新型散料輸送系統(tǒng)，主要結(jié)合了傳統(tǒng)帶式輸送機(jī)對(duì)線路適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，越野鋪設(shè)，沿地形而走，實(shí)現(xiàn)平面及空間轉(zhuǎn)彎、功耗低、經(jīng)營費(fèi)少、經(jīng)濟(jì)效益高的優(yōu)點(diǎn)[1]以及鐵道運(yùn)輸?shù)湍Σ?、低阻力的特征。軌式輸送機(jī)擁有獨(dú)特的輪軌式結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)帶式輸送機(jī)對(duì)比有明顯的優(yōu)勢，用輸送小車取代托輥，輸送小車以較小的滾動(dòng)摩擦力在軌道上運(yùn)行，且輸送小車和輸送帶之間相對(duì)靜止，消除了傳統(tǒng)輸送系統(tǒng)中能耗占比最大的壓陷阻力，避免了輸送帶在托輥上波浪運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的磨損，從而延長輸送帶的使用壽命；同時(shí)通過輸送小車車架的圓弧形成槽支承，大大增加了其與輸送帶的接觸面積，減小輸送帶在支承處的應(yīng)力；通過減小帶強(qiáng)和驅(qū)動(dòng)滾筒直徑，軌式輸送機(jī)還可以大幅降低輸送系統(tǒng)的功耗。軌式輸送機(jī)和傳統(tǒng)帶式輸送機(jī)的主體結(jié)構(gòu)對(duì)比如圖1所示。

圖1 軌式輸送機(jī)和傳統(tǒng)輸送機(jī)主體結(jié)構(gòu)

帶式輸送機(jī)的噪聲污染等級(jí)不超過50 dB，屬于較好的聲音環(huán)境[2]。軌式輸送機(jī)通過采用輸送小車代替?zhèn)鹘y(tǒng)的托輥，將托輥與輸送帶之間的各種阻力轉(zhuǎn)變?yōu)檩斔托≤嚨能囕喤c導(dǎo)軌之間的滾動(dòng)摩擦，通過機(jī)械結(jié)構(gòu)的改變，將輸送阻力明顯減小，其噪聲主要是輪軌噪聲。

1 輪軌噪聲

目前，軌式輸送系統(tǒng)的研發(fā)還處于初級(jí)階段，國際上對(duì)輪軌噪聲的研究主要集中在軌道交通噪聲領(lǐng)域。輪軌噪聲具體可分為滾動(dòng)噪聲、沖擊噪聲和尖叫噪聲[3-5]。滾動(dòng)噪聲是由軌道表面的短波不平順引起的，使輪軌振動(dòng)通過空氣傳播。沖擊噪聲是由輪軌表面局部間斷引起的噪聲，由于車輪經(jīng)過鋼軌（焊）接縫處時(shí)會(huì)產(chǎn)生撞擊，激發(fā)輪軌系統(tǒng)振動(dòng)，這種間斷性包括軌道間隙、高低錯(cuò)落的鋼軌接頭和車輪踏面的部分磨損。尖叫噪聲是車輛在小半徑曲線上行駛時(shí)產(chǎn)生的一種高頻窄帶噪聲，輪緣與鋼軌側(cè)面發(fā)生激烈摩擦和切削作用，這種在曲線上車輪對(duì)軌道的振動(dòng)響應(yīng)，形成一種高音調(diào)的尖叫聲。

圖2 輪軌噪聲

對(duì)于鋼輪軌運(yùn)行系統(tǒng)，由于鋼輪經(jīng)過鋼軌（焊）接縫處時(shí)會(huì)產(chǎn)生撞擊，造成車輪踏面凸凹不平、軌面呈波紋狀以及輪軌之間的蠕滑作用（即輪緣與軌頭側(cè)面之間的摩擦）等，這些因素綜合產(chǎn)生了大的復(fù)合噪聲。

現(xiàn)有輪軌降噪技術(shù)主要分為主動(dòng)降噪技術(shù)和被動(dòng)降噪技術(shù)。主動(dòng)降噪技術(shù)主要是通過減少噪聲源，控制聲源振動(dòng)來降低噪聲；被動(dòng)降噪技術(shù)主要是通過節(jié)斷噪聲的傳播路徑，阻礙噪聲的傳播來降低噪聲。

對(duì)軌式輸送機(jī)輪軌滾動(dòng)噪聲進(jìn)行研究分析，軌式輸送機(jī)輸送小車的鑄鐵輪在鋼軌上運(yùn)行是金屬對(duì)金屬的振動(dòng)撞擊，鑄鐵輪質(zhì)量大，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，硬度高，對(duì)鋼軌磨損嚴(yán)重，且耐磨性能差，而非金屬輪與鋼軌的接觸將很大程度上可以減小輪軌振動(dòng)。

超高分子量聚乙烯是一種性能優(yōu)異的熱塑性工程塑料，具有耐腐、耐磨、耐沖擊、抗老化、摩擦系數(shù)小等特性，已廣泛應(yīng)用于礦山采掘、交通運(yùn)輸、機(jī)械、巖土工程等領(lǐng)域[6]，并顯示出巨大的優(yōu)越性。超高分子量聚乙烯輪目前多為車床導(dǎo)輪、繩索滑輪、齒輪、猴車滾輪、電梯曳引輪等零部件，其在軌式輸送機(jī)上尚未普及。本文分析軌式輸送機(jī)超高分子輪減振降噪的特性。

2 模態(tài)分析

車輪在外部激勵(lì)作用下的頻率和其結(jié)構(gòu)的固有頻率相等或近似的情況下會(huì)發(fā)生共振。模態(tài)是機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性，模態(tài)分析是用于確定設(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)或機(jī)器部件的振動(dòng)特性的一種方法。

本文樣機(jī)中的輸送小車采用外徑rw=70 mm的車輪，主要由踏面、輪緣、輪輞、輻板和輪轂組成，通過SolidWorks進(jìn)行三維建模，其模型如圖3所示。

圖3 輸送小車車輪

將車輪三維模型導(dǎo)入到Workbench，在工程數(shù)據(jù)屬性中分別添加新材料HT200，定義車輪的彈性模量E=2×1011Pa，泊松比ν=0.32 kg/m3，密度ρ=7×103kg/m3；超高分子量聚乙烯材料，定義彈性模量E=1×1011Pa，泊松比ν=0.4 kg/m3，密度ρ=0.98×103kg/m3。

利用Workbench對(duì)不同材料的車輪進(jìn)行模態(tài)分析，由于實(shí)體車輪是一種典型的弱阻尼諧共振結(jié)構(gòu)，對(duì)固有頻率和振型的影響很小，所以計(jì)算模態(tài)時(shí)不考慮阻尼[7]，同時(shí)為了提高計(jì)算效率不考慮車軸的影響，設(shè)置最大模態(tài)階數(shù)為5，添加輪轂內(nèi)邊界為固定約束。模態(tài)分析計(jì)算完成后，得到車輪固有頻率值如表1所示，并提取超高分子輪具有代表性階數(shù)的固有頻率下的振型，如圖4所示。

圖4 超高分子輪模態(tài)振型圖

表1 車輪模態(tài)分析 Hz

由前5階模態(tài)振型可知，2種材料的車輪固有頻率都隨模態(tài)階數(shù)的增加而變大，而在相同階數(shù)下，超高分子輪固有頻率約為鑄鐵輪的2倍，表明超高分子輪相比鑄鐵輪不易在外部激勵(lì)作用下發(fā)生共振。由于車輪呈軸對(duì)稱的幾何形狀，其振型也成對(duì)稱模式，振型頻率較大，輪輞、輪緣和輻板振動(dòng)尤為活躍。超高分子輪在前5階主要表現(xiàn)為輪緣的扭擺，軸向、徑向的振動(dòng)和踏面的彎曲變形。由此可知，超高分子輪在高頻段內(nèi)的主要振動(dòng)部位是輪緣和踏面，由于輪緣厚度薄、面積大，是主要的噪聲輻射區(qū)，對(duì)車輪結(jié)構(gòu)的有效處理可以起到很好的減少車輪振動(dòng)和降低噪聲的目的。

3 軌式輸送機(jī)試驗(yàn)測試

3.1 振動(dòng)加速度測試

軌式輸送機(jī)的運(yùn)距為150 m，帶寬為1.2 m，轉(zhuǎn)彎半徑為300 m，最高帶速為5 m/s，傾角為5°。旋轉(zhuǎn)或往復(fù)式機(jī)械中的振動(dòng)特性，可以通過測量振動(dòng)的加速度、速度、位移等數(shù)據(jù)來分析。本文選用能反映沖擊力大小的振動(dòng)加速度作為測量對(duì)象。由于輸送小車在軌道上運(yùn)行無法對(duì)其直接測量，而輪軌振動(dòng)是相互作用，故實(shí)驗(yàn)主要是對(duì)軌道的振動(dòng)加速度進(jìn)行測量。

測試時(shí)輸送機(jī)超高分子輪小車和鑄鐵輪小車的數(shù)量各占50%，小車間距為3 m，其布置方式為鑄鐵輪小車25輛—超高分子輪小車12輛—鑄鐵輪小車12輛—超高分子輪小車25輛。選用靈敏度為1 mv/m?s-2的DH131E加速度傳感器，膠粘安裝在軌道的下方，靠近機(jī)頭改向輪上軌道處作為測點(diǎn)，其布置如圖5所示。

圖5 振動(dòng)加速度測試現(xiàn)場

當(dāng)帶速為2 m/s時(shí)，所有小車經(jīng)過測點(diǎn)，傳感器采集到的數(shù)據(jù)結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同車輪材料振動(dòng)加速度對(duì)比

由圖6可知小車車輪材料對(duì)振動(dòng)的影響很大，當(dāng)鑄鐵輪區(qū)段經(jīng)過測點(diǎn)時(shí)，振動(dòng)加速度集中在300～400 m/s2。在超高分子輪區(qū)段，即使輪子經(jīng)過測點(diǎn)，引起的振動(dòng)不明顯，最大加速度始終保持在50～80 m/s2。軌道振動(dòng)頻率主要集中在200～1 200 Hz區(qū)域，且在相同頻率下由鑄鐵輪振動(dòng)產(chǎn)生的幅值比超高分子輪高2～3倍。

3.2 噪聲測試

輪軌接觸表明的粗糙不平是輪軌系統(tǒng)的激勵(lì)源，是引起輪軌滾動(dòng)振動(dòng)噪聲的主要原因[8]。當(dāng)輪對(duì)在軌道上滾動(dòng)時(shí)，這種不平順導(dǎo)致輪軌之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)及輪軌本身的彈性振動(dòng)，彈性振動(dòng)向空氣中輻射就變成了噪聲[9]。

GB14784—2013《帶式輸送機(jī)安全規(guī)范》[10]規(guī)定：操作人員耳邊噪聲不允許超過80 dB(A)，否則必須采取隔音措施。MT820—2006《煤礦用帶式輸送機(jī)技術(shù)條件》[11]規(guī)定：輸送機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)，噪聲值不超過90 dB（A），大于90 dB（A）時(shí)，應(yīng)配備個(gè)人勞動(dòng)保護(hù)用品。

本文利用型號(hào)為01 dB的噪聲測試儀對(duì)軌式輸送機(jī)進(jìn)行整機(jī)噪聲測試，該測試儀能采用A聲級(jí)直接輸出分貝值。選取中間段為測點(diǎn)，將噪聲測試儀固定在三腳架上置于線路一側(cè)，與線路垂直且指向噪聲源，測試儀距軌道中心3 m，測量高度為1.2 m，其布置如圖7所示。

圖7 噪聲測試現(xiàn)場

測試時(shí)帶速和輸送小車布置保持不變，測量時(shí)間為60 s，測得的噪聲數(shù)據(jù)如圖8所示。可知，輸送小車在2 m/s運(yùn)行時(shí)，鑄鐵輪段經(jīng)過中間段產(chǎn)生的噪聲為88 dB左右，已超過GB14784—2013《帶式輸送機(jī)安全規(guī)范》中的要求。而超高分子輪段相比鑄鐵輪噪聲低2～5 dB，也始終維持在80 dB以上。這是因?yàn)闇y試時(shí)軌式輸送機(jī)采用鑄鐵輪與超高分子輪混合布置的方式，鑄鐵輪產(chǎn)生的振動(dòng)強(qiáng)，通過鋼軌傳遞，在很大程度上影響了超高分子輪的振動(dòng)，使得整體噪聲增大。

圖8 不同車輪材料噪聲對(duì)比

在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中，將鑄鐵輪全部更換為超高分子輪，測試時(shí)間為30 s，測得的數(shù)據(jù)通過Matlab軟件處理繪出輪軌噪聲等效聲級(jí)的1/3倍頻程圖，如圖9所示。

圖9 1/3倍頻程圖

由試驗(yàn)結(jié)果可知，超高分子輪產(chǎn)生的輪軌噪聲主要分布在中心頻率100～800 Hz以內(nèi)，中頻、高頻噪聲較弱，主要為低頻噪聲。100～250 Hz的線性聲壓級(jí)約為70 dB，相比鑄鐵輪噪聲約降低15 dB。

4 性價(jià)分析

超高分子量工程塑料的分子結(jié)構(gòu)和普通尼龍基本相同。但普通尼龍的分子量較低，約為（3～5）×104，而超高分子工程塑料則具有（300～500）×104的極大分子量，具有其他工程塑料沒有的獨(dú)特性能，如優(yōu)異的耐磨性、潤滑性和耐沖擊性等，具有極高的應(yīng)用價(jià)值。

超高分子量工程塑料的耐磨性超過任何其他熱塑性塑料。其表面的摩擦系數(shù)低，自潤滑性能優(yōu)良，耐磨性是普通塑料的幾十倍，是一般工程塑料的幾倍，并且隨分子量的增大還能進(jìn)一步提高。即使在無潤滑劑存在時(shí)，在鋼軌表面滑動(dòng)工作依然良好。超高分子量工程塑料表面硬度適中，不損壞磨合對(duì)偶材料。

超高分子輪通過模壓成型，再經(jīng)過數(shù)控車床、銑床加工成型，并且由于超高分子量聚乙烯易于加工，與金屬相比是一種非常經(jīng)濟(jì)高效的解決方案。鑄鐵與超高分子量聚乙烯的性能對(duì)比如表2所示，相比于鑄鐵，超高分子量聚乙烯的密度是鑄鐵的14%；表面光滑，摩擦系數(shù)僅為0.07～0.11；耐磨性是鑄鐵的15倍；抗腐蝕性好，不易結(jié)垢，還具有優(yōu)良的抗內(nèi)壓強(qiáng)度、耐環(huán)境應(yīng)力開裂性等特點(diǎn)。

表2 不同材料性能對(duì)比

以軌式輸送機(jī)樣機(jī)為例，整機(jī)100輛輸送小車，400個(gè)車輪：若使用鑄鐵輪，總質(zhì)量為4.63 kg/個(gè)×400個(gè)=1 852 kg；總價(jià)為32.5元/個(gè)×400個(gè)=6.019萬元。使用超高分子輪，總質(zhì)量為0.65 kg/個(gè)×400個(gè)=260 kg，總價(jià)為5.2元/個(gè)×400個(gè)=0.208萬元。可見超高分子輪不但能保證產(chǎn)品的機(jī)械性能，還能實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化，綜合成本低。

5 結(jié)論

1)超高分子輪在材料性能和節(jié)能環(huán)保等方面更加出色，采用超高分子輪代替鑄鐵輪，軌式輸送機(jī)的振動(dòng)噪聲會(huì)得到明顯減弱。

2)在相同頻率下由超高分子輪振動(dòng)產(chǎn)生的幅值比鑄鐵輪低2～3倍。

3)超高分子輪產(chǎn)生的輪軌噪聲主要分布在中心頻率100～800 Hz以內(nèi)，主要為低頻噪聲。

4)超高分子輪在100～250 Hz的振動(dòng)產(chǎn)生的線性聲壓級(jí)約為70 dB，相比鑄鐵輪噪聲約降低15 dB。